1、 光電器件原理以及應用二維材料簡介二維光電器件目錄 光電器件原理以及應用二維材料簡介二維光電器件 根據光的波粒二象性，可以認為光是一種以光速運動的粒子流，稱為光子。每個光子具有的能量為 光照射某一物體，可以看作是一連串能量為E的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且一個光子的全部能量一次性地被一個電子吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產生相應的電效應，稱這種物理效應為光電效應。根據光電效應的不同機理，光電效應可分為三類：外光電效應、內光電效應和阻擋層光電效應。 光電效應光電器件原理與應用 紫外管外形 當入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服

2、金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。紫外線光電器件原理與應用光電子能否產生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。當入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02 /2 ，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。外光電效應hA0=g光電器件原理與應用

3、 當光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做內光電效應，它多發(fā)生于半導體內?；趦裙怆娦墓怆娖骷泄饷綦娮琛裙怆娦獙r帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg光半導體電子吸收能量（ ）躍遷電子-空穴對電導率增大 當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。光電器件原理與應用光敏電阻 當光敏電阻受到光照時，阻值減小。光電器件原理與應用光敏二極管外形 光敏二極管陣列 包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。光

4、電器件原理與應用光電池外形光敏面光電器件原理與應用EIU0RL1.光電管原理：光陰極光電子陽極空間電子流外接電阻壓降U=f(I)（實現(xiàn)光電轉換）特點：簡單，靈敏度低 光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結構相似，由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。光電器件原理與應用在入射光極為微弱時，光電倍增管能產生的光電流就很大光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽極 光電倍增管原理：光陰極光電倍增極陽極電流特點：光電流大，靈敏度高倍增率=n ,-單極

5、倍增率（3-6）， n-倍增極數(shù)（4-14）光電器件原理與應用（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。 真空光電管 充氣光電管150100502020lm40lm60lm80lm100lm120lm4681012陰極電壓/VIA/A2010050弱光強光1504681012陰極電壓/VIA/A光電器件原理與應用（2）光電管的光照特性當光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性光電器件原理與應用(3) 光電管的光譜特性 一般光電陰極材料不同的光電

6、管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。另外，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。 以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限c=700nm，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應用于各種光電式自動檢測儀表中。 對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。還有些光電管的光譜特性與人的視覺光譜特性有很大差異，可以擔負人眼不能勝任的工作，如夜視鏡等。光電器件原理與應用光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導體嚴密封裝在帶有玻璃的殼體中。2、光敏電阻（光導管） 原理：電阻器件，加直流偏壓，無極性 無光照-電子-空穴對很

7、少-電阻大(暗電阻) 有光照-電子-空穴對增多-導電性增強（亮電阻） 特點：很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應用比較廣泛。 結構：光導體吸收光子而產生的光電效應，只限于光照的表面薄層，雖然產生的載流子也有少數(shù)擴散到內部去，但擴散深度有限，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案光電器件原理與應用光敏電阻RGRLEI光電器件原理與應用（2）光照特性用于描述光電流與光照強度之間的關系。 多數(shù)是非線性的。不宜做線性測量元件，一般用做開關式的光電轉換器。光電器件原理與應用（3）光譜特性 硫

8、化鎘的峰值在可見光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時要把元件和光源結合起來考慮。光電器件原理與應用（5） 頻率特性 時間常數(shù)：光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時間。多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都很大。光電器件原理與應用(6) 溫度特性峰值隨溫度上升向波長短的方向移動。光電器件原理與應用 初制成的光敏電阻，由于電阻體與其介質的作用還沒有達到平衡，性能不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照及加負載情況下，性能可達穩(wěn)定。光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會有變化，但最后達到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏電阻的主要優(yōu)點。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下幾乎是無限長的。 （7）穩(wěn)定性光

9、電器件原理與應用（1） PIN管結光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。由式 = CjRL與 f =/2知，Cj小，則小，頻帶將變寬。 P-Si N-Si I-SiPIN管結構示意圖特點：頻帶寬，可達10GHz。在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。不足：I層電阻很大，輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。 光電器件原理與應用（2） 雪崩光電二極管

10、(APD) 管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)內電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。 噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。 光電器件原理與應用光敏晶體管 PPN becNNPe bc RL E 光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。其結構與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當光線照

11、射在集電結的基區(qū)時,會產生電子-空穴對,在內電場的作用下,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倍。 光電器件原理與應用光敏晶體管的主要特性(1) 光譜特性 存在一個最佳靈敏度波長2040608010040080012001600入射光波長/nm鍺硅相對靈敏度（%）0光電器件原理與應用(2)伏安特性01234 5外加電壓（V）20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx 與一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。只需把光電流看作基極電流即可。光電器件原理與應用

12、(3)光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(A) 近似線性關系。但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。故光敏三極管既可做線性轉換元件， 也可做開關元件。光電器件原理與應用(4)溫度特性 溫度變化對光電流的影響很小，對暗電流的影響很大。故電子線路中應對暗電流進行溫度補償。光電器件原理與應用(5)頻率特性 減小負載電阻可以提高響應頻率，但將使輸出降低。故使用時要根據頻率選擇最佳的負載電阻。硅管的響應頻率比鍺管的好。 20 406080100相對靈敏度（%）f(kHZ) 110 1000RL=1kRL=10kRL=100k光電器件原理與應用 光電池可把太陽能直接變電能，因此又稱

13、為太陽能電池。基于光生伏特效應制成，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結上時，在結的兩端出現(xiàn)電動勢。目前,應用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。1.硅光電池價格便宜，轉換效率高，壽命長，適于接受紅外光。2.硒光電池光電轉換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計，常用于分析儀器、測量儀表。3.砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應用是有發(fā)展前途的。光電池光電器件原理與應用光電池+光PNSiO2RLI光 P N(a)

14、 光電池的結構圖(b) 光電池的工作原理示意圖 在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(如硼)形成PN結。當光照到PN結區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。光電器件原理與應用光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLI光電池光電器件原理與應用（）光譜特性 硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測量儀表。如用照度

15、計測定光的強度。光電器件原理與應用(2) 光照特性不同光照射下有不同光電流和光生電動勢。短路電流在很大范圍內與光強成線性關系。開路電壓與光強是非線性的，且在2000 lx時趨于飽和。光電池作為測量元件時，應把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負載電阻越小越好。光電器件原理與應用(3) 頻率特性 光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關系。硅光電池有很高的頻率響應，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面。光電器件原理與應用 主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。短路電流隨溫度升高而緩慢增加。因此作測量元件時應考慮進行溫補。(4)溫

16、度特性光電器件原理與應用通常指光電器件輸入光量與輸出光電流或光電壓之間的關系，表征光電器件的靈敏度。光電管的光照特性1表示氧銫陰極； 2為銻銫陰極255075100200.51.52.0/1mIA/ A1.02.51012345I/mA L/lx10002000光敏電阻的光照特性非線性不宜作定量檢測元件，作光電開關光照特性光電器件原理與應用 指外加偏置電壓一定時，光敏晶體管的輸出電流和光照度的關系。光敏二極管的光照特性曲線的線性較好，而光敏三極管在照度小時，光電流隨照度增加較小，并且在光照足夠大時，輸出電流有飽和現(xiàn)象。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元

17、件，也可作開關元件。硅光敏管的光照特性 光照特性光電器件原理與應用短路電流與光照度成線性關系；開路電壓與光照度是非線性的，在光照度為20001x時就趨于飽和。檢測連續(xù)變化的光照度時，應當盡量減小負載電阻，把它作電流源來使用。在光信號斷續(xù)變化的場合，也可以把光電池作為電壓源使用。 光電池的光照特性光照特性光電器件原理與應用 光電器件在不同波長的光照射下，由不同的靈敏度。一定材料的器件總對應著一定波長范圍的入射光才會響應。陰極用銻銫材料，適用于白光光源，因而被廣泛地應用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外傳感器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。光譜特性光電管光電器件

18、原理與應用 硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240/m312相對靈敏度1硫化鎘2硒化鎘3硫化鉛光譜特性光敏電阻光電器件原理與應用光譜特性一種光敏晶體管只對一定波長范圍的人射光敏感?？梢姽饣蛱綔y赤熱狀態(tài)物體時，一般用硅管。在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。 硅和鍺光敏晶體管的光譜特性 硒光電池在可見光譜范圍內有較高靈敏度適宜測可見光。硅光電池在很寬的范圍內應用。光電池的光譜特性 光電器件原理與

19、應用光電式傳感器的應用模擬式傳感器脈沖式傳感器光電器件原理與應用1 模擬式光電傳感器 傳感器中光電元件接受的光通量隨被測量連續(xù)變化，因此，輸出的光電流也是連續(xù)變化的，并與被測量呈確定的函數(shù)關系，這類傳感器通常有以下四種形式。 1)光源本身是被測物，它發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)。這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計和照度計。2)恒定光源發(fā)射的光通量穿過被測物，一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測物的某些參數(shù)?？捎糜跍y量透明度、混濁度。 光電器件原理與應用模擬式光電傳感器3)恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測物上，由被測物表面反射后再投射

20、到光電元件上。反射光的強弱取決于被測物表面的性質和狀態(tài)，因此可用于測量工件表面粗糙度、紙張的白度等。4)從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達光電元件的途中受到被測物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸或位置。這種傳感器可用于工件尺寸測量、振動測量等場合。光電器件原理與應用1.比色式溫度傳感器溫度非接觸測量中的應用 比色式溫度傳感器采用比色式（雙波段）測溫原理實現(xiàn)對被測目標的非接觸測溫，用戶不需知道物質的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準 ,測量小目標，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標充滿，不需調焦就可準確測量。 比色溫度計適于環(huán)境條

21、件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如 :煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴重的鋼鐵、焦化和爐窯等應用現(xiàn)場。光源本身是被測物的應用實例 光電器件原理與應用2.紅外線輻射溫度計： 紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-303000，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據需要選擇適合的型號。食品溫度測量集成IC 溫度測量光電器件原理與應用紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準光電器件原理與應用1.光電比色高溫計 1物鏡；2平面玻璃；3光闌；4光導棒；5分光鏡；6濾光片；7硅光電池；8濾光片；9硅光電池；10瞄準反射鏡；11圓柱反射鏡；12目鏡

22、；13多夫棱鏡14、15硅光電池負載電阻；16可逆電機；17電子電位差計被測物吸收光通量的應用實例光電器件原理與應用2.煙霧報警器外形 無煙霧時，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災發(fā)生時，煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經閥值判斷電路后，發(fā)出報警信號。 煙霧報警光電器件原理與應用被測物體反射光通量的應用實例 1.反射式煙霧報警器 在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達紅外光敏三極管。 當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達光敏三極

23、管，有光電流輸出。光電器件原理與應用2.色標傳感器 色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。現(xiàn)代化工業(yè)生產中，顏色檢測和顏色識別等的應用越來越多。例如，在包裝生產中機器要確定哪種產品放在什么顏色的包裝中、如何保證產品的正面朝向包裝盒的玻璃紙窗口等等。色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。流水線上檢測產品的顏色產品包裝色彩檢測、分選光電器件原理與應用3.光電自動門自動門光電傳感器放大圖有效檢測區(qū)域光電器件原理與應用4.光電式轉速表 光電式轉速表屬于反射式光電傳感器，它

24、可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉速。 n =60( f /z ) 光電器件原理與應用被測物遮擋光通量的應用實例 1.光電式帶材跑偏檢測器 光電傳感器 帶材走偏時，邊緣經常與傳送機械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。 當帶材處于正確位置（中間位置）時，放大器輸出電壓Uo為零；當帶材左偏時，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。 光電器件原理與應用2 脈沖式光電傳感器 光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開關狀態(tài)。光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。這一類的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應用的光電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角

25、速度(轉速)的光電脈沖傳感器、光電計數(shù)和光電式轉速測量等場合。光電器件原理與應用光電器件原理與應用光電器件原理與應用光電器件原理與應用光電器件原理與應用熱釋電傳感器工作原理 熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運動時，順次地進入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。 光電器件原理與應用熱釋電傳感器簡介 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出

26、過利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域得到應用。比如：在房間無人時會自動停機的空調機、飲水機；電視機能判斷無人觀看或觀眾已經睡覺后自動關機的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應用；攝影機或數(shù)碼照相機自動記錄動物或人的活動等等 您可以根據自己的奇思妙想，結合其他電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產品?；蜃詣踊刂蒲b置。光電器件原理與應用2.熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應用 熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應用。它可用于能產生遠

27、紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。 熱釋電元件外形 光電器件原理與應用熱釋電傳感器應用 熱釋電傳感器用于自動亮燈，當然也可以用于防盜熱釋電傳感器的感應范圍光電器件原理與應用熱釋電感應燈熱釋電傳感器光電器件原理與應用熱釋電傳感器在智能空調中的應用 智能空調能檢測出屋內是否有人，微處理器據此自動調節(jié)空調的出風量，以達到節(jié)能的目的。 空調中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。上下范圍左右范圍光電器件原理與應用 光電器件原理以及應用二維材料簡介二維光電器件二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料二維材料 光電器件原理以及應用二維材料簡介二維光電器件Single-Layer MoS2 Phototransistors單層二硫化鉬的光學照片、AFM，PL譜與場效應管二維材料光電器件A光電流與入射光波長（入射光的能量