第8章光電效應(yīng)及光電器件主要內(nèi)容：

8.1光電效應(yīng)

8.2光電器件

光電管、光電倍增管、光敏電阻、

光電晶體管、光電池8.3光電器件應(yīng)用

8.4

光柵傳感器概述

光敏器件種類很多，在自動檢測及控制系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。普通的光電器件包括：光電管、光敏二極管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電倍增管、光電耦合器等。光信號光電傳感器電信號光電傳感器是將被測量的變化通過光信號變化轉(zhuǎn)換成電信號。具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件〔光電器件〕。被測量光柵光電開關(guān)光敏電阻光敏管

8.1光電效應(yīng)

光電器件工作原理主要利用各種光電效應(yīng)光電效應(yīng)可分為：

外光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)

8.1.1外光電效應(yīng)在光線作用下電子逸出物體外表向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)?！绽士顺?shù)()

——光的頻率〔Hz〕

每個光子具有能量

J.S波長短，頻率高，能量大。式中：

入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子與光強成正比。光照射物體時電子吸收入射光子的能量，當(dāng)物體吸入的能量超出物體逸出功A時，電子就會逸出物體外表，產(chǎn)生光電子發(fā)射。超出的能量就表現(xiàn)在電子逸出的動能上。能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大于物體外表的電子逸出功。

光子具有的能量與電子的動能可由能量守恒定律表示為為一個電子逸出的動能〔能量〕；m為電子質(zhì)量，ν0電子逸出物體外表時的速度；A為電子的逸出功。(愛因斯坦光電效應(yīng)方程)光電子光照射e入射光強改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有，在入射光作用下電子吸收光子能量，電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶過度到自由狀態(tài)，同時價帶也因此形成自由空穴，使導(dǎo)帶電子和價帶空穴濃度增大引起電阻率減小。8.1.2內(nèi)光電效應(yīng)

為使電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量應(yīng)大于禁帶寬度的能量E0＞Eg基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。1〕光電導(dǎo)效應(yīng)

為什么PN結(jié)會因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？PN---+++-+光源下面分兩種情況討論：不加偏壓時的PN結(jié)處于反偏時的PN結(jié)2〕光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。當(dāng)光照射在P-N結(jié)時，如果光電子能量足夠大，就可激發(fā)出電子——空穴對，在P-N結(jié)內(nèi)電場作用下空穴移向P區(qū)，而電子移向N區(qū)，使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個電壓就是光生電動勢.基于這種效應(yīng)的器件有光電池。

不加偏壓的P-N結(jié)PN電子空穴---+++-+光源無光照時，反向電阻很大，反向電流很?。挥泄庹諘r，產(chǎn)生光生電子—空穴對，在外電場作用下，光生電子→N，空穴→P

運動，形成光電流Ig。-+處于反偏時的P-N結(jié)〔給P-N結(jié)加電場〕

電流方向與反向電流一致，光照強光電流越大。具有這種性能的器件有：

光敏二極管、光敏晶體管從原理上講，不加偏壓的光電二極管就是光電池。

光敏二極管通常加反向電壓。PN電子空穴---+++光源IgE8.2光電器件

8.2.1光電管光電管是一個抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內(nèi)部有光陰極K、陽極A，光陰極涂有光敏材料；當(dāng)光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E大于電子的逸出功A〔E＞A〕，會有電子逸出產(chǎn)生光電子發(fā)射.電子被帶有正電的陽極吸引在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻RL上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。光照很弱時，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體外表，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。8.2.2光電倍增管光電倍增管與普通光電管不同,在光陰極和陽極之間加了許多倍增極〔10級左右〕，在陽極和陰極之間加有幾百～上千伏的高壓，每個倍增極間分壓有100～200V；光電倍增管的電流增益很大在105～106之間。倍增極外加電壓Ud與增益G的關(guān)系近似為：光電倍增管不能直接受強光照射,否那么會損壞.通常密封使用。式中：——常數(shù)

——倍增極數(shù)

光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。光敏電阻結(jié)構(gòu)8.2.3光敏電阻光敏電阻符號光導(dǎo)體8.2.3光敏電阻

光敏電阻光照特性

無光照時，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；

有光照時，電阻值隨光強增加而降低；光照停止時，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。1.伏安特性給定光照度，電壓越大光電流越大；

給定偏壓，光照越大光電流越大；光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、無飽和，但受最大功耗限制。根本特性光照度為單位面積的光通量Lx=lm〔流明〕/s光敏電阻靈敏度與入射波長有關(guān);靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)，圖例中材料與相對靈敏度峰位波長硫化鎘〔CdS〕0.3～0.8(μm)硫化鉛〔PbS〕1.0～3.5(μm)硫化鉈〔TlS〕1.0～7.3(μm)光敏電阻的光譜特性與波長和材料有關(guān)2.光譜特性溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)。溫度T上升，波長λ變短，曲線向左移動。光敏電阻溫度特性3.溫度特性光敏晶體管包括光敏二極管和光敏三極管，其工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏晶體管特點：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高;廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，以及自動控制、自動報警、自動計數(shù)等領(lǐng)域和裝置。8.2.4光敏晶體管結(jié)構(gòu)：與一般二極管相似，它們都有一個PN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率有大面積受光，光敏二極管P-N結(jié)面積比一般二極管大。硅光敏二極管結(jié)構(gòu)

+

-+-光敏二極管電路符號1〕光敏二極管

光敏二極管工作原理：光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無光照時，反向電阻很大，反向電流很??；有光照時，P-N結(jié)處產(chǎn)生光生電子-空穴對；在電場作用下形成光電流，光照越強光電流越大；

光電流方向與反向電流一致。光敏二極管根本電路REDgI+

-發(fā)光二極管與光敏二極管工作原理不同，發(fā)光二極管是利用固體材料發(fā)光〔電致發(fā)光〕，加正向電壓時，P-N結(jié)的電子和空穴在結(jié)合過程中發(fā)射一定頻率的光信號。材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能→光能的器件；+--+光敏二極管符號發(fā)光二極管符號發(fā)光二極管〔LED〕與光敏二極管發(fā)光二極管工作時加正向電壓，光敏二極管工作時加反向電壓。光敏二極管根本特性1.光照特性硅光敏二極管在小負(fù)載電阻情況下，光電流與照度成線性關(guān)系。2.光譜特性〔硅光敏管為例)當(dāng)入射波長＜0.9μm時，響應(yīng)逐漸下降，雖光波長短能量大，但光穿透深度小，使光電流減?。划?dāng)入射波長＞0.9μm時，響應(yīng)下降是因波長長光子能量小，當(dāng)小于禁帶寬度時不產(chǎn)生電子、空穴對。3.伏安特性當(dāng)反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光照強度。4.溫度特性由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對溫度變化很敏感。

5.頻率響應(yīng)光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長等因素有關(guān)。光敏二極管頻率響應(yīng)曲線

圖中硅光敏二極管頻率響應(yīng)曲線說明，調(diào)制頻率高于1000Hz時，光敏晶體管靈敏度急劇下降。結(jié)構(gòu)：與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極—集電極(集電結(jié))作為光敏二極管〔控制結(jié)〕。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，無論NPN、PNP一般集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)。光敏三極管結(jié)構(gòu)

NNPcbe電路符號2〕光敏三極管硅〔Si〕光敏三極管工作原理—晶體管電流放大系數(shù)；電流ig與光強有關(guān)NNPcbe+-光敏三極管等效電路

在負(fù)載電阻上的輸出電壓為光敏晶體極管一般是NPN結(jié)構(gòu)；光照射在集電結(jié)的基區(qū)產(chǎn)生光生電子-空穴，在電場作用下，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷〔空穴〕，使基極與發(fā)射極之間的電壓升高；同時發(fā)射極大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。光敏晶體管對光電流具有放大作用光敏晶體管伏安特性曲線

光敏晶體管伏安特性光敏晶體管的光譜特性硅材料的光敏管峰值波長在0.9μm附近〔可見光〕靈敏度最大；探測可見光或赤熱狀物體時波長短，一般用硅管<0.9μm；鍺管的峰值波長約為1.5μm〔紅外光〕對紅外進(jìn)行探測時用鍺管較適宜。光敏晶體管光譜特性

傳感器原理及應(yīng)用光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，是直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時就是電源(太陽能電池)，所以廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動控制等。8.2.5光電池光信號光電池電信號光電池結(jié)構(gòu)：光電池實質(zhì)是一個大面積PN結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁。原理：當(dāng)光照射PN結(jié)的一個面時，電子—空穴對迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場作用下建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。一般普通光電池可產(chǎn)生0.2V～0.6V電壓，50mA電流。光電池結(jié)構(gòu)電路符號開路電壓—光生電動勢與照度之間關(guān)系；開路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，開路電壓在照度2000lx趨于飽和。短路電流—光電流與照度之間關(guān)系稱短路電流曲線，短路電流是指外接負(fù)載相對內(nèi)阻很小時的光電流。光電池光照特性

1〕光電池光照特性PN電子空穴---+++-+光源光電池工作原理示意圖

2〕光譜特性硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在0.8μm附近，波長范圍0.4～1.2μm。硅光電池可在很寬的波長范圍應(yīng)用。硒光電池光譜響應(yīng)峰值在0.5μm附近，波長范圍0.38～0.75μm。光電池對不同波長的光靈敏度不同，不同材料光靈敏度峰值不同。3〕頻率特性指光電池相對輸出電流與光的調(diào)制頻率之間關(guān)系。硅光電池頻率響應(yīng)較好，硒光電池較差。所以高速計數(shù)器的轉(zhuǎn)換電路一般采用硅光電池作為傳感器元件。光電池作為控制元件，通常接非線性負(fù)載，假設(shè)控制鍺管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.2V～0.3V；假設(shè)控制硅管，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.6V～0.7V，光電池的0.5V電壓不能起到控制作用。

光電池電路連接

光電池做電源時當(dāng)電壓源使用;

用做控制元件時當(dāng)電流源使用。光電池電路符號光電池電路連接

可將兩個光電池串聯(lián)后接入基極，或用偏壓電阻、二極管產(chǎn)生附加電壓。有光照度變化時，引起基極電流Ib變化，集電極電流發(fā)生β倍的變化。電流Ic與光照近似線性關(guān)系。光電池作為電源使用，需要電壓高時應(yīng)將光電池串聯(lián)使用；需要大電流時應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。

光電池電路連接留神臟跳動時，一個壓力波會沿著動脈血管以每秒幾米的速度傳遞。這個壓力波會引起人體組織毛細(xì)血管中血流量的變化，可記錄出脈波。光學(xué)測量法是，在一個夾子的兩邊分別裝一個紅外發(fā)光管和一個光敏電阻，然后夾在耳垂上。心臟壓力波引起的毛細(xì)血管中血流量的變化導(dǎo)致耳垂的透光率不同，使光敏電阻的阻值變化，阻值的變化周期就是每秒心跳的次數(shù)。1〕心臟跳動測量傳感器〔光敏電阻受光〕8.3光電器件的應(yīng)用2024/1/17402.〕煙霧報警器無煙霧時，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時，煙霧進(jìn)入檢測室，遮擋了局部紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報警信號。煙霧報警2024/1/1741無線煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器2024/1/17423〕光電自動門自動門光電傳感器放大圖有效檢測區(qū)域2024/1/17434〕遮斷式光電開關(guān)原理遮斷式光電開關(guān)由相互別離且相對安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關(guān)信號。被檢測物體光發(fā)射器光接收器2024/1/1744定區(qū)域反射式光電開關(guān)

定區(qū)域式光電開關(guān)有一個非常確定的檢測區(qū)域，不經(jīng)過該區(qū)域的被測物體不會引起光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號。檢測距離檢測距離2024/1/17458.3光柵式傳感器光柵是一種光學(xué)元件，用于測量的光柵稱為計量光柵。光柵是光柵尺的簡稱。光柵尺是一塊尺子，尺面上刻有排列規(guī)那么和形狀規(guī)那么的刻線。光柵式傳感器主要用于高精度的機(jī)械位移測量以及精密測量系統(tǒng)的傳感裝置。光柵式傳感器的特點：精度高；可實現(xiàn)動態(tài)測量；大量程測量兼有高分辨率；具有較強的抗干擾能力。1〕計量光柵的種類長光柵，用于長度或直線位移的測量，刻線相互平行；圓光柵，用來測量角度或角位移，在圓盤玻璃上刻線；根據(jù)光柵用途的不同，可將光柵尺分為長光柵，圓光柵盤：長光柵圓光柵在玻璃板上設(shè)計，其中透光縫寬為b，不透光線寬為a，一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的線寬，即a=b。圖中W=a+b，稱為〔光柵節(jié)距或光柵常數(shù)〕。光柵柵距是光柵尺的重要參數(shù)。

長光柵尺的設(shè)計：W=a+b光柵柵距形成莫爾條紋的光學(xué)原理2〕莫爾條紋莫爾條紋通常是由兩塊光柵〔標(biāo)尺光柵、指示光柵〕疊合而成的，為了防止摩擦，光柵之間留有間隙，兩光柵的柵線透光局部與透光局部疊加；光線透過透光局部形成亮帶；光柵不透光局部疊加，互相遮擋，形成暗帶.這種由光柵重疊形成的光學(xué)圖案稱為莫爾條紋。

——

標(biāo)尺光柵常數(shù)

——

指示光柵常數(shù)

——

兩光柵的夾角式中：長光柵莫爾條紋的周期〔條紋間距B〕

長光柵橫向莫爾條紋莫爾條紋的重要特性：

運動對應(yīng)關(guān)系：主光柵向右運動一個柵距W1時(W<0.005mm)，莫爾條紋向下移動一個條紋間距B;位移放大作用：兩光柵夾角很小，假設(shè)W1=W2，莫爾條紋得近似關(guān)系B≈W/θ；莫爾條紋放大倍數(shù)為1/θ。雖柵距很小但莫爾條紋清楚可見；誤差平均效應(yīng)：莫爾條紋的大柵線對光柵刻劃誤差有平均作用.光柵測量裝置是指利用光柵原理對輸入量〔位移量〕進(jìn)行轉(zhuǎn)換、顯示的整個測量裝置。包含三大局部：光柵光學(xué)系統(tǒng)；實現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)；相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。光柵傳感器構(gòu)成原理：光柵式傳感器又稱光柵式讀數(shù)頭，由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。2〕光柵傳感器構(gòu)成原理

光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。標(biāo)尺光柵一般固定在被測物體上，隨被測物體一起移動，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元件固定。兩條暗帶中心線之間的光強變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮再到最暗的漸變過程。

主光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期，假設(shè)用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，那么將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接近于正弦周期函數(shù)。式中：uo

光電元件輸出的電壓信號；

Uo

輸出信號中的平均直流分量；Um

輸出信號中正弦交流分量的幅值相距B/4放置四個光電元件，光柵移動時光的信號強弱變化。光柵位移與光強、輸出電壓的關(guān)系直接接收式光學(xué)系統(tǒng)可以裝調(diào)成四相型系統(tǒng)。對于橫向莫爾條紋，為了獲得四相信號，相距B/4放置四個光電元件；光電元件可采用四極硅光電池或光敏二極管，并調(diào)整莫爾條紋的寬度使其和四極硅光電池的寬度S相同。

辨向邏輯工作原理

光柵測量電路光柵讀數(shù)頭實現(xiàn)位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量，因而對位移量的測量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。在相隔B