第8章光电式传感器摘要.pptVIP

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 四种基本形式 透射式 反射式 辐射式 开关式 光敏二级管和三级管的主要特性： 存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。 1）光谱特性 相对灵敏度/% 硅 锗 入射光 λ/? 4000 8000 12000 16000 100 80 60 40 20 0 硅的峰值波长为9000?，锗的峰值波长为15000?。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。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。 光电式传感器 2）伏安特性 光电式传感器 3）光照特性 光电式传感器 光敏二级管的线性度好 暗电流/mA 光电流/mA 10 20 30 40 50 60 70 T /oC 25 0 50 100 0 200 300 400 10 20 30 40 50 60 70 80 T/oC 光敏三级管的温度特性 4）温度特性 光电式传感器 温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大． 5）光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。 0 100 1000 500 5000 10000 20 40 60 100 80 RL=1kΩ RL=10kΩ RL=100kΩ 入射光调制频率 / HZ 相对灵敏度/% 光敏三级管的频率特性 光电式传感器 光电式传感器 光敏二极管和三极管的主要差别 光电流 光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。 响应时间 光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5～10us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。 输出特性 光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。 光电式传感器 （2）光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池。 光电式传感器 在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对， 光生 电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。 光电式传感器 光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。 I U Id U I RL IΦ (a) (b) (c) 光电池符号和基本工作电路 光电式传感器 光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等 最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中 硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。 光电式传感器 光电池外形 光敏面 光电式传感器 (a) 硅光电池 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 L/klx ? L/klx ? 5 4 3 2 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 2 4 6 8 10 开路电压 Uoc /V 0.1 0.2 0.3 0.4 ? 0.5 0.3 0.1 0 1 2 3 4 5 Uoc/V Isc /mA Isc/mA (b)硒光电池 开路电压 短路电流 短路电流 光电式传感器 短路电流，指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。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光