第4章 光电式传感器-1

1、1主讲教师主讲教师: : 陈银银陈银银15824807783158248077832 光电传感器是一种将光电传感器是一种将光量光量的变化的变化转换为转换为电量电量变化的传感器。它的物理基础就是变化的传感器。它的物理基础就是光电效应光电效应。 光电效应分为光电效应分为外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应两大两大类。类。3 定义：定义：在光照射下在光照射下, ,电子逸出物体表面向外发射的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应现象称为外光电效应, ,亦称亦称光电发射效应光电发射效应。 1887 1887年，首先是赫兹（年，首先是赫兹（M.HertzM.Hertz）在证明波动理）在证明波

2、动理论实验中首次发现的；论实验中首次发现的； 19021902年，勒纳（年，勒纳（Lenard)Lenard)也对其进行了研究，指也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量从表出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 ； 19051905年，爱因斯坦提出了光子假设。年，爱因斯坦提出了光子假设。45每个光子的能量：E = hE = h h h普朗克常数，普朗克常数，6.6266.6261010-34-34JsJs；光的频率（光的频率（s s-1-1）=3=310108 8m / sm /

3、 s6 若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功功A0 0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。 故要使一个电子逸出，则光子能量故要使一个电子逸出，则光子能量h必须超出逸必须超出逸出功出功A0 0。 超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。02021Amvhvm电子质量；v0电子逸出速度。爱因斯坦光电方程：爱因斯坦光电方程：78光电子能否产生，取决于光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功物体的表面电子逸出功A0 0。不同物体具有不同

4、的逸出功，这意味着每一个物不同物体具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阈值，成为红限频率或波体都有一个对应的光频阈值，成为红限频率或波长限。长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射大也不会产生光电子发射。02021Amvhv9当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。强成正比。光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。有光电流产

5、生。02021Amvhv基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管10 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叫做内光电效应。 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。光电导效应。（器件：光敏电阻器件：光敏电阻）11 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当光照射到光电导体上时，

6、若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将价带上的电子将被激发到导带上去被激发到导带上去, ,致使光导体的致使光导体的电导率变大电导率变大。12 Eg hch 为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度导材料的禁带宽度EgEg，即，即1314 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有基于该效应的器件有光电池光电池和和光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管等。等。15+4+4+4+

7、4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半导体型半导体（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 )多余电子，多余电子，成为自由电子成为自由电子+5自由电子自由电子+516+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半导体型半导体（空穴型半导体）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）+3空穴空穴空穴空穴(1) 在浓度差的作用下，电子从在浓度差的作用下，电子从 N区向区向P区扩散。区扩散。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - -

8、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -(2) 在浓度差的作用下，空穴从在浓度差的作用下，空穴从 P区向区向N区扩散。区扩散。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和区和N区区交界面上，留下了

9、一层不能移动的正、负离子。交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。小结小结N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -即即PN结结空间电荷层空间电荷层N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - -

10、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -形成内电场形成内电场内电场方内电场方向向N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -PN结结一方面阻碍多子的扩散一方面阻碍多子的扩散N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

11、+ + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -另一方面另一方面加速少子的漂移加速少子的漂移N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -24PN结形成过程动画演示结形成过程动画演示25 光照射光照射PNPN

12、结时，若结时，若h h EgEg，使价带中的电子跃迁到，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向电子偏向N N区外侧，空穴偏向区外侧，空穴偏向P P区外侧，使区外侧，使P P区带正电，区带正电，N N区带负电，形成光生电动势。区带负电，形成光生电动势。势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）2627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，光照部分产生电当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现

13、了载流子浓度梯度，引起载流子扩散。子浓度梯度，引起载流子扩散。 如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势。照部分带负电，从而产生电动势。光电器件如半导体光电位置敏感器件（光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSDPSD）。）。28 利用物质在光的照射下发射电子的利用物质在光的照射下发射电子的外光电外光电效应效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如气的光电器件，如光电管光电管和和光电倍增管光电倍增管。29（1 1）结构与工作原理）结构与工作原理包括包括真空光电管真空光

14、电管和和充气光电管充气光电管两类。两类。30 光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料敷在玻璃泡内壁上光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。做成，其感光面对准光的照射孔。 当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在外电路作用下形成电流。有正电位的阳极所吸引，在外电路作用下形成电流。 3132光电管外形图光电管外形图 33（1 1）内充有少量的惰性气体，如）内充有少量的惰性气体，如氩、氖；氩、氖；（2 2）当充气光电管的阴极被光照）当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的

15、过程射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气中，和气体的原子发生碰撞使气体电离；体电离；（3 3）增大了光电流，从而使灵敏）增大了光电流，从而使灵敏度增加；度增加；（4 4）但导致充气光电管的光电流）但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例，因而稳与入射光强度不成比例，因而稳定性较差。定性较差。阳极阴极阳极阴极充气光电管充气光电管34（2 2）主要性能：）主要性能：伏安特性、光照特性、光谱特性伏安特性、光照特性、光谱特性 光电管的伏安特性光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为

16、光电管的伏安特性。极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。35 真空光电管当入射光比较弱时，由于光电子较少，只要较低真空光电管当入射光比较弱时，由于光电子较少，只要较低的阳极电压就能收集到所有的光电子，而且输出电流很快就可的阳极电压就能收集到所有的光电子，而且输出电流很快就可以达到饱和；以达到饱和； 当入射光比较强时，使输出电流达到饱和，则需要较高的阳当入射光比较强时，使输出电流达到饱和，则需要较高的阳极电压。极电压。 光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区内。光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区内。由于这部分动态阻抗非常大，以致可以看做恒流源。由于这部分动态阻抗非

17、常大，以致可以看做恒流源。真空光电管真空光电管 充气光电管充气光电管 36 充气光电管当受光照射时，光电子在趋向阳极的途中撞击充气光电管当受光照射时，光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，从而使阳极电流急速增加。因惰性气体的原子，使其电离，从而使阳极电流急速增加。因此，充气光电管不具有真空光电管的那种饱和特性。当达到此，充气光电管不具有真空光电管的那种饱和特性。当达到充分离子化电压附近时，阳极电流急速上升。充分离子化电压附近时，阳极电流急速上升。 急速上升部分的特性就是气体放大特性，放大系数为急速上升部分的特性就是气体放大特性，放大系数为5-105-10。由此可见充气光电管的优点

18、是灵敏度高，但稳定性较真空光由此可见充气光电管的优点是灵敏度高，但稳定性较真空光电管的差。电管的差。真空光电管真空光电管 充气光电管充气光电管 37光电管的光照特性光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光电流与光通当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光电流与光通量之间的关系。量之间的关系。u光照特性曲线的斜率光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。称为光电管的灵敏度。u光电管阴极材料不同，光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。其光照特性也不同。38 光电管的光谱特性光电管的光谱特性 一般对于一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红光电阴极材料不同的光电管，它们有

19、不同的红限频率限频率v v0 0，因此它们可用于不同的光谱范围。，因此它们可用于不同的光谱范围。 即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v v0 0，并，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电且强度相同，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，即子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。，这就是光电管的光谱特性。 所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。对红外光源，常用银氧铯阴极，

20、构成红外探测电阴极。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。39 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。这时常使用光电倍增只有零点几个微安，很不容易探测。这时常使用光电倍增管对电流进行放大。管对电流进行放大。40 光电倍增管除光电阴极外，还有若干个倍增电极。使用时各光电倍增管除光电阴极外，还有若干个倍增电极。使用时各个倍增电极上均加上电压。阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极上均加上电压。阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的

21、电位依次升高，阳极电位最高。同时这些倍增个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。同时这些倍增电极用次级发射材料制成，这种材料在具有一定能量的电子电极用次级发射材料制成，这种材料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生更多的轰击下，能够产生更多的“次级电子次级电子”。41 光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几亿倍。光光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几亿倍。光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万倍以上。因此电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万倍以上。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。 但是它要求几千伏的工作电压，因而，其结构复杂、但是它要求几千伏的工

22、作电压，因而，其结构复杂、笨重并易老化。笨重并易老化。4243光敏电阻又称光导管，为纯电光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于阻元件，其工作原理是基于光光电导效应电导效应，其，其阻值随光照增强阻值随光照增强而减小而减小。44无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，由于内光电效应使其导电性能增时，由于内光电效应使其导电性能增强，它的阻值（亮电阻）急剧减少，强，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。电路中电流迅速增大。4546

23、47 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻暗电阻，此时流过的，此时流过的电流为电流为暗电流暗电流。 在受到光照时的电阻称为在受到光照时的电阻称为亮电阻亮电阻，此时的电流称为，此时的电流称为亮电流亮电流。 亮电流与暗电流之差为亮电流与暗电流之差为光电流光电流。 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。阻的灵敏度高。实际光敏

24、电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。以下。光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数48光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性光照特性光照特性0.050.100.150.200.250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0光通量光通量/lm/lm光电流光电流/mA/mA多数是非线性的；多数是非线性的；不宜做线性测量元件不宜做线性测量元件;多做开关式的光电转换器。多做开关式的光电转换器。49光谱特性光谱特性 0 500 1000 1500 2000 250020406080100硫化镉硫化镉硫化铊硫化铊硫化铅硫化铅入射光波长入射光波长/nm

25、/nm相对灵敏度相对灵敏度/%/% 硫化镉硫化镉的峰值在的峰值在可见光可见光区域，区域， 硫化铅硫化铅的峰值在的峰值在红外红外区域。区域。 选用时把元件和选用时把元件和光源结合起来考虑。光源结合起来考虑。50 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。之间的关系称为伏安特性。0 10 20 30 40 5050100150200250I I/ A/ AU U/V /V 所加的电压越所加的电压越高，光电流越大，而高，光电流越大，而且没有饱和的现象。且没有饱和的现象。 在给定的电压下，在给定的电压下，光电流的数值将

26、随光光电流的数值将随光照增强而增大。照增强而增大。51光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。电池。它有较大面积的它有较大面积的PNPN结，当光照射在结，当光照射在PNPN结上时，在结的两结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。端出现电动势。故光电池是有源元件。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。52 硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适硅光电

27、池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。于接受红外光。 硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。可见光。 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响砷化镓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，且工作温度最高，更耐受应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。探测器等的电源方面应用最广。53通信卫星上的光电池通信卫星上的光电池 54硅光电池的结构如图。它是在一块硅光电池的结构如图。它是在一块N

28、 N型硅片上用扩散的办法掺入一些型硅片上用扩散的办法掺入一些P P型杂质（如硼）形成型杂质（如硼）形成PNPN结。结。 55若将若将PNPN结两端用导线连起来，电结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。开，就可测出光生电动势。 当光照到当光照到PNPN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子近激发出电子- -空穴对，在内电场的作用下，空穴移向空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P P型型区，电子移向区，电子移向N N型区，在型区，在P P区聚积正电荷，区聚积正电荷，N N区聚积负电荷

29、，区聚积负电荷，这样这样N N区和区和P P区之间出现电位差。区之间出现电位差。5657PN光光光敏二极管符号光敏二极管符号光敏二极管接线光敏二极管接线RL 光光PN58光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流。当无光照射时，光敏二极管处于截止反向电流也叫做暗电流。当无光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。PN光光光敏二极管接线光敏二极管接线RL 光光PN内电场增强内电场增强PN结变宽结变宽PN结呈现高结呈现高阻、截止状态阻、截止状态不利多子扩散不利多子扩散有利少子漂移有利少子漂移(2)PN结反向偏置结反向偏置 - - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + +