4.1 光电效应和光电器件120.ppt

4 1光电效应和光电器件 光电效应和光电器件 外光电效应 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象 如光电管 光电倍增管内光电效应 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象 如光敏电阻等属于这类光电器件 阻挡层光电效应 光生伏特效应 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象 如光电池 光敏晶体管等 一 光谱光波 波长为10 106nm的电磁波可见光 波长380 780nm紫外线 波长10 380nm 波长300 380nm称为近紫外线波长200 300nm称为远紫外线波长10 200nm称为极远紫外线红外线 波长780 106nm波长3 m 即3000nm 以下的称近红外线波长超过3 m的红外线称为远红外线 光谱分布如图所示 光谱 远紫外 近紫外 可见光 近红外 远红外 极远紫外 0 01 0 1 1 10 0 05 0 5 5 波长 m 频率 Hz 光子能量 eV 1015 5 1014 1014 5 1013 100 10 1 50 5 0 5 5 1015 1016 3 1018 光的波长与频率的关系由光速确定 真空中的光速c 2 99793 1010cm s 通常c 3 1010cm s 光的波长 和频率 的关系为 的单位为Hz 的单位为cm 3 1010cm s 光电效应1 外光电效应 光子是具有能量的粒子 每个光子的能量 E h h 普朗克常数 6 626 10 34J s 光的频率 s 1 根据爱因斯坦假设 一个电子只能接受一个光子的能量 所以要使一个电子从物体表面逸出 必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功 超过部分的能量表现为逸出电子的动能 外光电效应多发生于金属和金属氧化物 从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10 9s 根据能量守恒定理式中m 电子质量 v0 电子逸出速度 光电子能否产生 取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0 不同的物质具有不同的逸出功 即每一个物体都有一个对应的光频阈值 称为红限频率或波长限 当入射光的频谱成分不变时 产生的光电流与光强成正比 即光强愈大 意味着入射光子数目越多 逸出的电子数也就越多 光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 2 因此外光电效应器件 如光电管 即使没有加阳极电压 也会有光电子产生 为了使光电流为零 必须加负的截止电压 而且截止电压与入射光的频率成正比 在光线作用 电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态 而引起材料电导率的变化 这种现象被称为光电导效应 基于这种效应的光电器件有光敏电阻 常存在于高电阻率的半导体中 半导体的导电特性 2 光电导效应 q是电子电荷 Nn Np是自由电子和自由空穴的浓度 n p是自由电子和自由空穴的迁移率 为碰撞时间 过程 当光照射到半导体材料上时 价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击 并使其由价带越过禁带跃入导带 如图 使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加 从而使电导率变大 导带 价带 禁带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带 Eg 3 光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应 势垒效应 结光电效应 接触的半导体和PN结中 当光线照射其接触区域时 便引起光电动势 这就是结光电效应 以PN结为例 光线照射PN结时 设光子能量大于禁带宽度Eg 使价带中的电子跃迁到导带 而产生电子空穴对 在阻挡层内电场的作用下 被光激发的电子移向N区外侧 被光激发的空穴移向P区外侧 从而使P区带正电 N区带负电 形成光电动势 4 1光电效应和光电器件 4 1 1光电管4 1 2光电倍增管4 1 3光敏电阻4 1 4光敏二极管和光敏晶体管4 1 5光电池4 1 6光电式传感器的应用 4 1 1光电管 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子 电子被带正电位的阳极所吸引 在光电管内就有电子流 在外电路中便产生了电流 上一页 下一页 返回 真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性 充气光电管 构造和真空光电管基本相同 优点是灵敏度高 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性 频率特性等都比真空光电管差 上一页 下一页 返回 4 1 2光电倍增管 在入射光极为微弱时 光电管能产生的光电流就很小 光电倍增管 放大光电流组成 光电阴极 若干倍增极 阳极 上一页 下一页 返回 光电倍增管的结构与工作原理 光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有Sb Cs或Ag Mg等光敏材料 并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上 引起二次电子发射 二次电子发射系数 二次发射电子数 入射电子数若倍增极有n 则倍增率为 n 上一页 下一页 返回 4 1 3光敏电阻 1 光敏电阻的工作原理及结构2 光敏电阻的主要参数3 光敏电阻的基本特性 上一页 下一页 返回 1 光敏电阻的工作原理及结构 当无光照时 光敏电阻值 暗电阻 很大 电路中电流很小当有光照时 光敏电阻值 亮电阻 急剧减少 电流迅速增加 上一页 下一页 返回 光敏电阻的结构 1 玻璃2 光电导层3 电极4 绝缘衬底5 金属壳6 黑色绝缘玻璃7 引线 光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中 上一页 下一页 返回 半导体吸收光子而产生的光电效应 只限于光照的表面薄层 光敏电阻的电极一般采用梳状 提高了光敏电阻的灵敏度 灵敏度高 光谱特性好 光谱响应从紫外区一直到红外区 而且体积小 重量轻 性能稳定 梳状电极 上一页 下一页 返回 2 光敏电阻的主要参数 1 暗电阻和暗电流光敏电阻在室温条件下 在全暗后经过一定时间测量的电阻值 称为暗电阻 一般在兆欧数量级 此时流过的电流 称为暗电流 2 亮电阻光敏电阻在某一光照下的阻值 称为该光照下的亮电阻 一般在几千欧以下 此时流过的电流称为亮电流 3 光电流亮电流与暗电流之差 称为光电流 上一页 下一页 返回 3 光敏电阻的基本特性 1 伏安特性 2 光照特性 3 光谱特性 4 响应时间和频率特性 5 温度特性 上一页 下一页 返回 1 伏安特性 在一定照度下 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 在给定的偏压情况下 光照度越大 光电流也就越大 在一定光照度下 加的电压越大 光电流越大 没有饱和现象 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关 上一页 下一页 返回 2 光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性 因此不宜作为测量元件 一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件 上一页 下一页 返回 3 光谱特性 光敏电阻对不同波长的光 灵敏度是不同的 上一页 下一页 返回 4 响应时间和频率特性 光电导的弛豫现象 光电流的变化对于光的变化 在时间上有一个滞后 通常用响应时间t表示 上一页 下一页 返回 ms 光敏电阻的频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间 所以它们的频率特性也就不尽相同 上一页 下一页 返回 5 温度特性 光敏电阻受温度的影响较大 当温度升高时 它的暗电阻和灵敏度都下降 硫化镉光敏电阻的温度特性 温度系数 在一定光照下 温度每变化1 光敏电阻阻值的平均变化率 上一页 下一页 返回 温度对光谱特性影响 随着温度升高 光谱响应峰值向短波方向移动 因此 采取降温措施 可以提高光敏电阻对长波光的响应 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 上一页 下一页 返回 一 应用于电路的分析与计算 U I RG RL 通常从等效电路和伏安特性曲线进行基本的分析 如左图所示 所以很明显应用光敏电阻可以在低速 由响应时间和频率特性决定 用作开关电路 如果要合理设计 那么就要综合考虑前面介绍的光敏电阻的各种特性 基本分析电路 二 应用于器件的选取 如 应用它的光谱特性 对不同波长的光选用不同的器件 等等 4 1 4光敏二极管和光敏晶体管 1 工作原理2 基本特性 上一页 下一页 返回 1 工作原理 结构与一般二极管相似 装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的 光敏二极管 上一页 下一页 返回 光敏晶体管 与一般晶体管很相似 具有两个pn结 把光信号转换为电信号同时 又将信号电流加以放大 上一页 下一页 返回 2 基本特性 1 光谱特性 2 伏安特性 3 光照特性 4 温度特性 5 频率响应 上一页 下一页 返回 1 光谱特性 入射光的波长增加时 相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极 晶体 管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时 一般都用硅管 在红外光进行探测时 则锗管较为适宜 上一页 下一页 返回 2 伏安特性 上一页 下一页 返回 硅光敏管的伏安特性 3 光照特性 硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 上一页 下一页 返回 4 温度特性 其暗电流及光电流与温度的关系 温度变化对光电流影响很小 而对暗电流影响很大 上一页 下一页 返回 5 频率响应 具有一定频率的调制光照射时 光敏管输出的光电流 或负载上的电压 随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应 上一页 下一页 返回 例1光敏二极管GG的联结和伏安特性如图所示 若光敏二极管上的照度发生变化 L 100 100 sin t lx 为使光敏二极管上有10V的电压变化 求所需的负载电阻RL和电源电压E 解 根据曲线 最大电压与最大光照对应 并使它工作在线性区域 我们取200lx的拐点对应2V 则电源电压为 伏安特性 连接电路 在电压轴上找到12V的点 连接拐点与该点的直线为负载线 拐点对应的电流为10微安 负载电阻为 4 1 5光电池 有光线作用下实质上就是电源 电路中有了这种器件就不再需要外加电源 1 工作原理2 基本特性 上一页 下一页 返回 1 工作原理 直接将光能转换为电能的光电器件 是一个大面积的pn结 当光照射到pn结上时 便在pn结的两端产生电动势 p区为正 n区为负 用导线将pn结两端用导线连接起来 就有电流流过 电流的方向由P区流经外电路至n区 若将电路断开 就可以测出光生电动势 上一页 下一页 返回 2 基本特性 1 光谱特性 2 光照特性 3 频率响应 4 温度特性 5 稳定性 上一页 下一页 返回 1 光谱特性 光电池对不同波长的光 灵敏度是不同的 上一页 下一页 返回 2 光照特性 不同光照度下 光电流和光生电动势是不同的 短路电流与光照度成线性关系 开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时 应把它当作电流源的形式来使用 上一页 下一页 返回 光电池的短路电流 外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值 负载越小 光电流与照度之间的线性关系越好 而且线性范围越宽 上一页 下一页 返回 3 频率响应 指输出电流随调制光频率变化的关系 硅光电池具有较高的频率响应 用于高速计数的光电转换 上一页 下一页 返回 4 温度特性 开路电压和短路电流随温度变化的关系 关系到应用光电池的仪器的温度漂移 影响到测量精度或控制精度等重要指标 硅光电池的温度特性 照度1000lx 上一页 下一页 返回 5 稳定性 当光电池密封良好 电极引线可靠 应用合理时 光电池的性能是相当稳定的硅光电池的性能比硒光电池更稳定影响性能和寿命因素 光电池的材料及制造工艺使用环境条件 上一页 下一页 返回 BG2 BG1 12V C J R1 R2 图1 光电开关 例 图1所示电路为光电开关 多用于自动控制系统中 无光照时 系统处于某一工作状态 如通态或断态 当光电池受光照射时 产生较高的电动势 只要光强大于某一设定的阈值 系统就改变工作状态 达到开关目的 I U RL 光电池的基本连接电路 光电特性和光照特性曲线 光电特性和光照特性曲线 伏安特性曲线 频率特性曲线 频率特性曲线 温度变化对元件特性的影响 4 1 6光电式传感器的应用 模拟式传感器脉冲式传感器 上一页 下一页 返回 一 光电式传感器的基本组成1 光源 被测量X1直接对光源作用 使光通量 1的某一参数发生变化 2 光学通路 被测量X2作用于光学通路中 对传播过程中的光通量进行调制 3 光电器件4 测量电路 5 4 3光电传感器的基本组成和类型 图5 4 15光电传感器的基本组成 二 光电传感器的基本类型1 透射式应用 测量透明度和混浊度 2 反射式应用 测量表面粗糙度3 辐射式应用 光电高温计和炉子燃烧监视装置 4 遮挡式应用 测量物体面积 尺寸和位移等5 开关式应用 开关 产品计数或测量转速等 编码 图5 4 16透射式光电传感器 图5 4 17反射式光电传感器 图5 4 18辐射式光电传感器 图5 4 19遮挡式光电传感器 1 模拟式光电传感器 基于光电器件的光电流随光通量而发生变化 是光通量的函数 对于光通量的任意一个选定值 对应的光电流就有一个确定的值 而光通量又随被测非电量的变化而变化 这样光电流就成为被测非电量的函数 光电比色高温计 1 物镜 2 平面玻璃 3 光阑 4 光导棒 5 分光镜 6 滤光片 7 硅光电池 8 滤光片 9 硅光电池 10 瞄准反射镜 11 圆柱反射镜 12 目镜 13 多夫棱镜14 15 硅光电池负载电阻 16 可逆电机 17 电子电位差计 2 脉冲式光电传感器 光电器件的输出仅有两个稳定状态 也就是 通 与 断 的开关状态 光电器件受光照时 有电信号输出 光电器件不受光照时 无电信号输出 属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器 如测量线位移 线速度 角位移 角速度 转速 的光电脉冲传感器等等 光电式数字转速表 Lighthasanelectromagneticnature Itmaybeconsideredapropagationofeitherquantaofenergyorelectromagneticwaves Differentportionsofthewave frequencyspectrumaregivenspecialnames ultraviolet UV visible near mid andfarinfrared IR microwaves radiowaves andsoforth Thename light wasarbitrarilygiventoelectromagneticradiationwhichoccupieswavelengthsfromapproximately0 1to100 m Lightbelowtheshortestwavelengththatwecansee violet iscalledultraviolet andhigherthanthelongestthatwecansee red iscalledinfrared Theinfraredrangeisarbitrarilysubdividedintothreeregions near infrared fromabout0 9to1