【正文】 充氣光電管 穩(wěn)定性較差，溫度影響大，容易衰老。 隨著半導體器件發(fā)展，真空光電管逐漸被半導體器件代替。 光電效應與光電器件 μ AIVU（ a ） 真 空 光 電 管（ b ） 充 氣 光 電 管5 02 0μl m4 0μl m6 0μl m8 0μl m1 0 0μl m1 2 0μl m1 0 0 1 5 0 2 0 0024681 01 2VUμ AI（ 1）伏安特性 一定光照 條件下 陰極所加電壓 與 陽極 所產生的 電流 之間的關系。 其特性曲線如圖所示。曲線 2為銻銫陰極 的光電管光照特性，它成非線性關系。 光電管的光照特性 25 50 75 100 2 0 Φ/1m IA/ μA 1 光電效應與光電器件 （ 3）光譜特性 可 見 光 譜/ nm?/%I 不同光電陰極材料的光電管，對同一波長的光有不同的靈敏度；同一種陰極材料的光電管對于不同波長的光的靈敏度也不同，這就是光電管的 光譜特性。 曲線 3為多種成分（銻、鉀、鈉、銫等）陰極的光譜特性曲線 。如 核儀器中閃爍探測器都使用的是光電倍增管做光電轉換元件。 光電效應與光電器件 光電倍增管及其基本特性 下圖是光電倍增管結構示意圖 。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 光電效應與光電器件 式中： I— 光電陽極的光電流 i— 光電陰極發(fā)出的初始光電流 δ — 倍增電極的電子發(fā)射系數 n— 光電倍增極數（一般 911個） （ 2）主要參數 nI i M i ?? ? ? ?倍增系數 M： 倍增系數一般 105— 108，與所加電壓有關，陰極和陽極間電壓一般 10002500V之間，兩相鄰倍增電極的電位差為 50100V. 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 光電效應與光電器件 （ 3） 光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數叫做光電倍增管的 陰極靈敏度 。 光電倍增管的最大靈敏度可達 10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。 光電效應與光電器件 （ 4）暗電流 無光照情況下，加上電壓后，陽極仍有電流存在。 暗電流大小的影響因素： 歐姆漏電 、 殘余氣體放電。 殘余氣體漏電： 高速運動的電子會使管中氣體電離產 生正離子和光電子。這種效應可分為因光照引起半導體電阻率變化的 光電導效應 和因光照產生電動勢的 光生伏特效應 兩種 與外光電效應的區(qū)別是： 內光電效應不會產生電子逸出物體現象。 如光敏電阻 . ?光生伏特效應 在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象 。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 光電效應與光電器件 一、光敏電阻 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 光敏電阻演示 當光敏電阻受到光照時， 光生電子 —空穴對增加， 阻值減小，電流增大。光敏電阻沒有極性， 使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（ 亮電阻 ）急劇減小，電路中電流迅速增大。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級， 亮電阻值在幾千歐以下。 ? 亮電阻 ? 光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。 100806040200 10 100 1 0 0 0 1 0 0 0 0硫化鎘硫化鉛S /( %)f / H z光敏電阻的頻率特性 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 光電效應與光電器件 ? 溫度特性 ：光敏電阻和其它半導體器件一樣，受溫度影響較大。 ? 硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。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。 硒、硅光電池 轉換效率高、價廉； 砷化鎵 材料的光譜響應與太陽光譜吻合、耐高溫和宇宙射線。 光電效應與光電器件 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 硼 擴 散 層P 型 電 極N 型 硅 片P N 結電 極硅光電池結構 硅光電池因為性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、轉換效率高、價格低廉等優(yōu)點被廣泛應用，又稱為 太陽能電池 。 利用光生伏特效應工作的光敏器件主要包括 光電池、光敏二極管和光敏三極管 。 光電效應與光電器件 光電池基本特性 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 光電效應與光電器件 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 用光電池作為測量元件時，應把它當作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。 ? 在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在 PN結上，光子打在 PN結附近，使 PN結附近產生光生電子和光生空穴對，它們在 PN結處的內電場作用下作定向運動，形成光電流。 ? 光敏二極管在 不受光照射 時處于 截止 狀態(tài)， 受光照射 時處于 導通 狀態(tài)。 ? 大多數光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電極就是反向偏壓， 當光照射在集電結時，就會在結附近產生電子 —空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的 β倍，所以光敏晶體管有放大作用。 N N P c b e + 光電效應與光電器件 光敏晶體管的基本特性 ? 光敏晶體管的光譜特性 1 0 08 06 04 02 004 1 028 1 021 2 1 021 6 1 022 0 1 02入 射 光鍺硅? / n mS / (%) 對一定材料和工藝制成的光敏管，必須對應一定的波長范圍，入射光才會響應，硅光敏晶體管適用于 長，而鍺光敏晶體管適用于。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 光電效應與光電器件 ? 伏安特性 0 . 1 00 . 0 80 . 0 60 . 0 40 . 0 2I / mA1 2 0 0 1 x1 0 0 0 1 x8 0 0 1 x6 0 0 1 x4 0 0 1 x2 0 0 1 x0－ 1 0 － 2 0 － 3 0 － 4 0 － 5 01 0864201 0 2 0 3 0 4 0 5 0500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反 向 電 壓 / V 集 電 極 － 發(fā) 射 極 電 壓 / V( a ) 硅 光 敏 二 極 管 ( b ) 硅 光 敏 晶 體 管在一定照度下，流過光敏晶體管的電流與兩端的電壓的關系。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過 1uA。因此，當工作頻率較高時，應選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時，才選用光敏三極管。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 光電效應與光電器件 光敏管的應用 路燈自動控制器原理圖 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 光電效應與光電器件 四、光電耦合器 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 “光耦”器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光管輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。 又稱光電隔離器（ 器件的光信號封閉 ） 光電效應與光電器件 四、光電耦合器 輸入輸出端必須使用獨立電源 第 9章 光電式傳感器 檢測技術 “光耦”集成器件的特點： 輸入輸出完全隔離，有獨立的輸入輸出抗，絕緣電阻在 1萬兆以上。特別適宜工業(yè)現場做數字電路開關信號傳輸、邏輯電路隔離器、計算機測量、控制系統中做無觸點開關等。 ? 固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導體光電器件，在一個器件上可以完成光電信號的轉換、傳輸和處理。它以電荷為信號， 具有光電信號 轉換 、 存儲 、 轉移 并 讀出 信號電荷的功能。 CCD的工作原理 CCD固體圖像傳感器 CCD固體圖像傳感器 以 P型襯底 MOS結構為例，如果在 金屬電極 —— 柵極 上施加一足夠大的正點壓，半導體表面將處于深耗盡狀態(tài)，在半導體表面形成電子 勢阱 。勢阱可以存儲少數載流子（在 P型襯底情況下少數載流子是電子），勢阱越深存儲電荷越多。 + U金 屬二 氧 化 硅P 型 硅勢 阱 ( 光 生 電 子 )CCD電荷的產生 CCD固體圖像傳感器 為了將勢阱中的電荷轉移并輸出，每個光敏單元一般包括 3個相鄰的電極 ，電極上的脈沖電壓相位依次相差 120176。 + U輸 出φ1φ3φ2電荷積蓄、轉移 φ1φ3φ2t1t5t4t3t2CCD電荷的收集和移位 CCD固體圖像傳感器 φ1φ3φ2t1t5t4t3t21 98765432 在 t1時刻，電極 7下方出現勢阱，并收集到光生電荷，電荷的多少與光強有關。到 t3時刻，電荷全部向右轉移的一步。 CCD電荷的收集和移位 CCD固體圖像傳感器 CCD電荷的收集和移位 CCD的分類 CCD固體圖像傳感器 （ 1）線陣型 CCD圖像傳感器 主要應用于 產品外部尺寸非接觸檢測，產品質量評定，傳真和光學文字識別技術等方面。 感 光 區(qū)輸 出輸出寄存器輸 出 寄 存 器輸 出光感光區(qū)暫存器輸 出 寄 存 器輸 出暫存列光 敏 單 元( a ) 行 傳 輸 ( b ) 幀 傳 輸 ( c ) 行 間 傳 輸行選址電路感光列有效面積大，速度快，需要行選址電路，結構復雜有重影 無重影