第六章 光敏传感器

1、LOGO第第6 6章章 光敏传感器光敏传感器6.16.3第第6章章 光敏传感器光敏传感器概述概述6.2光电效应传感器光电效应传感器6.4光生伏特效应器件光生伏特效应器件光敏二极管光敏二极管6.5光敏晶体管光敏晶体管6.6色敏光电传感器色敏光电传感器6.76.8光电耦合器件光电耦合器件6.9红外热释电光敏器件红外热释电光敏器件 固态图像传感器固态图像传感器光纤传感器光纤传感器6.106.1概述概述6.1 概述概述光谱光谱光学传感器的相关计量单位光学传感器的相关计量单位6.1.26.1.16.1.3光源光源光敏传感器分类光敏传感器分类6.1.46.1.1 光谱光谱图 6 1各种波长的相对光强，在人

2、眼最敏感的波长555nm处归一化6.1.1 光谱光谱光波：波长为101060m的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线，红外线：波长780106m 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。6.1.1 光谱光谱图 6 2光谱分布图6.1.3 光源光源v对光源的要求：对光源的要求：光源应保证均匀、无遮挡或阴影光源的照射方式应符合传感器的测量要求光源的发热量应尽可能小光源发出的光必须具有合适的光谱范围光源必须具有足够的照度6.1.2 光

3、学传感器的相关计量单位光学传感器的相关计量单位6.1.3 光源光源图 6 3 电磁波谱图6.1.3 光源光源 常用光源常用光源v 热辐射光源热辐射光源 热辐射光源的特点v 气体放电光源气体放电光源v 发光二松管发光二松管v 激光器激光器 6.1.4 光敏传感器分类光敏传感器分类v光敏传感器可分为4类 光电效应传感器光电效应传感器红外热释电探测器红外热释电探测器固态图像传感器固态图像传感器光纤传感器光纤传感器6.2 光电效应传感器光电效应传感器6.2.16.2.2外光电效应及器件外光电效应及器件内光电效应（光电导）及器件内光电效应（光电导）及器件一、光电效应一、光电效应是指物体吸收了光能后转换为

4、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

5、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）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光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1

6、0- -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。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。n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，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，光子能量不足以率或波长限。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

7、小于红限频率的入射光，光使物体内的电子逸出，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，入射光频率高于强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。红限频率，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

8、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，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。6.2.1 外光电效应及器件外光电效应及器件v外光电效用图 6 4光电发射检测装置图 6 5光电流随光强的变化曲线6.2.1 外光电效应及器件外光电效应及器件v光电发射二极管真空光电二极管真空光电二极管图 6 6真空光电二极管结构示意图6.2.1 外光电效应及器件外光电效应及器件图 6 7图 6 86.2.1 外光电效应及器件外光电效应及器件v 充气光电二极管充

9、气光电二极管图 6 9充气光电二极管伏安特性曲线6.2.1.3 光电倍增管光电倍增管v 光电倍增管原理光电倍增管原理图 6 10光电倍增管的结构6.2.1.3 光电倍增管光电倍增管v 光电倍增管的结构分类光电倍增管的结构分类1. 直线瓦片式倍增系统（聚焦型）直线瓦片式倍增系统（聚焦型）图 6 11直线瓦片式倍增系统示意6.2.1.3 光电倍增管光电倍增管2.圆环瓦片式倍增系统（聚焦型）圆环瓦片式倍增系统（聚焦型）图 6 12圆环瓦片式倍增系统示意6.2.1.3 光电倍增管光电倍增管3.盒栅式倍增系统（非聚焦型）盒栅式倍增系统（非聚焦型）图 6 13盒栅式倍增系统示意6.2.1.3 光电倍增管光

10、电倍增管4.百叶窗式倍增系统（非聚焦型）百叶窗式倍增系统（非聚焦型）图 6 14百叶窗式倍增系统6.2.1.3 光电倍增管光电倍增管图 6 15光电倍增管阳极灵敏度和放大倍数随工作电压变化曲线灵敏度灵敏度：是光电倍增管将光辐射转换成电信号能力的一个重要参数。阳极灵敏度SA是指在一定工作电压下阳极输出电流与照射到阴极面上光通量的比值。阴极灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。放大倍数放大倍数（电流增益G)：在一定工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流的比值称为该管的放大倍数或电流增益。暗电流暗电流：当光电倍增管在全暗条件下时，阳极上也会收集到一定的电流，其输出电流的直流成分称为该管的暗电流

11、。光电特性光电特性：图13为光电倍增管的光电特性，可以看出阳极电流随光通量而增加，而且在很宽范围内是线性的，所以适合测量辐射光通量较大的场合。6.2.1.3 光电倍增管光电倍增管图 6 16光电倍增管的光电特性6.2.1.3 光电倍增管光电倍增管v 光电倍增管的应用领域光电倍增管的应用领域v 光电倍增管和半导体光电器件应用举例光电倍增管和半导体光电器件应用举例图 6 17 Super-Kamiokanden内部的PMT阵列LOGO内光电效应及器件内光电效应及器件 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发生变化，或产生光生电动势的现象变化，或产生光生电动势的现象叫做

12、内光电效应叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为内光电效应分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类两类. 光电导效应光电导效应v光照射半导体材料时,材料吸收光子而产生电子空穴对，使导电性能加强，电导率增加，这种现象被称为光电导效应（内光电效应）。半导体发生光电导效应的实质可以用其能带结构解释，相关解释可参考有关文献，下面作简要的解释。过程：过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并

13、使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有，只有波长小于波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率电子能级间的跃进

14、，从而使光电导体的电导率增加。增加。式中式中、分别为入射光的频率和波长。分别为入射光的频率和波长。 Eg24. 1hch为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导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材料的禁带宽度Eg，即，即6.2.2 内光电效应（光电导）及器件内光电效应（光电导）及器件v内光电效应（光电导）器件-光敏电阻光敏电阻的结构与工作原理 （a）原理图；（b）外形图；（c）图形符号图 6 19光敏电阻的原理结构 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 （）（） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称

15、为暗电流。此时流过的电流称为暗电流。 （）（） 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流。此时流过的电流称为亮电流。 （）（） 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 （1） 伏安特性在一定照度下伏安特性在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图16 为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 由图可见由图可见, 光敏

16、光敏 图图16 电阻在一定的电压范围内电阻在一定的电压范围内, 其其I-U曲线为直线，说明其阻值曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关与入射光量有关, 而与电压、电流无关。在实际使用中而与电压、电流无关。在实际使用中,光敏电光敏电阻受耗散功率的限制阻受耗散功率的限制,其工作电压不能超过最高工作电压其工作电压不能超过最高工作电压,图中功图中功耗虚线是最大连续耗散功率为耗虚线是最大连续耗散功率为500mW的允许功耗曲线的允许功耗曲线,一般光一般光敏电阻的工作点选在该曲线以内。敏电阻的工作点选在该曲线以内。 （2） 光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波

17、长的关系称为光谱特性系称为光谱特性, 亦称为光谱响应。亦称为光谱响应。 图图16 为几种不同材料光敏为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。电阻的光谱特性。 对应于不同波长对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同光敏电阻的灵敏度是不同的。从图的。从图17中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域区域, 常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头。常用做火焰探测器的探头。 图图17 表表1 （3） 温度特性温度变化影响光敏

18、电阻的光谱响应温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时同时, 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 图图18 为硫化铅光敏电为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此方向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。使用。 对于可见光的光敏电阻对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些。其温度影响要小一些。 图图18（4 4

19、）光照特性）光照特性图图19表示表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压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。不同类下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线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。足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx10002000 图图19（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

20、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。由于不同材料的光敏零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，电阻电阻时延特性不同，所以时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，它们的频率特性也不同，如图如图20。硫化铅硫化铅的使用频的使用频率比率比硫化镉硫化镉高得多，但多高得多，但多数数光敏电阻的光敏电阻的时延都比较时延都比较大，所以，它不能用在要大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。求快速响应的场合。20406080100Y-相对灵敏相对灵敏度度/ %X-f

21、 / Hz010102103104硫化铅硫化铅硫化镉硫化镉 图图20（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，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载性能是不够稳定的。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。光敏电情况下，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，有些样品阻值上阻在开始一

22、段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但升，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。 相相对对灵灵敏敏度度I / %40801201 6021T/h0 400 800 12001600 图图216.2.2 内光电效应（光电导）及器件内光电效应（光电导）及器件v应用实例应用实例图 6 26自动照明灯电路自动照明灯自动照明灯6.2.2 内光电效应（光电导）及

23、器件内光电效应（光电导）及器件图 6 27亮光报警电路亮光报警器亮光报警器6.2.2 内光电效应（光电导）及器件内光电效应（光电导）及器件图 6 28标识灯电路标识灯标识灯6.3 光生伏特效应器件光生伏特效应器件v势垒效应（结光电效应）v接触半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，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，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。v侧向光电效应 v当半导体光电器件受光照不均匀时，载

24、流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子-空穴对时，光照部分的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，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴的大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射的部分带负电，光照部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位置敏感器件（PSD）。6.4.1 光生伏特效应光生伏特效应图 6 29 pn结光电检测电路图 6 30 pn结光电检测电路电流电压特性曲线6.4.2 光电池光电池v原理与结构原理与结构图 6 31硅光电池示意图6.4.2 光电池光

25、电池v应用实例太阳电池电源太阳电池电源 图 6 32 太阳能电池电源系统6.4.2 光电池光电池v光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路图 6 33 光电追踪电路6.4.2 光电池光电池图 6 34 光电开关6.4.2 光电池光电池图 6 35 光电池触发电路6.4.2 光电池光电池图 6 36 光电池放大电路6.4.2 光电池光电池图 6 37太阳电池对镉镍电池的充电电路 6.4 光敏二极管光敏二极管v光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃外壳中, 其PN结装在

26、管的顶部, 可以直接受到光照射光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态, 在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越大。 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。 6.5.1 结构原理结构原理v光敏二极管图 6 38典型光电二极管示意图6.5.1 结构原理结构原理v 雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD（Avalanche Photoelectric Diode）是利用

27、）是利用PN结加上结加上高的反向偏压时，发生高的反向偏压时，发生的雪崩效应而获得电流的雪崩效应而获得电流增益的光电器件增益的光电器件雪崩效应示意图6.5.1 结构原理结构原理v 结光电二极管结光电二极管(PIN管管)vPIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。v 由式 = CjRL与 f = 1/2知，Cj小，则小，频带将变宽。PIN管结构示意图6.5.2 光电二极管应用实例光电二极管应用实例v光照度测量器光照度测量器图 6 41光照度测量

28、电路(a)集电极输出电路 (b)发射极输出电路6.5.2 光电二极管应用实例光电二极管应用实例v心率测量仪心率测量仪图 6 42手指光反射测量心率示意图图 6 43手指光反射心率电路组成6.5.2 光电二极管应用实例光电二极管应用实例v光电式数字转速表 图 6 44光电式数字转速表工作原理v光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它的发射极一边做得很大, 以扩大光的照射面积。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而不接基极时, 集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流。由于基

29、极电流的增加, 因此集电极电流是光生电流的倍, 所以光敏晶体管有放大作用。 6.5 光敏晶体管光敏晶体管图 6 45NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路（a）结构简化模型；（b）基本电路 6.6.1 光敏晶体管和光敏二极管基本特性光敏晶体管和光敏二极管基本特性v光谱特性光谱特性图 6 46光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线6.6.1 光敏晶体管和光敏二极管基本特性光敏晶体管和光敏二极管基本特性v伏安特性伏安特性图 6 47硅光敏管的伏安特性（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏晶体管 6.6.1 光敏晶体管和光敏二极管基本特性光敏晶体管和光敏二极管基本特性v温度特性温度特性图 6 48光敏晶体管的温度

30、特性6.6.2 光电三极管应用实例光电三极管应用实例v光电开关光电开关图 6 49 光信号控制的开关电路6.6.2 光电三极管应用实例光电三极管应用实例v条形码扫描笔条形码扫描笔图 6 50条形码扫描笔笔头结构6.6 色敏光电传感器色敏光电传感器v色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊类型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体，其结构和工作原理的等效电路如图所示。 具体使用时，首先对该色敏器件进行标定，也就是测定在不同波长光照射下，深结的短路电流ISD2与浅结的短路电流ISD1的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2在长波区较大，ISD1在短波区较大；因而 ISD2 / ISD1与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定曲线，实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。v双结光电二极管的P+-N结为浅结，N-P结为深结。当光照射时，P+，N，P三个区域及其间的势垒区均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被吸收完毕；因此，浅结对紫外光有较高灵敏度。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处被吸收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半导体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度。这一特性为识别颜色提供了可能性。利用不同结深二极管的组合，即可构成测定波长的半导体色敏传感器。6.6.1 双结型色彩传感器双结型色彩传感器图