10.1光电效应及光电元件

第十章光电传感器

本章学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，掌握光电开关及光电断续器的使用方法。10/13/20231

1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

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第一节光电效应及光电元件

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。

1、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，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

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紫外管外形当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。

紫外线10/13/20234（2）内光电效应：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的光电效应。基于内光电效应光电元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。10/13/202351、光敏电阻

内光电效应：当光敏电阻受到光照时，阻值减小。10/13/20236光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）10/13/2023710/13/20238光敏电阻的特性和参数（1）暗电阻置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。（2）光电特性在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。

10/13/20239某型号光敏电阻的光电特性a）光照/电阻特性b）光照/电流特性从图中可以看出：当光照大于100lx时，它的光电特性非线性十分严重了。10/13/202310光通量是光源在单位时间内发出的光量总和。光通量单位：流明（lm）照度定义：E=dΦ/dA，所以1lx=1lm/m2。照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。照度单位：勒克斯（lux）10/13/202311150lx是教育部门要求所有学校课堂桌面所必须达到的标准照度。用照度计测量：距离为2m时，15W白炽灯的照度为50lx；节能台灯的照度为2000lx；阴天靠窗的照度为2000lx；太阳光直接照射的照度为10000～40000lx。10/13/2023122、光敏二极管（内光电）将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。10/13/202313光敏二极管的反向偏置接法

在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。

10/13/202314光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示

在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。

当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。

光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照10/13/202315PIN光电二极管

PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。PIN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）、UHF频带小信号开关、中波频带到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。特殊结构的PIN二极管还可用于测量紫外线或射线等。10/13/202316APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）硅雪崩光电二极管具有高响应度，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抗系统。10/13/2023173、光敏三极管（光控基极）光敏三极管有两个PN结。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，只有正负（c、e）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。

10/13/202318光敏晶体管的基本特性（1）光谱特性看图，结论：不同材料的光敏晶体管对不同波长的入射，其相对灵敏度Kr不同。

1－常规工艺硅光敏晶体管的光谱特性2－滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移3－滤光玻璃引起的光谱特性红偏移10/13/202319（2）光电特性

0光照光电流光敏三极管光敏二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流IΦ

IΦE10/13/202320光敏三极管外形

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3、光生伏特效应：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的光电效应。

基于光生伏特效应的光电元件——光电池

在N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光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。

10/13/202322光电池外形光敏面10/13/202323能提供较大电流的大面积光电池外形10/13/202324光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板10/13/202325光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电10/13/202326光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用10/13/202327光电池的基本特性（1）光谱特性提问：硅光电池的灵敏度峰值波长为多少μm？（2）光电特性曲线1：光电池负载开路时的“开路电压”Uo的特性曲线；曲线2：负载短路时的“短路电流”IΦ的特性曲线。10/13/202328光电池的光电特性

一个典型的硅光电池的光电特性

1—开路电压曲线2—短路电流曲线

开路电压为对数特性短路电流为