第9章 光电式传感器ppt课件.ppt

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1、第9章光电式传感器9.1光电效应9.2光电式传感器器件9.3光电式传感器的常用型号9.4光电式传感器的应用9.1光电效应9.1.1外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子则称为光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。因为光的波长越短，即频率越高，其光子的能量越大；反之，光的波长越长，其光子的能

2、量也就越小。根据能量守恒定理有（9-1）式（9-1）为爱因斯坦光电效应方程式，由此可知，光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应元件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。9.1光电效应9.1.2内光电效应受光照物体电阻率发生改变，或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：在光线作用下，半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，如图9-1所

3、示，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这就是光电导效应。1．光电导效应9.1光电效应9.1.2内光电效应在光线的作用下物体产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。根据其产生电势的机理可分为，侧向光生伏特效应和PN结光生伏特效应，其中PN结光生伏特效应应用较广。当光照射到PN结上时，如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能够从价带激发到导带成为自由电子，价带成为自由空穴。从而在PN结内产生电子-空穴对。这些电子-空穴对在PN结的内部电场作用下，电子移向N区，空穴移向P区，电子在N区积累

4、，空穴在P区积累，从而使PN结两端形成电位差，PN结两端便产生了光生电动势。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。2．光生伏特效应9.2光电式传感器器件9.2.1基于外光电效应的光电器件光电管由一个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空的或充气的玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。1．光电管当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电

5、路中串入一适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成光电流I，并在负载电阻RL上产生输出电压Uo。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压Uo与入射光通量Φ成正比。9.2光电式传感器器件9.2.1基于外光电效应的光电器件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，如图9-4所示。光阴极是由半导体光电材料锑化铯做成，次阴极是在镍或铜－铍的衬底上涂上锑化铯材料而形成，次阴极多的可达30级，通常为12级～14级。最后阳极用来收集电子，输出电压脉冲。一般收集的阳极电子流比阴极发射的电子流大105～108倍。2．光电

6、倍增管9.2光电式传感器器件9.2.1基于外光电效应的光电器件光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子。光电倍增管的光电转换过程为：当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二次电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增极产生的

7、二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在回路中形成比较大的光电流I。光电倍增管的倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数δi的乘积。如果n个倍增电极的δi都一样，则M=δin设光电倍增管的电流放大倍数为β，则2．光电倍增管9.2光电式传感器器件9.2.2基于内光电效应的光电器件光敏电阻又称为光导管，由半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单，如图9-5所示，在玻璃底板上均匀涂上薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，使金属电极与半导体层可靠电接触，然后将其压入塑料封装体内，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

8、分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内投射率最大。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻元件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。1．光敏电阻9.2光电式传感器器件9.2.2基于内光电效应的光电器件光敏电阻的基本参数①暗电阻置于室温