第10章+光电式传感器.ppt

1、,第十章 光电式传感器,10.1 光电管 10.2 光电倍增管 10.3 光敏电阻 10.4 光敏二极管和光敏晶体管 10.5 光电池 10.6 光电式传感器的应用,光电效应,一、光电效应的类型,光电器件工作的物理基础是光电效应，光电效应分为外光电效应和内光电效应。,二、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。 1、光电子 物体向外发射的电子叫做光电子。,h 普朗克常数，6.62610-34Js 光的频率（s-1）。,每个光子具有的能量可由下式确定：, 逸出功A0,物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电

2、子发射。,2、光子,光子的能量,3、爱因斯坦光电效应方程,如果一个电子要想逸出，光子能量 必须超出逸出功A0，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理,爱因斯坦光电效应方程, 光电子产生的条件,那么对应的光的频率称为红限频率或波长限。,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。,光电子逸出物体表面具有初始动能，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 电流产生。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。,三、内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电导率 发生变化

3、，或产生光生电动势的效应叫做内光电效应。 1、光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡过自然状态，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。 2、产生光电导效应的原因 当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，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，,电子能级示意图,入射光的频率； 入射光的波长 。,对于一种光电导体材料，总存在一个照射光波长限c，只有波长小于c的光照射在光电

4、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。,3、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。, 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。,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,当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向

5、光电效应。 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，未被光照射的部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电势。,侧向光电效应,10.1 光电管,光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管,图中左边的一种,光电阴极是在玻璃管内壁涂上阴极涂料构成的;右边的一种,光电阴极是在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成的。,光电管示意图,等效电路图,光电管的灵敏度较低,有一种充气光电管,在管内充以少量的惰性气体,

6、如氩或氖(或充氦,也有充混合气体的)。,真空光电管的伏安特性曲线,当光通量一定时,阳极电压与阳极电流的关系,叫光电管的伏安特性曲线。,当入射光比较弱时,由于光电子较少,只用较低的阳极电压就能收集到所有的光电子,而且输出电流很快就可以达到饱和;当入射光比较强时,使输出电流达到饱和,则需要较高的阳极电压。光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域内。,充气光电管的电压-电流特性,10.2 光电倍增管,用光电管对微弱光进行检测时,光电管产生的光电流很小,由于放大部分所产生的噪声比决定光电管本身检测能力的光电流散粒效应噪声大得多,检测极其困难。若要解决对微弱光的检测,就要用光电倍增管。 光电倍

7、增管是利用二次电子释放效应,将光电流在管内部进行放大。所谓二次电子释放效应是指高速电子撞击固体表面,再发射出二次电子的现象。光电倍增管示意图。它由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。,光电倍增管示意图,倍增极的形状和位置设计得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压。,设每级的倍增率为,经过N个倍增极后,光电倍增管的光电流倍增率将为 N。,阴极,阳极,倍增极,倍增极,几种常见光电倍增管的结构,几种光电倍增管的外形,10.3 光敏电阻,一、光敏电阻的工作原理,光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性,

8、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。,二、 光敏电阻的结构,光敏电阻的结构如图所示。由于光电效应只限于光照表面的薄层,一般都把半导体材料制成薄膜,并赋予适当的电阻值,电极构造通常做成梳形。,光敏电阻结构图,光敏电阻具有灵敏度高,光谱响应范围宽,体积小,重量轻,机械强度高,耐冲击,抗过载能力强,耗散功率大,以及寿命长等特点。,光敏电阻的电极构造,三、光敏电阻的主要参数,1、暗电阻和暗电流,室温条件下,光敏电阻在全暗后经过一定时间测得的电阻值,称为暗电阻。此时在给定工作电压下流过光敏电阻的电流称为暗电流。

9、,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。,2、亮电阻和光电流,四、光敏电阻的基本特性,1、伏安特性,光敏电阻的伏安特性,在给定的偏压下,光照度越大,光电流也越大;在一定的光照度下,电压越大,光电流越大,且没有饱和现象。但是不能无限制地提高电压,任何光敏电阻都有最大额定功率,最高工作电压和最大额定电流。,超过最大工作电压和最大额定电流,都可能导致光敏电阻永久性损坏。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的,而光敏电阻的耗散功率又与面积大小以及散热条件等因素有关。,光敏电阻的伏安特性,2、光照特性,光敏电阻的光电流与光强之间

10、的关系,称为光敏电阻的光照特性。,光敏电阻的光照特性,3、光谱特性 光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且不同种类光敏电阻峰值波长也不同。光敏电阻的光谱灵敏度和峰值波长与所采用材料、掺杂浓度有关。,光敏电阻的光谱灵敏度,图为硫化镉、硫化铅、硫化铊光敏电阻的光谱特性曲线。由图可见,硫化镉光敏电阻的光谱响应峰值在可见光区域,接近人的视觉特性;而硫化铅在红外区域。在选用光敏电阻时,应和光源的光谱特性相匹配,以取得好的效果。,4、响应时间和频率特性 在阶跃脉冲光照射下,光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值,光照停止后,光电流也要经历一段时间才下降到零。这是光电导的驰豫现象,通常用响应时

11、间来描述。响应时间又分为上升时间t1、 t1 和下降时间t2 、t2。,光敏电阻的响应时间,光敏电阻的响应时间,常用时间常数来描述响应时间的长短。产品说明中也往往给出时间常数的值,多数光敏电阻时间常数在10-61s数量级。实验表明:光敏电阻的响应时间与前历时间有关,在暗处放置时间越长,响应时间越长;响应时间也与照度有关,照度越大,响应时间越短。,由于不同材料的光敏电阻有不同的响应时间,因而它们的频率特性也不相同。图表示不同材料光敏电阻的频率特性,即相对光谱灵敏度与照度调制频率的关系曲线。,光敏电阻的频率特性,5、温度特性,当温度升高时,光敏电阻的暗电阻和灵敏度都下降,因 此光电流随温度升高而减

12、小。,硫化镉光敏电阻的温度特性曲线,光敏电阻的温度特性一般用温度系数来表示。温度系数定义为:在一定光照下,温度每变化1,光敏电阻阻值的平均变化率。即,R1为在一定光照下,温度为T1时的阻值; R2为在一定光照下,温度为T2时的阻值。 温度系数越小越好。,温度变化不仅影响灵敏度、暗电阻,而且对光敏电阻的光谱特性也有很大影响,随温度升高,峰值波长向短波方向移动。因此,对光敏电阻灵敏面降温可提高对长波长的响应。图为硫化铅光敏电阻在不同温度的光谱特性曲线。,硫化铅光敏电阻在不同温度的光谱特性曲线,初制成的光敏电阻,光电性能不稳定,需进行人工老化处理,即人为地加温、光照和加负载,经过一至二星期的老化,使

13、其光电性能趋向稳定。人工老化后,光电性能就基本上不变了。,6、稳定性,10.4 光敏二极管和光敏晶体管,光敏二极管结构与一般二极管类似。PN结安装在管的顶部,便于接受光照。外壳上面有一透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上。 为了获得尽可能大的光生电流,PN结的面积比一般二极管要大。 大多数情况下工作在反向偏压状态。,一、工作原理,在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。,光的照度越大, 光电流越大。 因此光敏二极管在不受光照

14、射时, 处于截止状态, 受光照射时, 处于导通状态。 ,光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它的发射极一边做得很大, 以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线, 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时, 集电结就是反向偏压；,光,当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压UBE升高，便有大量的电子流向集电极，从而形成光电流, 由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光电流的倍, 所以光敏晶体管有放大作用。 ,光,二、基本特性,光电管的光谱特性曲线,光敏三极管的光谱特性曲线与光敏二极管的相似

15、。由图可见,当入射光的波长增加时,相对灵敏度要下降,这是因为光子的能量太小,不足以激发出电子-空穴对。,1 、光谱特性,当入射光波长太短时相对灵敏度也下降,这是因为光子在半导体表面附近激发的电子空穴在半导体表面附近便被吸收,不能达到PN结。,光电管的光谱特性曲线,2、伏安特性 光敏管的伏安特性与一般晶体三极管类似,差别在于参变量不同:晶体三极管的参变量为基极电流,而光敏管的参变量是入射的光照度。 光敏三极管的光电流比相同管型的二极管大好几十倍,而且在零偏压时,二极管有光电流输出，而三极管没有。,二极管,三极管,3、光照特性,光敏三极管的光照特性曲线,光照特性反映集电极输出电流IC和照度之间的关

16、系。三极管的光照特性曲线线性不太好,在大电流时有饱和现象。光敏二极管在反向偏压的作用下,光照特性曲线有良好的线性。,4、温度特性 温度对光敏管暗电流和光电流的影响。温度变化对光电流的影响很小,而对暗电流影响很大。暗电流随温度升高是由于热激发造成的。在高温低照度下工作时,由于温度升高而产生的电流变化是一个必须考虑的误差信号。,温度对光电管暗电流和光电流的影响,5、频率响应 光敏管的频率响应是指,一定频率的调制光照射时,光电管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系。光敏管的频率响应与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。,硅光敏三极管的频率响应曲线,10.5 光电池,一、光电

17、池的工作原理,光电池的工作原理是基于光生伏特效应的。,二、基本特性,1、光谱特性 不同材料的光电池,峰值波长不同。,光电池的光谱特性,硅光电池的短路电流与光照有较好的线性关系,而开路(负载电阻RL趋于无限大时)电压与照度的关系是非线性的（呈对数关系）,而且在光照度2000lx时就趋向饱和了。,2、光照特性,硅光电池的光照特性,开路电压,短路电流,光电池的频率特性曲线,3、频率特性,相对输出电流是指高频输出电流与低频最大输出电流之比。硅光电池具有较高的频率响应,而硒光电池则较差。因此,在高速计数的光电转换中一般采用硅光电池。,硅光电池的温度特性曲线,4、温度特性,光电池的温度特性是指开路电压Uo

18、c和短路电流Isc 随温度变化的关系。,开路电压随温度上升下降很快,但短路电流随温度 的变化较慢。,当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当稳定的,使用寿命也很长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外,在很大程度上还与使用环境条件有密切关系。如在高温和强光照射下,会使光电池的性能变坏,而且降低使用寿命,这在使用中要加以注意。,5、稳定性,10.6 光电式传感器的应用,一、光电式传感器的类型,1、模拟式传感器,模拟式传感器的作用原理是基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数。,2、脉冲式传感器,脉冲式传感器的作用

19、原理是基于光电器件的输出仅有两个状态，即开关状态。,二、模拟式光电传感器的应用,以光电式带材跑偏仪为例,由光电式边缘位置传感器和晶体管放大器组成。,传感器由白炽灯光源、光学系统和光电器件（硅光敏晶体管）组成。,1、光电式边缘位置传感器, 白炽灯所发出的光线经过 双凸透镜会聚。, 由半透反射镜反射使光路 折转90, 经平凸透镜会聚后成平行光束。, 光束由带材庶挡一部分,另一部分射到角矩阵反射镜后被反射，又经透镜、半 透反射镜和双凸透镜会聚于光敏晶体管上。,光敏晶体管接在输入桥路的一臂上。图中10k电位器为放大倍数调整电位器，2.2k和220k电位器分别为零点平衡位置粗调和细调电位器。,2 、晶体管放大器,当带材向右偏移时，光通量减少，输出信号 电流为 。,输出信号电流变化信号由晶体放大器放大后，作为 控制电流信号，通过执行机构纠正带材的偏移。,3、工作过程,当带材处于平行光束的中间位置 时，电桥处于平衡状态，其输出 信号为“0”。,当带