传感器第七章1光电式传感器剖析

1、第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 & 第一节第一节 概述概述& 第二节第二节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件第三节第三节 光纤传感器光纤传感器内容提要内容提要学习目标学习目标 了解光的特性及光源类型；掌握外光电了解光的特性及光源类型；掌握外光电效应定义及器件类型、内光电效应定义及器效应定义及器件类型、内光电效应定义及器件类型；掌握各光电器件原理；了解光电传件类型；掌握各光电器件原理；了解光电传感器应用；理解光纤的结构及传光原理；掌感器应用；理解光纤的结构及传光原理；掌握光纤传感器测量及调制原理。握光纤传感器测量及调制原理。第七章第七章 光电式与光导式

2、传感器光电式与光导式传感器 第一节第一节 概概 述述一、光的特性一、光的特性二、光源（发光器件）二、光源（发光器件） 1 1、白炽光源、白炽光源 2 2、气体放电光源、气体放电光源第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 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称为称为近紫外线近紫外线 波长波长200300nm称为称为远紫外线远紫外线 波长波长10200nm称为称为极远紫外线极远紫外线红外线：红外线：波长波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称）以下的称近红外线近红外线 波长超过波长超过3m

3、的红外线称为的红外线称为远红外线远红外线光波光波：波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波一、光的特性一、光的特性第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1 1、白炽光源、白炽光源 最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射一般白炽灯的辐射光谱是连续的光谱是连续的。 发光范围：发光范围：320 nm2500 nm320 nm2500 nm, , 所以任何光敏元所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。件都能和它配合接收到光信号。 特点：特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性寿命短而

4、且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。取之处。 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 2 2、气体放电光源、气体放电光源 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即即气体放电灯。气体放电灯。 光谱是光谱是不连续不连续的，的，光谱与气体的种类及放光谱与气体的种类及放电条件有关电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。围的辐射。 汞灯、氢灯、钠灯、镉

5、灯、氦灯是光谱仪汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为器中常用的光源，统称为光谱灯光谱灯。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 低压汞灯低压汞灯的辐射波长为的辐射波长为254nm254nm，钠灯钠灯的辐射波长为的辐射波长为589nm589nm，可被用作单色光源可被用作单色光源。 光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长将气体放电谱线转化为更长的波长，通过，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明

6、日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-11/2-1/3/3。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 构成：构成：由由半导体半导体PNPN结结构成。构成。特点：特点：工作电压低、工作电流很小；抗冲击和工作电压低、工作电流很小；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。 +-第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 Laser: Light am

7、plification by Laser: Light amplification by stimulated emission of radiationstimulated emission of radiation）0.15m0.15m到远红外整个光频波段范围到远红外整个光频波段范围第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第二节第二节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件一、外光电效应一、外光电效应二、内光电效应二、内光电效应三、基本概念三、基本概念四、外光电效应器件四、外光电效应器件五、内光电效应器件五、内光电效应器

8、件六、应用举例六、应用举例第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 定义：定义：利用光电器件把光信号转换成电信号利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。（电压、电流、电阻等）的装置。构成：构成：光源、光学通路、光电元件。光源、光学通路、光电元件。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 一、一、 外光电效应外光电效应 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.Hert

9、zM.Hertz）在证明波动理）在证明波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。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 每个光子的能量： h普朗克常数，普朗克常数，

10、6.6266.6261010-34-34JsJs；光的频率（光的频率（s s-1-1）Eh83 10/m s 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 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：n入射光成分不变，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，入射光成分不变，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，逸出的电子数也就越多。意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。n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光电子能否产生，取决于光电子的能量

11、是否大于该物体的表面电子逸出功电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都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，称为有一个对应的光频阈值，称为红限频率红限频率或波长限。或波长限。光线频率低于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，光强再大也不会产生光电子发射；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。频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n光电子逸出物体表面具有初始动能光

12、电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2。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、光电倍增管第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第二节第二节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件一、外光电效应一、外光电效应二、内光电效应二、内光电效应三、基本概念三、基本概念四、外光电效应器件四、外光电效应器件五、内光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例六、应用举例1 1、光电导效应、光电导效应2 2、光生伏特效应、光生伏特效应第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 二、内光电效应二、内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率当光

13、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内光电效应叫做内光电效应。 1、 光电导效应光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态在光线作用，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，这种现象被称为光电导效应。（种现象被称为光电导效应。（器件：光敏电阻器件：光敏电阻）第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 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导带导带价带价带禁带禁带EgEg hch 为了实现能级

14、的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的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禁带宽度E Eg g，即，即第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 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势的现象叫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做光生伏特效应（器件：光电池和光敏二极管、光敏三极管）。（器件：光电池和光敏二极管、光敏三极管）。 势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）光线照射光线照射PNPN结时，设光子能量大于禁带宽度结时，设光子能量大

15、于禁带宽度EgEg，使价带中的电，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，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被光激发的电子移向N N区外侧，被光激发的空穴移向区外侧，被光激发的空穴移向P P区外侧，区外侧，从而使从而使P P区带正电，区带正电，N N区带负电，形成光电动势，这就是结光电区带负电，形成光电动势，这就是结光电效应。效应。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 侧向光电效应侧向光电效应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）。）。第七章第七章 光电式与光导式传

16、感器光电式与光导式传感器 第二节第二节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件一、外光电效应一、外光电效应二、内光电效应二、内光电效应三、基本概念三、基本概念四、外光电效应器件四、外光电效应器件五、内光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例六、应用举例1 1、暗电流、暗电流2 2、响应度、响应度3 3、光谱、光谱4 4、等效噪声功率、等效噪声功率NEPNEP第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 三、基本概念三、基本概念1 1、暗电流、暗电流 光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流

17、发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电流，也称随机电流。输出，此电流称为暗电流，也称随机电流。fIdN2eI频带宽度，暗电流平均值fdI2 2、响应度、响应度光传感器输出的电压或电流与光通量之比。光传感器输出的电压或电流与光通量之比。SIIR SVVR 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 3 3、光谱、光谱光传感器输出与输入光波长的关系曲线。光传感器输出与输入光波长的关系曲线。4 4、等效噪声功率、等效噪声功率NEPNEP 即能够产生与传感器输出噪声电压或电流相等即能够产生与传感器输出噪声电压或电流相等的入射光功率的大小。反映最小可探测的光的功

18、率。的入射光功率的大小。反映最小可探测的光的功率。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第二节第二节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件一、外光电效应一、外光电效应二、内光电效应二、内光电效应三、基本概念三、基本概念四、外光电效应器件四、外光电效应器件五、内光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例六、应用举例（一）、光电管及其基本特性（一）、光电管及其基本特性1 1、结构与工作原理、结构与工作原理2 2、主要性能、主要性能（二）、光电倍增管及其基本特性（二）、光电倍增管及其基本特性1 1、结构和工作原理、结构和工作原理2 2、主要参数、主要参数第七章第七章 光电式与光导式

19、传感器光电式与光导式传感器 四、外光电效应器件四、外光电效应器件（一）、光电管及其基本特性（一）、光电管及其基本特性1. 1. 结构与工作原理结构与工作原理 当光照射在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极当光照射在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上溢出的电子，在外电场作用下形成电流上溢出的电子，在外电场作用下形成电流I。 光光阳极阳极光窗光窗光电阴极光电阴极第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （1）内充有少量的惰性气）内充有少量的惰性气体，如氩、氖；体，如氩、氖；（2）当充气光电管的阴极）当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向被光照射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原

20、阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气体电离；子发生碰撞使气体电离；（3）增大了光电流，从而）增大了光电流，从而使灵敏度增加；使灵敏度增加；（4）但导致充气光电管的）但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比光电流与入射光强度不成比例，因而稳定性较差。例，因而稳定性较差。阳极阴极阳极阴极充气光电管充气光电管第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 真空光电管真空光电管 充气光电管充气光电管 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（1 1）光电管的）光电管的伏安特性伏安特性第七章

21、第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （2 2）、光电管的）、光电管的光照特性光照特性 指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，指当光电管的阳极和阴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。光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。225507510000.51.52.0/1mIA/ A1.02.51第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （3 3）、光电管）、光电管光谱特性光谱特性 保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波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光谱特性。长之间的关系叫光电管的光谱特性。 同一光电管

22、对于不同频率光的灵敏度不同，同一光电管对于不同频率光的灵敏度不同，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。同材料的光电阴极。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 锑钾钠铯阴极光谱范围较宽，为锑钾钠铯阴极光谱范围较宽，为3000850030008500，灵敏度也较高，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；也有些光与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼电管的光谱特性和人的视觉光谱特

23、性有很大差异，可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 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

24、大。（二）、光电倍增管及其基本特性（二）、光电倍增管及其基本特性第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （二）、光电倍增管及其基本特性（二）、光电倍增管及其基本特性1. 1. 结构和工作原理结构和工作原理组成：光阴极组成：光阴极(K)(K)、次阴极、次阴极( (倍增电极倍增电极)(D)(Di i) )、阳极、阳极(A)(A) 光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜在镍或铜- -铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达极多的可达3030级；级；阳极是最后用来收集电子阳极是最后用来收集电

25、子的，收集的，收集到的电子数是阴极发射电子数的到的电子数是阴极发射电子数的10105 510108 8倍。倍。 使用时在各个使用时在各个倍增电极上均加上电压倍增电极上均加上电压，阴极电位阴极电位最低最低，以后，以后依次升高依次升高，阳极最高阳极最高。相邻两个倍增电极。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在之间有电位差，因此存在加速电场加速电场。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 入入射射光光光电阴极光电阴极第一倍第一倍增极增极阳极阳极第三倍第三倍增极增极 由于相邻两个倍增电极之由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此，存在加速间有电位差，因此，存在加速电场，从阴极打击出的光电

26、子，电场，从阴极打击出的光电子，在电场的加速下，打到第一个在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引起二次电子发倍增电极上，引起二次电子发射，每个电子能从这倍增电极射，每个电子能从这倍增电极上打出上打出3636倍的次级电子，被打倍的次级电子，被打出的次级电子再经电场加速，出的次级电子再经电场加速，打在第三倍增电极上，电子数打在第三倍增电极上，电子数又增加又增加3636倍，如此不断倍增下倍，如此不断倍增下去，阳极作后收集到的电子数去，阳极作后收集到的电子数将达到将达到10105 5-10-108 8倍的光电子。倍的光电子。 各个倍增极均加电压，阴极电位最低，各个倍增极的电各个倍增极均加电压，阴极电

27、位最低，各个倍增极的电位依次升高，阳极电位最高，同时这些倍增电极在一定能量位依次升高，阳极电位最高，同时这些倍增电极在一定能量的电子轰击下，能够产生更多的次级电子。的电子轰击下，能够产生更多的次级电子。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 2 2、主要参数、主要参数（1 1）倍增系数）倍增系数M 如果如果n个倍增电极的个倍增电极的都都相同，则相同，则M= 因此，因此，阳极电流阳极电流 I 为为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光电倍增管的电流放大倍数倍数为为 n 103 104 105 1062

28、55075100125极间电压极间电压/V 放大倍数放大倍数nIi/nI iM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左右，加速左右，加速电压稳定性要在电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍增系数也要波动，以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。对所加。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。电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。

29、 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （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 阴极灵敏度：阴极灵敏度：一个光子在光电倍增管的阴极上能一个光子在光电倍增管的阴极上能够打出的平均电子数。够打出的平均电子数。 总灵敏度：总灵敏度：一个光子在阳极上产生的平均电子数。一个光子在阳极上产生的平均电子数。 注意：注意：极间电压越高，灵敏度越高；但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，太高反而会使阳极电流不稳。由于光电也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将倍增管的灵敏度很高，所

30、以不能受强光照射，否则将会损坏。会损坏。 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （3 3）暗电流和本底脉冲）暗电流和本底脉冲 暗电流：暗电流： 由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。流称为暗电流。 本底电流：本底电流： 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的

31、照射而使其激发，增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底本底电流电流具有具有脉冲形式脉冲形式。 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 光电光电倍增倍增管的管的光照光照特性特性与直线最大与直线最大偏离是偏离是3%10131010109107105103101在在 4 5 m A处饱和处饱和10141010106102光通量光通量/1m阳阳极极电电流流/ A（4 4）光电倍增管的光谱特性）光电倍增管的光谱特性第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 国产光电倍增管的技术参数

32、国产光电倍增管的技术参数第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第二节第二节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件一、外光电效应一、外光电效应二、内光电效应二、内光电效应三、基本概念三、基本概念四、外光电效应器件四、外光电效应器件五、内光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例六、应用举例（一）、光敏电阻（一）、光敏电阻1 1、光敏电阻的结构、光敏电阻的结构2 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（二）、光电池（二）、光电池1 1、光电池的结构和工作原理、光电池的结构和工作原理2 2、基本特性、基本特性1 1、光敏二极管、光敏二极管（三）、光敏二极管和

33、光敏三极管（三）、光敏二极管和光敏三极管2 2、高速光电二极管、高速光电二极管3 3、光敏三极管、光敏三极管（四）光电耦合器件（四）光电耦合器件第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 五、内光电效应器件五、内光电效应器件 （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，其工作原理光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于是基于光电导效应光电导效应，其，其阻值随光照增强而减小阻值随光照增强而减小。1 1、光敏电阻的结构、光敏电阻的结构电极电极半导体半导体玻璃底板玻璃底板在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光

34、导层。半导体的两端导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。阻的电极一般采用梳状图案。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感

35、器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 2. 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）暗电流、亮电流、光电流）暗电流、亮电流、光电流 暗电流：暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照无光照射射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此）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为暗电流。时在给定电压下流过的电流为暗电流。 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。此时流过的电流为亮电流。光照下的亮电阻。此时流

36、过的电流为亮电流。 光电流：光电流：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也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，这样的光敏电阻的就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。灵敏度越高。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （2 2）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。

37、多做开关式的光电转换器。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （3 3）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/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。光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵

38、敏度波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不应。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （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光电在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系称为伏安特性。流之间的关系称为伏安特性。0 10 20 30 40 5050100

39、150200250I I/ A/ AU U/V/V 在一定的光照度下，在一定的光照度下，所加的电压越高，光所加的电压越高，光电流越大，而且没有电流越大，而且没有饱和的现象。饱和的现象。 在给定的电压下，在给定的电压下，光电流的数值将随光光电流的数值将随光照增强而增大。照增强而增大。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。第七章第七章 光电式与光导式传

40、感器光电式与光导式传感器 （5 5）频率特性）频率特性 实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数时间常数表示。表示。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），（毫秒数量级）， 因而它们的频率特性也就各不相同。因而它们的频率特性也就各不相同。入射光调制频率入射光调制频率/Hz/Hz相对灵敏度相对灵敏度/%/% 0 10 102 103 10420406080100硫化镉硫化镉

41、硫化铅硫化铅多数光敏电阻的时间多数光敏电阻的时间常数都很大。常数都很大。所以，所以，它不能用在要求快速它不能用在要求快速响应的场合。响应的场合。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （6 6）温度特性）温度特性I / A100150200-50-1030 5010-30T/ C100204060800 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 /m/mI / mA+20 C+20 C-20 C-20 C 随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱随着温度的升高，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。特性曲线的峰值向波长短的方向移动。 提高灵敏度提高灵敏度(

42、 (接收较长波段的辐射接收较长波段的辐射):):将元件降温使将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （7 7）稳定性）稳定性第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （二）、光电池（二）、光电池 定义：定义：利用利用光生伏特效应光生伏特效应把光直接转变成电能的把光直接转变成电能的光电器件光电器件( (太阳能电池太阳能电池) )。 特点：特点：有有较大面积的较大面积的PNPN结结，当光照射在，当光照射在PNPN结上时结上时，在结的两端出现，在结的两端出现电动势电动势。

43、故光电池是。故光电池是有源元件有源元件。 分类：分类：硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是有发展前途的是硅光电池硅光电池和和硒光电池硒光电池。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 通信卫星上的光电池通信卫星上的光电池 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适硅光电池的价格便宜，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

44、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。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 1 1、光电池的结构和工作原理、光电池的结构和工作原理A硼 扩 散 层SiO2膜P型 电 极N型 硅 片PN结电 极AII(a )(b )下电极下电极梳状电极梳状电极Si

45、OSiO2 2抗抗反射膜反射膜P PN NI IU U光电池的光电池的表示符号表示符号基本基本电路电路第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 若将若将PN结两端用结两端用导线连起来，电路中有导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向电流流过，电流的方向由由P区流经外电路至区流经外电路至N区。若将外电路断开，区。若将外电路断开，就可测出就可测出光生电动势。光生电动势。当光照到当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出在结区附近激发出电子电子-空穴对空穴对，在在N区聚积负区聚积负电荷

46、，电荷，P区聚积正电荷，区聚积正电荷，这样这样N区和区和P区之间出区之间出现电位差。现电位差。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （1 1）光照特性）光照特性开路电压曲线：开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为当照度为2000lx2000lx时趋向饱和。时趋向饱和。短路电流曲线：短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。光电流与照度之间的特性曲线。2. 2. 基本特性基本特性开路电压开路电压0.10.30.2照度照度/lx/lx0 2000 4000 光生电流光生电流/

47、/mAmA0.20.60.4光生电压光生电压/ /V V短路电流短路电流第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 (2) (2) 光谱特性光谱特性 硅光电池硅光电池应用的应用的范围范围400nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm附附近，因此硅光电池可近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应以在很宽的范围内应用。用。 硒光电池硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，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，附近，适宜测可见光适宜测可见光。常用于分常用于分析仪器、测量仪表，析仪器、测量仪表，如用照度计测定光的强度。如用照度计测定光的强度。204060

48、80100硒硒硅硅入射光波长入射光波长 /nm/nm0 400 600 800 1000 1200相对灵敏度相对灵敏度/%/%第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （3 3）温度特性）温度特性指指开路电压开路电压和和短路电流短路电流随温度变化的关系。随温度变化的关系。开路电压开路电压温度温度/光生电流光生电流/ /mAmA1.82.22.0光生电压光生电压/ /V V短路电流短路电流1002003004005000 20 40 60 80 100开路电压随温度升高而下降的速度较快。开路电压随温度升高而下降的速度较快。 关系到应用光电池的关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影

49、仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池要指标，因此，当光电池作为测量元件时，作为测量元件时，最好能最好能保持温度恒定，或采取温保持温度恒定，或采取温度补偿措施。度补偿措施。短路电流随温度升高而缓慢增加。短路电流随温度升高而缓慢增加。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 硅光电池硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 1. 1. 光敏二极管光敏二极管 在电路中一般是处于在电路中一般是处于反向工作反向工作状态。状态。PN光光光敏二极管符号光敏二极管符号光敏二

50、极管接线光敏二极管接线RL 光光PN（三）、光敏二极管和光敏三极管（三）、光敏二极管和光敏三极管第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 当光照射时，光敏二当光照射时，光敏二极管处于导通状态。极管处于导通状态。当光不照射时，反向电阻很大当光不照射时，反向电阻很大，光光敏二极管处于载止状态，这时只敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即电流即暗电流暗电流；受光照射时，受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量结附近受光子

51、轰击，吸收其能量而产生电子而产生电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区区和和N区的少数载流子浓度大大增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，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，的作用下， P区的少数载流子渡区的少数载流子渡越阻挡层进入越阻挡层进入N区，区， N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P区，从而使区，从而使通过通过PN结的反向电流大为增加，结的反向电流大为增加，这就形成了光电流这就形成了光电流。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 2 2、高速光电二极管、高速光电二极管P

52、 P、N N间加了层很厚的高电阻率的本征半导体间加了层很厚的高电阻率的本征半导体I I。P P层做的很薄。层做的很薄。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 入射光照射在入射光照射在P P层上，层上， 由于由于P P层很薄，大量的层很薄，大量的光被较厚的光被较厚的I I层吸收，激层吸收，激发较多的载流子形成光电发较多的载流子形成光电流；又流；又PINPIN结光电二极管结光电二极管比比PNPN结光电二极管施加结光电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当P P型和型和

53、N N型型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，别，因此，N N区的电子要向区的电子要向P P区扩散，区扩散，P P区空穴向区空穴向N N区区扩散。扩散。偏压偏压价带价带导带导带信号光信号光信号光信号光电极电极电极电极输出端输出端P I NP I N第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 P P区一边失去空穴，区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，留下带负电的杂质离子，N N区一边失去电子，留下区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在带正电的杂质离子，在PNPN交界面形成空间电荷交界面形成空间电荷（很薄的空间电荷区），

54、（很薄的空间电荷区），在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，越宽，PNPN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PINPIN结光结光电二极管仍然具有一般电二极管仍然具有一般PNPN结光电二极管的线性特性。结光电二极管的线性特性。偏压偏压价带价带导带导带信号光信号光信号光信号光电极电极电极电极输出端输出端P I NP I N第七章

55、第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 在在PNPN结的结的P P区外增加一层掺区外增加一层掺杂浓度极高的杂浓度极高的P P + +层，且在其上加层，且在其上加上上高反偏压。高反偏压。偏压偏压输出端输出端价带价带导带导带信号光信号光信号光信号光电极电极电极电极P P+ + P NP N第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 当光入射到当光入射到PNPN结时，光子被吸收而产生电结时，光子被吸收而产生电子子- -空穴对。如果电压增加到使电场达到空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV/cm200kV/cm以上，初始

56、电子（一次电子）在高电以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子新的电子- -空穴对空穴对。新产生的二次电子再次和。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，构成强大的光电流。使载流子雪崩式倍增，构成强大的光电流。 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 3 3、光敏三极管、光敏三极管PPN becNNPe bC 集电结一边做得很大，集电结一边

57、做得很大，以扩大光的照射面积，且以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。基极一般不接引线。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 普通三极管普通三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 光敏三极管光敏三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基区很薄；基区很薄；基极不接引线；基极不接引线；集电极面积较大。集电极面积较大。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 当集电极加上正电压当集电极加上正电压, ,基极开基极开路时路时, ,集电极处于反向偏置状态。集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时

58、当光线照射在集电结的基区时, ,会会产生电子产生电子- -空穴对空穴对, ,在内电场的作用在内电场的作用下下, ,光生电子被拉到集电极光生电子被拉到集电极, ,基区留基区留下空穴下空穴, ,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, ,这样便有大量的电子流向集这样便有大量的电子流向集电极电极, ,形成输出电流形成输出电流, ,且集电极电流且集电极电流为光电流的为光电流的倍。倍。 RL E第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （1 1）光谱特性）光谱特性光敏三极管的主要特性：光敏三极管的主要特性： 存在一个最佳灵敏度的峰值波长存在一个最佳灵敏度的峰值波长204060

59、8010040080012001600入射光入射光波长波长/nm锗锗硅硅相对灵敏度（相对灵敏度（%）0硅的峰值波长为硅的峰值波长为90009000，锗的，锗的峰值波长为峰值波长为1500015000。由于锗管。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。的性能较差。故在可见光或探故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用测赤热状态物体时，一般选用硅管；硅管；但对红外线进行探测时但对红外线进行探测时, ,则采用锗管较合适。则采用锗管较合适。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器 （2 2）伏安特性）伏安特性500lx1000lx1500lx2000lx2

60、500lxI/mA0 02 24 46 62020404060608080光敏晶体管的伏安特性光敏晶体管的伏安特性U U/V/V 同一般晶体管在不同一般晶体管在不同的基极电流时的输出同的基极电流时的输出特性一样。特性一样。只要将入射只要将入射光照在发射极光照在发射极e e与基极与基极b b之间的之间的PNPN结附近，所产结附近，所产生的光电流看作基极电生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。看作一般的晶体管。光光敏三极管能把敏三极管能把光信号变光信号变成电信号成电信号，而且输出的，而且输出的电信号较大。电信号较大。第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器