《光敏传感器》PPT课件.ppt

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1、1,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器 一、光电效应光谱光 波：波长为10106nm的电磁波紫外线：波长10380nm，波长10200nm称为极远紫外线，波长200300nm称为远紫外线 波长300380nm称为近紫外线可见光：波长380780nm红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。,2,8-2光敏传感器一、光电效应,第8章 固态传感器,3,第8章 固态传感器,1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，不仅是连续的（波动性），也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量

2、子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。,8-2光敏传感器一、光电效应,4,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应光电器件的物理基础是光电效应。光电效应：光照到某些物质上，引起物质的电性质变化。这类光致电变的现象统称为光电效应。光电效应分为：外光电效应和内光电效应,5,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应（一）外光电效应 光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,光电效应的实验装置示意图,光电效应的伏安曲线,6,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应（一

3、）外光电效应,光子的能量：(8-36)式中：h=6.62610-34(Js)为普朗克常数；v=光的频率(s-1)。,7,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应（一）外光电效应,(8-37),式中 m 电子质量；v0 电子逸出速度；A0逸出功。,爱因斯坦光电效应方程,若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功A0 时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hv 必须超过逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能，即,8,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应光电导效应：在光照作用下，半导体材料中电子吸收光子能量从键合状态过渡

4、到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,P型半导体的共价键结构,9,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应 光电导效应,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,光电导效应的能级跃迁过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子吸收光子能量hv，当其大于或等于禁带宽度Eg 时，使其由价带越过禁带跃入导带，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,Eg,10,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应 光电导效应,导带,价带,禁带,Eg,临界波

5、长,11,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应 光电导效应 hvEg v=c，式中c：光速：波长,故临界波长,式中h=6.62610-34 JSc=3108 m/sEg：以eV为单位，1eV=1.610-19J,12,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应 光电导效应临界波长 0 0=c/0 当0，即 0 时，才能发生光电导效应,13,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器一、光电效应（二）内光电效应光生伏特效应,在光照作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。,14,第8章 固态传感器

6、,8-2光敏传感器二、光敏电阻,光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、质量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。,15,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻,光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、质量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。,16,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(一)光敏电阻的原理和结构,当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的

7、电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导材料的禁带宽度Eg，即式中 和入射光的频率和波长。,17,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(一)光敏电阻的原理和结构,也就是说，一种光电导体，存在一个照射光的临界波长0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。,18,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(一)光敏电阻的原理和结构,CdS硫化镉光敏电阻的结构和符号,1光导层 2玻璃窗口 3金属外壳 4电极5陶瓷基座 6黑色绝缘玻璃 7电极引线,19,第8章 固态传感器,8-2光敏传

8、感器二、光敏电阻(二)光敏电阻的分类,根据光敏电阻的光谱特性，可分为三类光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。,20,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(二)光敏电阻的分类,可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水

9、装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。,21,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性1.暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温条件下，全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。,22,第8章 固态传感器,光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流要小，亮电流要大，这样光电流就越大，说明光敏电阻灵敏度就高。实际上，

10、大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1 M，甚至高达100 M，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1 k以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性1.暗电阻、亮电阻,23,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性 2.光照特性,光敏电阻电路连线,光敏电阻的光照特性曲线,G,24,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性 3.光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关,20,40,60,80,100,40,80,120,160,200,240,10-2/m,3,

11、1,2,相对灵敏度,1硫化镉2硒化镉3硫化铅,25,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性 4.伏安特性,光敏电阻电路连线,光敏电阻的伏安特性曲线 1-照度=0 2-照度0,G,注：电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。,26,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性 5.频率特性,光敏电阻的频率特性随所用材料的不同而有所区别,27,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(二)光敏电阻的主要参数和基本特性 6.稳定性,初始稳定性不好 需老化处理,28,第8章

12、 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(二)光敏电阻的主要参数和基本特性7.温度特性,I/A,100,150,200,30,50,-30,T/C,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,4.0,I/mA,+20 C,-20 C,/m,-50,-10,10,光敏电阻和其它半导体器件一样，性能受温度影响较大,硫化镉,硫化镉,29,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻与负载的匹配 每一光敏电阻都有允许的最大耗散功率Pmax。如果超过这一数值，则光敏电阻容易损坏。因此，光敏电阻工作在任何照度下都必须满足 IUPmax 或(8-39)I 和 U分别为通过光敏电阻的电流和它两

13、端的电压。因Pmax数值一定，满足(8-39)式的图形为双曲线。,第8章 固态传感器,30,图8-43 光敏电阻的测量电路及伏安特性,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻与负载的匹配,Pmax双曲线在左下部分为允许的工作区域。,31,光敏电阻测量电路中的电流I为(8-40)式中 RL负载电阻；RG光敏电阻；E电源电压。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻与负载的匹配,32,图中绘出光敏电阻的负载线NBQA及伏安特性OB、OQ、OA，对应的照度为L、LQ、L。设光敏电阻工作在LQ照度下，当照度变化时，工作点Q将变至A或B，它的电流和电压都改变

14、。设照度变化时，光敏电阻值的变化RG，则此时电流为,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻与负载的匹配,33,式中负号所表示的物理意义是：当照度L光敏电阻RG，即RG 0。光敏电阻的RG和RG可由实验或伏安特性曲线求得。在照度LConst时RGI。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻与负载的匹配,34,当电流为I时，由图可求得输出电压U为 U=E-IRL电流为I+I时，其输出电压则为 U+U=E-(I+I)RL,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻与负载的匹配,在照度LConst时RGU。,35,当光敏电阻的RG和R

15、G及电源电压E为已知，则选择最佳的负载电阻RL有可能获得最大的信号电压U，这不难由(8-43)式求得。令解得 RL=RG,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器二、光敏电阻(三)光敏电阻与负载的匹配,36,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池,复习：光生伏特效应 光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的器件。由于光电池可把太阳能直接变成电能，因此又称为太阳能电池。光电池是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发

16、展前途的是硅光电池。,37,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池,硅光电池:价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池:光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。砷化镓光电池:理论转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,38,(一)光电池的结构原理制造工艺常用的硅光电池的结构如图所示。工艺：在电阻率约为0.1 cm1 cm的N型硅片上，扩散硼形成P型层；然后，分别用电极引线把P型和N型层引出，形成

17、正、负电极。如果在两电极间接上负载电阻R L，则受光照后就会有电流流过。为了提高效率，防止表面反射光，在器件的受光面上要进行氧化，以形成SiO2保护膜。,图8-44 硅光电池的构造图,8-2光敏传感器三、光电池,第8章 固态传感器,39,(一)光电池的结构原理硅光电池器件的价格与原材料消耗量密切相关。把光电池做成圆形(或六角形),利用率最高，为了满足电源电压、容量的要求，必须把单个光电池串、并联起来组成电池组使用。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池,40,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（一）光电池的结构原理,(a)光电池的结构图,（多数载流子）热运动结果,光,P,

18、N,当N型半导体和P型半导体结合在一起构成一块晶体时，由于热运动:N区中的多子电子向P区扩散，P区中的多子空穴N区扩散，结果在N区靠近交界处聚集起较多的空穴，而在P区靠近交界处聚集起较多的电子，于是在过渡区形成了一个电场，方向:NP。这个电场阻止多子进一步扩散。但它却能推动N区中的空穴(少数载流子)和P区中的电子(也是少数载流子)分别向对方运动。,41,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（一）光电池的结构原理,(b)光电池的工作原理示意图,I,光,P,N,当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，就将在结区附近激发出电子空穴对。在PN结内电场的作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的

19、光生电子被拉向N区，结果，在N区就聚积了负电荷，P区聚积了正电荷，这样，N区和P区之间就出现了电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可以测出光生电动势。,光生空穴,光生电子,P,N,PN结电场,42,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（一）光电池的结构原理,(a)光电池的结构图,(b)光电池的工作原理示意图,I,光,P,N,当光子能量 时，即（8-38）产生光电流，外电路断路时产生光生电动势。,光子能量足够大，即,43,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（一）光电池的结构原理,光电池的表示符号、基本电

20、路及等效电路如图所示。,光电池符号和基本工作电路,44,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性1.光照特性,开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线.,45,第8章 固态传感器,说明：外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。光电池的短路电流Isc与照度L成线性关系，而且受光面积越大，短路电流也越大。当光电池作为测量元件时应取短路电流的形式。应用：照度计,8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性1.光照特性,46,第8

21、章 固态传感器,下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与光照强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性1.光照特性,47,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性2.光谱特性,光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出：硒光电池：在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池：应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,可见光：波长380780nm,48,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（二）基

22、本特性3.频率响应,光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应：指输出电流I 随调制光频率f 变化的关系由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，相对而言，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。,49,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（二）基本特性 4.温度特性,光电池的温度特性:是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。温度上升1 时，Uoc开路电压约降低3 mV。温度上升1 时，Isc 短路电流只增加210-6 A。,50,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（二）基本

23、特性 4.温度特性,由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,51,光电池的转换效率:光电池的最大输出电功率和输入光功率的比值，称为光电池的转换效率。光电池输出功率:在一定负载电阻下，光电池的输出电压U与输出电流I的乘积，即为光电池输出功率，记为P，其表达式如下：P=IU硅光电池转换效率的理论值，最大可达24%，而实际上只达到10%15%。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配,52,最佳负载电阻在一定

24、的辐射照度下，当负载电阻RL:0输出电压U:Uoc0;I:0 Isc，说明只有在某一负载电阻Rj下，才能得到最大的输出功率Pj(Pj=IjUj)。Rj称为光电池在一定辐射照度下的最佳负载电阻。注：同一光电池的Rj值随辐射照度的增强而稍微减少。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配,53,可以利用光电池的输出特性曲线直观地表示出输出功率值。在图中，通过原点、斜率为tan=IH/UH=1/RL的直线，就是未加偏压的光电池的负载线。此负载线与某一照度下的伏安特性曲线交于PH点。PH点在I轴和U轴上的投影即分别为负载电阻为RL时的输出电流IH和输出电压UH

25、。此时，输出功率等于矩形OIHPHUH的面积。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配,光电池的伏安特性及负载线,54,为了求取某一照度下最佳负载电阻Rj，可以分别从该照度下的电压电流特性曲线与两坐标轴交点（Uoc，0）（0，Isc）作该特性曲线的切线，两切线交于Pm点，连接PmO的直线即为负载线。此负载线所确定的阻值(Rj=1/tan)即为取得最大功率的最佳负载电阻Rj。图8-48中画阴影线部分的面积等于最大输出功率值。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配,光电池的伏安特性及负载线,55,Rj负载线把

26、光电池伏安特性曲线分成、两部分：RLRj，负载变化将引起输出电流大幅度的变化，而输出电压却几乎不变。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配,Rj=1/tan,56,应该指出，光电池的最佳负载电阻是随入射光照度的增大而减小的，由于在不同照度下的电压电流曲线不同，对应的最佳负载线不同。因此每个光电池的最佳负载线不是一条，而是一簇。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配,57,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（四)太阳能发电系统设计实例,设计目标：实现TTWGF凝析天然气两相流量计量系统的太阳能

27、发电系统配置，满足四川地区15天阴雨可持续工作。设计选型：太阳能电池板功率及蓄电池容量,58,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（四)太阳能发电系统设计实例,设计目标：实现TTWGF凝析天然气气液两相流量计量系统的太阳能发电系统配置，满足四川地区15天阴雨可持续工作。选型：太阳能电池板功率及蓄电池容量已知：TTWGF系统负载为变送器5台:输出电流：420mA,供电电压：24V；ARM流量计算机1台:工作电流：0.33A，供电电压：12V；GPRS无线通讯模块：工作电压4V，工作电流0.3A仪表每天工作时数：仪表采用间歇性供电，即工作5分钟，断电5分钟。故变送器和ARM每天工作时数为

28、12小时，GPRS模块在每次上电的5分钟内，大约只工作2分钟，所以GPRS模块每天工作时数为4.8小时。太阳能电池板功率=负载功率*每天工作时数*（17/12）/当地峰值日照时数/(0.85*0.85),59,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（四)太阳能发电系统设计实例,设计目标：实现TTWGF凝析天然气气液两相流量计量系统的太阳能发电系统配置，满足四川地区15天阴雨可持续工作。选型：太阳能电池板功率及蓄电池容量太阳能电池板功率=负载功率*每天工作时数*（17/12）/当地峰值日照时数/(0.85*0.85)五路变送器最大功率:24V*0.02A*5=2.4W。ARM功率:12V

29、*0.33A=4W;GPRS:4V*0.3A=1.2W。因此电池板功率=(4+2.4)*12+1.2*4.8)*（17/12）/2.86/(0.85*0.85)=56.6W故根据实际需求留有余量，太阳能电池板选型为70W。,60,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（四)太阳能发电系统设计实例,设计目标：实现TTWGF凝析天然气气液两相流量计量系统的太阳能发电系统配置，满足四川地区15天阴雨可持续工作。选型：太阳能电池板功率及蓄电池容量 电池电压为12V，铅酸电池的放电深度一般选择为0.7。蓄电池容量=负载功率*每天工作时数*连续阴雨天数/电池电压/放电深度蓄电池容量=(4+2.4)

30、*12+1.2*4.8)*15/12/0.7=147Ah 故根据实际需求选定为两块12V/65Ah容量的蓄电池。,61,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器三、光电池（四)太阳能发电系统设计实例,要求：设计TTWGF凝析天然气气液两相流量计量系统的太阳能发电系统，满足四川地区15天阴雨要求。系统构成：由太阳能电池组、控制器、蓄电池（组）组成。,62,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优。,63,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三

31、极管(一)光敏管的结构和工作原理,光敏二极管工作原理,光敏二极管工作原理：PN结，单向导电性，结型光电器件，与一般半导体二极管类似，其PN结装在管的顶部，以便接受光照，上面有一个透镜制成的窗口，可使光线集中在敏感面上。光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态。原理电路如图所示。在无光照时电压反偏，工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流（噪声电流）。,64,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(一)光敏管的结构和工作原理,光敏二极管工作原理,光敏二极管工作原理：当受到光照时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子

32、空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加。因此在外加反偏电压和内电场的作用下，P区少数载流子电子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子空穴渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。,65,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(一)光敏管的结构和工作原理,光敏三极管工作原理:光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。不同之处在于，光敏三极管光信号变成电信号的同时，还能放大了电信号

33、，其结构及符号如图。,66,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(一)光敏管的结构和工作原理,光敏三极管工作原理:当基极开路时，基极集电极处于反偏。当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生电子空穴对，它们在外加反偏电压和内电场作用下，定向运动形成增大了的反向电流即光电流。由于光照射集电结产生的光电流相当于一般三极管的基极电流倍，说明光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。,67,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(一)光敏管的结构和工作原理,光敏三极管工作原理:一般光敏三极管的基极已在管内连接，只有C和E两根引线（也有将基极引出的）型号：3

34、CU和3DU硅三极管，使用光敏管时，不能从外型来区别是二极管还是三极管，只能有型号来判别。,68,第8章 固态传感器,硅的峰值波长为0.9m，锗的峰值波长为1.5m。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,可见光：波长380780nm,红外线：波长7801060nm,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(二)光敏管的基本特性1.光谱特性：照度一定，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化，这就是光敏管的光谱特性。,69,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(二)光敏管的基本特性2.伏安特性,图8-52 硅

35、光敏管的伏安特性曲线,(a)硅光敏二极管(b)硅光敏三极管,光生伏特效应产生,70,三极管在大电流(光照度为几千lx)时有饱和现象(图中未画出)，这是由于三极管的电流放大倍数下降的缘故。,图8-53 硅光敏管的光照特性曲线,(a)硅光敏二极管(b)硅光敏三极管,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(二)光敏管的基本特性3.光照特性,71,光敏管的频率响应是指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。光敏管的频率响应与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图为硅光敏三极管的频率响应曲线。由曲线可知，减小负载电阻R

36、L可以提高响应频率。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(二)光敏管的基本特性4.频率响应,图8-54 硅光敏三极管的频率响应曲线,72,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(二)光敏管的基本特性5.暗电流温度特性,图8-55(a)为锗和硅光敏管的暗电流温度特性曲线。由图可见，硅光敏管的暗电流比锗光敏管的小得多(约为锗的百分之一到千分之一)。,图8-55 光敏三极管的温度特性,降温使用,73,暗电流随温度升高而增加的原因是热激发造成的。光敏管的暗电流在电路中是一种噪声电流。在高照度下工作时，由于光电流比暗电流大得多(信噪比大)，温度的影响相

37、对比较小。在低照度下工作时，因为光电流比较小，暗电流的影响就不能不考虑(信噪比小的情况)。为此，在实际使用中，应在线路中采取适当的温度补偿措施。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(二)光敏管的基本特性5.暗电流温度特性,74,图中为光敏三极管的光电流温度特性曲线。在一定温度范围内，温度变化对光电流的影响较小，其光电流主要是由光照强度决定的。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器四、光敏二极管和光敏三极管(二)光敏管的基本特性6.光电流温度特性,测照度降温使用,测温,75,五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型 光电传感器可应用于多种非电量的测量，相应的光

38、学系统按其输出量性质可分为两类：第一类光电传感器测量系统是把被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值对应关系。第二类光电传感器测量系统是把被测量转换成断续变化的光电流，系统输出为开关量的电信号。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器,76,第一类光电传感器测量系统光辐射源本身是被测物,如图8-58(a)，被测物发出的光通量射向光电元件。这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中，它的光通量和光谱的强度分布都是被测温度的函数。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,图8-58 光电元件的应用形式,1被测物 2光电元件 3恒光源,77,光电高

39、温比色计：通过测量热辐射体在两个波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表，称为光电比色温度计。,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,图为光电高温比色计的结构原理。被测对象经物镜1成像与光栏3,经光导棒4投射到分光镜6上,它使长波(红外线)辐射线透过,而使短波(可见光)部分反射。,第8章 固态传感器,78,光电高温比色计：通过测量热辐射体在两个波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表，称为光电比色温度计。,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,透过分光镜的辐射线再经滤光片9将残余的短波滤去 被红外光电元件硅光电池10接收,转换成与波长亮度成函

40、数关系的电量输出 V1(1)；,第8章 固态传感器,79,光电高温比色计：通过测量热辐射体在两个波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表，称为光电比色温度计。,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去,而被可见光硅光电池8接收；转换成与波长亮度成函数关系的电量输出V2(2)。,第8章 固态传感器,80,光电高温比色计：通过测量热辐射体在两个波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表，称为光电比色温度计。,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,将V1(1)、V2(2)自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号

41、比,即可读出被测对象的温度值。,第8章 固态传感器,T:被测物实际温度；Tc:比色温度；,81,光电高温比色计：高温计属非接触测量 量程为8002000 精度为0.5。优点:测温准确度高，反应速度快，测量范围宽，可测目标小，测量温度更接近真实温度，环境的粉尘，水气，烟雾等对测量结果的影响小。可用于冶金、水泥、玻璃等工业部门。,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,第8章 固态传感器,82,第一类光电传感器测量系统恒光源是白炽灯(或其他任何光源)见图8-58(b)，光通量穿过被测物，部分被吸收后到达光电元件上。吸收量决定于被测物介质中被测的参数。例如，测量液体、气体的

42、透明度、混浊度的光电比色计。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,图8-58 光电元件的应用形式,1被测物 2光电元件 3恒光源,83,第一类光电传感器测量系统恒光源发出的光通量到被测物，见图8-58(c)，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上。被测体表面反射条件决定于表面性质或状态，因此，光电元件的输出信号是被测非电量的函数。例如，测量表面粗糙度等仪器中的传感器等,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,图8-58 光电元件的应用形式,1被测物 2光电元件 3恒光源,84,第一类光电传感器测量系

43、统从恒光源发射到光电元件的光通量遇到被测物，被遮蔽了一部分，见图8-58(d)，由此改变了照射到光电元件上的光通量。在某些测量尺寸或振动等仪器中，常采用这种传感器。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,图8-58 光电元件的应用形式,1被测物 2光电元件 3恒光源,85,第二类光电传感器测量系统:是把被测量转换成断续变化的光电流，系统输出为开关量的电信号。属于这一类的传感器大多用在光电继电器式的检测装置中，如转速表的光电传感器等。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(一)光电传感器的类型,86,光电传感器在自动检测仪

44、表和自动控制系统中有着广泛的应用 应用举例：光电耦合器、光电转速传感器的转速检测中的应用加以介绍。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(二)应用,87,1.光电耦合器(1)光电耦合器的结构：是由一发光元件和一光电元件同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(二)应用,金属密封,塑料密封,(a)发光二极管和光敏二(三)极管对准灵敏度。(b)管心先装于管脚上，中间用透明树脂固定，起集光作用灵敏度。（c）实现波长最佳匹配,第二类光电传感器测量系统,88,(2)砷化镓发光二极管 光电耦合器中的发光元件采用了砷化

45、镓发光二极管，是一种半导体发光器件，和普通二极管一样，管心由一个PN结组成，也具有单向导电的特性。当给PN结加以正向电压后，空间电荷区势垒下降，引起载流子的注入，P区的空穴注入到N区，注入的电子和空穴相遇而产生复合，释放出能量。对于发光二极管来说，复合时放出的能量大部分以光的形式出现。此光为单色光，对于砷化镓发光二极管来说波长为0.94 m左右。随正向电压正向电流 发光二极管产生的光通量，其最大值受发光二极管最大允许电流的限制。,第8章 固态传感器,1.光电耦合器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(二)应用,第二类光电传感器测量系统,89,图8-60 光电耦合器的组合形式,第8章 固

46、态传感器,(3)光电耦合器的组合形式 图8-60(a)所示的形式结构简单、成本低，通常用于50 kHz以下工作频率的装置内。图8-60(b)为采用高速开关管构成的高速光电耦合器，适用于较高频率的装置中。,1.光电耦合器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(二)应用,第二类光电传感器测量系统,90,(3)光电耦合器的组合形式 图8-60(c)的组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。近年来，也有将发光元件和光敏元件做在同一个半导体基片上，以构成全集成化的光电耦合器。无论哪一种组合形式，都要使发光元件与光敏元件在波长上得到最佳匹配，保证其灵敏

47、度为最高。,第8章 固态传感器,1.光电耦合器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(二)应用,第二类光电传感器测量系统,91,(4)光电耦合器的特性曲线 是输入发光元件和输出光敏元件的特性曲线合成的。作为输入元件的砷化镓发光二极管与输出元件的硅光敏三极管合成的光电耦合器的特性曲线如图8-61所示。输入量是直流电流IF 输出量也是直流电流IC。,图8-61 光电耦合器的特性曲线,第8章 固态传感器,1.光电耦合器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(二)应用,第二类光电传感器测量系统,92,2.光电转速计 在被测转轴上粘贴反光标记，如图8-62所示的系统，光源经过光学系统将一束光照射到被测转轴的端面上，轴每转一周反射光投射到光电元件上的强弱发生一次改变，故光电元件可产生一脉冲信号。此信号经整形放大后送记数器记数，在计数器直接显示转数，从而可得转轴的转速。这里光敏二极管，也可用光电池。光源一般为白炽灯泡。,第8章 固态传感器,8-2光敏传感器五、光电传感器的类型及应用(二)应用,图8-62 光电转速计的组成框图,第二类光电传感器测量系统,93,作业8-58-10,