检测与转换之光电传感器光电器件原理和特性

1、检测与转换技术岑宏杰,光敏传感器 光敏器件原理和特性,内容,光敏传感器 光敏器件类型和原理 常用光敏器件特性和基本应用 光敏二极管 光敏晶体管 光敏电阻,光敏传感器,光敏传感器的工作原理是：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光敏器件变换成电信号，检测电路对电信号进行处理。,被测量 的变化,光信号 的变化,电信号 的变化,光敏传感器,光敏传感器的构成：光源、光学通路、光敏器件、检测处理电路。 常用光源：白炽灯、气体放电光源、LED、激光器（固体、气体、液体、半导体激光器） 光敏传感器特点：非接触、响应快、性能可靠。,光敏器件类型和原理,光敏器件是把光信号转换为电信号的一种元器件，广泛应用

2、于自动控制、安防、广播电视等领域。 半导体光敏器件体积小、重量轻、灵敏度高、功耗低、便于集成。 光敏器件的工作基础是光电效应。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，被光激发产生的电子逸出物质表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象，称为内光电效应。,光电效应,外光电效应：物质吸收光子并激发出自由电子的现象。基于外光电效应的器件有光电管、光电倍增管。 内光电效应： 光电导效应：当入射光子射入到半导体时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其电导率增大

3、。基于这种效应的器件有光敏电阻。 光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。,历史,光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。 1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的。当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电火花。 1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 ； 1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得192

4、1年诺贝尔物理奖。,常用光敏器件,器件介绍-光敏二极管-原理,光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是利用PN结的光生伏特效应，即光照到PN结上时，PN结吸收光能，产生电动势的现象。 光敏二极管分有PN结型、PIN结型、雪崩型和GaAsP型，其中用得最多的是PN结型，价格便宜。 光敏二极管有两种工作状态： （1）当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。 （2）光敏二极管上不加反向电压，利用PN结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种工作状态，一般作光电检测器。,器件介绍-光敏二

5、极管参数,开路电压：PN结两端开路时，其电压称为开路电压。与光通量对数成正比，其温度系数很大。 短路电流： PN结两端短路时，其电流称为短路电流。短路电流与照度成正比，其温度系数很小。 暗电流：是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。暗电流随温度与反偏电压而变化。 响应特性：由PN结的结电容与负载电阻决定。反偏电压越大，结电容越小，工作频率越高。,光敏二极管等效电路,光敏二极管伏安特性,光敏二极管型号实例,实训用的光敏二极管,Applications High speed photo detector Security s

6、ystem Camera,Features Fast response time High photo sensitivity Small junction capacitance Pb free Descriptions PD333-3C/H0/L2 is a high speed and high sensitive PIN photodiode in a standard 5plastic package. Due to its water clear epoxy the device is sensitive to visible and infrared radiation,PD33

7、3-3C， 5mm Silicon PIN Photodiode,PD333的特征曲线,PD333的特征曲线,PD333的特征曲线,PD333的极限参数,Absolute Maximum Ratings (Ta=25),Notes: *1:Soldering time5 seconds.,PD333的电气参数,光敏二极管应用：无偏置电压电路,无偏置电压，受暗电流影响小， 对于微小照度，可保持输出与照度 成线性比例关系。,Hamamatsu Photonics K.K. 2387系列 暗电流与反向偏压关系,光敏二极管应用：加反向偏置电压电路一,反向偏置，结电容变小，适宜高速工作。高温时暗电流增大

8、，光电流变小。,在没有光照时，二极管反向偏置，电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。,光敏二极管应用：加反向偏置电压电路二,C1交流耦合，隔离直流成分的暗电流。光敏二极管的光电流很小，uA级，反馈电阻采用兆欧级电阻，运放的偏置电流影响不能忽略，宜选用偏置电流小的FET输入型运放。,器件介绍-光敏晶体管,光敏晶体管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏晶体管有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏晶体实质上是一种相当于在基极和

9、集电极之间接有光敏二极管的三极管。当光照射到 PN 结附近时，由于光生伏特效应，产生光电流。该电流相当于三极管的基极电流，因此将被放大（ 1+ ）倍，所以光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。,光敏晶体管频率响应特性,光敏晶体管响应速度比光敏二极管慢，因为结电容CCB放大了hFE倍 hFE越大，输出电流越大，响应特性越坏。 在允许限度内，负载电阻选用低值，有助改善频率响应特性,TOSHIBA TPS601的频率响应特性,光敏晶体管的光谱特性曲线,从特性曲线可以看出： 该型号光敏晶体管峰值波长为800nm,TOSHIBA TPS601的光谱特性曲线,光敏晶体管的伏安特性,右图为光敏晶体管的伏安

10、特性曲线。光敏晶体管在不同照度 Ee 下的 伏安特性，就象一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要将入射光在发射极与基极之间的 PN 结附近所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏晶体管看成一般的晶体管。,光敏晶体管的光照特性,右图为光敏晶体管的光照特性曲线。 它给出了光敏晶体管的输出电流 Ic 和照度 Ee 之间的关系 。,TOSHIBA TPS601的光照特性,光敏晶体管的温度特性,图为光敏晶体管的温度特性曲线。它给出了温度对暗电流的关系 。从曲线可知， 暗电流随温度变化很大，所在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。,TOSHIBA TPS601的温度特性,基本应用电路,共射,共发

11、,高温下降低暗电流,减小负载， 提高响应速度,RL越大，灵敏度越高，但响应特性越差,基本放大电路,R1阻值的确定与照度、温度、响应速度有关，VCC/ICR1Vcc/ICEO,调制光检测电路,A：R1、R2 分压偏置，R4直流负反馈， B：R1、Tr1、R2分压， R3、R4直流负反馈 交流信号通过C旁路，无负反馈，交流信号有较大增益,运放电路,Vout = Ic X R1 ， 与光敏二极管电路类似，光敏晶体管需要偏置,器件介绍-光敏电阻,图6.2-1,硫化镉CdS，无光照时，载流子极少，电阻较大，随着光的照度增大， CdS材料中载流子浓度增加，电阻值变小。,器件介绍-光敏电阻,光敏电阻没有极性

12、, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。 无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 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级, 亮电阻在几千欧以下。,光敏电阻特点,光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； 偏置电压低，工作电流大； 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； 光电导增益大，灵敏度高； 无极性，使用方便； 在强光照射下，光电线性度较差 光电响应时间较长，频率特性较差。,光敏电阻的主

13、要参数,暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻：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亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。 ,（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性,光敏电阻的基本特性,（1）伏安特性,在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的， 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。,（2）光照特性,光敏电阻的