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1、2023/8/10,1,第二节 光电传感器2,本章学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器 徐 琳,2023/8/10,2,一 内光电效应及器件,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：1 光电导效应及器件(1)光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,2023/8/10,3,过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度
2、的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,2023/8/10,4,材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。,式中、分别为入射光的频率和波长。,为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即,2023/8/10,5,光敏电阻光敏电阻的工作原理和结构,光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c
3、)光敏电阻接线图,2023/8/10,6,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,2023/8/10,7,光电池的示意图,+,光,P,N,SiO2,RL,(a)光电池的结构图,I,光,(b)光电池的工作原理示意图,P,N,2 光生伏特效应及器件 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和光敏二极管、三极管。光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。光电池的结构和工作原理 硅光电池的结构如图所示。,2023/8/10,8,2023/8/10,9,光敏二极管
4、光敏二极管的结构和工作原理 光敏二极管符号如图。光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,P,N,光,光敏二极管符号,RL,光,P,N,光敏二极管接线,2023/8/10,10,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。,光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,光敏二极管光敏二极管的结构和工作原理,2023/8/10,11,光敏二极管外形,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,2023/8/1
5、0,12,光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,2023/8/10,13,光敏三极管,光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,2023/8/10,14,光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且
6、其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,2023/8/10,15,集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。,光敏三极管,2023/8/10,16,普通三极管,2023/8/10,17,光敏三极管基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。,2023/8/10,18,光敏三极管外形,2023/8/10,19,光敏三极管内部结构,a)内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+衬底 7N型集电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结,2023/8/10,20,硅光敏晶体管的光谱特性,电磁波频谱,
