第五章 光传感器

1、1第五章第五章 光传感器光传感器 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件 第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件 第四节第四节 其他光传感器其他光传感器 第五节第五节 光传感器的应用举例光传感器的应用举例 第六节第六节 光纤传感器光纤传感器2一、光谱一、光谱光波：光波：波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm紫外线：紫外线：波长波长10380nm， 波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线：红外线：波长

2、波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。光谱分布如图所示。第一节第一节 概概 述述3远紫外远紫外近紫外近紫外可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.050.55波长波长/mm波数波数/cm m-1-1频率频率/Hz光子能量光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速光的波长与

3、频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常，通常c31010cm/s。光的波长。光的波长和频率和频率的关系为的关系为 的单位为的单位为Hz，的单位为的单位为cm。 =31010cm / s4二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1 1、白炽灯、白炽灯2 2、气体放电灯、气体放电灯3 3、发光二极管、发光二极管4 4、激光器、激光器5三、光电效应三、光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外

4、光电效应和内光电效应两光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类大类1 1、外光电效应、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发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（光的频率（s-1）6根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光

5、子根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过属释放电子所需时间不超过10- -9s。根据能量守恒定理根据能量守恒定理 式中式中 m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度。电子逸出速度。 02021Amh该方程称为爱因斯坦光电效应方程。该方程称

6、为爱因斯坦光电效应方程。7n光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高

7、于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。电子数也就越多。n光电子逸出物体表面具有初始动能光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，

8、而且截止电压与入射光的频率成正比。而且截止电压与入射光的频率成正比。8 当光照射在物体上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，发生变化，或产生光生电动势的现象或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电光电导效应导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类两类。 （1） 光电导效应光电导效应 2 2、内光电效应、内光电效应在光线作用，电子吸收在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，材

9、料电导率的变化，这这种现象被称为光电导效种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。电器件有光敏电阻。 Eg24. 1hch9 （2） 光生伏特效应光生伏特效应 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势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。有光电池和光敏二极管、三极管。 势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光结中，当光线照射其接触区域时，产生光电线照射其接触区域时，产生光电动势的现象，动势

10、的现象，称为结光电效应。称为结光电效应。以以PN结为例，光线照射结为例，光线照射PN结时，设结时，设光子能量大于禁带宽度光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向激发的电子移向N区外侧，被光激发区外侧，被光激发的空穴移向的空穴移向P区外侧，从而使区外侧，从而使P区带正区带正电，电，N区带负电，形成光电动势。区带负电，形成光电动势。10侧向光电效应。侧向光电效应。 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产

11、生侧向光电效应流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光部分带负电，光照部

12、分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（位置敏感器件（PSD）。）。11 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。如光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图1. 1. 结构与工作原理结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气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光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构

13、相似，如图。电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，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。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，置于玻属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。璃管的中央。第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件RUI光强1213 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱光电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。特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1 1）

14、光电管的伏安特性光电管的伏安特性2. 2. 主要性能主要性能 在一定的光照射在一定的光照射下，对光电器件的阴下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所极所加电压与阳极所产生的电流之间的关产生的电流之间的关系称为光电管的伏安系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是特性如图所示。它是应用光电传感器参数应用光电传感器参数的主要依据。的主要依据。光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012IA/ A14（2 2） 光电管的光照特性光电管的光照特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定通常指当光电管的阳极和阴

15、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。时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线其特性曲线如图所示。曲线1表示表示氧铯阴极氧铯阴极光电光电管的光照特性，光电管的光照特性，光电流流I与光通量成线性关与光通量成线性关系。曲线系。曲线2为为锑铯阴极锑铯阴极的光电管光照特性，的光电管光照特性，它成非线性关系。光它成非线性关系。光照特性曲线的斜率照特性曲线的斜率（光电流与入射光光（光电流与入射光光通量之间比）称为光通量之间比）称为光电管的灵敏度。电管的灵敏度。 光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.5

16、115（3 3）光电管光谱特性）光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管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变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，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它们有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光，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率率高于红限频率0，并且强度相同，随着

17、入射光频率，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，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电光电管对于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。选用不同材料的光电阴极。16二、光电倍增管及其基本特性二、光电倍增管及其基本特性 光照很弱时，光电管产生光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的仪器中闪烁探测

18、器都使用的是光电倍增管做光电转换元是光电倍增管做光电转换元件。件。 光电倍增管是利用二次电光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。将光电流在管内进行放大。1. 1. 结构和工作原理结构和工作原理17 由由光阴极、光阴极、次阴极次阴极(倍增电极倍增电极)以及以及阳极阳极三部分组三部分组成。次阴极多的可达成。次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电级；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子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到

19、几百万倍。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。很大的光电流。18（1 1）倍增系数）倍增系数MM 倍增系数倍增系数M等于等于n个倍增电极的二个倍增电极的二次电子发射系数次电子发射系数的乘积。如果的乘积。如果n个倍增电极的个倍增电极的都相同，都相同，则则M= 因此，阳极电流因此，阳极电流 I 为为 I = i i i i 光电阴极的光电流光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数为为

20、 = I / i =M与所加电压有关，与所加电压有关，M在在105108之间，稳定性为之间，稳定性为1左左右，加速电压稳定性要在右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍，两个相邻的倍增电极的电位差为增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好，。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。 2. 2. 主要参数主要参数ninini19 103

21、104 105 106255075100125极间电压/V 放大倍数光电倍增管的特性曲线20（2 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的电倍增管的阴极灵敏度阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而

22、会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 （3 3）暗电流和本底脉冲）暗电流和本底脉冲暗电流暗电流：没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流：没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流本底电流：本底电流：如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下出现的电流，其值大于暗电流。增加的全蔽光情况下出现的电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射

23、在光电倍增管上而造成，具有的闪烁体照射在光电倍增管上而造成，具有脉冲形式脉冲形式 21光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在45mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/ A（4）光电倍增管的光照特性 光照特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。光谱特性22利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件

24、动势的光电器件称称内光电效应器件内光电效应器件，常见的有，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。不足：需要外部电源，有电流时会发热。

25、 第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件231. 1. 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带价带上的电子将激发到上的电子将激发到导带导带上去，从而使导带的电子和价上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度宽度Eg，即，即 h h= = Eg(eV)

26、式中式中和和入射光的频率和波长。入射光的频率和波长。 一种光电导体，存在一个照射光的波长限一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有，只有波长小于波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。ch24.124 在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的硫状电极，由于在间距很近的铟等金属形成的硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。了光敏电阻的灵敏度。

27、25 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。重量轻、性能稳定、

28、价格便宜，因此应用比较广泛。 RGRLEI262. 2. 光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电阻、亮电阻、光电流）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。给定电压下流过的电流。亮电流：亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。下的亮电阻。此时流过的电流。光电流：光电流：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差

29、。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达甚至高达100M，而亮电阻则在几，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之以下，暗电阻与亮电阻之比在比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。 27（2 2）光照特性）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同

30、类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx1000200028（3 3）光谱特性）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类

31、结合起来考虑，才能获得满意的效果。源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅29（4 4） 伏安特性伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度分别表示照度为为零零及照度为及照度为某值某值时的伏安特性。由曲线可知，在给时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加

32、的电压越大，光电流越大，而且无饱和现度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现5010015020012U/V02040象。但是电压不能无限地象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。电阻永久性损坏。I/ A30（5 5）频率特性）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立

33、刻为才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。零，这就是光敏电阻的时延特性。20406080100I / %f / Hz010102103104由于不同材料的光敏，由于不同材料的光敏，电电阻阻时延特性不同，所以它时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如们的频率特性也不同，如图。图。硫化铅硫化铅的使用频率比的使用频率比硫化镉硫化镉高得多，但多数高得多，但多数光光敏电阻的敏电阻的时延都比较大，时延都比较大，所以，它不能用在要求快所以，它不能用在要求快速响应的场合。速响应的场合。硫化铅硫化镉31（6 6）稳定性）稳定性 图中曲线图中曲线1、2分别表示两种型号分别

34、表示两种型号CdS光敏电阻的稳光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定体内机构工作不稳定，以及以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上I / %408012016021t/h0400 800 1200 1600升，有些样品阻值下降，但升，

35、有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的再变了。这就是光敏电阻的主要优点。主要优点。 光敏电阻的使用寿命在光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况密封良好、使用合理的情况下，几乎是下，几乎是无限长无限长的。的。 32（7 7）温度特性）温度特性其性能其性能(灵敏度、暗电阻和光谱响应灵敏度、暗电阻和光谱响应)受温度的影响较受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流流I和温度和温度T的关

36、系如图所示。有时为了提高灵敏度，的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C33二、光电池二、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光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件器件，又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成，又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成

37、的，是发电式有源元件。它有较大面积的的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照结，当光照射在射在PN结上时，在结的两端出现电动势，有光线作用时结上时，在结的两端出现电动势，有光线作用时就是电源。就是电源。应用应用:用于宇航电源、检测和自动控制等。用于宇航电源、检测和自动控制等。种类：硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化种类：硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。铜等等。l硅光电池价格便宜，硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接收红外光转换效率高，寿命长，适于接收红外光。l硒光电池光电转换效率低硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光、寿命短，适

38、于接收可见光(响应峰值波长响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。，最适宜制造照度计。l砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合阳光谱最吻合,且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。途的。34 硅光电池的结构如图所示。它是在一块硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上型硅片上用扩散的办法掺入一些用扩散的办法掺入一些P型杂质型杂质(如硼如硼)形成

39、形成PN结。当光结。当光照到照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子激发出电子- -空穴对，在空穴对，在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区聚积正电区聚积正电荷，这样荷，这样N区和区和P区之间建立一个与光照强度有关的电区之间建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生动势。一般可产生0.2V0.6V电压电压50mA电流。电流。1. 1. 光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理+光PNSiO2RL(a) 光电池的结构图I光(b) 光电池的工作原理示意图 P N35光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。光电池的表示符号、基本电路及

40、等效电路如图所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路36太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池37L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光电池(b)硒光电池（1 1）光照特性）光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，当照度为线，开路电压与光照度关系是非线性关系，当照度为2000lx时趋向饱和。时

41、趋向饱和。 短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。2. 基本特性开路电压短路电流短路电流38短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路短路”条件。条件。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0硒光电池在不同负载电阻时的光照特性硒光电池在不同负载电阻时的光照特性可见，负载电阻可见，负载电阻RL越

42、小，光电流与强度的线性关系越越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。好，且线性范围越宽。39204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) (2) 光谱特性光谱特性 光电池的光谱特性决定于材料。光电池的光谱特性决定于材料。1硒光电池2硅光电池可见，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，可见，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。附近，适宜测可见光。 硅光电池应用的范围硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可在很宽的范围内应用。附近，因此硅光电

43、池可在很宽的范围内应用。 40(3) (3) 频率特性频率特性 光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。间电容大，故频率特性较差。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光电池硒光电池2硅光电池硅光电池从光电池的频率响应曲线可知，硅、硒光电池的频率特从光电池的频率响应曲线可知，硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池频率响应较好硒光电

44、池较差。所以高性不同，硅光电池频率响应较好硒光电池较差。所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。41（4 4）温度特性）温度特性 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。可见，开路电压与短路电流均随温度而变变化的关系。可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采

45、取温度补偿措测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC开路电压ISC 短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线42三、光敏二极管和光敏三极管三、光敏二极管和光敏三极管1. 光敏二极管光敏二极管 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此频。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此频率特性好。光生电势与光电池相同，但输出电流比光电率特性好。光生电势与光电池相同，但输出电流比光

46、电池小，一般为几池小，一般为几A到几十到几十A。按按材料材料：硅、砷化镓、锑化锢光电二极管等多种。：硅、砷化镓、锑化锢光电二极管等多种。按按结构结构：同质结与异质结之分。最典型的是同质结硅光：同质结与异质结之分。最典型的是同质结硅光电二极管。电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型导电类型：2CU和和2DU两种系列。两种系列。2CU系列的光电二极管只有系列的光电二极管只有两条两条引线，而引线，而2DU系列光电二极管有系列光电二极管有三条三条引线。引线。 431. 1. 光敏二极管光敏二极管锗光敏二极管有锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有四类；硅光

47、敏二极管有2CU1AD系列、系列、2DU14系列。系列。光敏二极管结构与一般二极管都有一个光敏二极管结构与一般二极管都有一个PN结，并且结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，积受光，PN结面积比一般二极管大，它装在透明玻璃结面积比一般二极管大，它装在透明玻璃外壳中，其外壳中，其PN结装在管顶，可直接收到光照射。光敏结装在管顶，可直接收到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于二极管在电路中一般是处于反向工作状态反向工作状态。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线44在无光照射时，反向电阻很大，反向电流很在无光照射时，反向

48、电阻很大，反向电流很小，称为暗电流。此时光敏二极管处于载止小，称为暗电流。此时光敏二极管处于载止状态，只有少数载流子在反向偏压作用下，状态，只有少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流。渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流。当有光照射时，当有光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子其能量而产生电子- -空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载区的少数载流子渡越阻挡层进入流子渡越阻挡层进入N区，区，

49、 N区的少数载流区的少数载流子渡越阻挡层进入子渡越阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的结的反向电流大为增加，形成光电流。反向电流大为增加，形成光电流。光敏二极管的光电流光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关与照度之间呈线性关系，所以适合系，所以适合检测检测等方面的应用。等方面的应用。45红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管46（1 1） PINPIN管结光电二极管管结光电二极管在在P区和区和N区之间插入一层区之间插入一层电阻率很大的电阻率很大的I层层，从而减小，从而减小了了PN结的电容，提高了工作频率。结的电容，提高了工作频率。

50、PIN光敏二极管的光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十频率可达数十MHz，可用作各种数字与模拟光纤传输，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关频带小信号开关、中波频带到中波频带到1000MHz之间电流控制、可变衰之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和频功率开关切换和RF领域

51、的高速领域的高速开关等。特殊结构的开关等。特殊结构的PIN二极二极 管管还可用于测量还可用于测量紫外线或射线紫外线或射线等等。47最大特点最大特点：频带宽频带宽，可达，可达10GHz。另一个特点。另一个特点是，因为是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，高的反向电压，线性输出范围宽线性输出范围宽。由耗尽层宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。使频带宽度变宽。不足不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一

52、层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。一个管壳内的商品出售。 48（2 2） 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD) 雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。雪崩效应来工作的一种二极管。 其工作电压很高，约其工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到压。结区内电场极强，光生电子

53、在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。是目前响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工

54、作电压接近应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。 49光敏二极管的反向偏置接线光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示及光电特性演示 在没有光照时，由于二极在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。（暗电流）很小。 当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。

55、 光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照502. 2. 光敏三极管光敏三极管有有PNP型和型和NPN型两种，其结构与一般三极管很相似，型两种，其结构与一般三极管很相似，具有电流增益具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的以扩大光的照射面积照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极基极开路时开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时的基区时,会产生电子会产生电子-空穴对空穴对,在内电场的作用下在内电场的作用下,光生电光生电子被拉到集

56、电极子被拉到集电极,基区留下空穴基区留下空穴,使基极与发射极间的电压使基极与发射极间的电压升高升高,这样大量的电子流向集电极这样大量的电子流向集电极,形成输出电流形成输出电流,且集电且集电极电流为光电流的极电流为光电流的倍。倍。 PPNNNPe b bc RL Eec51光敏三极管的主要特性：光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对

57、灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达达PN结，因而使相对灵敏度下降。结，因而使相对灵敏度下降。（1 1）光谱特性）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。520500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI

58、/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性（2 2）伏安特性）伏安特性 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极只要将入射光照在发射极e与基极与基极b之间的之间的PN结附近，结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。而且输出的电信号较大。U/V53光敏晶体

59、管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0（3 3）光照特性）光照特性 光敏三极管的光照特性给出了光敏三极管的输光敏三极管的光照特性给出了光敏三极管的输出电流出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大似线性关系。当光照足够大(几几klx)时，会出现饱时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。，也可作开关元件。 54暗电流/mA光电流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050100 020030040

60、01020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性（4 4）温度特性）温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。极管的暗电流及光电流与温度的关系。可见，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的可见，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度补影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。偿，否则将会导致输出误差。55（5 5）光敏三极管的频率特性）光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电光敏三极管的频率