光电二极管与光电传感器的特性与原理

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1、光电二极管与光电传感器的特性与原理作者：武汉搏盛科技-陈帅联系电话：15926350413QQ：1371029437①光电传感器介绍光电传感器（光电开关）是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。在一般情况下，光电传感器由三部分构成：发送器、接收器和检测电路。其结构如图1所示：图1光电传感器结构示意图发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极

2、管及红外发射二极管。接收器包括光电二极管、光电三极管、光电池等。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等；在其后面是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号。②光电传感器分类光电传感器通常可分为对射型和反射型两类。(1)对射型光电传感器。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器产生响应并输出一个开关控制信号。(2)反射型光电开关。反射型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置

3、内，利用反射原理完成光电控制作用。一种情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到，一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号；另一种情况下，发光器发出的光并不被专门的反光板反射，但当光路上有检测物通过时，光在检测物表面反射回来并被接收器接收从而产生一个开关信号。③光电元件光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元件和半导体光电元件两大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应：(1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管,光电

4、倍增管等。(2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶体管等。(3)在光线作用下物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。3.1外光电效应器件3.1.1光电管(1)原理光电管是利用外光电效应制成的光电元件。光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图2。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻

5、璃管的中央。图2光电管的结构示意图(2)主要性能光电管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。1.光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如3图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。图3a真空光电管的伏安特性图3b充气光电管的伏安特性2.光电管的光照特性通常指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为光电管的光照特性。其特性曲线如4图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，

6、光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。图4光电管的光照特性3.光电管光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。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，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于

7、不同频率的光的灵敏度不同，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。3.1.2光电倍增管(1)原理当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，图5为光电倍增管内部结构示意图。图5光电倍增管内部结构示意图光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的倍。

8、即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。(2)主要特性1.倍增系数M倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。M与所加电压有关，在之间，稳定性为1％左右，此时要求