电工学7光电式

1、第七章 光电式传感器1光电效应：是指一些金属、金属氧化物或半导体材料在光的照射下释放电子的现象。2分类 外光电效应：当物体在光的照射下，物体中的电子从表面逸出的现象，又称为光电发射效应。例如：光电管。 内光电效应：物体在光的作用下，物体中的电子并不逸出，而在物体内部运动影响其本身的电特性，这种现象称为内光电效应。内光电效应又分为：光电导效应：在光照的作用下，物体的电导率发生变化， 例如：光敏电阻；光伏效应：在光照的作用下，物体在某一方向上产生电动势的现象，例如：光敏晶体管、光电池。光电式传感器：利用光电元件将光信号转变成电信号的一种装置，其工作基础是光电效应。第七章 光电式传感器71光敏电阻一

2、、工作原理要点：半导体材料，光照下，电子吸收光子能量，价电子变成自由状态形成电子空穴对（载流子），载流子浓度增大，导电性增强，电阻减小。光敏电阻及其电路光敏电阻具体结构参见教材P93图7-1技术参数 光敏电阻无极性 暗电流、暗电阻 暗电阻：无光照时的电阻，几兆欧 暗电流：与暗电阻对应的电流。 亮电流、亮电阻 亮电阻：有光照时的电阻，几千欧 亮电流：与亮电阻对应的电流。 光电流亮电流暗电流 灵敏度：亮电阻与暗电阻之差越大，光电流越大，灵敏度越大。第七章 光电式传感器二、基本特性第七章 光电式传感器光照特性0Ev(lx)I(mA)1光照特性：又称光电特性，光电流与光照强度的关系。 左图表明：光照特

3、性一般为非线性，所以，只用作开关式光电转换元件。（给定电压的电路中，见P93图7-1）2伏安特性：光电流与外加电压之间的关系。 U(V)I(mA)1000lx100lx0伏安特性左图表明：在给定电压的情况下，光电流随着光照强度的增加而增加，电阻也随着光照强度的增加而减小。 3光谱特性：表示光的波长与光电流的关系。0相对灵敏度(um)光谱特性材料1材料3材料2左图表明：同一材料对不同波长的光敏感度不一样；不同材料对同一波长的光敏感度不一样。意义：根据被测光的波长不同，选择不同的光敏材料。4频率特性：表示光电流与光照强度变化频率之间的关系相对灵敏度f(Hz)01硫化铅硫化铊频率特性左图表明：不同材

4、料的频率特性不同，图中硫化铅的工作带宽要大于硫化铊。 5温度特性温度高，暗电阻减小，暗电流增大，光电流减小，灵敏度也随之减少；反之增大。72光电二极管和光电三极管一、光电二极管（光敏二极管）与普通二极管的异同点： 在结构上很类似，只是光电二极管的PN结由光敏半导体材料构成，具有光敏特性，且PN结面积较大以更多的接收光的照射，PN结较浅以提高光电转换能力。 在制造工艺上也是相似的，锗管采用合金扩散法，硅管用用硅平面工艺。 PN结的光敏导通特性。在PN结上施加反向电压，在无光照时，呈截止状态，有光照时，呈导通状态。1PN结型光电二极管RPN光敏二极管基本电路光敏导通性：当无光照时，只有微弱的暗电流

5、，处于反向截止状态；当有光照时，形成光电流，处于导通状态，并且光电流的大小随着光照强度的不同而不同。2PIN结型光电二极管：用于激光、光通信等高速场合。决定PN结型光电二极管对光响应时间的主要因素是光生载流子的扩散时间： 在P层与N层之间增加了一个I层，且P层作的比较薄，受到光照时，光通过P层到I层，激发出更多的载流子；（多载流子碰撞几率增大） 在PN结上施加的反向电压增高，加强了PN结电场，提高了载流子通过PN结的扩散速度。（高电压强电场移动快）光PINRPIN型光电二极管以上两点保证了PIN型光敏二极管的响应速度增快。3APD型光电二极管：具有电流增益作用 电流增益作用： 在P的另一侧增加

6、一个高浓度P+层； 在PN结上施加高电压（接近于反向击穿电压），在强电场的作用下，P+的电子高速通过PN结，在移动过程中碰撞产生更多的载流子，这些载流子在强电场的作用下，形成链锁反映，形成“雪崩”现象，使通过二极管的电流猛增，从而产生了大的光电流。 光P+pNRAPD型光电二极管 4应用电路举例VT2R1R2R3R4VT1VD1K亮通电路VT2R1R3R4VT1VD1K暗通电路二、光电三极管（光敏三极管）Rbce光电三极管电路1类型与特点光电三极管与普通三极管的异同点： 结构上很类似，只是基极面积较大以接受光的照射； 有电流增益作用。2应用电路举例 R2VT1VT2VccVoutR1光敏三极管

7、应用电路三、光电二极管与光电三极管的基本特性 1光照特性：光电流与光照强度的关系0I(uA)I(mA)Ev(lx)Ev(lx)0光电二极管光电三极管比较： 线性度：光电二极管优于光电三极管 电流增益：光电三极管优于光电二极管（注意单位不同） 2伏安特性：光电流与外加偏置电压的关系 U(v)I(uA)I(mA)光照度光照度光电二极管光电三极管00U(v)比较： 零输入电压时，二极管有光电流，三极无光电流； 二极管的伏安特性近似于一条直线，在光照一定的情况下，相当于一个恒流源；三极管有斜线区和直线区（光电流由不饱和到饱和）。 3频率特性： 光电流与光照强度变化频率之间的关系。 f10MHz，PIN

8、型或APD型200300Kf10MHz，PN型f200300K，光电三极管响应速度73光电池 一、硅光电池的结构和工作原理 抗反射层栅状电极（上）扩散层PN结硅基片背电极（下）从硅电电池的结构可以看出，其实质是一个大面积的无偏置半导体PN结，栅状电极和背电极用于输出电动势，抗反射层是为了提高光吸收率。 工作原理：当光照射在光电池的PN结上时，除了一小部分反射之外，绝大部分被PN结接收，在PN结处产生空穴电子对，由于无外加偏置电压，空穴移向P区，使P区带正电，电子移向N区，使N区带负电，于是在P区和N区之间就产生电动势（光生电动势）。二、光电池的基本特性 光照特性： (1)开路电压光照度 Uoc

9、IscEvEv短路电流光照度 比较： 非线性变化（分上升段和饱和段）； 线性变化，可作为电流源2光谱特性：光电流与波长之间的关系 从左图中可以看出，硅的最大灵敏度对应的波长，属于可见光范围。同时比较硅、锗、硒三种材料，在可见光范围内，硅的灵敏度最高（参见教材P100图7-15） 相对灵敏度1.00.40.60.7硅的光谱特性3频率特性：光电流与光照强度变化频率之间的关系 0If频率特性4温度特性： UocIscTT下降较快上升较慢开路电压温度T 短路电流温度T 74光电传感器的应用 一、光电传感器的类型1模拟量光电检测系统 直射光 透射光 反射光 位移2开关量光电检测系统 光电开关 光耦二、常

10、用光电元件1光控晶闸管： G控制极阴极K阳极A结构图P2n2n1P1J2J3J1GVDAKPNPNPNIGID等效电路光控晶闸管是由光辐射触发导通的晶闸管，又称为光控可控硅。 从上面的结构图及等效电路可以看出：结构图中的P1n1P2等效电路中的PNP结构图中的n2P2n1等效电路中的NPN结构图中的J2（反向偏置）等效电路中的VD结构图中的J1（正向偏置）等效电路中的NPN的PN结结构图中的J3（正向偏置）等效电路中的PNP的PN结在阳极A和阴极K上加上电压，则： 其中： 、：三极管放大系数 ID: J2结反向漏电流 IG:控制极电流，当 IG=0时与一般晶闸管不同的是，控制信号不是电信号，而

11、是光信号，如下例： R2R1VoutC1Vs1Vs2VccVD光控晶闸管典型应用电路无光照时，光控晶闸管Vs1阻断，此时C1充电，当电压达到普通晶闸管Vs2的转折（动作）电压时，Vs2触发导通；有光照时，Vs1导通，C1被短路，Vs2断开。 3光电耦合器将发光元件与受光元件封装在一起组成的复合转换元件，完成电光电两次转换，通过光进行输入端与输出端的耦合，同时实现了电路输入端与输出端的电隔离，所以又称为光电隔离器。具体结构参见教材P103图7-22。通常有以下组合形式： 光敏二极管型 光敏三极管型 交流输入型 光敏达林顿三极管型（电流传输子大） 光敏二极管与开关管组合型（响应快） 特点： 光电耦

12、合器实现了光耦合，在输入与输出端之间绝缘电阻很高（1010），具有优良的隔离性； 具有单向传输性：电光电； 可以实现脉冲转换与直流电平转换，作为不同逻辑电路的接口； 响应快，寿命长。4光电开关光电开关又称为光电断续器，将红外发光元件与光电元件组装在一起，根据其结构，有透射式和反射式两种，具体结构详见教材P104，图7-27。有物体靠近：低无物体靠近：高R1R2R2R1R3VccVccVoutVout隔开（有障碍物）：高连通（无障碍物）：低透过型反光型三、应用举例1光电式数字转速记（详见教材P101，图7-19）2照明灯自动开关（详见教材P101）3光位计（详见教材P105，图7-29）4安全防灾（详见教材P105-P106）5声控光敏延时开关（图7-20+声控） 主要应用在