第10章光电测量技术.ppt

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1、第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 第10章 光电测量技术 光电式传感器是将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种测量装置。物理基础:光电效应 光电效应可分成两大类型:外光电效应和内光电效应。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 10.1 光电效应及其光电器件 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指光照射到半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴浓度增多的现象。内光电效应可分为：光电导效应、光生伏特效应和光敏晶体管效应第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 10.1

2、 光电效应及其光电器件 10.1.1 外光电效应 物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电效应。根据爱因斯坦光量子理论,光子的能量E与它的频率成正比,即E=hfh普朗克常数h=6.6310-34JS，f是光的频率。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 10.1 光电效应及其光电器件 物体表面受到光的照射时，表面内的电子与光子碰撞，就发生能量转移，光子把全部能量转移给电子，使电子的能量增加。如果电子的能量超过逸出功A0时，电子就逸出物体表面产生光电发射。产生光电发射的条件(不考虑电子热运动的能量)：光子能量hf超过表面逸出功A0。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术

3、 10.1 光电效应及其光电器件光子能量超过表面逸出功的部分，表现为电子的能量，即mv2/2=hf-A0v电子逸出时的速度，m电子的质量。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律：1）物体表面发射的电子数（光电流）与光强成正比；2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关；3）要使光电子逸出物体表面，必须使hfA0，所以对于每一种物体都存在一个极限频率，当入射光的频率低于这个频率时，无论光强多强，都不会有光电子发射出来。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 1 光电管及其基本特性(1)结构和工作原理 真空玻璃泡内装有两个电极的：光电阴极

4、和阳极。光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的一面是向内的。光电管有：真空光电管、充气光电管第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 充气光电管 构造和真空光电管基本相同，不同的是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋向阳极的途中将撞击惰性气体的原子，使其电离，从而使阳极电流急剧增加，提高了光电管的灵敏度。优点：灵敏

5、度高，但其灵敏度随电压显著变化，稳定性、频率特性等都比真空光电管差。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 (2)主要性能 光电管的伏安特性 当光通量一定时，光电管的电流与阳极电压的关系。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。曲线1表示氧化铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量呈线性关系。曲线2为锑化铯阴极光电管的光照特性，它呈非线性关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光电管的光谱特性 一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v0，因此

6、它们可用于不同的光谱范围。即同一光电管对于不同频率的光的敏感度不同，这就是光电管的光谱特性。所以对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 2 光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，为了克服这个缺点，就要采用光电倍增管。它由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成。光电阴极是由半导体光电材料锑铯制造的，入射光就在它上面打出光电子。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 倍增极数目在414个不等。在各倍增极上加上一定的电压，阳极收集电子，外电路形成电流输出。第第1111

7、章章 光电测量技术光电测量技术 工作时，各个倍增电极上均加上电压，阴极K电位最低。从阴极开始，各个倍增极E1、E2、E3、E4（或更多）电位依次升高，阳极A电位最高。入射光在光电阴极上激发电子，由于各极间有电场存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，这些倍增极具有这样的特性，在受到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子，称为“二次电子”。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光电倍增管之倍增极的形状设计成每个极都能接受前一极的二次电子，而在各个倍增极上顺序加上越来越高的正电压。这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设

8、这时第一倍增极有个二次电子发出，这个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加倍，经过n个倍增极后，原先电子将变为n个电子，这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 10.1.2 内光电效应的光电器件1 光敏电阻(1)结构和原理 光敏电阻又称光导管。光敏电阻利用光电导效应制成，一般选用禁带宽度较宽的半导体材料。光敏电阻的结构较简单。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使

9、它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光电导的原理：当入射光照到半导体上时，光子的能量如果大于禁带宽度，即hfEg,则电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，在价带中留下带正电的空穴，在外加电压作用下，导带中的电子和价带中的空穴同时参与导电，即载流子数增多使其电阻下降。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻RG值下降，所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值，因而可将光信号转换为电信号。图10.6 半导体能带图

10、第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 (2)光敏电阻的特性光敏电阻的特性暗电阻，暗电流 暗电阻：将光敏电阻置于无光照条件下，测得光敏电阻的阻值。暗电流：在给定工作电压下测得无光照条件下光敏电阻中的电流。亮电阻，光电流 亮电阻：光敏电阻在光照条件下，测得的光敏电阻的阻值。亮电阻一般在几千欧姆。亮电流：在给定工作电压下测得有光照条件下的电流。光电流：亮电流和暗电流之差。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 使用不同材料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光敏电阻的光电

11、流I与照射光通量的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性具有非线性。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 时间常数 当光敏电阻受到光照时，光电流要经过一定时间才能到达稳定值。同样，光照停止后，光电流也要经过一定时间才能恢复到暗电流。光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性，通常用时间常数表示。时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度。不同材料的光敏电阻有着不同的时间常数。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 2 光电池 光电池是在光线照射下，直接能将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。这种光电器件基于阻挡层的光电效应来工作。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊

12、光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。其中硅光电池和硒光电池用途广泛。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 本课程着重介绍硅光电池.(1)结构原理 硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（例如硼）形成PN结，如图10-9所示。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 入射光照射在PN结上时，若光子能量hv大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在PN结内产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因而PN结产生电势。(2)主要特性光电池的光谱特性第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 硅光电池的光谱

13、峰值位置在8000 附近。硅光电池的光谱范围广，即为450011000 之间。A 光电池的光照特性 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。AAA第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。光电池的短路电流：是反映外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度增加而减小的，所以在不同照度下可用大小不同的负载电阻为近似“短路”条件。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 从实

14、验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，且线性范围越宽。对于不同的负载电阻，可以在不同的照度范围内，使光电流与光强保持线性关系，所以应用光电池作测量元件时，所用负载电阻的大小，应根据光强的具体情况而定。总之，负载电阻越小越好。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光电池的频率特性 光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照。光电池的频率特性：反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。硅光电池可以有很高的频率响应。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光电池的温度特性 光电池的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池设备的

15、温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此它是光电池的重要特征之一。从曲线看出，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。因此当光电池作测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，从而采取相应的措施来进行补偿。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 3 光敏二、三极管1)光敏二极管(1)结构和工作原理 光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是类似的。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过玻璃透镜正好射在管芯上。发光二极管的管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极

16、管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外与普通的硅半导体二极管一样，在硅片上生长了一层二氧化硅保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减小了暗电流。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，该反向电流称之为暗电流。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子及光生空穴，因此使PN结的反向电流增大。第第1111章章 光电测量技术光电测量技术 最高反向工作电压 最高反向工作电压：光敏二极管在无光照条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承受的最高反向电压值。暗电流 暗电流：光敏二极管在无光照、最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。光电流 光电流：指光敏二极管受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。光电