第8章 固态传感器(2)课件

1、第8章 固态传感器8-2光敏传感器1一、光电效应 光电器件的物理基础是光电效应。通常分为外光电效应和内光电效应两大类。 光电效应外光电效应内光电效应如光电管、光电倍增管光电导效应光生伏特效应光敏电阻光电池、光敏晶体管第8章 固态传感器8-2光敏传感器2Eh一、光电效应(一)外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。每个光子具有的能量式中 h=6.62610-34(Js)为普朗克常数； v光的频率(s-1)20012hmvA逸出功逸出电子的动能式中 m电子质量； v0电子逸出速度。第8章 固态传感器8-2光敏

2、传感器3一、光电效应(一)外光电效应20012hmvA光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。这意味着每一种物体都有一个对应的光频阈值。光线频率小于该阈值，光子能量不足以使物体内电子逸出，光强再大也不会发射光电子；反之，入射光频率高于该阈值，既使光线微弱，也会有光电子发射出来。光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此光电管即便没加阳极电压，也会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。 入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比。光愈强，意味着入射光子数目多，逸出的电子数也越多。第8章 固态传感器48-2光敏传感器一、光电效应光电管

3、的结构紫外线(一)外光电效应阴极材料：碱金属(钾、钠、铯等)、汞、金、银等金属；阳极材料：金属。第8章 固态传感器58-2光敏传感器一、光电效应 光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。 所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子。(一)外光电效应第8章 固态传感器 应用：烟尘浊度监测仪8-2光敏传感器一、光电效应(一)外光电效应第8章 固态传感器01239nmgE7 光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化。第8章 固态传感器8-2光敏

4、传感器一、光电效应(二)内光电效应要产生光电导效应，光子能量h必须大于半导体材料的禁带宽度Eg，由此入射光能导出光电导效应的临界波长0为：光敏电阻光电器件及其特性光敏电阻材料：金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料。目前常见的是硫化镉，为提高灵敏度，在硫化镉中再掺入铜、银等杂质。这些材料有一个特点：当受到光线照射后,材料里的载流子增加，导致其电阻值降低。 光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体光电器件及其特性结构2022-2-69深度有限表面薄层光电

5、子少数扩散梳状图案光照1-光导层; 2-玻璃窗口; 3-金属外壳; 4-电极;5-陶瓷基座; 6-黑色绝缘玻璃; 7-电阻引线。RG1234567(a)结构 (b)电极 (c)符号CdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的结构和符号光电器件及其特性2022-2-610采用大的灵敏面积提高光敏电阻的灵敏度RGRLEI光电器件及其特性2022-2-611灵敏度易受湿度的影响光电导体严密封装在玻璃壳体中光敏电阻连接到外电路光照电阻变小电流变大 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 体积小 重量轻 性能稳定 价格便宜光电器件及其特性2. 光敏电阻的主要参数和基本特性2022-2-61

6、2光敏电阻室温全暗暗电阻暗电流一段时间光敏电阻亮电阻亮电流一段时间一定光照光电流（1 1）灵敏度）灵敏度光电器件及其特性2. 光敏电阻的主要参数和基本特性2022-2-613暗电阻亮电阻光敏电阻灵敏度高1M可达100M几k102106（1 1）灵敏度）灵敏度（2 2）光照特性）光照特性012345I/mA L/lx10002000光电器件及其特性2022-2-614光电流光通量光照特性一定外加电压下不同类型光敏电阻不同不宜作定量检测元件非线性一般在自动控制系统中用作光电开关204060801004080120160200240/m3相对灵敏度光电器件及其特性（3 3）光谱特性）光谱特性2022

7、-2-6硫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在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料材料和光源种类光源种类结合起来考虑，才能获得满意的效果硫化镉硒化镉硫化铅U/V040501001502001220I/ A光电器件及其特性（4 4） 伏安特性伏安特性2022-2-616两端电压两端电流伏安特性光敏电阻在一定光照下无光照一定光照在给定电压下，光照度越大，光电流越大在一定光照下，电压越大，光电流越大，且无饱和额定功率最高工作电压额定电流永久性损坏20406080100I / %f / Hz010102103104硫化铅硫化镉光电器件及其特性（

8、5 5）频率特性）频率特性2022-2-617电流稳定时延特性不同频率特性也不同光敏电阻一段时间一段时间电流稳定硫化铅的使用频率比硫化镉高时延都比较大，不适用于场合光电器件及其特性（6 6）稳定性）稳定性2022-2-618I / %408012016021T/h0400 800 1200 1600两种型号两种型号CdSCdS光敏电阻的稳定性光敏电阻的稳定性初制成光敏电阻性能是不够稳定体内机构工作不稳定电阻体与其介质的作用还没有达到平衡人为地加温、光照及加负载老化性能稳定不变一至二周光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的光电器件及其特性（7 7）温度特性）温度特性202

9、2-2-619温度I / A100150200-50-1030 5010-30T / C硫化镉的硫化镉的光电流光电流I和温度和温度T的关系的关系暗电阻灵敏度光谱特性曲线2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C温度特性温度特性元件降温灵敏度提高能够接收较长波段2022-2-620根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器： 紫外光敏电阻：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。 红外光敏电阻：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和

10、工农业生产中。 可见光光敏电阻：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，电子验钞机、光控音乐、光控玩具、烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。该电路由两部分组成。电阻R、电容C和二极管D组成半波整流电路CdS光敏电阻和J组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器控制灯的点燃和熄灭。工作原理

11、是：晚上光线很暗,CdS光敏电阻阻值很大，流过J的电流很小，使继电器J不动作，路灯接通电源点亮。早上，天渐渐变亮，即照度逐渐增大，CdS光敏电阻受光照后，阻值变小，流过J的电流逐渐增大，当照度达到一定值时，流过继电器的电流足以使J动作，使其闭合，其常闭触点断开，路灯熄灭。此开关可安装在保险箱里，当亮光进入暗箱内部时，继电器开关可以触发电路并输出报警。电路中R1、光敏电阻、Rv，构成电位分压器.通过调节RV，阻值可控制光敏电阻的灵敏度。由于暗光时，光敏电阻为高阻值，Q基极偏压为零，所以继电器QC不动作;当强光照射装置时.光敏电阻阻值下降至很小，于Q1Q2触发导通，QC继电器动作。继电器的一组触点

12、将电路接通，使电路始终处于工作状态，直到按下复位按钮SW。光电器件及其特性2022-2-623效应 光电池光生伏特效应PN结面积较大二、光电池 光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。光电器件及其特性二、光电池2022-2-624转换效率高寿命长适于接收可见光光电池转换效率比硅光电池稍高光谱响应特性与太阳光谱最吻合工作温度最高，耐宇宙射线辐射宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源硅光电池砷化镓光电池硒光电池光电转换效率低(0.02)寿命短适于接收可见光(峰值波长0.56m)光度计按材料分2022-2-625硅光电池光电池的示意图光电池的示意图 硅光电池的结构如图所示。它是在

13、一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。+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 N光电器件及其特性1. 光电池的结构和工作原理2022-2-626IUIdUIRLI表示符号(a)基本电路(b)图图4.3-17 4.3-17 光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路光电器件及其

14、特性2022-2-627等效电路(c)光电器件及其特性2. 基本特性（1 1）光照特性）光照特性2022-2-628光生电动势照度开路电压曲线光电流照度短路电流曲线L/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) 硅光电池硅光电池(b)硒光电池硒光电池开路电压短路电流短路电流光电器件及其特性2. 基本特性（1 1）光照特性）光照特性2022-2-629光电器件及其特性2022-2-63002468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

15、 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线性关系越好 RL越小 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，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m1硒光电池2硅光电池光电器件及其特性(2) (2) 光谱特性光谱特性2022-2-631光谱特性材料硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，适宜测可见光峰值在540nm附近硅光电池应用的范围400nm1100nm，可以在很宽的范围内应用。峰值在850nm附近光谱

16、特性光谱特性光电器件及其特性(3) (3) 频率特性频率特性2022-2-632输出电流光频率光电池的频率响应PN结面积较大极间电容大频率特性较差光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光电池2硅光电池光电器件及其特性(3) (3) 频率特性频率特性2022-2-633硒光电池频率特性较差硅光电池具有较高的频率响应光电器件及其特性（4 4）温度特性）温度特性2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC开路电压开路电压ISC 短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在100

17、0lx1000lx照度下的温度特性曲线照度下的温度特性曲线2022-2-634开路电压温度变化温度特性短路电流温度漂移测量精度控制精度光电池保持温度恒定温度补偿2022-2-635第8章 固态传感器光敏二极管2022-2-636第8章 固态传感器光敏二极管 通常工作于反向工作状态，当不受光线照射时，处于截止状态，当受光线照射时，处于导通状态。2022-2-637第8章 固态传感器光敏二极管 光敏二极管工作时一般加反相偏压。 无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在方向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的方向电流，即暗电流。 当光敏二极管受光照时，PN结附近受光子轰击吸

18、收其能量而产生电子空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，在外加电场和内电场的共同作用下，P区的电子渡越阻挡层进入N区，N区的空穴进入P区，从而使通过PN结的方向电流大大增加，这就形成了光电流。2022-2-638第8章 固态传感器光敏三极管像光电二极管一样实现光-电转换外，还能放大光电流。有NPN和PNP型之分。2022-2-639第8章 固态传感器光敏三极管和一般三极管不同的是它发射极一边做得很小，以扩大光照面积。当基极开路时，基极集电极处于反偏。当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生电子空穴对，它们在内电场作用下，定向运动形成增大了的反向电流即光电流。由于光照射集电结产生的光

19、电流相当于一般三极管的基极电流，因此集电极电流被放大了+1倍，从而使光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。锗光敏三极管由于其暗电流较大，为使光电流与暗电流之比增大，常在发射极基极之间接一电阻(约5 k左右)。2022-2-640光敏管的基本特性（1）光谱特性第8章 固态传感器照度一定时，输出的光电流随光波波长的变化而变化 两类材料的光敏二(三)极管的光谱响应峰值所对应的波长各不相同。以硅为材料的约为0.80.9 m，以锗为材料的约为1.41.5 m，都是近红外光。2022-2-641光敏管的基本特性（2）伏安特性第8章 固态传感器 光敏三极管的光电流比相同管型二极管的光电流大上百倍。 在零偏

20、压时，二极管仍有光电流输出，而三极管则没有，这是由于光电二极管存在光生伏特效应的缘故。(a)硅光敏二极管 (b)硅光敏三极管2022-2-642光敏管的基本特性（3）光照特性第8章 固态传感器(a)硅光敏二极管 (b)硅光敏三极管 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好，而三极管在照度较小(弱光)时，光电流随照度增加得较小，并且在大电流(光照度为几千lx)时有饱和现象(图中未画出)，这是由于三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都要下降的缘故。2022-2-643光敏管的基本特性（4）频率响应第8章 固态传感器是指具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系硅光

21、敏三极管的频率响应曲线 减小负载电阻RL可以提高响应频率，但同时却使输出降低。因此在实际使用中，应根据频率来选择最佳的负载电阻。 光敏三极管的频率响应，通常比同类二极管差得多，这是由于载流子的形成距基极集电极结的距离各不相同，因而各载流子到达集电极的时间也各不相同的原因。2022-2-644光敏管的基本特性（5）暗电流温度特性第8章 固态传感器 硅光敏管的暗电流比锗光敏管的小得多(约为锗的百分之一到千分之一)。 暗电流随温度升高而增加的原因是热激发造成的。 对于锗光敏管在高温低照度情况下使用时，输出信号的稳定性就很差，以致产生误差信号。在实际使用中，应在线路中采取适当的温度补偿措施。2022-

22、2-645光敏管的基本特性（5）光电流温度特性第8章 固态传感器在一定温度范围内，温度变化对光电流的影响较小，其光电流主要是由光照强度决定的。光电传感器的类型及应用 (一)光电传感器的类型46第8章 固态传感器按输出量性质将被测量转换成连续变化的光电流将被测量转换成断续变化的光电流光电传感器的类型及应用 (一)光电传感器的类型47第8章 固态传感器将被测量转换成连续变化的光电流光辐射源本身是被测物，被测物发出的光通量射向光电元件。这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中，它的光通量和光谱的强度分布都是被测温度的函数。被测物 光电元件光电传感器的类型及应用 (一)光电传感器的类型48第8章 固

23、态传感器将被测量转换成连续变化的光电流恒光源是白炽灯(或其他任何光源)，光通量穿过被测物，部分被吸收后到达光电元件上。吸收量决定于被测物介质中被测的参数。例如，测量液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计。被测物光电元件恒光源光电传感器的类型及应用 (一)光电传感器的类型49第8章 固态传感器将被测量转换成连续变化的光电流恒光源发出的光通量到被测物，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上。被测体表面反射条件决定于表面性质或状态，因此光电元件的输出信号是被测非电量的函数。例如，测量表面光洁度、粗糙度等仪器中的传感器等。被测物光电元件恒光源光电传感器的类型及应用 (一)光电传感器的类型50第8章 固

24、态传感器将被测量转换成连续变化的光电流从恒光源发射到光电元件的光通量遇到被测物，被遮蔽了一部分，由此改变了照射到光电元件上的光通量。在某些测量尺寸或振动等仪器中，常采用这种传感器。被测物光电元件恒光源光电传感器的类型及应用 (一)光电传感器的类型51第8章 固态传感器将被测量转换成断续变化的光电流系统输出为开关量的电信号。属于这一类的传感器大多用在光电继电器式的检测装置中，如电子计算机的光电输入机及转速表的光电传感器等。 光电耦合器光电耦合器是由一发光元件和一光电元件同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。第8章 固态传感器光电耦合器一、基本原理+ce发光器件LED受光器件光电二极管光电三极管实现 电 - 光 - 电 传输和转换光电耦合器第8章 固态传感器光电耦合器的结构有金属密封型和塑料密封型两种。 金属密封型见图(a)，采用金属外壳和玻璃绝缘的结构。在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高其灵敏度。 塑料密封型见(b)，是采用双立直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。光电耦合器