3.1-1 光电式传感器及其应用

一、光电效应 光谱

光波：波长为10—106nm的电磁波 紫外线：波长10—380nm，波长10—200nm称为极远紫外线，波长200—300nm称为远紫外线波长300—380nm称为近紫外线 可见光：波长380—780nm 红外线：波长780—106nm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。§3.1光电式传感器及其应用

1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，不仅是连续的（波动性），也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。

§3.1光电式传感器及其应用

一、光电效应

§3.1光电式传感器及其应用一、光电效应光电器件的物理基础是光电效应。光电效应：光照到某些物质上，引起物质的电性质变化。这类光致电变的现象统称为光电效应。光电效应分为：外光电效应和内光电效应

§3.1光电式传感器及其应用一、光电效应（一）外光电效应

光线作用下，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。

基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电效应的实验装置示意图光电效应的伏安曲线

§3.1光电式传感器及其应用

一、光电效应

（一）外光电效应光子的能量：(8-36)式中：h

=6.626×10-34(J·s)

为普朗克常数；

f=光的频率(s-1)。

§3.1光电式传感器及其应用一、光电效应（一）外光电效应

(8-37)式中m

—电子质量；

v0

—电子逸出速度；

W—逸出功。爱因斯坦光电效应方程

若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功W

时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hf必须超过逸出功W，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能，即

§3.1光电式传感器及其应用一、光电效应（二）内光电效应①光电导效应：在光照作用下，半导体材料中电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。P型半导体的共价键结构

§3.1光电式传感器及其应用一、光电效应（二）内光电效应①光电导效应临界波长λ0

f0

=c/

λ0

当λ≤λ0，即f≥f0时，才能发生光电导效应

§3.1光电式传感器及其应用一、光电效应（二）内光电效应②光生伏特效应在光照作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。

§3.1光电式传感器及其应用4.4.2典型光敏元件及特性一、外光电效应元件（光电管、光电倍增管）

光线作用下，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。

基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电效应的实验装置示意图光电效应的伏安曲线国产光电管的技术参数11

光电倍增管的优点：灵敏度高，比光电管高出几万倍以上，输出线性度好，频率特性好；缺点：体积大、易破碎，工作电压高达上千伏，使用不方便。因此它一般用于微光测量和要求响应速度很快的场合。工作特点

§3.1光电式传感器及其应用4.4.2典型光敏元件及特性二、光敏电阻

光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、质量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻

(一)光敏电阻的原理和结构

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材料的禁带宽度Eg，即

式中f和λ—入射光的频率和波长。

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(一)光敏电阻的原理和结构

也就是说，一种光电导体，存在一个照射光的临界波长λ0

，只有波长小于λ0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。

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(一)光敏电阻的原理和结构CdS硫化镉光敏电阻的结构和符号1—光导层2—玻璃窗口3—金属外壳4—电极5—陶瓷基座6—黑色绝缘玻璃7—电极引线

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(二)光敏电阻的分类根据光敏电阻的光谱特性，可分为三类光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、光电计数器、烟雾报警器，红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(二)光敏电阻的分类可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电跟踪系统等方面。

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性1.暗电阻、亮电阻光敏电阻在室温条件下，全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。

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，暗电流要小，亮电流要大，这样光电流就越大，说明光敏电阻灵敏度就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ，甚至高达100MΩ，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1kΩ以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性1.暗电阻、亮电阻

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性

2.光照特性RGRLEI光敏电阻电路连线光敏电阻的光照特性曲线G

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性

3.光谱特性

光谱特性与光敏电阻的材料有关204060801004080120160200240λ×10-2/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性

4.伏安特性RGRLEI光敏电阻电路连线光敏电阻的伏安特性曲线

1-照度=02-照度≠0G注：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。

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(三)光敏电阻的主要参数和基本特性

5.频率特性（调制光）20406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉光敏电阻的频率特性随所用材料的不同而有所区别

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(二)光敏电阻的主要参数和基本特性

6.稳定性I（uA）408012016021t/h040080012001600初始稳定性不好需老化处理

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(二)光敏电阻的主要参数和基本特性7.温度特性I/μA1001502003050-30T/ºC2040608010001.02.03.04.0I/mA+20ºC-20ºCλ/μm-50-1010光敏电阻和其它半导体器件一样，性能受温度影响较大硫化镉硫化镉当光敏电阻的RG和ΔRG及电源电压E为已知，则选择最佳的负载电阻RL有可能获得最大的信号电压ΔU，这不难由(8-43)式求得。

令

解得

RL=RG

§3.1光电式传感器及其应用二、光敏电阻(三)光敏电阻与负载的匹配特点优点：灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、质量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等缺点：非线性明显、温漂大、初始稳定性差、一致性不好适用场合：测光要求不高的场合，如灯光控制等

§3.1光电式传感器及其应用4.4.2典型光敏元件及特性三、光电池复习：光生伏特效应光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的器件。由于光电池可把太阳能直接变成电能，因此又称为太阳能电池。光电池是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。

§3.1光电式传感器及其应用三、光电池硅光电池:价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接收红外光。硒光电池:光电转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56μm)，最适宜制造照度计。砷化镓光电池:理论转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。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、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。(一)光电池的结构原理——制造工艺

常用的硅光电池的结构如图所示。工艺：在电阻率约为0.1Ω·cm～1Ω·cm的N型硅片上，扩散硼形成P型层；然后，分别用电极引线把P型和N型层引出，形成正、负电极。如果在两电极间接上负载电阻RL，则受光照后就会有电流流过。为了提高效率，防止表面反射光，在器件的受光面上要进行氧化，以形成SiO2保护膜。图8-44硅光电池的构造图§3.1光电式传感器及其应用三、光电池

(一)光电池的结构原理硅光电池器件的价格与原材料消耗量密切相关。把光电池做成圆形(或六角形),

利用率最高，为了满足电源电压、容量的要求，必须把单个光电池串、并联起来组成电池组使用。

§3.1光电式传感器及其应用三、光电池

§3.1光电式传感器及其应用三、光电池（一）光电池的结构原理SiO2+光PN－RL(a)光电池的结构图(b)光电池的工作原理示意图I光

PN当光子能量

hf>Eg

时，即λ≤λ0=1239/Eg

nm

产生光电流，外电路断路时产生光生电动势。光子能量足够大，即

§3.1光电式传感器及其应用三、光电池（一）光电池的结构原理光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。RLIUIdUIIΦ(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路

§3.1光电式传感器及其应用三、光电池（二）基本特性1.光照特性L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池开路电压短路电流短路电流0.5开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线.

说明：外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。光电池的短路电流Isc与照度L成线性关系，而且受光面积越大，短路电流也越大。当光电池作为测量元件时应取短路电流的形式。应用：照度计§3.1光电式传感器及其应用三、光电池（二）基本特性1.光照特性L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池开路电压短路电流短路电流0.5

IUIU02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与光照强度的线性关系越好，且线性范围越宽。§3.1光电式传感器及其应用三、光电池（二）基本特性1.光照特性

§3.1光电式传感器及其应用三、光电池（二）基本特性2.光谱特性光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出：硒光电池：在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池：应用的范围400nm—1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm1——硒光电池2——硅光电池可见光：波长380—780nm

§3.1光电式传感器及其应用三、光电池（二）基本特性3.频率响应光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应：指输出电流I随调制光频率f变化的关系由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，相对而言，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。20406080100硒光电池硅光电池015003000450060007500相对光电流/%入射光调制频率/Hz

§3.1光电式传感器及其应用三、光电池（二）基本特性

4.温度特性光电池的温度特性:是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。温度上升1℃时，Uoc开路电压约降低3mV。温度上升1℃时，Isc短路电流只增加2×10-6

A。2004060904060UOC/mVT/ºCISCUOCISC

/μA600400200UOC——开路电压ISC——短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线

§3.1光电式传感器及其应用三、光电池（二）基本特性

4.温度特性由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060UOC/mVT/ºCISCUOCISC

/μA600400200UOC——开路电压ISC——短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线

§3.1光电式传感器及其应用4.4.2典型光敏元件及特性四、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。

§3.1光电式传感器及其应用四、光敏二极管和光敏三极管(一)光敏管的结构和工作原理光敏二极管工作原理：PN结，单向导电性，结型光电器件，与一般半导体二极管类似，其PN结装在管的顶部，以便接受光照，上面有一个透镜制成的窗口，可使光线集中在敏感面上。光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态。原理电路如图所示。在无光照时

电压反偏，工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流（噪声电流）。RL

光PNPN光

§3.1光电式传感器及其应用四、光敏二极管和光敏三极管(一)光敏管的结构和工作原理光敏二极管工作原理光敏二极管工作原理：

当受到光照时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加。因此在外加反偏电压和内电场的作用下，P区少数载流子电子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子空穴渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。

§3.1光电式传感器及其应用四、光敏二极管和光敏三极管(一)光敏管的结构和工作原理光敏三极管工作原理:

光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。不同之处在于，光敏三极管光信号变成电信号的同时，还能放大了电信号，其结构及符号如图。

§3.1光电式传感器及其应用四、光敏二极管和光敏三极管(一)光敏管的结构和工作原理光敏三极管工作原理:

当基极开路时，基极—集电极处于反偏。当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生电子—空穴对，它们在外加反偏电压和内电场作用下，定向运动形成增大了的反向电流即光电流。由于光照射集电结产生的光电流相当于一般三极管的基极电流β倍，说明光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。

§3.1光电式传感器及其应用四、光敏二极管和光敏三极管(一)光敏管的结构和工作原理光敏三极管工作原理:一般光敏三极管的基极已在管内连接，只有C和E两根引线（也有将基极引出的）型号：3CU和3DU硅三极管，使用光敏管时，不能从外型来区别是二极管还是三极管，只能有型号来判别。

硅的峰值波长为0.9μm，锗的峰值波长为1.5μm。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。可见光：波长380—780nm红外线：波长780—1060nm§3.1光电式传感器及其应用四、光敏二极管和光敏三极管(二)光敏管的基本特性1.光谱特性：照度一定，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化，这就是光敏管的光谱特性。

§3.1光电式传感器及其应用四、光敏二极管和光敏三极管(二)光敏管的基本特性2.