第8章光电式传感器

传感器原理及应用第8章光电效应及普通光电器件传感器原理及应用第8章

光电式传感器主要内容：

8.1光电效应

8.2光电器件

光电管、光电倍增管、光敏电阻、

光电晶体管、光电池、色敏、

其他光电器件

传感器原理及应用第8章

光电式传感器概述

光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，在计算机、自动检测及控制系统中应用非常广泛。普通的光电器件包括：光电管、光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电倍增管、光电耦合器等。光信号光电传感器电信号传感器原理及应用第8章

光电式传感器概述

料位自动控制电动扶梯自动启停光电开关传感器原理及应用第8章

光电式传感器概述

光栅光电开关光敏电阻光电鼠标8.1光电效应传感器原理及应用第8章

光电式传感器光敏器件主要利用各种光电效应光电效应可分为：外光电效应

光电导效应内光电效应光生伏特效应

传感器原理及应用第8章

光电式传感器8.1光电效应

外光电效应在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。——普朗克常数()

——光的频率（Hz）

每个光子具有能量

J.S波长短，频率高，能量大。式中：

入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比。传感器原理及应用第8章

光电式传感器

光照射物体时电子吸收入射光子的能量，当电子吸入的能量超出物体逸出功A时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。

由能量守恒定律可得出每个光子具有的能量为

为一个电子逸出的动能（能量）；A为电子的逸出功；

m为电子质量，ν0电子逸出物体表面时的速度爱因斯坦光电效应方程光照射光电子8.1光电效应

外光电效应传感器原理及应用入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。

这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下电子吸收光子能量，电子从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起电阻率减小。8.1光电效应

内光电效应

第8章

光电式传感器

为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量应大于禁带宽度的能量E0＞Eg

基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。1）光电导效应传感器原理及应用第8章

光电式传感器

为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？PN电子空穴---+++-+光源8.1光电效应

内光电效应

下面分两种情况讨论：不加偏压时的PN结处于反偏时的PN结2）光生伏特效应光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。传感器原理及应用

当光照射在P-N结时，如果光子能量足够大,可激发出电子——空穴对,在P-N结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区,使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.8.1光电效应

8.1.2内光电效应

基于这种效应的器件有光电池。

不加偏压时的P-N结第8章

光电式传感器PN电子空穴---+++-+光源传感器原理及应用第8章

光电式传感器

无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，产生光生电子—空穴对，在外电场作用下，光生电子→N，空穴→P运动，形成光电流Ig。8.1光电效应

内光电效应

-+

处于反偏时的P-N结

电流方向与反向电流一致，光照越强电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管从原理上讲，不加偏压的光电二极管就是光电池。

光敏二极管通常加反向电压。传感器原理及应用第8章

光电式传感器8.2光电器件

光电管

光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极K、阳极A，光阴极涂有光敏材料；当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生光电子发射；

电子被带有正电的阳极吸引在光电管内形成电子流，电流在回路电阻RL上产生正比于电流大小的压降。传感器原理及应用第8章

光电式传感器主要用于：分析仪器和各种自动控制装置;如，分光光度计、光电比色计等8.2光电器件

光电管光电管电路符号光电管外壳不透明电子管传感器原理及应用第8章

光电式传感器

光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。核仪器中闪烁探测器使用光电倍增管做光电转换元件，构成射线检测仪器。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。8.2光电器件

光电倍增管传感器原理及应用第8章

光电式传感器

光电倍增管与普通光电管不同,在光阴极和阳极之间加了许多倍增极（10级左右），在阳极和阴极之间加有几百～上千伏的高压，每个倍增极间分压有100～200V；光电倍增管的电流增益很大在105～106之间。倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为：8.2光电器件

光电倍增管光电倍增管的灵敏度很高,不能直接受强光照射,否则会损坏.通常密封使用。式中：——常数

——倍增极数

传感器原理及应用第8章

光电式传感器上式可见，倍增级外加电压Ud的变化将引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。射线仪器的电源稳定性要求较高，为减少光电倍增管受温度影响，也可以采用稳谱装置，在核探测技术中“稳谱”是数据分析的一个重要内容。

增益变化与外加电压（电源）有关8.2光电器件

光电倍增管传感器原理及应用第8章

光电式传感器

光敏电阻的工作原理是基于光电导效应光敏电阻结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻结构8.2光电器件

光敏电阻光敏电阻符号光导体传感器原理及应用第8章

光电式传感器光敏电阻光照特性无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数暗电阻、暗电流,无光照时的电阻、电流；亮电阻、亮电流,受光照时的阻值、电流；亮电流与暗电流之差称光电流。8.2光电器件

光敏电阻传感器原理及应用第8章

光电式传感器1.伏安特性给定光照度，电压越大光电流越大；给定偏压，光照越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。光敏电阻伏安特性8.2光电器件

光敏电阻

基本特性光照度为

Lx=lm（流明）/s

单位面积的光通量传感器原理及应用第8章

光电式传感器2.光谱特性光敏电阻灵敏度与入射波长有关;

灵敏度与半导体掺杂的材料有关，图例中材料与相对灵敏度峰位波长硫化镉（CdS）0.3～0.8(μm)硫化铅（PbS）1.0～3.5(μm)硫化铊（TlS）1.0～7.3(μm)光敏电阻的光谱特性3.温度特性温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。温度T上升，波长λ变短，曲线向左移动。光敏电阻温度特性8.2光电器件

光敏电阻传感器原理及应用第8章

光电式传感器几种光敏电阻的特性参数传感器原理及应用第8章

光电式传感器

白天Rg小，VT2导通VT3截止VT4导通，晶闸管VS截止H灭；晚上Rg大，VT2截止失去对VT3控制，VT3由VT1控制，待机;

晚上压电陶瓷片B接收声音触发信号，VT3导通VT4截止，晶闸管VS导通，灯亮；同时D整流压降突然下降，VT3集电极保持低电压，使VS处于导通状态;HVSB8.2光电器件

光敏电阻——应用光敏电阻在声光控开关中的应用H点亮后，C3经电阻缓慢放电，直到不再维持VT4截止。调节C3可调节灯亮时间.传感器原理及应用第8章

光电式传感器光敏晶体管包括光敏二极管和光敏三极管，其工作原理主要基于光生伏特效应。光敏晶体管特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。8.2光电器件

光敏晶体管传感器原理及应用第8章

光电式传感器

结构：与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率有大面积受光，P-N结面积比一般二极管大。硅光敏二极管结构

-++-光敏二极管符号8.2光电器件

光敏晶体管1）光敏二极管传感器原理及应用第8章

光电式传感器

光敏二极管工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，P-N结处产生光生电子-空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。

光敏二极管基本电路

REDgI8.2光电器件

光敏晶体管传感器原理及应用第8章

光电式传感器发光二极管与光敏二极管工作原理不同，发光二极管是利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将电能→光能的器件；加正向电压时，P-N结的电子、空穴在结合过程中发射一定频率的光信号。+--+光敏二极管符号发光二极管符号8.2光电器件

光敏晶体管发光二极管与光敏二极管

发光二极管工作时加正向电压。传感器原理及应用第8章

光电式传感器

光敏二极管基本特性：1.光照特性图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。

2.光谱特性（硅光敏管为例)当入射波长＜0.9μm时，响应逐渐下降，虽光波长短能量大，但光穿透深度小，使光电流减小；当入射波长＞0.9μm时，响应下降是因波长长光子能量小，当小于禁带宽度时不产生电子、空穴对。8.2光电器件

光敏晶体管传感器原理及应用第8章

光电式传感器3.伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。4.温度特性由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。8.2光电器件

光敏晶体管传感器原理及应用第8章

光电式传感器硅光敏二极管基本参数传感器原理及应用第8章

光电式传感器结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极—集电极(集电结)作为光敏二极管，集电结做受光结，另外集电极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。光敏三极管结构

NNPcbe电路符号8.2光电器件

光敏晶体管2）光敏三极管传感器原理及应用第8章

光电式传感器硅（Si）光敏三极管光敏晶体管一般是NPN结构，光照射在集电结的基区产生电子-空穴对，电场作用下，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流,使晶体管具有电流增益。在负载电阻上的输出电压为

—晶体管电流放大系数

NNPcbe+-光敏三极管等效电路

8.2光电器件

光敏晶体管传感器原理及应用第8章

光电式传感器由伏安特性曲线可见光敏晶体管对光信号具有放大作用光敏晶体管伏安特性曲线8.2光电器件

光敏晶体管光敏晶体管伏安特性传感器原理及应用第8章

光电式传感器光敏晶体管的光谱特性硅材料的光敏管峰值波长在0.9μm附近（可见光）灵敏度最大；探测可见光或赤热状物体时波长短,一般都用硅管0.9μm；锗管的峰值波长约为1.5μm（红外光）对红外进行探测时用锗管较适宜。基本参数光敏晶体管光谱特性8.2光电器件

光敏晶体管传感器原理及应用第8章

光电式传感器硅光敏三极管基本参数传感器原理及应用第8章

光电式传感器

光电池工作原理也是基于光生伏特效应，是直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源(太阳能电池)所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。光电池符号8.2光电器件

光电池光信号光电池电信号传感器原理及应用第8章

光电式传感器太阳能手机充电器LED太阳能供电警示牌太阳能电池8.2光电器件

光电池

光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。硒、硅光电池转换效率高、价廉；砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线。传感器原理及应用第8章

光电式传感器光电池结构光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子—空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般普通光电池可产生0.2V～0.6V电压，50mA电流。

光电池结构光电池工作原理示意图

8.2光电器件

光电池传感器原理及应用第8章

光电式传感器1.光照特性开路电压—光生电动势与照度之间关系；开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度2000lx趋于饱和。短路电流—光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。实验证明，RL小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常RL≈100Ω光电池做电源时当电压源使用,用做控制元件时当电流源使用。光电池光照与负载的关系

光电池光照特性

8.2光电器件

光电池传感器原理及应用第8章

光电式传感器2.光谱特性

光电池对不同波长的光灵敏度不同硅光电池的光谱响应峰值在0.8μm附近，波长范围0.4～1.2μm。硅光电池可在很宽的波长范围应用。硒光电池光谱响应峰值在0.5μm附近,波长范围0.38～0.75μm。8.2光电器件

光电池传感器原理及应用第8章

光电式传感器硅光电池特性参数传感器原理及应用第8章

光电式传感器8.2光电器件

色敏传感器色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理基于光电效应，该器件可