光电效应及光电元件

1、Page 1项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件传感器应用传感器应用课程教学资源建设课程教学资源建设建设院校：重庆工业职业技术学院主要参与企业： 中国四联集团 重庆三木华瑞机电有限公司Page 2项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件 1905年德国物年德国物理学家爱因斯坦用理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光量子学说解释了光电发射效应，并光电发射效应，并为此而获得为此而获得1921年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。 2022-4-262Page 3项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件 光电效应光电效应及光电元件及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物体

2、受到一连串能量为用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf 的光的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。物理现象称为光电效应。 2022-4-263 外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。摄像管等。 Page 4项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件 紫外管外形紫外

3、管外形 当入射紫外线照射在当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火多用于紫外线测量、火焰监测等。焰监测等。 2022-4-264紫外线紫外线Page 5项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时， 阻值阻值减小。减小。2022-4-265Page 6项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻受到当光敏电阻受到光照时，光照时，光生

4、电子光生电子空穴对增加，空穴对增加，阻值减阻值减小，电流增大。小，电流增大。2022-4-266暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）Page 7项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光敏二极管光敏二极管 将光敏二极管的将光敏二极管的PN 结设置在透结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的光敏二极管的PN结时，电子结时，电子-空穴空穴对数量增加，光电流与照度成正对数量增加，光电流与照度成正比。比。 2022-4-267Page 8项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光敏二极管外形光敏二极管外形 2022-4-268光敏二极管阵列光敏

5、二极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。Page 9项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 2022-4-269红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管Page 10项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件PIN光电二极管光电二极管 PIN光电二极管是在光电二极管是在P区和区和N区之间插入一层电阻率很大的区之间插入一层电阻率很大的I层，从而层，从而减小了减小了PN结的电容，提高了工作频率。结的电容，提高了工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向

6、光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关频带小信号开关、中波频中波频带带2022-4-2610到到1000MHZ之间电流控制、可变之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和高频功率开关切换和RF领域的高领域

7、的高速开关等。特殊结构的速开关等。特殊结构的PIN二极二极 管还可用于测量紫外线或射线等管还可用于测量紫外线或射线等。Page 11项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）光敏二极管（雪崩光敏二极管） 硅雪崩光电二极管是采用硅雪崩光电二极管是采用n+p-p+型结构的可见光和近红外探测器，它型结构的可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信

8、息传输和光电对抗系统。抗系统。2022-4-2611Page 12项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数系列硅雪崩光电二极管的特性参数 参数参数单位单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直径光敏面直径mm0.20.50.8工作电压工作电压V100150100150150250暗电流暗电流nA152535响应度响应度V/w606060上升时间上升时间ns134噪 声 等 效 功噪 声 等 效 功率率Pw/Hz1/20.050.070.09结电容结电容pF11.52使 用 温 度 范使 用 温 度 范围围-20+40-20+

9、40-20+40封装形式封装形式 TO型型 光纤型光纤型TO型型TO型型Page 13项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光敏二极管的反向光敏二极管的反向偏置接法偏置接法 在没有光照时，由于二极管在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的电流。当光照射在二极管的PNPN结（又称耗尽层）上时，在结（又称耗尽层）上时，在PNPN结附近产生的电子结附近产生的电子- -空穴对数空穴对数量也随之增加，光电流也相应量也随之增加，光电

10、流也相应增大，光电流与照度成正比。增大，光电流与照度成正比。 2022-4-2613Page 14项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件 光敏二极管的反向偏置接线（光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示参考上页图）及光电特性演示 在没有光照时，由于二极管在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流反向偏置，反向电流（暗电流）很小。）很小。2022-4-2614 当光照增当光照增加时，光电流加时，光电流I与光照度成与光照度成正比关系。正比关系。 光敏二光敏二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照Page 15项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光

11、电元件光敏三极管光敏三极管 光敏三极管有两光敏三极管有两个个PN结结。与普通三极管相似，有电流增益。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。，从外观上很难区别。 2022-4-2615Page 16项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光敏三极管外形光敏三极管外形 2022-4-2616Page 17项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光敏三极管内部结构

12、光敏三极管内部结构 a) 内部组成内部组成 b)管芯结构管芯结构 c）结构简化图结构简化图 1集电极引脚集电极引脚 2管芯管芯 3外壳外壳 4玻璃聚光镜玻璃聚光镜 5发射极引脚发射极引脚 6N+ 衬底衬底 7N型集电区型集电区 8SiO2保护圈保护圈 9集电结集电结 10P型基区型基区 11N型发射区型发射区 12发射结发射结 2022-4-2617Page 18项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件硅硅光敏晶体管光敏晶体管的的光谱特性光谱特性 电磁波频谱电磁波频谱2022-4-2618Page 19项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光电特性光电特性 光光电电流流2

13、022-4-26190光照光照光敏光敏 三极管三极管光敏光敏 二极管二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流I IEPage 20项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光敏晶闸管光敏晶闸管 光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极、阴极k和门极和门极g 。它的顶。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照极

14、接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，比光敏

15、三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。可用于工业自动检测控制。2022-4-2620Page 21项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光敏晶闸管外形光敏晶闸管外形光敏面光敏面2022-4-2621Page 22项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件基于光生伏特效应的光电元件基于光生伏特效应的光电元件 光电池光电池 在在N型衬底上制造一薄层型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对型区每吸

16、收一个光子就产生一对光生电子光生电子空穴对，空穴对， 光生光生 电子电子空穴对的的扩散运动使电子通过漂移空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到运动被拉到N型区，空穴留在型区，空穴留在P区，所以区，所以N区带负电，区带负电，P区带正电。如果区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。输出。 2022-4-2622Page 23项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光电池光电池外形外形2022-4-2623光敏面光敏面Page 24项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件能提供

17、较大电流的大面能提供较大电流的大面积光电池积光电池外形外形2022-4-2624Page 25项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件其他其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用2022-4-2625柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池Page 26项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用2022-4-2626太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能 硅光电硅光电池板池板Page 27项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用

18、（续）2022-4-2627太阳能发电太阳能发电Page 28项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）2022-4-2628光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用Page 29项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件光电池的光电特性光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性 1 1开路电压曲开路电压曲线线 2 2短路电流曲线短路电流曲线 2022-4-2629开路电压为开路电压为 对数特性对数特性短路电流为短路电流为 线性特性线性特性Page 30项目：光电效应项目：光电效应

19、及光电元件及光电元件2022-4-2630第二节第二节 光电传感器的应用光电传感器的应用 光源本身是被测物的应用实例光源本身是被测物的应用实例 光的照度光的照度E的单位是的单位是lx（勒克斯），它是常用的勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测理量，可以用照度计来测量。量。 光电池（外加光电池（外加柔光罩）柔光罩）Page 31项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-26311.1.红外线辐射温度计：红外线辐射温度计： 红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度红外辐射

20、温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从温度范围可以从-30-3030003000，中间分成若干个不同的规格，可，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。根据需要选择适合的型号。Page 32项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2632红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于用于瞄准瞄准Page 33项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2633红外线辐射温度计外形红外线辐射温度

21、计外形 红外线辐射温度计红外线辐射温度计用于食品用于食品温度测量温度测量Page 34项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2634红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪Page 35项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2635红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量Page 36项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2636 红外线辐射温度计在红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用非接触温度测量中的应用集成集成IC 温度测温度测量量P

22、age 37项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2637 红外线辐射温度计在非接触温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）和面食）Page 38项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2638红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）（续）利用红色激光瞄准被利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花测物（电控柜、天花板内的布线层）板内的布线层）温度采集系统温度采集系统Page 39项目：光电效应项目：光电效

23、应 及光电元件及光电元件2022-4-2639比色式温度传感器温度非接触比色式温度传感器温度非接触测量中的应用测量中的应用 比色式温度传感器采用比色式（双波比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准璃影响，能瞄准 , ,测量小目标，可不考虑测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。调焦就可准确测量。 比色温度计

24、适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 : :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。场。Page 40项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-26402.2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用热释电传感器在人体检测、报警中的应用 热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控

25、制等。 热释电元件外形热释电元件外形 Page 41项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2641热释电传感器简介热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥

26、感以及热辐射探测器。除体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等自动记录动物或人的活动等等 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优您可以

27、根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。秀的新产品。或自动化控制装置。Page 42项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2642热释电传感器的内部电路热释电传感器的内部电路两块反向串联两块反向串联的热释电晶片的热释电晶片场效应管场效应管Page 43项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2643热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透菲涅尔透

28、镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不视而不见见”的。的。 Page 44项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2644菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片Page 45项目：光电效应项目：光电效应 及光电元件及光电元件2022-4-2645菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离透