第十章 光电传感器

第十章光电传感器

? 教学要求
1了解光电效应的分类。
2了解光电元件的结构和工作原理
3掌握光电元件的及特性。
4掌握光电元件的基本应用电路。
5掌握光电传感器的应用。
6掌握光电开关的结构和分类。
? 教学手段 多媒体课件、多种光电教具演示
教学课时3学时?
Ø 教学内容
本章简单介绍光电效应、光电元件的结构和工作原理及特性，着重介绍光电传感器的各种应用。

第一节  光电效应及光电元件

光电效应的分类：
    1）在光线的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、光电倍增管、光电摄像管等。
    2）在光线的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、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。
    3）在光线的作用下，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。
（讨论3类效应的特点和原理有何不同，与光电元件结构的关系）
    一、基于外光电效应的光电元件
电子逸出金属表面的速度v可由能量守恒定律确定
mv2=hf－W                           （10-1）
（讨论物理意义，红外光能否产生电子发射？）
    二、基于内光电效应的光电元件
    （一）光敏电阻
    1．工作原理
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
2.光敏电阻的特性和参数
（1）        暗电阻
（2）        光电特性
（3）        响应时间
讨论：特性与应用之间的关系
3．关于照度（举例说明教室和户外的照度）
（二）光敏二极管、光敏三极管（实物接数字万用表，测光）
1．光敏二极管结构及工作原理
讨论光敏二极管结构与一般二极管不同之处：将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射（为什么？）。
目前还研制出几种新型的光敏二极管，它们都具有优异的特性。
（1）PIN光敏二极管  
（2）APD光敏二极管（雪崩光敏二极管
2．光敏三极管结构及工作原理及结构
（讨论与普通三极管的异同点）光敏三极管有两个PN结。有电流增益，光照射在集电区。
（三）光敏晶体管的基本特性
1．光谱特性
表10-1  几种光敏材料的光谱峰值波长
（讨论测量紫光和人体红外线的材料）
材料名称        GaAsP        GaAs        Si        HgCdTe        Ge        GaInAsP        AlGaSb        GaInAs        InSb
峰值波长/μm        0.6        0.65        0.8        1～2        1.3        1.3        1.4        1.65        5.0
1．        伏安特性（讨论与普通三极管的异同点）
硅光敏二极管工作在第三象限。流过它的电流与光照度成正比（间隔相当），而基本上与反向偏置电压 Uo无关。光敏三极管在不同照度下的伏安特性与一般三极管在不同基极电流下的输出特性相似。
3.光电特性
光敏三极管的光电特性曲线斜率较大，说明什么？其灵敏度较高。
4.温度特性
温度变化对亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常大
5.响应时间
工业级硅光敏二极管的响应时间为10-5～10-7s左右，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级（比较）
（讨论不同场合如何选择元件）
三、基于光生伏特效应的光电元件（实物演示）
光电池能将入射光能量转换成电压和电流属于光生伏特效应元件。
（一）结构工作原理及特性
光电池的种类很多，有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。其中应用最广的是硅光电池，这是因为它有一系列优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。
（二）光电池的基本特性
1．光谱特性
2．光电特性（计算面积、光照与光电流之间的关系）
3．伏安特性
4．光电池的温度特性
5．频率特性（分析面积与频率的关系，不同场合如何选择不同面积的光电池）

第二节  光电元件的基本应用电路

一、光敏电阻基本应用电路
图10-17  光敏电阻基本应用电路（比较）
a）Uo与光照变化趋势相同的电路  b）Uo与光照变化趋势相反的电路
二、光敏二极管应用电路
图10-18  光敏二极管的一种应用电路（讨论强光照时的输出电压Uo）
三、光敏三极管应用电路
光敏三极管在电路中必须遵守集电结反偏，发射结正偏的原则，这与普通三极管工作在放大区时条件是一样的。
比较图