《传感器与信号调理技术》课件第5章

第5章光电式传感器5.1光电效应5.2外光电效应器件5.3内光电效应器件5.4新型光电传感器件5.5光电式传感器应用实例5.1光电效应

5.1.1外光电效应

在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，亦称光电发射效应。它是在1887年由德国科学家赫兹发现的。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

众所周知，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量为

E=hν(5-1)若逸出电子的动能为，则由能量守恒定律有

(5-2)上式即为爱因斯坦光电效应方程式。由该式可知：

(1)光电效应是否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功。

(2)若入射光的频率为ν，光功率为P，则每秒钟到达的光子数为P/hν，假设这些光子中只有一部分(η)能激发光子，则入射光在光电面激发的光电流密度为

(5-3)

(3)由于光电子逸出物体表面具有初始动能。5.1.2内光电效应

1.光电导效应

为使电子从价带激发到导带，入射光的能量E0应大于

禁带宽度Eg，如图5-1所示，即光的波长应小于某一临界波

长λ0。

(5-4)图5-1电子能级示意图

2.光生伏特效应

光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。若在N型硅片掺入P型杂质可形成一PN结，如图5-2所示。图5-2

PN结产生光生伏特效应

PN结用作整流时，其电压—电流特性如图5-3中的曲线

(1)所示。这时外加电压U(以正方向为正)与电流Id的关系为

(5-5)图5-3

PN结的电压—电流特性式中，Id为没有光照时的暗电流，Is为反向饱和暗电流，k为

玻耳兹曼常数，T为绝对温度。当光照射到PN结上时，由于

光生伏特效应产生的短路电流I0与光电导效应式(5-3)相类似，即

(5-6)这个电流与式(5-5)所示电流方向相反，所以流经结点的电流是两者之差，即

(5-7)

由此可见，当有光照射时，电压—电流特性向下方平行移动，如图5-3中的曲线(2)所示。当I=0时，对U求解，得开路电压为

(5-8)如果入射光较弱，I0<<Is,则有

(5-9)

可见，当波长一定时，光电压与P成正比，如果ηP一定，则光电压与波长成正比。基于光生伏特效应的光电器件有光电二极管、光电三极管和光电池等。

5.2外光电效应器件

5.2.1光电管及其特性

1.结构与工作原理

光电管的结构如图5-4(a)所示，它由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一个真空玻璃管内。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。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射出电子(称光电子)，发射出的电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便形成电流I，如图5-4(b)所示。图5-4光电管的结构及特性

2.主要性能

1)伏安特性

在一定的光照下，光电器件的阳极电压与阳极电流之间的关系称为光电管的伏安特性，真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如图5-5(a)和(b)所示，它是应用光电传感器的主要依据。图5-5真空光电管和充气光电管的伏安特性

2)光照特性

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

5-6所示。图5-6光电管的光照特性

3)光谱特性

对于光电阴极材料不同的光电管，由于它们有不同的红限频率ν0，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，并且强度相同，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，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。5.2.2光电倍增管及其特性

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测，这时常用光电倍增管对电流进行放大。

1.光电倍增管的结构与工作原理

图5-7为光电倍增管的原理结构图。图5-7光电倍增管原理结构图由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引起二次电子发射。每个电子能从这个倍增电极上打出3~6个次级电子，被打出来的次级电子在经过电场的加速后，打在第二个倍增电极上，电子数又增加3~6倍，如此不断倍增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极

发射电子数的105~106倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。这样光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万倍，因此在很微弱的光照下，它就能产生很大的光电流I，其输出电压为

U=IR

2.主要性能

1)倍增系数M

倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数δi的乘积。如果n个倍增电极的δi都一样，则M=δni，因此，阳极电流I为

(5-10)

式中i为光电阴极的光电流。

光电倍增管的电流放大倍数β为

(5-11)

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阴极的灵敏度。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灵敏度。

光电倍增管的实际放大倍数或灵敏度如图5-8所示。图5-8光电倍增管的特性曲线

3)光电倍增管的光谱特性

光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很相似，这里不再赘述。

5.3内光电效应器件

5.3.1光敏电阻

1.结构和工作原理

光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成的。光敏电阻的结构较简单，如图5-9(a)所示。图5-9光敏电阻的结构和工作原理

2.光敏电阻的特性

1)暗电阻、亮电阻与光电流

光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。

2)光敏电阻的伏安特性

一般光敏电阻如硫化铅、硫化铊的伏安特性曲线如图

5-10所示。图5-10光敏电阻的伏安特性

3)光敏电阻的光照特性

光敏电阻的光照特性用于描述光电流I和光照强度之间的关系，绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的，如图5-11所示。图5-11光敏电阻的光照特性

4)光敏电阻的光谱特性

几种常用光敏电阻材料的光谱特性，如图5-12所示。图5-12光敏电阻的光谱特性

5)光敏电阻的响应时间和频率特性

图5-13为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。硫化铅的使用频率范围最大，其他都较差。目前正在通过工艺改进来改善各种材料光敏电阻的频率特性。图5-13光敏电阻的频率特性

6)光敏电阻的温度特性

随着温度不断升高，光敏电阻的暗电流和灵敏度都要下降，同时温度变化也影响它的光谱特性曲线。图5-14表示出硫化铅的光谱温度特性曲线。

部分国产光敏电阻的技术参数如表5-1所列。图5-14硫化铅光敏电阻的光谱温度特性5.3.2光电池

1.结构及工作原理

硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些

P杂质(例如硼)形成一个大面积的PN结，一般P型层很薄，从而使光能穿透到PN结上，其结构如图5-15(a)所示，图5-15(b)和(c)分别为外形和电路符号。图5-15硅光电池

2.主要特性

1)光谱特性

硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线，如图5-16所示。图5-16光电池的光谱特性

2)光照特性

光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。硅光电池的光照特性曲线如图5-17所示。图5-17硅光电池的光照特性

3)频率特性

光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照。光电池的频率特性反映光的交变频率和光电池输出电流的关系，如图5-18所示。图5-18光电池的频率特性

4)光电池的温度特性

光电池的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况，由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此它是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性曲线如图5-19所示。

部分国产光电池的主要技术参数如表5-2所列。图5-19光电池的温度特性5.3.3光电二极管和光电三极管

1.光电二极管

光电二极管的结构、外形、符号及基本工作电路分别如图5-20中的(a)、(b)、(c)和(d)所示。图5-20光电二极管光电二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。另外它还具有响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，良好的温度稳定性和低工作电压(10~20V)

以及噪声低、小型、重量轻、坚固、耐振动、耐冲击等优点；缺点是输出电流小。部分国产光电二极管的技术参数如表5-3所列。

2.光电三极管及其特性

光电三极管与光电二极管相似，不过内部有两个PN结，类似一般三极管，也有PNP型和NPN型两种。和一般三极管不同的是它的发射极一边尺寸很小，以扩大光照面积，如图5-21

(a)所示。图5-21光电三极管

1)光照特性

光电三极管的光照特性如图5-22所示，它给出了光电三极管的输出电流I和照度之间的关系，它们之间呈现近似线性关系。当光照足够大(几千勒克斯)时，会出现饱和现象，从而使光电三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。图5-22光电三极管的光照特性

2)光谱特性

光电三极管的光谱特性如图5-23所示。图5-23光电三极管的光谱特性

3)伏安特性

光电三极管的伏安特性如图5-24所示。图5-24光电三极管的伏安特性

4)频率特性

光电三极管的频率特性如图5-25所示。图5-25光电三极管的频率特性

5)温度特性

光电三极管的温度特性如图5-26所示。图5-26光电三极管的温度特性光电三极管的通频带较窄，性能不如光电二极管稳定，但灵敏度较高。国产部分光电三极管技术参数如表

5-4所列。

5.4新型光电传感器件

5.4.1

PIN型硅光电二极管

PIN型硅光电二极管是一种高速光电二极管。设计思想是，为了得到高速响应，需要减小二极管的PN结的电容。为此，PIN光电二极管是在大量掺入杂质的P型和N型硅片层之间插入高阻抗的本征半导体材料层(I层)，如图5-27所示。图5-27

PIN型硅光电二极管结构示意图5.4.2雪崩式光电二极管(APD)

雪崩式光电二极管具有高速响应和放大功能。其结构如图5-28所示，它是在PN结P层一侧再设置一层掺杂浓度极高的P+(重掺杂)层，并给光电二极管施加较大的反偏压，利用PN

结处产生的雪崩效应而制成的电子倍增管。图5-28雪崩式光电二极管结构示意图5.4.3半导体色敏传感器

半导体色敏传感器可直接测量从可见光到红外波段内单色辐射的波长。半导体色敏传感器的结构如图5-29(a)所示。图5-29半导体色敏传感器的结构和等效电路图5-30给出了两个光电二极管的光谱灵敏度特性曲线。为此，将两个光电二极管的等效电路串联连接，先取出VP1的短路电流Isc1及VP2的短路电流Isc2，然后测出它们的电流比Isc2/Isc1，如图5-29(b)所示。该短路电流比与波长有一一对应的关系，如图5-31所示。因此，如果测出短路电流比，就可以求出对应的入射光的波长，即可分辨出不同的颜色。实用的比较电路如图5-32所示。Isc1和Isc2分别由各自的运算放大器放大，同时也进行对数压缩；再将信号引入下一级的比较电路，就可得到Isc2/Isc1之比值。这样得出的输出电压Uo，也是与波长一一对应的，如图5-33所示。图5-30光电二极管的光谱灵敏度特性图5-31短路电流比与波长的关系图5-32具体的比较电路图5-33输出电压与波长的关系5.4.4光电闸流晶体管

光电闸流晶体管是由入射光触发而导通的可控硅，简称光控晶闸管，通常又称光激可控硅，其结构如图5-34(a)所示。图5-34光电闸流晶体管设两个三极管VT1和VT2共基极(短路)电流放大系数(小于

1)分别为α1、α2,则有如下的关系：IB1=(1－α1)IA；IB1=IC2；IC2=α2IC。因IC=IA+IG+IP，则光控晶闸管的导通电流IA为

(5-12)5.4.5达林顿光电三极管

达林顿光电三极管是光电三极管与普通三极管内部采用达林顿接线方式集成在一起的组件，如图5-35所示。图5-35达林顿光电三极管内部接线方式5.4.6光电耦合器件

光电耦合器件工作时，在输入端接入电信号，使发光器件发光，而受光器件管芯在此光辐射的作用下输出光电流。通过电—光、光—电两次转换，进行输入端和输出端之间的

电的耦合。图5-36为一般光电三极管和发光二极管组合的光电耦合器件的结构和外形

。图5-36光电耦合器件结构及外形5.4.7集成光电传感器

表5-5列举了几种集成光电传感器的特性。相关产品读者可查阅有关资料。5.4.8光导摄像管

光导摄像管的结构如图5-37(a)所示,在真空管的前屏幕上设置有光电导膜和透明导电膜的阵列小单元。由电子枪射出的电子经电子透镜,聚焦成电子束射向光电导膜。通过电子束扫描，读取储存于光电导膜上由于入射光的激励所产生的电子图像。图5-37光导摄像管的结构和等效电路5.4.9

CCD图像传感器

1.CCD的结构

CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS(金属-氧化物-半导体)电容器组成的阵列，其构造如图5-38所示。图5-38

CCD芯片结构

2.电荷的存储

MOS电容器和一般电容器不同的是，其下极板不是一般导体而是半导体。

3.电荷的耦合(转移)与输出

CCD器件有二相、三相、四相等几种脉冲驱动形式，其中最方便的是由三相时钟脉冲驱动的CCD器件。在三相结构的CCD器件中，3个电极组成一个单元，形成一个像素。3个电极由3个时钟信号分别控制。这3个时钟脉冲由3个在时序上相互交叠、相位相差120°、前沿陡峭、后沿倾斜的脉冲组成，如图5-39所示。图5-39三个时钟脉冲的时序图5-38所示为64位CCD结构，每个光敏元(像素)对应3个相邻的转移栅电极1、2、3，所有电极彼此离得很近，以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的电极1相连并施加时钟脉冲j1，所有的电极2、3也是如此，并施加时钟脉冲j2、j3。如何实现电荷转移和输出呢？图5-40描述了转移栅实现电荷转移的工作原理。图5-40完成一次转移的过程5.5光电式传感器应用实例

5.5.1光电二极管应用实例

1.车厢照明自动控制电路

为了使列车车厢在开进隧道时自动开灯，在开出隧道时自动关灯，可用图5-41所示的电路来控制车厢内灯具电源线路的通断。图5-41车厢照明自动控制电路

2.光控玩具电路

光控玩具的电路如图5-42所示，按下开关S，如果光线不足，光电二极管VP截止，从而使晶体管VT1、VT2处于截止状态，继电器常开触点J断开，玩具电机M因电源不通而不能转动；如果光线充足，光电二极管VP导通，从而使晶体管VT1、VT2处于导通状态，继电器K得电，使常开触点J接通电机M的电源，电机M转动。如果用光源来控制光电二极管VP的导通或截止，则可控制玩具电机M的停或转。图5-42光控玩具的电路5.5.2光电三极管应用实例

1.路灯声光自动控制

图5-43所示是声光自动控制的节能路灯电路。图5-43声光自动控制节能路灯电路

2.光电式转速测量

图5-44所示是光电式转速表的光—电转换前端部分的原理结构图。图5-44光电式转速表原理结构图若脉冲频率为f，则转速n(单位为r/min)为

(5-13)

式中，N为孔数或黑白条纹的数目。频率f可用一般的频率计测量。光电器件可采用光电池、光电二极管或光电三极管。

图5-45是用光电三极管实现的光电脉冲转换电路。图5-45光电脉冲转换电路5.5.3光电池应用实例

图5-46所示为光电池路灯自动控制器的电路。线路主回路的相线由交流接触器CJD—10的3个常开触头并联，以适应较大负荷的需要。接触器触头的通断由控制回路控制。图5-46光电池路灯自动控制器5.5.4光敏电阻应用实例

图5-47所示是用CdS光敏电阻控制标识灯工作的电路。在白天，光照射在CdS上，使其阻值变低，VT2因基极电位下降而截止，VT3、VT4亦截止，灯不亮。在夜晚，CdS无光照射，其电阻值非常高，相当于开路，VT1和VT2构成的多谐振荡器工作，标识灯交替亮灭。图5-47

CdS光敏电阻标识灯控制电路5.5.5光电式输液量监测系统

1.输液量的光电检测原理

如图5-48(a)所示，在茂菲式滴管一侧安装一红外发光二极管，另一侧安装一红外光电三极管。图5-48光电式液滴检测原理

2.液滴的光学特性

首先，对透明液滴的光学特性加以分析。图5-49(a)所示为液滴滴落状态，其侧面为瓜子形、横截面为圆形；当平行光束入射到液滴上时，光线将依照光学折射规律改变光路。设光线折射