第9章-光电传感器

1、 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级1Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-21光电传感器光电传感器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级2Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-22 9.1 光源和光源和光电效应光电效应 9.2 光电器件光电器件 9.3 光传感器的特性表示法光传感器的特性表示法 9.4 其他其他光电传感器光

2、电传感器 9.5 CCD图像传感器图像传感器 9.6 应用光路应用光路第九章第九章 光电式传感器光电式传感器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级3Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-23光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。辐射源光学通路光电器件被被测量测量被被测量测量输出输出 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级4Anhui Science and Techn

3、ology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-24一、光谱一、光谱光波：波长为10106nm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780106nm 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。 光谱分布如图所示。9-1 9-1 光光 源源 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级5Anhui Science and Technology Un

4、iversity 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-25远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级6Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-26 光的波长与频率的关系由光速确

5、定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz，的单位为cm。 c=31010cm / s 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级7Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-27二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1 1、热辐射光源热辐射光源钨丝白炽灯钨丝白炽灯 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。. 发光范围发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件

6、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、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。 在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级8Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-282 2、气体放电灯：、气体放电灯：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电

7、流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级9Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-29 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的

8、波长，如，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级10Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-2103 3、电致发光器件电致发光器件发光二极管发光二极管LED（Light Emitting Diode）由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级11Anhui Science and Technology

9、 University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-211 在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级12Anhui Science and Technology Univers

10、ity 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-212 电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则gEhcgEchgEh普朗克常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级13Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-213 hc=19.810-2

11、6mWs=12.410-7meV。 可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于h c /=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级14Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-214 通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。

12、改变x值还可以决定发光波长，使在550900nm间变化，它已经进入红外区。 与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级15Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-215材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350表9

13、.1-1 LED材料 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级16Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-216 发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级17Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版

14、标题样式2022-7-217 注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。 I/mAU/V -10 -5 0 12GaAsP(红)GaAsP(绿) 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级18Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-218 发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p 。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用

15、描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级19Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-2190.20.40.60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性/nm相对灵敏度 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级20Anhui Science and Technology University

16、数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-2204 4、激光器、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级21Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-221 激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 半导体激光器（如砷化镓

17、激光器） 液体激光器。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级22Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-222（1）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球

18、到月球的距离测量。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级23Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-223T.Maiman ）。）。工作物质为工作物质为红宝石红宝石-掺掺0.05%Cr+3Al2O3棒。棒。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级24Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-224Nd:YAGNd:YAG激光器激光器

19、掺掺 Nd+3 离子的激光器有三种离子的激光器有三种: 玻璃玻璃氟化钇锂氟化钇锂（YLF ：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级25Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-225（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区

20、域。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级26Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-226（3）半导体激光器与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。 （4）液体激光器种类：聚合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是

21、发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级27Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-227三、光电效应三、光电效应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光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级28Anhui Science and Technology

22、University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-228 1、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发射的现象称为外光电效应。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、光电倍增管等。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级29Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-229光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）

23、 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级30Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-230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10-9s。根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0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

24、程。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级31Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-231n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A0。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，也会有光电子射出。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级

25、 第四级 第五级32Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-232n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多。n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频率成正比。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级33Anhui Science and Technology

26、 University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-233 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类： 2 2、内光电效应、内光电效应 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级34Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-234 （1） 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，

27、而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级35Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-235过程：过程：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。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级

28、第四级 第五级36Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-236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0，只有波长小于0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增加。式中、分别为入射光的频率和波长。 Eghch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Eg，即 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级37Anhui Science and Technology University 数

29、理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-237 （2） 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做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级38Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-238 势垒效应（结光电效应）。 接触的半导体和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。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四

30、级 第五级39Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-239 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。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级40Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标

31、题样式2022-7-240侧向光电效应。当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级41Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-241 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，未被光照射部分带负电，光照部分

32、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）。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级42Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-242 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级43Anhui Science and Technology Universit

33、y 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-243一、光电管及其基本特性一、光电管及其基本特性1. 结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级44Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7

34、-244光电管的结构示意图 光阳极光电阴极光窗 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级45Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-245 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级46Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-2462. 2. 主要性能

35、主要性能光电管的伏安特性图5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/ A（1） 光电管的伏安特性光电管的伏安特性 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级47Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-247 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。 单击此处编辑母版文本样式

36、第二级 第三级 第四级 第五级48Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-248（2） 光电管的光照特性 通常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。其特性曲线如图所示。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级49Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-249曲线1表示氧铯阴极氧铯阴极光电管的光照特性，光电

37、流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级50Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-250光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.51 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级51Anhui Science and Technology University

38、 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-251（3）光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。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。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级52Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-252。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率0，并

39、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，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，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电阴极。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级53Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-253 国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%30%。它适用于白光光源白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检

40、测仪表中。对红外光源红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，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；但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，因而在测量和控制技术中，这些光电管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。 一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级54Anhui Science and Technology University 数

41、理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-254二、光电倍增管及其基本特性 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A，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。1. 1. 结构和工作原理结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的

42、灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级55Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-255（1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相同，则M= 因此，阳极电流 I 为 I = i i 光电阴极的光电流2. 2. 主要参数主要参数ninini 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级56Anhui Science a

43、nd Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-256 103 104 105 106255075100125极间电压/V 放大倍数光电倍增管的特性曲线 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级57Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-257 光电倍增管的电流放大倍数为 = I / i = M与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍

44、增系数也要波动，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10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。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。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级58Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-258（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总总灵敏度灵敏度。 单

45、击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级59Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-259 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，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。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级60Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标

46、题样式2022-7-260（3）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、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，这种电流称为暗电流暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。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本底电流，其值大于暗电流。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，本底电流本底电流具有脉冲形式脉冲形式。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级61Anhui

47、 Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-261（4）光电倍增管的光谱特性 光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级62Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题

48、样式2022-7-262101光电倍增管的光照特性与 直 线 最大 偏 离 是3%10131010109107105103在45mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/ A 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级63Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-263利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻光电池和光敏晶体管等。第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件 单击此处编辑母版文本样式 第二级

49、 第三级 第四级 第五级64Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-264 一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级65Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程

50、学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-2651. 1. 光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级66Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-266 h= Eg(eV)式中和入射

51、光的频率和波长。 一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。ch 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级67Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-267 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。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限。 单击此处编辑母版文本样式 第二级

52、 第三级 第四级 第五级68Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-268A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因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见下图。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级69Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-2691-光导层; 2-玻璃窗口;

53、 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)符号它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级70Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-270 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光

54、电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。 RGRLEI 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级71Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-2712. 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）暗电阻、亮电阻、光

55、电流）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）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。亮电流：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。光电流：亮电流与暗电流之差。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级72Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-272 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，这样的光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻

56、往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级73Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-273（2 2）光照特性）光照特性下图表示CdS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，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。I/

57、mA012345 L/lx10002000 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级74Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-274（3 3）光谱特性）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，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。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1

58、硫化镉2硒化镉3硫化铅 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级75Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-275 （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电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零零及照度为某值某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级76Anhui Science

59、 and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-27640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定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。5010015020012U/V020I/ A 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级77Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-277（5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要

60、经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，100电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。20406080I / %f / Hz010102103104硫化铅硫化镉 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级78Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2022-7-278（6）稳定性 图中曲线1、2分别表示两种