电工学7光电式课件.ppt

1、第七章第七章 光电式传感器光电式传感器1光电效应：光电效应：是指一些金属、金属氧化物或半导体材料是指一些金属、金属氧化物或半导体材料在光的照射下释放电子的现象。在光的照射下释放电子的现象。2分类分类 外光电效应：外光电效应：当物体在光的照射下，物体中的电子从表当物体在光的照射下，物体中的电子从表面逸出的现象，又称为面逸出的现象，又称为光电发射效应光电发射效应。例如：。例如：光电管光电管。内光电效应内光电效应：物体在光的作用下，物体中的电子并不逸物体在光的作用下，物体中的电子并不逸出，而在物体内部运动影响其本身的电特性，这种现象称为出，而在物体内部运动影响其本身的电特性，这种现象称为内光电效应。

2、内光电效应。内光电效应又分为：内光电效应又分为：光电导效应：光电导效应：在光照的作用下，物体的电导率发生变化，在光照的作用下，物体的电导率发生变化，例如：例如：光敏电阻光敏电阻；光伏效应：光伏效应：在光照的作用下，物体在某一方向上产生电动在光照的作用下，物体在某一方向上产生电动势的现象，例如：势的现象，例如：光敏晶体管、光电池光敏晶体管、光电池。光电式传感器：光电式传感器：利用光电元件将光信号转变成电信号的一种装置，其工作利用光电元件将光信号转变成电信号的一种装置，其工作基础是光电效应。基础是光电效应。第七章第七章 光电式传感器光电式传感器71光敏电阻光敏电阻一、工作原理一、工作原理要点：半导

3、体材料，光照下，电子吸收光子能量，价电子要点：半导体材料，光照下，电子吸收光子能量，价电子变成自由状态形成电子变成自由状态形成电子空穴对（载流子），载流子浓度空穴对（载流子），载流子浓度增大，导电性增强，电阻减小。增大，导电性增强，电阻减小。光敏电阻及其电路光敏电阻及其电路光敏电阻光敏电阻具体结构参见教材具体结构参见教材P93图图7-1技术参数技术参数 光敏电阻无极性 暗电流、暗电阻 暗电阻：无光照时的电阻，几兆欧 暗电流：与暗电阻对应的电流。亮电流、亮电阻 亮电阻：有光照时的电阻，几千欧 亮电流：与亮电阻对应的电流。光电流亮电流暗电流 灵敏度：亮电阻与暗电阻之差越大，光电流越大，灵敏度越大。

4、第七章第七章 光电式传感器光电式传感器二、基本特性二、基本特性第七章第七章 光电式传感器光电式传感器光照特性光照特性0Ev(lx)I(mA)1光照特性：光照特性：又称光电特性，光电流与光照强度的关系。左图表明：光照特性一般为非线性，所以，只用作开关式光电转换元件。（给定电压的电路中，见P93图7-1）2伏安特性：伏安特性：光电流与外加电压之间的关系。U(V)I(mA)1000lx100lx0伏安特性伏安特性左图表明：在给定电压的情况下，光电流随着光照强度的增加而增加，电阻也随着光照强度的增加而减小。3光谱特性：光谱特性：表示光的波长与光电流的关系。0相对灵敏度相对灵敏度(um)光谱特性光谱特性

5、材料材料1材料材料3材料材料2左图表明：同一材料对不同波长的光敏感度不一样；不同材料对同一波长的光敏感度不一样。意义：根据被测光的波长不同，选择不同的光敏材料。4频率特性：频率特性：表示光电流与光照强度变化频率之间表示光电流与光照强度变化频率之间的关系的关系相对灵敏度相对灵敏度f(Hz)01硫化铅硫化铅硫化铊硫化铊频率特性频率特性左图表明：不同材料的频率特性不同，图中硫化铅的工作带宽要大于硫化铊。5温度特性温度特性温度高，暗电阻减小，暗电流增大，光电流减小，灵敏度也随之减少；反之增大。72光电二极管和光电三极管光电二极管和光电三极管一、光电二极管（光敏二极管）一、光电二极管（光敏二极管）与普通

6、二极管的异同点：与普通二极管的异同点：在结构上很类似，只是光电二极管的PN结由光敏半导体材料构成，具有光敏特性，且PN结面积较大以更多的接收光的照射，PN结较浅以提高光电转换能力。在制造工艺上也是相似的，锗管采用合金扩散法，硅管用用硅平面工艺。PN结的光敏导通特性。在PN结上施加反向电压，在无光照时，呈截止状态，有光照时，呈导通状态。1PN结型光电二极管结型光电二极管RPN光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路光敏导通性：光敏导通性：当无光照时，只有微弱的暗电流，处于反向截止状态；当有光照时，形成光电流，处于导通状态，并且光电流的大小随着光照强度的不同而不同。2PIN结型光电二极管：结型光电二极

7、管：用于激光、光通信等高速用于激光、光通信等高速场合。场合。决定决定PN结型光电二极管对光响应时结型光电二极管对光响应时间的主要因素是光生载流子的扩散间的主要因素是光生载流子的扩散时间：时间：在在P层与层与N层之间增加了一个层之间增加了一个I层，层，且且P层作的比较薄，受到光照时，光层作的比较薄，受到光照时，光通过通过P层到层到I层，激发出更多的载流层，激发出更多的载流子；（多载流子子；（多载流子碰撞几率增大）碰撞几率增大）在在PN结上施加的反向电压增高，结上施加的反向电压增高，加强了加强了PN结电场，提高了载流子通结电场，提高了载流子通过过PN结的扩散速度。（高电压结的扩散速度。（高电压强强

8、电场电场移动快）移动快）光光PINRPIN型光电二极管型光电二极管以上两点保证了以上两点保证了PIN型光敏二极管的响应速度增快。型光敏二极管的响应速度增快。3APD型光电二极管：型光电二极管：具有电流增益作用具有电流增益作用 电流增益作用：电流增益作用：在在P的另一侧增加一个高浓度的另一侧增加一个高浓度P+层；层；在在PN结上施加高电压（接近于反结上施加高电压（接近于反向击穿电压），在强电场的作用下，向击穿电压），在强电场的作用下，P+的电子高速通过的电子高速通过PN结，在移动过结，在移动过程中碰撞产生更多的载流子，这些程中碰撞产生更多的载流子，这些载流子在强电场的作用下，形成链载流子在强电场

9、的作用下，形成链锁反映，形成锁反映，形成“雪崩雪崩”现象，使通现象，使通过二极管的电流猛增，从而产生了过二极管的电流猛增，从而产生了大的光电流。大的光电流。光光P+pNRAPD型光电二极管型光电二极管 4应用电路举例应用电路举例VT2R1R2R3R4VT1VD1K亮通电路亮通电路VT2R1R3R4VT1VD1K暗通电路暗通电路二、光电三极管（光敏三极管）Rbce光电三极管电路光电三极管电路1类型与特点类型与特点PNPNPN 光电三极管与普通三极管的异同点：结构上很类似，只是基极面积较大以接受光的照射；有电流增益作用。2应用电路举例应用电路举例 R2VT1VT2VccVoutR1光敏三极管应用电

10、路光敏三极管应用电路三、光电二极管与光电三极管的基本特性三、光电二极管与光电三极管的基本特性 1光照特性：光照特性：光电流与光照强度的关系0I(uA)I(mA)Ev(lx)Ev(lx)0光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管比较：比较：线性度：光电二极管优于光电三极管线性度：光电二极管优于光电三极管 电流增益：光电三极管优于光电二极管（注意单位不同）电流增益：光电三极管优于光电二极管（注意单位不同）2伏安特性：伏安特性：光电流与外加偏置电压的关系 U(v)I(uA)I(mA)光照度光照度光照度光照度光 电 二 极光 电 二 极管管光 电 三 极光 电 三 极管管00U(v)比较：比较：零输入

11、电压时，二极管有光电流，三极无光电流；零输入电压时，二极管有光电流，三极无光电流；二极管的伏安特性近似于一条直线，在光照一定的情况下，二极管的伏安特性近似于一条直线，在光照一定的情况下，相当相当于一个恒流源于一个恒流源；三极管有斜线区和直线区（光电流由不饱和到饱和）。；三极管有斜线区和直线区（光电流由不饱和到饱和）。3频率特性：频率特性：光电流与光照强度变化频率之间的关系。f10MHz，PIN型或APD型200300Kf10MHz，PN型f200300K，光电三极管响 应响 应速度速度73光电池 一、硅光电池的结构和工作原理 抗反射层抗反射层栅状电极（上）栅状电极（上）扩散层扩散层PN结结硅基

12、片硅基片背电极（下）背电极（下）从硅电电池的结构可从硅电电池的结构可以看出，其实质是一以看出，其实质是一个大面积的个大面积的无偏置半无偏置半导体导体PN结结，栅状电，栅状电极和背电极用于输出极和背电极用于输出电动势，抗反射层是电动势，抗反射层是为了提高光吸收率。为了提高光吸收率。工作原理：工作原理：当光照射在光电池的当光照射在光电池的PN结上时，除了一小部分反射结上时，除了一小部分反射之外，绝大部分被之外，绝大部分被PN结接收，在结接收，在PN结处产生空穴结处产生空穴电子对，电子对，由于无外加偏置电压，空穴移向由于无外加偏置电压，空穴移向P区，使区，使P区带正电，区带正电，电子移向电子移向N区

13、，使区，使N区带负电，于是在区带负电，于是在P区和区和N区之间就产生电动势（光区之间就产生电动势（光生电动势）。生电动势）。二、光电池的基本特性二、光电池的基本特性 光照特性：光照特性：(1)(1)开路电压光照度开路电压光照度 UocIscEvEv短路电流光照度短路电流光照度 比较：比较：非线性变化（分上升段和饱和段）；非线性变化（分上升段和饱和段）；线性变化，可作为电流源线性变化，可作为电流源2光谱特性：光谱特性：光电流与波长之间的关系 从左图中可以看出，从左图中可以看出，硅的最大灵敏度对应硅的最大灵敏度对应的波长，属于可见光的波长，属于可见光范围。范围。同时比较硅、锗、硒同时比较硅、锗、硒

14、三种材料，在可见光三种材料，在可见光范围内，硅的灵敏度范围内，硅的灵敏度最高（参见教材最高（参见教材P100图图7-15）相对灵敏度相对灵敏度1.00.40.6 0.7硅的光谱特性硅的光谱特性3频率特性：频率特性：光电流与光照强度变化频率之间的关系 0If频率特性频率特性4温度特性：温度特性：UocIscTT下降较快下降较快上升较慢上升较慢开路电压温度开路电压温度T 短路电流温度短路电流温度T 74光电传感器的应用 一、光电传感器的类型一、光电传感器的类型1模拟量光电检测系统模拟量光电检测系统 直射光直射光 透射光透射光 反射光反射光 位移位移2开关量光电检测系统开关量光电检测系统 光电开关光

15、电开关 光耦光耦二、常用光电元件二、常用光电元件1光控晶闸管：光控晶闸管：G控制极控制极阴极阴极K阳极阳极A结构图结构图P2n2n1P1J2J3J1GVDAKPNPNPNIGID等效电路等效电路光控晶闸管是由光光控晶闸管是由光辐射触发导通的晶辐射触发导通的晶闸管，又称为光控闸管，又称为光控可控硅。可控硅。从上面的结构图及等效电路可以看出：从上面的结构图及等效电路可以看出：结构图中的结构图中的P1n1P2等效电路中的等效电路中的PNP结构图中的结构图中的n2P2n1等效电路中的等效电路中的NPN结构图中的结构图中的J2（反向偏置）（反向偏置）等效电路中的等效电路中的VD结构图中的结构图中的J1（

16、正向偏置）（正向偏置）等效电路中的等效电路中的NPN的的PN结结结构图中的结构图中的J3（正向偏置）（正向偏置）等效电路中的等效电路中的PNP的的PN结结 在阳极A和阴极K上加上电压，则：)(1212GDAIII其中：、12：三极管放大系数 ID:J2结反向漏电流 IG:控制极电流，当 IG=0时)(1212DAII 与一般晶闸管不同的是，控制信号不是电信号，与一般晶闸管不同的是，控制信号不是电信号，而是光信号，如下例：而是光信号，如下例：R2R1VoutC1Vs1Vs2VccVD光控晶闸管典型应用电路光控晶闸管典型应用电路无光照时，光控晶闸管无光照时，光控晶闸管Vs1阻断，此时阻断，此时C1

17、充电，当电充电，当电压达到普通晶闸管压达到普通晶闸管Vs2的转的转折（动作）电压时，折（动作）电压时，Vs2触触发导通；发导通；有光照时，有光照时，Vs1导通，导通，C1被被短路，短路，Vs2断开。断开。3光电耦合器光电耦合器将发光元件与受光元件封装在一起组成的复合转换元件，将发光元件与受光元件封装在一起组成的复合转换元件，完成电完成电光光电两次转换，通过光进行输入端与输出电两次转换，通过光进行输入端与输出端的耦合，同时实现了电路输入端与输出端的电隔离，端的耦合，同时实现了电路输入端与输出端的电隔离，所以又称为光电隔离器。所以又称为光电隔离器。具体结构参见教材具体结构参见教材P103图图7-2

18、2。通常有以下组合形式：通常有以下组合形式：光敏二极管型光敏二极管型 光敏三极管型光敏三极管型 交流输入型交流输入型 光敏达林顿三极光敏达林顿三极管型（电流传输子大）管型（电流传输子大）光敏二极管与开关管组合光敏二极管与开关管组合型（响应快）型（响应快）特点：特点：光电耦合器实现了光耦合，在输入与输光电耦合器实现了光耦合，在输入与输出端之间绝缘电阻很高（出端之间绝缘电阻很高（1010），具有），具有优良的隔离性；优良的隔离性；具有单向传输性：电具有单向传输性：电光光电；电；可以实现脉冲转换与直流电平转换，作可以实现脉冲转换与直流电平转换，作为不同逻辑电路的接口；为不同逻辑电路的接口；响应快，寿

19、命长。响应快，寿命长。4光电开关光电开关 光电开关又称为光电断续器，将红外发光元件与光电开关又称为光电断续器，将红外发光元件与光电元件组装在一起，根据其结构，有透射式和光电元件组装在一起，根据其结构，有透射式和反射式两种，具体结构详见教材反射式两种，具体结构详见教材P104，图，图7-27。有物体靠近：低有物体靠近：低无物体靠近：高无物体靠近：高R1R2R2R1R3VccVccVoutVout隔开（有障碍物）：高隔开（有障碍物）：高连通（无障碍物）：低连通（无障碍物）：低透过型透过型反光型反光型三、应用举例三、应用举例 1光电式数字转速记（详见教材光电式数字转速记（详见教材P101，图，图7-

20、19）2照明灯自动开关（详见教材照明灯自动开关（详见教材P101）3光位计（详见教材光位计（详见教材P105，图，图7-29）4安全防灾（详见教材安全防灾（详见教材P105-P106）5声控光敏延时开关（图声控光敏延时开关（图7-20+声控）声控）主要应用在楼梯、走廊等公共场合，在白天，关主要应用在楼梯、走廊等公共场合，在白天，关闭状态（无论是否有声音），在晚上（光线不够闭状态（无论是否有声音），在晚上（光线不够时），有声音时就开启，时），有声音时就开启，45秒后又自动关闭。秒后又自动关闭。6条形码扫描笔条形码扫描笔 扫描笔的前方为光电读入头，由一个发光二极管扫描笔的前方为光电读入头，由一个发光二极管和一个光敏三极管组成，当扫描头在条形码上移和一个光敏三极管组成，当扫描头在条形码上移动时，遇到黑线，发光二极管的光被黑线吸收，动时，遇到黑线，发光二极管的光被黑线吸收，光敏三极管受不到光，呈高阻状态，当遇到白线光敏三极管受不到光，呈高阻状态，当遇到白线时，处于导通状态。时，处于导通状态。脉冲序列（脉冲序列（1010101101011011010）发光二极管发光二极管光敏三极管光敏三极管7红外自动干手器红外自动干手器