1、第第5章章 光电式传感器光电式传感器光电效应器件和特性光电效应器件和特性1.2第第5章章 光电式传感器光电式传感器光光 源源5.15.25.3新型光电传感器新型光电传感器5.4光敏传感器的应用举例光敏传感器的应用举例第第5章章 光电式传感器光电式传感器 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。其基本原理是将被测量转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件而转换成电信号的输出。一、光谱一、光谱光波：光波：波长为波长为101010106 6nmnm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380380780nm780nm紫
2、外线：紫外线：波长波长1010380nm380nm，波长波长300300380nm380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200200300nm300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长1010200nm200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线：红外线：波长波长78078010106 6nmnm 波长波长3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。光谱分布如图所示。第一节第一节 光光 源源第第5章章 光电式传感器光电式传感器远紫外远紫外近紫外近紫外可见光可见
3、光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018=31010cm/s光 的 波 长 与 频 率 的 关 系 由 光 速 确 定，真 空 中 的 光 速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz，的单位为cm。第第5章章 光电式传感器光电式传感器二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1、钨丝白炽灯 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普
4、通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。第第5章章 光电式传感器光电式传感器2、气体放电灯定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞
5、灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如：照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。第第5章章 光电式传感器光电式传感器3、发光二极管发光二极管LEDLED（Light Emitting DiodeLight Emitting Diode）由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子
6、则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。第第5章章 光电式传感器光电式传感器 电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则gEhcgEchgEh普朗克常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。hc=19.
7、810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于h c/=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。第第5章章 光电式传感器光电式传感器通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。材料材料波长波长/nm材料材料波长波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900Ga
8、As900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350表4.1-1 LED材料第第5章章 光电式传感器光电式传感器 发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。U/V I/mA 注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。-10 -5 0 12GaAsP(红)GaAsP(绿)第第5章章 光电式传感器光电式传感器4 4、激光器、激光器 激光是20世纪60年代出现的最重
9、大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分类：u 固体激光器（如红宝石激光器）u 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）u 半导体激光器（如砷化镓激光器）u 液体激光器。第第5章章 光电式传感器光电式传感器（1）固体激光器 典型实例是1960年人类发明的第一台激光器：红宝石激光器，它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。第第5章章 光电式传感器光电式传感器
10、（2）气体激光器气体激光器 工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。第第5章章 光电式传感器光电式传感器（3）半导体激光器与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。（4）液体激光器种类：螯合物激光器、无机
11、液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。特点：发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。第第5章章 光电式传感器光电式传感器三、光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应、光生伏特效应。1、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。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh普朗克常数，6.62610-34Js；
12、光的频率（s-1）第第5章章 光电式传感器光电式传感器 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释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0电子逸出速度。A0为逸出功02021Amh该方程称为爱因斯坦光电效应方程。第第5章章 光电式传感器光电式传感器n 光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。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光频阈值，称为红限频
13、率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足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率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n 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，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。n 光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，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。第第5章章 光电式传感器光电式传感器 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它
14、多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：（1）光电导效应 在光线作用，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、内光电效应第第5章章 光电式传感器光电式传感器过程：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自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg第第5章章 光电式传
15、感器光电式传感器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0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中、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带宽度Eg，即第第5章章 光电式传感器光电式传感器3光生伏特效应光生伏特效应 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。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，
16、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。第第5章章 光电式传感器光电式传感器侧向光电效应。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
17、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（PSD）。第第5章章 光电式传感器光电式传感器外光电效应器件外光电效应器件 利用物质在光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，如光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图光电管的结构示意图 光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗1.结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，如图。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。光电效应器件和特性光电效应器件和
18、特性第第5章章 光电式传感器光电式传感器外光电效应器件外光电效应器件 利用物质在光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，如光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图光电管的结构示意图 光光光窗光窗1.结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，如图。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。光电效应器件和特性光电效应器件和特性2 1第第5章章 光电式传感器光电式传感器 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性
19、、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。2.主要性能（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。图图4.2-2 光电管的伏安特性光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压阳极与末级倍增极间的电压/VIA/A第第5章章 光电式传感器光电式传感器（2）光电管的光照特性 通常指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
20、所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.51第第5章章 光电式传感器光电式传感器（3）光电管光谱特性 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。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0，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
21、率高于红限频率0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，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，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。第第5章章 光电式传感器光电式传感器二、光电倍增管及其基本特性二、光电倍增管及其基本特性 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A，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。1.光电倍增管结构和工作原理由光阴极、次阴极(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；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑入射光入射光光电阴极光电阴极第一倍增极第一倍增极阳极阳
22、极第三倍增极第三倍增极铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。第第5章章 光电式传感器光电式传感器（1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相同，则M=因此，阳极电流 I 为 I=i i i i 光电阴极的光电流光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为 =I/i =M与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具
23、有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。2.主要参数nini第第5章章 光电式传感器光电式传感器 103 104 105 106255075100125极间电压极间电压/V 放大倍数放大倍数光电倍增管的特性曲线第第5章章 光电式传感器光电式传感器（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倍增管的阴极灵敏度。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。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高
24、；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。第第5章章 光电式传感器光电式传感器（3）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子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电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成
25、的，本底电流具有脉冲形式。第第5章章 光电式传感器光电式传感器光电光电倍增倍增管的管的光照光照特性特性与直线最大与直线最大偏离是偏离是3%10131010109107105103101在45mA处饱和10141010106102光通量光通量/1m阳阳极极电电流流/A（4）光电倍增管的光谱特性 光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。第第5章章 光电式传感器光电式传感器 利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电
26、器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻和光敏晶体管等。一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：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、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。内光电效应器件内光电效应器件第第5章章 光电式传感器光电式传感器1.光敏电阻的工作原理和结构 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体
27、材料的禁带宽度Eg，即 h h=Eg(eV)式中和入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有波长小于C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。ch.241第第5章章 光电式传感器光电式传感器 光敏电阻的结构如图所示。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。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图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光导体吸收光子而产生的光电效应，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内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电
28、极一般采用梳状图案，结构见图。第第5章章 光电式传感器光电式传感器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-电阻引线。RG1234567(a)结构 (b)电极 (c)符号它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的结构和符号第第5章章 光电式传感器光电式传感器 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。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
29、照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。RGRLEI第第5章章 光电式传感器光电式传感器2.光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流称为暗电流。亮电流：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。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是，暗电流越小，光电流越大，这样
30、的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。第第5章章 光电式传感器光电式传感器（2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx10002000第第5章章 光电式传感器光电式传感器（3）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较
31、宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅第第5章章 光电式传感器光电式传感器（4）伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。5010015020012U/V02040在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但
32、是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。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。I/A第第5章章 光电式传感器光电式传感器（5）频率特性20406080100I/%f/Hz010102103104当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。硫化铅硫化镉第第5章章 光电式传感器光电式传感器
33、（6）稳定性 图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。I/%408012016021T/h0400 800 1200 1600光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。第第5章章 光电式传感器光电式传感器（7）温度特性其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。
34、随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I/A100150200-50-1030 5010-30T/C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C第第5章章 光电式传感器光电式传感器二、光电池二、光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的。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
35、池的半导体材料的名称冠于光电池之前。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。l 硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。l 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0.56m)，最适宜制造照度计。l 砷化镓光电池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，它主要用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源。第第5章章 光电式传感器光电式传感器光电池的示意图光电池的示意图硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结
36、。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。1.光电池的结构和工作原理+光PNSiO2RL(a)光电池的结构图光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图光电池的工作原理示意图 P N第第5章章 光电式传感器光电式传感器L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810开路电压开路电压Uoc/V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/
37、VIsc/mAIsc/mA(a)硅光电池硅光电池(b)硒光电池硒光电池（1）光照特性开路电压曲线：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2.基本特性开路电压开路电压短路电流短路电流短路电流短路电流第第5章章 光电式传感器光电式传感器短路电流，指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。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，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/
38、mAL/klx 50 10010005000RL=0第第5章章 光电式传感器光电式传感器204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m(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400nm1100nm，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。1硒光电池2硅光电池第第5章章 光电式传感器光电式传感器(3)频率特性 光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较
39、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，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。204060801000I /%1234512f/kHz1硒光电池2硅光电池第第5章章 光电式传感器光电式传感器（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。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/CISCUOCISC/A600400200UOC开
40、路电压开路电压ISC 短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特性曲线第第5章章 光电式传感器光电式传感器三、光敏二极管和光敏三极管三、光敏二极管和光敏三极管 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。第第5章章 光电式传感器光电式传感器1.光敏二极管光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，
41、C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。PN光光敏二极管符号光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线光敏二极管接线 第第5章章 光电式传感器光电式传感器 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，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；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸
42、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，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入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。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。第第5章章 光电式传感器光电式传感器（1）PIN管结光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。P-
43、Si N-Si I-SiPIN管结构示意图管结构示意图第第5章章 光电式传感器光电式传感器最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。第第5章章 光电式传感器光电式传感器（2）雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管
44、子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。第第5章章 光电式传感器光电式传感器2.光
45、敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,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升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。PPNNNPe b bc RL Eec第第5章章 光电式传感器光电式传感器光敏三极管的主要特性：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。因为光子能量
46、太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，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PN结，因而使相对灵敏度下降。（1）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波长为硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时但对红外线进行探测时,则则采用锗管较合适。采用
47、锗管较合适。第第5章章 光电式传感器光电式传感器0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性光敏晶体管的伏安特性（2）伏安特性如图所示。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输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b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，而且输出的电信号较大。U/V第第5章章 光电式传感器光电式传感器光敏晶体管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性
48、 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 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(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。第第5章章 光电式传感器光电式传感器暗电流/mA光电流/mA10 20 30 40 50 60 70T/C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性（4）温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗
49、电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。第第5章章 光电式传感器光电式传感器（5）光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性第第8章章 光电式传感器光电式传感器其他光电传感器1面型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移
50、部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。第第5章章 光电式传感器光电式传感器二相驱动二相驱动视频输出视频输出 行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光区 存储区析像单元 视频输出输出栅串行读出面型面型CCD图像传感器结构图像传感器结构(a)(b)第第5章章 光电式传感器光电式传感器光栅报时钟光栅报时钟二
