1、第第1010章章 光电式传感器光电式传感器10.1 10.1 光电式传感器的工作原理及基本组成光电式传感器的工作原理及基本组成10.2 10.2 光电式传感器中的敏感元件光电式传感器中的敏感元件10.3 10.3 光电式传感器的类型及设计光电式传感器的类型及设计10.4 10.4 光电式传感器的应用光电式传感器的应用 光电式传感器是利用光电器件把光信号光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置，光电式传感器工作转换成电信号的装置，光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应通过光电器件再把光量的变化转换为
2、相应的电量变化，从而实现非电量的测量。其的电量变化，从而实现非电量的测量。其核心（敏感元件）是光电器件，基础是光核心（敏感元件）是光电器件，基础是光电效应。电效应。光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量，然后输出电信号。学量的其它被测量，然后输出电信号。测量光学量时，光电器件是作为敏感元件使用；而测量测量光学量时，光电器件是作为敏感元件使用；而测量其它物理量时，它作为变换元件使用。其它物理量时，它作为变换元件使用。光电式传感器由光路及电路两大部分组成，光路部分实现光电式传感器由光路及电路两大部分组成，光路部分实现被测信号
3、对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信被测信号对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信号的转换。号的转换。光 学 元 件 光 电 元 件测 量 电 路被 测光 量 光学元件 光电元件 光学元件测量电路调 制 件 或被 测 件（a）（b）10.1 10.1 光电式传感器的工作原理及基本组成光电式传感器的工作原理及基本组成 常用的光电转换元件有真空光电管、充气光常用的光电转换元件有真空光电管、充气光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二极管及光敏三极管等，它们的作用是检测照射其极管及光敏三极管等，它们的作用是检测照射其上的光通量。选用何种
4、形式的光电转换元件取决上的光通量。选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度、响应的速度、光源的于被测参数所需的灵敏度、响应的速度、光源的特性及测量环境和条件等。特性及测量环境和条件等。10.2 10.2光电式传感器中的敏感元件光电式传感器中的敏感元件 当光照射在某些物体上时，光能量作用于实当光照射在某些物体上时，光能量作用于实测物而释放出电子，这种现象称为光电效应，所测物而释放出电子，这种现象称为光电效应，所放出的电子叫光电子。光电效应一般分为外光电放出的电子叫光电子。光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类。根据这些效应可以做效应和内光电效应两大类。根据这些效应可以做出相应的
5、光电转换元件，简称光电元件或光敏器出相应的光电转换元件，简称光电元件或光敏器件。件。光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。爱因斯坦的光子假设：光子是具有能量的粒子，每一光子爱因斯坦的光子假设：光子是具有能量的粒子，每一光子的能量的能量:h普朗
6、克常数，普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（光的频率（s-1）不同频率的光子，具有不同的能量。不同频率的光子，具有不同的能量。10.2.1 10.2.1 外光电效应型光电器件外光电效应型光电器件E=h 根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属外光电效应多发生
7、于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理根据能量守恒定理 Amvh2021该方程称为爱因斯坦光电效应方程。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。式中式中 m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度；电子逸出速度；A 表面电子逸出功表面电子逸出功 不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的极限频率，称为红限频率（应的极限频率，称为红限频率（），相应的极限波长称，相应的极限波长称为阈波长（为阈波长（）。光线频率低于红限频率，光子能量不足。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物
8、体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率（波长小于阈波长），即使光线微弱，也会有光电子射出。率（波长小于阈波长），即使光线微弱，也会有光电子射出。)(24.100mAAhcc 从光子假设中可看到从光子假设中可看到:某一金属（或某一物质）产生光电效应时，有一定的光某一金属（或某一物质）产生光电效应时，有一定的光频阈值存在。频阈值存在。Ah0光电子初动能决定于光的频率，而和入射光的强度无关。光电子初动能决定于光的频率，而和入射光的强度无
9、关。Ahmv2021 一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收，无需一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收，无需积累能量的时间积累能量的时间.利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。管和光电倍增管。光电子逸出物体表面具有初始动能光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的
10、截止电压，而且子产生。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。截止电压与入射光的频率成正比。左图为光电发射检测装置，右图为测出的光电流随光强左图为光电发射检测装置，右图为测出的光电流随光强的变化曲线，可以看出：在足够的外加电压下，当入射光的的变化曲线，可以看出：在足够的外加电压下，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，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。意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。1.光电管及其基本特性光电管及其基本特性 (1)结构与工作原理结构与工作原理
11、 光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图所示。它们由一个阴子光电管两类。两者结构相似，如图所示。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。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。当光照在金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光照在阴极上时，中央阳极可收集从阴极上逸出的电子，在外电阴极上时，中央阳极可收集从阴极上逸出的电子，在外电场
12、作用下形成电流场作用下形成电流I。光电阴极 阳极 I RL E A K充气光电管管壳内充有低压惰性气体（通常是氩气和氖充气光电管管壳内充有低压惰性气体（通常是氩气和氖气），由于气体被电离而形成的电子倍增效应，使到达阳气），由于气体被电离而形成的电子倍增效应，使到达阳极的电子数目比真空光电管大极的电子数目比真空光电管大10倍左右。与真空光电管相倍左右。与真空光电管相比，灵敏度高，但稳定性和频率特性差。比，灵敏度高，但稳定性和频率特性差。(2)主要性能主要性能 1)光电管的伏安特性光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳极所产生在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳
13、极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电传感器的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电传感器参数的主要依据。参数的主要依据。0 2 0 4 0 6 0 8 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 U/VU/V1 2 8 4 2 I/A 光通量2 01 61 2 8 4I/A强 光弱 光图（图（a）中，同一光强下，在）中，同一光强下，在020V范围内，阳极电压增大，光范围内，阳极电压增大，光电子到达阳极的数目也增大，阳极电流急剧增大，当阳极电压大电子到达阳极的数目也增大，阳极电流急剧增大，当阳极电压大于于20V后，随着电压的增大，电流几乎不变，这部分称为饱和区。后，随
14、着电压的增大，电流几乎不变，这部分称为饱和区。另外，随着光强的增加，光电流增大，即光电流与光强成正比。另外，随着光强的增加，光电流增大，即光电流与光强成正比。图（图（a）真空光电管）真空光电管图（图（b）充气光电管）充气光电管 2)光电管的光照特性光电管的光照特性 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。其特性曲线如下图光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如下图所示。所示。0 0.2 0.4 0.6 0.8/lm1 61 2 8 4I/A2 1 光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）光
15、照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。称为光电管的灵敏度。氧铯阴极光电管氧铯阴极光电管锑铯阴极光电管锑铯阴极光电管 3)光电管的光谱特性光电管的光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率的红限频率 0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之，因此它们可用于不
16、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外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率 0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量也会不同，即同一光电管对于不同频率的光电子的数量也会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各的灵敏度不同，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。种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。国产国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限限0
17、=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：效率：25%30%。它适用于。它适用于白光光源白光光源，因而被广泛地应用于，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对各种光电式自动检测仪表中。对红外光源红外光源，常用银氧铯阴极，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对构成红外传感器。对紫外光源紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是
18、一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气光电管当入射光频率大于一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。2.光电倍增管及其基本特性光电倍增管及其基本特性 1）结构与工作原理）结构与工作原理 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很
19、小，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，下图是光电倍增管的外形和工作原理图。电流进行放大，下图是光电倍增管的外形和工作原理图。光光电倍增管由光阴极、倍增电极以及阳极三部分组成。光阴极电倍增管由光阴极、倍增电极以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成。次阴极是在镍或钢铍的衬是由半导体光电材料锑铯做成。次阴极是在镍或钢铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的。阳极是最后用来收集电子的。底上涂上锑铯材料而形成的。阳极是最后用来收集电子的。光 K 倍 增 极 D 阳 极 A
20、 光 D1 D3 K D2 D4 A 3(A)4RUscR5R4R3R2R1D4D3D2D11(K)2 E1光电阴极；2倍增极；3阳极；4玻璃管 在玻璃管在玻璃管4内由光电阴极内由光电阴极1（K）、若干个倍增极）、若干个倍增极2(Dn,n=414）和阳极）和阳极3（A）三部分组成。由一定材料制成的光）三部分组成。由一定材料制成的光电阴极电阴极K受入射光受入射光照射时照射时,可发射出光电子可发射出光电子,形成光电流形成光电流i。因倍增极和阳极上加有一定的电位（图中经分压电阻获得）因倍增极和阳极上加有一定的电位（图中经分压电阻获得）,光电阴极发射的光电子被第一倍增极光电阴极发射的光电子被第一倍增极
21、D1的正电压所加速的正电压所加速,而轰而轰击第一倍增极击第一倍增极D1,打击出二次电子；同样打击出二次电子；同样,二次电子又二次电子又被第二倍增极被第二倍增极D2的正的正电压所加速电压所加速,而轰击第而轰击第二倍增极二倍增极D2,打击出打击出更多的二次电子。依更多的二次电子。依次下去次下去,最后全部二次最后全部二次电子被带正电位的阳电子被带正电位的阳极极A所收集所收集,形成光电形成光电流流i。如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子,这这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极。个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极。设
22、这时第一倍增极有设这时第一倍增极有个二次电子发出个二次电子发出,这这个电子又轰击第个电子又轰击第二倍增极。而其产生的二次电子又增加二倍增极。而其产生的二次电子又增加倍。经过倍。经过n个倍增极个倍增极后后,原先一个电子将变为原先一个电子将变为n个电子。这些电子最后被阳极所收个电子。这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流集而在光电阴极与阳极之间形成电流i,则则i=in 式中：式中：n为二次发射极数；为二次发射极数；为二次电子发射系数。故为二次电子发射系数。故输出电压输出电压Usc=iR=in R 光电倍增管的优点是放大倍数很高光电倍增管的优点是放大倍数很高,可达可达106,线性好线
23、性好,频频率特性好；缺点是体积大率特性好；缺点是体积大,需数百伏至需数百伏至1 kV的直流电压供电。的直流电压供电。光电倍增管一般用于微弱光输入、要求反映速度很快的场合。光电倍增管一般用于微弱光输入、要求反映速度很快的场合。2 2）主要参数）主要参数 （1）倍增系数）倍增系数M 倍增系数倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数等于各倍增电极的二次电子发射系数i 的乘积。的乘积。如果如果n个倍增电极的个倍增电极的i都一样，则阳极电流都一样，则阳极电流I为为niiiMIniiI（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度）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
24、电阴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。入射一个光子在阴极上，最后在阳极上能收极的灵敏度。入射一个光子在阴极上，最后在阳极上能收集到的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。集到的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数 为为（3）暗电流）暗电流 一般在使用光电倍增管时，必须把管放在暗室里一般在使用光电倍增管时，必须把管放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用。但是，由于环境避光使用，使其只对入射光起作用。但是，由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有
25、电流，这种电流称为暗电流。入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。暗电流主要是热电子发射引起，它随温度增加而增加。暗电流主要是热电子发射引起，它随温度增加而增加。不过暗电流通常可以用补偿电路加以消除。不过暗电流通常可以用补偿电路加以消除。（4）光电倍增管的光谱特性）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。谱特性很相似。内光电效应是指某些半导体材料在入射光能量的激发下内光电效应是指某些半导体材料在入射光能量的激发下产生电子空穴对，致使材料电性能改变的现象。产生电子空穴对，致使材料电性能改变的现象。这种效应可分
26、为因光照引起半导体电阻值变化的光导这种效应可分为因光照引起半导体电阻值变化的光导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。基于光导效应的光电器件有光敏电阻；基于光生伏特效基于光导效应的光电器件有光敏电阻；基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光电应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光电位置敏感器件（位置敏感器件（PSD）。）。10.2.2 10.2.2 内光电效应型光电器件内光电效应型光电器件光导效应原理：光导效应原理：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽
27、度的光子轰击，并使其由价带越过禁到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg 材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于，只有波长小于0的光照射的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使
28、光电导体的电导率增加。电导率的变化体现了电阻率的变化。导体的电导率增加。电导率的变化体现了电阻率的变化。式中式中、分别为入射光的频率和波长。分别为入射光的频率和波长。Eg24.1hch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带宽度Eg，即，即光生伏特效应原理光生伏特效应原理 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。做光生伏特效应。p 势垒效应（结光电效应）。势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便结
29、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。引起光电动势，这就是结光电效应。以以PN结为例，主要光电转换过程如下结为例，主要光电转换过程如下:当用光子能量当用光子能量hEg（Eg为禁带宽度）的入射光照射半导体为禁带宽度）的入射光照射半导体PN结时结时,半导半导体内的电子吸收能量体内的电子吸收能量,可激发出电子可激发出电子空穴对。这些非平衡空穴对。这些非平衡载流子如果运动到载流子如果运动到PN结附近结附近,就会在就会在PN结内建电场结内建电场E内内的作用的作用下分离。电子逆着下分离。电子逆着E内内的方向向的方向向N区运动区运动,而空穴沿着而空穴沿着E内内的方的方向向向向P区移动
30、区移动,如图如图(a)所示。结果在所示。结果在N区边界积累了电子区边界积累了电子,在在P区边界积累了空穴区边界积累了空穴,如图如图(b)所示。这样就产生了一个与平衡所示。这样就产生了一个与平衡态态PN结内建场方向结内建场方向(由由N区指向区指向P区区)相反的光生电场相反的光生电场(由由P区指区指向向N区区),即在即在P区与区与N区间建立了光生电动势。这样就把光能区间建立了光生电动势。这样就把光能转化成了电能。若在两极间接上负载转化成了电能。若在两极间接上负载,则会有光生电流通过负则会有光生电流通过负载。载。PN结的两个重要参数结的两个重要参数:短路电流短路电流Isc：光照下的光照下的PN结，外
31、电路短路时，从结，外电路短路时，从P端流出，经过外端流出，经过外电路，从电路，从N端流入的电流称为短路电流端流入的电流称为短路电流Isc。说明在说明在PN结短路上连一检流计可以测出结短路上连一检流计可以测出IL的值。的值。开路电压开路电压Voc：光照下的光照下的PN结外电路开路时结外电路开路时P端对端对N端的电压。端的电压。可见，直接在可见，直接在PN结两端并联一个电压表，可测量光照结两端并联一个电压表，可测量光照时时PN结两端形成的电势差的值。结两端形成的电势差的值。p 侧向光电效应侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度，当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯
32、度，将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生将会产生侧向光电效应。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，因而载流子就要扩散。如浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。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，未被光照射部被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效分
33、带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。）。1.光敏电阻光敏电阻 1）结构和原理）结构和原理 光敏电阻又称光导管，是利用光电导效应制成的。由于光敏电阻又称光导管，是利用光电导效应制成的。由于光的照射，使半导体的电阻变化，所以称为光敏电阻。光的照射，使半导体的电阻变化，所以称为光敏电阻。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，并非一切纯半导体都能用光照射就能改变电路中电流的大小，并非一切纯半导体都能显示出光
34、电特性。对于不具备这一特性的物质可以加入杂质使显示出光电特性。对于不具备这一特性的物质可以加入杂质使之产生光电效应。用来产生这种效应的物质由金属的硫化物、之产生光电效应。用来产生这种效应的物质由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成。硒化物、碲化物等组成。光 敏 材 料 电 极 RL E R0 I（a）（b）如图所示，光敏电阻的管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两如图所示，光敏电阻的管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电导效个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电导效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到应，只限于光照的表面薄
35、层，虽然产生的载流子也有少数扩散到A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体内部去，但扩散深度有限，内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般度，光敏电阻的电极一般采用折线或梳状图案。由采用折线或梳状图案。由于在间距很近的电极之间于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵所以提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的灵敏度敏度。光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在将导光电导体严密封装在玻璃
36、壳体中。玻璃壳体中。(2)光敏电阻的特性光敏电阻的特性 1)暗电阻、亮电阻与光电流暗电阻、亮电阻与光电流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。过的电流称为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。一般暗电阻越大一般暗电阻越大,亮亮电阻越小电阻越小,光敏电阻的灵敏度越高。光敏电阻的灵敏度越高。光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级,亮电阻亮电阻在几千欧以下
37、。暗电阻与亮电阻之比一般在在几千欧以下。暗电阻与亮电阻之比一般在10102 210106 6之间。之间。2)光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 在一定照度下在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系：的电压的关系：一定光照，一定光照，R一定，一定，I正比于正比于U。所加的电压越高。所加的电压越高,光光电流越大电流越大,而且没有饱和现象。而且没有饱和现象。一定电压，一定电压，I随着光照随着光照E增强而增大。增强而增大。硫化铊硫化铅 U/V I/mA0 5 01 0 0 6 5 4 3 2 1 3)光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性 光敏电阻的光
38、照特性用于描述光电流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，光敏电关系，绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的，光敏电阻一般用作开关式的光电转换器而不宜用作线性测量元件。阻一般用作开关式的光电转换器而不宜用作线性测量元件。0 0.2 0.4 06 0.8 1.0/lm0.050.150.25I/mA 4)光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 对于不同波长的光，不同的光敏电阻的灵敏度是不同的。对于不同波长的光，不同的光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可以看出从图中可以看出,硫化镉的峰值在可见光区域硫化镉的峰值在可见光区域,而硫
39、化铅的峰而硫化铅的峰值在红外区域。值在红外区域。在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。结合起来考虑，才能获得满意的结果。一、光谱一、光谱光波：波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm，波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线，红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。5)光敏电阻的响应时间和频率特性光敏电阻的响应时间和频率特性 光敏电阻的光电流不能随着光照
40、量的改变而立即改变，光敏电阻的光电流不能随着光照量的改变而立即改变，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这个惰性通常用时即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这个惰性通常用时间常数间常数t来描述。来描述。时间常数为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的时间常数为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63所需要的时间，因此，时间常数越小，响应越迅速。所需要的时间，因此，时间常数越小，响应越迅速。0 10 100 1000 10000100 80 60 40 20 入 射 光 调 制 频 率/H z硫 化 铅硫 化 镉 相对灵敏度1006）光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性随着温度不断升高随着温度
41、不断升高,光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降下降,同时温度变化也影响它的光谱特性曲线。下图示出同时温度变化也影响它的光谱特性曲线。下图示出了硫化铅的光敏温度特性曲线。从图中可以看出了硫化铅的光敏温度特性曲线。从图中可以看出,它的峰它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此值随着温度上升向波长短的方向移动。因此,有时为了提有时为了提高元件的灵敏度高元件的灵敏度,或为了能够接受较长波段的红外辐射或为了能够接受较长波段的红外辐射,应应采取一些致冷措施。采取一些致冷措施。1008060402001.02.03.04.0I/mA入射光波长/m2020 2光敏二极管和光敏三极管
42、光敏二极管和光敏三极管 1）结构和原理）结构和原理 光敏二极管是一种光敏二极管是一种PN结型半导体元件，其结构和基结型半导体元件，其结构和基本使用电路如图所示。光敏二极管在没有光照射时，反本使用电路如图所示。光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，光电二极管处于载止状态，反向电流很小，向电阻很大，光电二极管处于载止状态，反向电流很小，反向电流也叫暗电流。反向电流也叫暗电流。受光照射时，受光照射时，PN结附近受光子轰结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区区的少数载流子浓度大大增加，的少数载流子浓度大大增加，即使即使P型中的电子数
43、增多，型中的电子数增多，也使也使N型中的空穴增多，即产生了新的自由载流子。型中的空穴增多，即产生了新的自由载流子。在在外加反向偏压和内电场的作用下，外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡区的少数载流子渡越阻挡层进入越阻挡层进入N区，区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了结的反向电流大为增加，这就形成了光电流光电流。如果入射光的照度变动，则电子和空穴的浓度如果入射光的照度变动，则电子和空穴的浓度也跟着相应地变动，因此通过外电路的电流也随之变化，也跟着相应地变动，因此通过外电路的电流也随之变化，这样
44、就把光信号变成了电信号。这样就把光信号变成了电信号。光敏光敏三极管有三极管有PNP型和型和NPN型两种，由于后者性型两种，由于后者性能较优，因此实用较多。光能较优，因此实用较多。光敏敏三极管的外型结构与光三极管的外型结构与光敏敏二极管相似，通常也只引出两个电极二极管相似，通常也只引出两个电极(无基极引线无基极引线)，内部结构与普通三极管很相似，只是它的发射极一边内部结构与普通三极管很相似，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积，做得很大，以扩大光的照射面积，光线由窗口对着集光线由窗口对着集电极的电极的PN结。结。采用采用N型单晶和硼扩散工艺的光敏二极管称为型单晶和硼扩散工艺的光敏二极管
45、称为P+n结构。采用结构。采用P型单晶和磷扩散工艺的称为型单晶和磷扩散工艺的称为 n+P结构。按结构。按国内半导体器件命名规定，硅国内半导体器件命名规定，硅P+n结构为结构为2CU型；型；n+P结构为结构为2DU型；硅型；硅nPn结构为结构为3DU型。型。光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件，它在把光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件，它在把光信号变为电信号的同时又将信号电流放大。下图给光信号变为电信号的同时又将信号电流放大。下图给出了它的结构和基本使用电路。出了它的结构和基本使用电路。光敏三极管的电路连光敏三极管的电路连接也与普通三极管相同，基极开路，集电结反偏，发接也与普通三极管相同，基极
46、开路，集电结反偏，发射结正偏。射结正偏。无光照时，集电极的无光照时，集电极的PN结反偏，集电极与基极间有反结反偏，集电极与基极间有反向饱和电流向饱和电流Icbo，该电流流入发射结，放大成集电极与发射，该电流流入发射结，放大成集电极与发射极之间的穿透电流，即极之间的穿透电流，即 Iceo=(l)Icbo，此即光敏三极管的暗电流。，此即光敏三极管的暗电流。当光照集电极当光照集电极PN结附近时，在结附近时，在PN结附近产生电子空穴结附近产生电子空穴对，其在对，其在PN结内电场作用下，定向运动形成大的光电流结内电场作用下，定向运动形成大的光电流IL。该电流流入发射结放大成光敏三极管的光电流，即该电流流
47、入发射结放大成光敏三极管的光电流，即 所以光敏三极管比光电二极管具有更高的灵敏度。所以光敏三极管比光电二极管具有更高的灵敏度。LeII)1(2）光敏三极管的特性）光敏三极管的特性 （1）光谱特性）光谱特性 光敏三极管的光谱特性是光电流随入射光的波长而变光敏三极管的光谱特性是光电流随入射光的波长而变化的关系。光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。化的关系。光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时
48、，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而结，因而使相对灵敏度下降。使相对灵敏度下降。0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0硅锗1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0相对灵敏度100波 长/m硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。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。（2 2）伏安特性）伏安特性 光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光
49、敏三极管在不同光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在集电极输出特性一样。因此，只要将入射光照在集电极c与基极与基极b之间之间的的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。且输出的电信号较大。0 20 40 60外加电压/V 500 lx2000 lx25
50、00 lx1500 lx1000 lx246 I/mA光敏三极管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0（3 3）光照特性）光照特性 光敏三极管光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管光敏三极管的输出电流的输出电流I I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大关系。当光照足够大(几几klx)klx)时，会出现饱和现象，从而使时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。三极管在弱光时电流
