第9章 光电式传感器

1、 第九章 光电式传感器 光源：光源：是光电式传感器必不可缺的组成部分。是光电式传感器必不可缺的组成部分。一、光电式传感器的组成一、光电式传感器的组成9.1 光电式传感器的组成与光源光通路：光通路：将光源输送给光电器件的通路。将光源输送给光电器件的通路。光电元件：光电元件：光电式传感器最重要的环节，所以的被测信号最光电式传感器最重要的环节，所以的被测信号最 重都转化成电信号的变化。重都转化成电信号的变化。测量电路：测量电路：对光电器件输出的电信号进行放大或转换，达对光电器件输出的电信号进行放大或转换，达 到便于输出和处理的目的。到便于输出和处理的目的。二、常用光源二、常用光源9.1 光电式传感器

2、的组成与光源常用光源常用光源发光器件发光器件物体辐射光物体辐射光白炽光源白炽光源气体放电光源气体放电光源发光二极管发光二极管激光器激光器GaP、SiC可见光可见光LEDGaAs红外红外LED一、光电效应基本概念一、光电效应基本概念9.2 光电器件外光电效应：外光电效应：物体内的电子逸物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。二、外光电效应二、外光电效应02021Amh（3）外光电效应从光）外光电效应从光照至发射电子几乎瞬间发生，照至发射电子几乎瞬间发生，所需时间所需时间 10

3、-9 s。爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程： （1）光电子能否产生，取决）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。面电子逸出功。（2）对某种特定材料，入）对某种特定材料，入射射光的频率高于红限频率时，会激发光的频率高于红限频率时，会激发产生光电子。产生光电子。9.2 光电器件光电管：外光电效应器件。光电管：外光电效应器件。1 1、光电管、光电管光强IUout当光线照射在光敏材料上当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量大于电子的时，如果光子的能量大于电子的逸出功，会有电子逸出产生电子逸出功，会有电子逸出产生电子发射。发射。电子被带

4、有正电的阳极吸电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻流在回路电阻RL上产生正比于电上产生正比于电流大小的压降。流大小的压降。9.2 光电器件光照很弱时，光电管产生的电光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。电倍增管。如核仪器中闪烁探测器多使用如核仪器中闪烁探测器多使用光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管做光电转换元件。2 2、光电倍增管、光电倍增管光电倍增管工作原理：光电倍增管工作原理：利用二利用二次电子释放效应，高速电子撞击固次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流

5、体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。在管内进行放大。9.2 光电器件光电倍增管结构：光电倍增管结构：由阴极、次由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。次阴极（倍增电极）、阳极组成。次阴极可达阴极可达30级，通常为级，通常为1214级。级。内光电效应：内光电效应：当光照在物体上，当光照在物体上，使物体的电阻率发生变化或产生光使物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的效应。生电动势的效应。光电导效应和光生伏特效应。光电导效应和光生伏特效应。三、内光电效应三、内光电效应基于这种效应的光电器件基于这种效应的光电器件有光敏电阻，光敏二极管、三有光敏电阻，光敏二极管、三极管等。极管等。在光线作用下，

6、电子吸收光子在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强且光辐射能量又足够强,光电材料价光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。使光导体的电导率变大。9.2 光电器件1 1、光电导效应、光电导效应 h光敏电阻光敏电阻基本结构：基本结构：在玻璃底版上涂一层在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金对光敏感的半导体物质

7、，两端有梳状金属电极，在半导体上覆盖一层漆膜。属电极，在半导体上覆盖一层漆膜。9.2 光电器件梳状电极光电导梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA工作原理：工作原理：光电导效应。当光敏光电导效应。当光敏电阻受到光照时，光生电子电阻受到光照时，光生电子空穴对增空穴对增加，阻值减小，电流增大。加，阻值减小，电流增大。势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）当当PN结两端没有外加电场时，结两端没有外加电场时，在在PN结势垒区内存在内电场，其方结势垒区内存在内电场，其方向从向从N区指向区指向P区。当光照射到结区区。当光照射到结区时，光照产生的电子空穴对在结电时，光照产生的电子空穴对在结

8、电场的作用下，电子偏向场的作用下，电子偏向N区外侧，空区外侧，空穴偏向穴偏向P区外侧，使区外侧，使P区带正电，区带正电，N区带负电，形成光生电动势。区带负电，形成光生电动势。在光作用下能使物体产生一定在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管等。光敏二极管、三极管等。9.2 光电器件2 2、光生伏特效应、光生伏特效应 PNS0Px nxx（1）光敏二极管）光敏二极管结构与一般二极管相似。在透明玻璃结构与一般二极管相似。在透明玻璃外壳中，外壳中，PN结装在管的顶部，可直接受到结装在管的顶部，可直接受到光照射

9、。光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照射时反向电流很小，作状态，在没有光照射时反向电流很小，称为暗电流；光照射在称为暗电流；光照射在PN结上，结上，PN结附结附近产生光生电子近产生光生电子空穴对，在空穴对，在PN结处内电结处内电场作用下定向运动，形成光电流。光的照场作用下定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。度越大，光电流越大。9.2 光电器件入射光玻璃透镜管壳引脚管芯PNLR因此，光敏二极管在不受光照射时处于因此，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。截止状态，受光照射时处于导通状态。 （2）光敏三极管）

10、光敏三极管与一般晶体管相似，具有两个与一般晶体管相似，具有两个PN结，结，只是发射极一边做得很大，以扩大光的只是发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。照射面积。9.2 光电器件型衬底N结PN型P扩散层保护层2SiO光敏面铝电极光敏二极管光敏二极管PNNecPNN2SiO入射光光敏三极管光敏三极管大多数光敏晶体管的基极无引出线，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，在结附近产生电当光照射在集电结时，在结附近产生电子子空穴对，会有大量的电子流向集电

11、空穴对，会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的电流的倍，所以光敏晶体管有放大作倍，所以光敏晶体管有放大作用。用。 基本结构：基本结构：光电池实质是一个大面积光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。下电极是一层衬底铝。 9.2 光电器件（3）光电池）光电池工作原理：工作原理：当光照射当光照射PN结的一个面时，结的一个面时，电子电子空穴对迅速扩散，在结电场空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的作用下建立一个与光照强度有关的电动势。电动势。一般可产生一般可产生0.20.

12、6V电压电压50mA电流。电流。 光梳状电极抗反射膜型层N结PN型硅层P金属下电极光半透明金属膜硒半导体金属底盘（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流亮电流、光电流暗电阻：暗电阻：光敏电阻在未受到光照时光敏电阻在未受到光照时的阻值，此时流过的电流为的阻值，此时流过的电流为暗电流暗电流。亮电阻：亮电阻：在受到光照时的电阻，此在受到光照时的电阻，此时的电流称为时的电流称为亮电流亮电流。光电流：光电流：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。9.2 光电器件四、光电器件的特性四、光电器件的特性1 1、光敏电阻基本特性、光敏电阻基本特性)(lm入射光通量)(mA光电流光

13、敏电阻的光照特性（2）光照特性）光照特性描述光电流与光照强度之间的关系。描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。一般用做开关式的光电转换器。（3）光谱特性）光谱特性光谱响应：光敏电阻灵光谱响应：光敏电阻灵敏度与入射波长有关。敏度与入射波长有关。 光敏电阻灵敏度与半导光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。体掺杂的材料有关。 材料与相对灵敏度峰位材料与相对灵敏度峰位波长：波长：硫化镉，硫化镉，300800nm，在可见光区域，常被用作光在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。度量测量（照度计）的探头

14、。 硫化铅，硫化铅，10002500nm，响应于近红外和中红外区响应于近红外和中红外区, 常常用做火焰探测器的探头。用做火焰探测器的探头。9.2 光电器件)(um入射光波长%相对灵敏度光敏电阻的光谱特性硫化镉硫化铊硫化铅选用时要综合考虑元件和光源选用时要综合考虑元件和光源（4）伏安特性）伏安特性所加电压越高，光电流越大，而所加电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。但受最大功耗限且没有饱和的现象。但受最大功耗限制。制。 在给定的电压下，光电流的数值在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。将随光照增强而增大。（5）温度特性）温度特性光敏电阻硫化铅的温度光敏电阻硫化铅的温度特性，峰值随温

15、度上升向波特性，峰值随温度上升向波长短的方向移动。长短的方向移动。9.2 光电器件)(VU电压)(uAI电流硫化铅硫化铊)(um入射波长)(uAI电流C20C20（6） 稳定性稳定性初制成的光敏电阻，由于电阻体初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。电阻的

16、主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。使用合理的情况下几乎是无限长的。 9.2 光电器件（1）光谱特性）光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的对灵敏度表示）与入射光波长的关系。关系。硅和锗光敏管光谱特性曲线：硅和锗光敏管光谱特性曲线：硅的峰值波长约为硅的峰值波长约为0.9m，锗，锗的峰值波长约为的峰值波长约为1.5m，此时灵敏，此时灵敏度最大，当入射光波长增长或缩度最大，当入射光波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。短时，相

17、对灵敏度都会下降。9.2 光电器件2 2、光敏二极管和光敏三极管、光敏二极管和光敏三极管 基本特性基本特性 )(nm入射光波长%相对灵敏度硅光敏三极管锗光敏三极管一般锗管的暗电流较大，因此一般锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。状态物体时，一般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较但对红外光的探测，用锗管较为适宜。为适宜。（2）伏安特性）伏安特性硅光敏晶体管的伏安特性，硅光敏晶体管的伏安特性，纵坐标为光电流，横坐标为集电纵坐标为光电流，横坐标为集电极极-发射极电压。发射极电压。 与一般晶体管在不同的基极与一般晶体管在不同的基

18、极电流时的输出特性一样。只需把电流时的输出特性一样。只需把光通量看作基极电流即可。光通量看作基极电流即可。晶体管具有放大作用，在同晶体管具有放大作用，在同样照度下，光电流比相应的二极样照度下，光电流比相应的二极管大上百倍。管大上百倍。 9.2 光电器件)(mAI)(VUcelm500lm1000lm1500lm2000lm2500（3）频率特性）频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流（或相对光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一是半导体光电器件中最好的一种，普

19、通光敏二极管频率响应种，普通光敏二极管频率响应时间达时间达10s。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，减小负载受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应范围，电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小。但输出电压响应也减小。 9.2 光电器件光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性 （4）温度特性）温度特性光敏管的温度特性是指光敏光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关管的暗电流及光电流与温度的关系。系。从光敏晶体管的温度特性曲从光敏晶体管的温度特性曲线可看出：温度变化对光电流影线可看出：温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。响很小，而对暗电流

20、影响很大。因此，光敏晶体管作为测量因此，光敏晶体管作为测量元件时，在电子线路中应该对暗元件时，在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。致输出误差。 9.2 光电器件（5）光照特性）光照特性光敏三极管的光照特性近似线性光敏三极管的光照特性近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。关系。但光照足够大时会出现饱和现象。故光敏三极管既可做线性转换元故光敏三极管既可做线性转换元件，件， 也可做开关元件。也可做开关元件。9.2 光电器件)(lx入射光照度)(mA光电流光电池是利用光生伏特效应把光光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的光电器件。能直接

21、转变成电能的光电器件。光电池可把太阳能直接转变为电光电池可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。能，因此又称为太阳能电池。光电池有较大面积的光电池有较大面积的PN结，当结，当光照射在光照射在PN结上时，在结的两端出现结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。电动势。故光电池是有源元件。光电池有硒光电池、砷化镓光电光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。的是硅光电池和硒光电池。9.2 光电器件3 3、光电池基本特性、光电池基本

22、特性硅光电池的价格便宜，硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于转换效率高，寿命长，适于接受红外光。接受红外光。硒光电池的光电转换效硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可率低、寿命短，适于接收可见光。见光。砷化镓光电池转换效率砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，在宇宙射线的辐射。因此，在宇宙飞船、卫星、太空探测器等飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。的电源方面应用最广。9.2 光电器件（1）光谱特性）光谱特性对不同波长的光，光电池的灵敏对不同波长的光，光电池的灵敏度是不同的。度是不同的。 从硅光电池和硒光电池的光谱特从硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线可知，不同材料的光电池，光性曲线可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在同的，硅光电池波长在800nm附近，附近，硒光电池在硒光电池在500nm附近。附近。9.2 光电器件硅光电池的光谱响应波长范围为硅光电池的光谱响应波长范围为4001200nm，而硒光电池只能为，而硒光电池只能为380750nm。硅光电池可在很宽的波长。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。范围内应用。（2）光照特性）光照特性不同光照射下有