光电管的特性课件

第七章第七章 光电式传感器光电式传感器n n 71 光电效应 光电传感器是一种将光学量（光通量、照度）的变化转换为电量（电压、电流）变化的传感器1、外光电效应 在光线的作用下，金属内的电子逸出金属表面，向外发射的现象称为外光电效应，基于外光电效应的器件有光电管和光电倍增管。第七章 光电式传感器 71 光电效应 11光电管对于光子 电子逸出功电子逸出时速率 入射光的频率1光电管对于光子 电子逸出功入射光的频率2光通量 真空光电管的伏安特性2040 60 8 0 4 12 16 80光通量 真空光电管的伏安特性2040 60 8 0 4 123充气光电管伏安特性24812020 40 60 80强光弱光充气光电管伏安特性24812020406080强光弱光4n n光电子是否产生取决于光子能量，这意味着每一种金光电子是否产生取决于光子能量，这意味着每一种金属物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。光线属物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。光线的频率若低于红线频率，光子能量不足以使物体内电子的频率若低于红线频率，光子能量不足以使物体内电子逸出逸出n n光的频率不变，光越强，光电子越多，光强意味着光光的频率不变，光越强，光电子越多，光强意味着光子数目多逸出的电子数目也越多子数目多逸出的电子数目也越多n n光电子逸出时具有初始动能，因此光电管即使没有正光电子逸出时具有初始动能，因此光电管即使没有正向电压也会有电流，为了使光电流为零，必须加反相电向电压也会有电流，为了使光电流为零，必须加反相电压，反相电压与光的频率成正比压，反相电压与光的频率成正比光电子是否产生取决于光子能量，这意味着每一种金属物体都有一52光电倍增管阴极K 第一倍增级 第二倍增级 第三倍增级第四倍增级阳极A 2光电倍增管阴极K 第一倍增级 第二倍增级 第三倍增级第6每级电压为50100V，适用于弱光下工作，强光易损坏光电倍增管 每级电压为50100V，适用于弱光下工作，强光易损坏光电倍7n n设每级倍增率为设每级倍增率为 （一个电子能轰击出（一个电子能轰击出 个次级电子），个次级电子），若有若有n n个次阴极，则总的光电流倍增系数为个次阴极，则总的光电流倍增系数为 ，为为各级次阴极各级次阴极 电子收集效率。倍增管阳极电流电子收集效率。倍增管阳极电流 与阴极电流与阴极电流 的关系为的关系为设每级倍增率为 （一个电子能轰击出 个次级电子8光电倍增管的放大倍数与极间电压之间的关系极间所加电压越稳定越好100751255025极间电压/V放大倍数光电倍增管的放大倍数与极间电压之间的关系极间所加电压越稳定越9n n光谱特性与阴极所用的材料有关 阴极 锑铯银氧铯红外光源锑铯紫外光源可见光范围灵敏度高光谱特性与阴极所用的材料有关 阴极 锑铯银氧铯红外光源可10绝大多数高电阻半导体受光照后吸收光子能量，产生电阻率降低而易于导电的现象称为内光电效应。二、内光电效应导带禁带价带自由电子所占能带不存在电子的能带价电子所占的能带电子能量E禁带宽度红限绝大多数高电阻半导体受光照后吸收光子能量，产生电阻率降低而易11光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻+镀金电极CdS半导体光敏电阻+镀金电极CdS半导体12光电导材料光电导材料光电导材料光电导材料单质氧化物 Cd化合物Pb化合物其它 SeSe G eG e S iS i ZnOZnO PbOPbO CdSCdS CdSeCdSe CdTeCdTe PbSPbS PbSePbSe PbTePbTe InSbInSb SbSSbS3 3 光电导材料单质氧化物 Cd化合物Pb化合物其它 Se G 13光敏电阻的特性光敏电阻的特性光敏电阻的特性光敏电阻的特性n n暗电阻、亮电阻与光电流暗电阻、亮电阻与光电流n n伏安特性伏安特性n n光照特性光照特性n n光谱特性光谱特性n n光敏电阻响应时间光敏电阻响应时间 和频率特性和频率特性 为光电流上升为稳定值的为光电流上升为稳定值的6363所需要的时间所需要的时间 越大，频率特性越差越大，频率特性越差光敏电阻的特性暗电阻、亮电阻与光电流144350612750100硫化铅硫化铊光敏电阻的伏安特性4350612750100硫化铅硫化铊光敏电阻的伏安特性150.050.100.150.200.250.300.61.20光敏电阻的光照特性 光通量/lm光电流/mA0.050.100.150.200.250.300.61.2161003000060804020015000相对灵敏度/入射光波长/硫化镉硫化铊硫化铅光敏电阻的光谱特性1003000060804020015000相对灵敏度/入17相对灵敏度/Hz硫化铅硫化镉01010000100010020406080100光敏电阻的频率特性相对灵敏度/Hz硫化铅硫化镉0101000010001018732 光电池光电池n n光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源 一、结构和工作原理一、结构和工作原理硼扩散层P型电极N型硅片P-N结电极I光电池的结构原理图732 光电池光电池能直接将光通量转变为电动势，实19 1.1.用途用途 a.a.作光电探测器使用作光电探测器使用 红外辐射探测器红外辐射探测器 光电读出光电读出 光电耦合光电耦合 b.b.作为电源使用作为电源使用 人造卫星人造卫星 野外灯塔野外灯塔 微波站微波站 1.用途 20膜 光 光电池有方形 圆形 三角形 环形等膜 光 光电池有方形 圆形 三角形 环形等21PN PN VocPN mAPN PN VocPN mA22 光电池的输出短路电流 无光照时PN结反向饱和电流电子电量玻尔兹曼常数热力学温度光电池开路输出电压 光电池的输出短路电流 无光照时PN结反向饱和电流230.60.40.2400020000204060801000.81.0Ge光电池光电特性0.60.40.2400020000204060801000240.60200040000.21002003000.4Si光电池光电特性0.60200040000.21002003000.4Si光25脉冲光信号变换电路脉冲光信号变换电路脉冲光信号变换电路脉冲光信号变换电路脉冲光信号变换电路2610V10V10V10V27A4V光电池用以探测缓慢变化光信号的电路A4V光电池用以探测缓慢变化光信号的电路28相对灵敏度/波长 硒硅20080604040001008000600010000光电池的光谱特性相对灵敏度/波长 硒硅20080604040001008029硒光电池硅光电池150004020806030001004500 60007500相对光电流/Hz光电池的频率特性硒光电池硅光电池150004020806030001004530773 33 3光敏二级管和光敏三级管光敏二级管和光敏三级管光敏二级管和光敏三级管光敏二级管和光敏三级管n n一、光敏二级管一、光敏二级管PNE733光敏二级管和光敏三级管一、光敏二级管PNE31ERVI 300lx200lx100lx光敏二级管的伏安特性400lxERVI 300lx200lx100lx光敏二级管的伏安特性32NPN E二、光敏三级管二、光敏三级管二、光敏三级管二、光敏三级管波长短，光子在半导体表面被吸收，波长长时能量小NPN E二、光敏三级管波长短，光子在半导体表面被33 三、光电管的特性三、光电管的特性三、光电管的特性三、光电管的特性相对灵敏度/硅锗光电三极管光谱特性 三、光电管的特性相对灵敏度/硅锗光电三极管光谱特性34反向偏压/V4060020201030400lx600lx800lx1000lx硅光电二极管伏安特性反向偏压/V4060020201030400lx600350264108302040400lx700lx500lx600lx300lx硅光电三极管伏安特性0264108302040400lx700lx500lx603601020020400306004080010002CUA2CUA2CUS硅光电二级管光照特性01020020400306004080010002CUA23765432105001000硅光电三级管光照特性3DU333DU523DU2365432105001000硅光电三级管光照特性3DU33338774 4新型光电器件新型光电器件新型光电器件新型光电器件 PNI 导带 价带价带信号光 一、PIN光电二级管74新型光电器件 PNI 导带 价带信号光 一、P39n n P P型层很薄使光子很快进入型层很薄使光子很快进入I I区区n nI I区电阻很大可加较高电压区电阻很大可加较高电压n n高的电阻使暗电流明显减小，这些产生的光生电子高的电阻使暗电流明显减小，这些产生的光生电子空穴对将立刻被电场分离并作快速漂移运动空穴对将立刻被电场分离并作快速漂移运动n nI I区加入增大了耗尽层厚度区加入增大了耗尽层厚度n n减小了结电容减小了结电容CJCJ，提高了量子效率，提高了量子效率n n漂移时间约为漂移时间约为 相当于相当于f=f=KMHzKMHz P型层很薄使光子很快进入I区40二、雪崩光敏二级管（二、雪崩光敏二级管（二、雪崩光敏二级管（二、雪崩光敏二级管（APDAPD）PN类似光电倍增管，具有内部电流增益雪崩倍增光电流无雪崩倍增时的反向饱和电流倍增因子二、雪崩光敏二级管（APD）PN类似光电倍增管，具有内部41外加电压击穿电压常数，约为13外加电压击穿电压常数，约为1342774 43 3色敏光电传感器色敏光电传感器色敏光电传感器色敏光电传感器PPN电极1 电极2电极3紫光浅结红光深结743色敏光电传感器PPN电极1 电极2电极3紫光浅结43n n1.1.浅结对紫外光敏感浅结对紫外光敏感n n2.2.深结对红外光敏感深结对红外光敏感n n3.3.不同区域对不同波长分别具有不同灵敏度不同区域对不同波长分别具有不同灵敏度 这一特性为提供识别颜色创造了可能性这一特性为提供识别颜色创造了可能性长波大 短波大 由实验得出标定曲线，根据标定曲线实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单色光波长1.浅结对紫外光敏感长波大 短波大 由实验得出标定曲44744 光电位置传感器 NP744 光电位置传感器NP45 当两电级间距已知时只要测出 和 的值就可求得光点照射的位置 当两电级间距已知时只要测出 和 46a b a b 平面位置检测原理a b a b 平面位置检测原理47n n75 光电传感器基本组成和原理n n一、光电式传感器的基本组成一、光电式传感器的基本组成光源光学通路光电器件测量电路1光源白炽灯、激光器、发光二极管、，射线等2光学通路透镜、棱镜、光栅、光导纤维等75 光电传感器基本组成和原理光源光学通路光电器件测48 a.a.直接对光源作用，使直接对光源作用，使 每个参数变化每个参数变化b.被测量 作用于光通路，使 发生变化。二、光电传感器的基本类型1透射式A映射 a.直接对光源作用，使 每个参数变49A2反射式A2反射式50A3辐射式如光电高温计和炉子燃烧监视装置A3辐射式如光电高温计和炉子燃烧监视装置51A4遮挡式A4遮挡式52n n光源与光敏器件间的光路上，有物体时，光路被遮挡，光源与光敏器件间的光路上，有物体时，光路被遮挡，5.5.开关式开关式n n没有物体，光路通畅。没有物体，光路通畅。n n开关开关 光电继电器光电继电器 计数器计数器光源与光敏器件间的光路上，有物体时，光路被遮挡，5.开关式53