第8章光电式传感器

1、第8章光电式传感器概述概述n光电式传感器（或称光敏传感器）光电式传感器（或称光敏传感器）n光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。光电器件的物理基础是成光电式传感器的主要部件。光电器件的物理基础是光电效应。光电效应。n光电效应（分类）光电效应（分类）n外光电效应外光电效应n内光电效应内光电效应n光电导效应光电导效应nPN结光电效应结光电效应特点特点n光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强

2、（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点等特点n可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等速度、加速度等n其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力力 n物理现象：在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。n定义：当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。外光电效应

3、。n根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。(一一) 外光电效应外光电效应n光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为 n光电效应方程 Eh v(8-36)故要使一个电子逸出，则光子能量必须超出逸出功，故要使一个电子逸出，则光子能量必须超出逸出功，超过部分的能量表现出逸出电子的动能。超过部分的能量表现出逸出电子的动能。02021Amhn光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个。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，称为红限频率或

4、波长限。光线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，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；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，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电反之，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。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正比。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，逸出的电子数也就越即光强愈大，意味着入射光子数目越多

5、，逸出的电子数也就越多。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 ，因此外光电效应器，因此外光电效应器件（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，而且截止电压与入射光的使光电流为零，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。频率成正比。外光电效应器件：光电管外光电效应器件：光电管 真空光电管的结构及外接电路真空光电管的结构及外接电路（a）结构）结构 （ b）外接电路）外接电路外光电效应器件：光电倍增管外光电效应器件：光电倍增管光电倍增管的结构

6、与原理光电倍增管的结构与原理（二）（二） 内光电效应内光电效应n内光电效应是指在光线作用下（仍然是光子与内光电效应是指在光线作用下（仍然是光子与物体内电子的相互作用），物体的导电性能发物体内电子的相互作用），物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象生变化或产生光生电动势的现象n这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光电导效应和因PN结光照产生电动势的光生伏特结光照产生电动势的光生伏特效应两类。效应两类。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过渡到自由状态，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

7、引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。PN结光电效应（光生伏特效应结光电效应（光生伏特效应 ） 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。象。内光电效应分类内光电效应分类光敏电阻光敏电阻A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（一）（一） 光敏电阻的原理和结构光敏电阻的原理和结构 光敏电阻是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。n无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电

8、阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 n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。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。 1.光敏电阻的结构金 属 电 极半 导 体玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI(a)(b)(c)Ra图8-41 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图2. 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数n暗电阻 n光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 n亮电阻 n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

9、亮电流。 n光电流 n亮电流与暗电流之差3、光敏电阻的基本特性、光敏电阻的基本特性n伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系。403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200U / V101 x图 8-42（c）硫化镉光敏电阻的伏安特性 光照特性n指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系图8-42（a）光敏电阻的光照特性 光谱特性n光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。即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。Sr / (%) / A2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉 图

10、8-42（d）光敏电阻的光谱特性 频率特性n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，这种惰性通常用时间常数表示，对应着不同材料的频率特性。100806040200101001 00010 000硫化镉硫化铅S /( %)f / Hz图8-42（e）光敏电阻的频率特性 温度特性n光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻。硫化铅光敏电阻受温度影响更大。1.02.03.04.00204060801002020 / mS / (%)硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 光敏电阻的应用火灾探测光电池光电池1.光电池的

11、工作原理光电池的工作原理n光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。 n工作原理：基于“光生伏特效应”。 光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。2.光电池结构、符号光电池结构、符号3.光电池种类光电池种类 n光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等n最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐

12、高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中n硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。4.光电池基本特性光电池基本特性n光谱特性 n光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。0400600800 1000120020406080100 / nmS / %硒硅图8-47（d）硅光电池的光谱特性 光照特性n光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性0.30.20.10光生电流 / mA0.60.40.202 0004 000短路电流开路电压光

13、生电压 / V照度 / lx 图8-47（a、b）硅光电池的光照特性 频率特性1500 3000 4500 6000 7500020406080100f / Hz相对光电流 / (%)硒光电池硅光电池 图8-47（e）硅光电池的频率特性 温度特性n是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。2040608010001002003004005002.22.01.8开路电压短路电流温度 / U / mVI / mA 图8-47（f）硅光电池的温度特性 将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。换成电能，即太阳能

14、电池。将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。那样的光电转换效率。5、光电池的两大类型应用、光电池的两大类型应用光敏晶体管光敏晶体管1.光敏二极管光敏二极管2.光敏二极管工作原理光敏二极管工作原理n光敏二极管的结构与一般二极管相似、 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。n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，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

15、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。n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。 光敏三极管又称光敏晶体管，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。3.光敏三极管光敏三极管光照集电极-基极的PN结，形成光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用 。NPN型光敏晶体管结构和基本电路 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， 当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，相当于普通三极管的基极电流Ib。4.光敏管的基本特性n光敏晶体管的光谱特性 伏安特性n伏安特性光照特性 频率特性 5.光敏二极管