1、第九章 光电式传感器本章主要内容本章主要内容n 各种光电效应和产生机理各种光电效应和产生机理n 常用光电器件的原理、特性和典型电路常用光电器件的原理、特性和典型电路n 光纤传感器的原理、应用光纤传感器的原理、应用n 固体图像传感器的原理、结构固体图像传感器的原理、结构n 红外传感器的原理与应用红外传感器的原理与应用第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院2知识单元与知识点 光电式传感器的类别、基本形式；光电器件及其基本特性；CCD图像传感器的工作原理、分类、特性参数与应用；光纤的传光原理、光纤的主要特性、光纤传感器的组成、分类与应用；能力点 深
2、入理解光电效应、内光电效应、外光电效应、亮电阻、暗电流、全反射、数值孔径等基本概念；掌握光电式传感器的类别、基本形式，把握各种光电器件的基本特性；理解CCD图像传感器的基本原理；理解光纤传感器的工作原理、组成、分类；掌握光电式传感器的应用。重难点n 重点：基本概念；光电器件的基本特性；光电式传感器的工作原理。n 难点：CCD图像传感器的工作原理。第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院3n目前产量很大、应用很广的一种传感器目前产量很大、应用很广的一种传感器n 反应快、非接触，高精度、高分辨力、高可靠性反应快、非接触，高精度、高分辨力、高可靠性n
3、 敏感波长在可见光波长附近，包括红外和紫外波长敏感波长在可见光波长附近，包括红外和紫外波长n 种类繁多，功能多样种类繁多，功能多样 光电管、光敏二光电管、光敏二/三极管、光电池三极管、光电池 CCDCCD 光纤、光栅、光编码盘等光纤、光栅、光编码盘等第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院4光电鼠标光电鼠标指纹锁指纹锁光电密码输入系统光电密码输入系统质量自动检测系统质量自动检测系统烟雾探测器烟雾探测器第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院5红外摄像红外摄像红外测温红外测温红外报警红外报警第九章
4、 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院6 线型线型CCD图像传感器图像传感器 CCD图像传感器图像传感器第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院7料位自动控制料位自动控制扶梯自动启停扶梯自动启停第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院8光栅光栅光纤光纤光电管光电管光敏电阻光敏电阻第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院9一、光谱一、光谱 可见光只占电磁波的极小部分，可见光只占电磁波的极小部分，但却是人
5、类的主要信息途径！但却是人类的主要信息途径！第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院10n紫紫 380455n兰兰 455492n绿绿 492577n黄黄 577597n橙橙 597622n红红 622780 UV-C 10280 UV-B 280315 UV-A 315380 IR-A 0.781.4 IR-B 1.43.0 IR-C 3.01000第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院11h普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34 Jsc光速，光速，3108m/sf光的频率（光的频率（
6、Hz）；）；光的波长（光的波长（m）光具有波粒二象性光具有波粒二象性光是波光是波光波光波 波长：波长：=c/f 光是粒子光是粒子光子光子 光子的能量：光子的能量：q=hf 第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院12n光本身并不具备光本身并不具备“颜色颜色”n光的颜色是不同波长（频率）的光在人的视觉系统中产生的光的颜色是不同波长（频率）的光在人的视觉系统中产生的生理反应。生理反应。n任何颜色的光都可以用不多于三种的原色辐射模拟，通常用任何颜色的光都可以用不多于三种的原色辐射模拟，通常用红、绿、蓝（红、绿、蓝（RGBRGB）色组）色组 颜色传感器
7、的理论基础颜色传感器的理论基础第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院13n 光通量光通量 通过单位面积的光的多少，单位为通过单位面积的光的多少，单位为 lm（流明）（流明）n 光强光强 通过单位球面度的光通量，单位为通过单位球面度的光通量，单位为cd（坎德拉）（坎德拉）n 照度照度 单位平面面积上的光通量，单位为单位平面面积上的光通量，单位为lx（勒克斯）（勒克斯）n 亮度亮度 单位投影面积上的光强，单位为单位投影面积上的光强，单位为cd/m2n 国际标准单位：国际标准单位：cd单位之间的换算关系：单位之间的换算关系：CandleCandle
8、1lm1cd/4，1lx1lm/m2第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院14n 人对可见光的视觉灵敏度随波人对可见光的视觉灵敏度随波长变化长变化n 视觉灵敏度与亮度有关视觉灵敏度与亮度有关 明视条件下，最大视觉响应在明视条件下，最大视觉响应在555nm555nm 暗视条件下，最大视觉响应在暗视条件下，最大视觉响应在507nm507nm黄、绿之间黄、绿之间蓝、绿之蓝、绿之间间明视条件明视条件亮度亮度10cd/m2暗视条件暗视条件亮度亮度10-2cd/m2第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院
9、15光敏电阻光敏电阻光电导效应光电导效应光电池、光敏二极管、光控器件光电池、光敏二极管、光控器件光生伏特效应光生伏特效应光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管外光电效应外光电效应光纤传感器光纤传感器光的全反射特性光的全反射特性光栅光栅光的干涉特性光的干涉特性CCD第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院16常用光源常用光源发光器件发光器件物体辐射光物体辐射光白炽光源白炽光源气体放电光源气体放电光源发光二极管发光二极管激光器激光器GaP、SiC可见光可见光LEDGaAs红外红外LED第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学
10、电气工程学院电气工程学院17钨丝白炽灯钨丝白炽灯n钨丝通电加热后，可作为光辐射源钨丝通电加热后，可作为光辐射源n一般白炽灯的辐射一般白炽灯的辐射光谱是连续的光谱是连续的n光谱范围：光谱范围：可见光、大量红外线和紫外线，适用于大多数光敏可见光、大量红外线和紫外线，适用于大多数光敏元件元件n特点：特点：寿命较短且发热量大、效率低、动态特性差，但对接收寿命较短且发热量大、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光敏元件的光谱特性要求不高n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。积较小，光效高
11、，寿命也较长。第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院18气体放电灯气体放电灯n 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光低压汞灯、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。源，统称为光谱灯。n 气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/31/21/3n 特点：特点：光谱与气体的种类及放电条件有关，改变气体的成分、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。围的辐射。光谱
12、不连续光谱不连续利用电流通过气体而产生光辐射利用电流通过气体而产生光辐射低压汞灯辐射波长为低压汞灯辐射波长为254nm254nm，钠灯，钠灯589nm589nm，它们经常用作光电，它们经常用作光电检测仪器的检测仪器的单色光源单色光源。利用光线与荧光涂层材料的作用，可以将。利用光线与荧光涂层材料的作用，可以将气体放电谱线转化为更宽广的波长，例如照明日光灯的应用。气体放电谱线转化为更宽广的波长，例如照明日光灯的应用。第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院19n发光机理：发光机理：在半导体在半导体PN结中，结中，P区的空穴由于扩散而移动到区的空穴由
13、于扩散而移动到N区，区，N区的区的电子则扩散到电子则扩散到P区，在区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。的继续扩散。当当PN结上加有正向电压时，注入到结上加有正向电压时，注入到P区里的电子与空穴复合，区里的电子与空穴复合，并以光子形式辐射能量，出现发光现象。并以光子形式辐射能量，出现发光现象。n特点：特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻LED Light Emitting Diode应用广泛应用广泛第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工
14、程学院20 电子和空穴复合时释放的能量等于电子和空穴复合时释放的能量等于PN结的禁带宽度结的禁带宽度Eg，所以，所以gEhcgEchgEh普朗克常数普朗克常数h=6.610-34J.s；光速；光速c=3108m/s；Eg的单位为电的单位为电子伏（子伏（eV），），1eV=1.610-19J。可见光的波长可见光的波长 可近似认为在可近似认为在7 71010-7-7m m以下，所以制作发光二以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于极管的材料，其禁带宽度至少应大于h c/=1.8 eV 锗或硅的禁带宽度锗或硅的禁带宽度Eg分别为分别为0.67eV和和1.12eV，不能制造普通，不能制造普
15、通的发光二极管。的发光二极管。第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院21 通常用的砷化镓和磷化镓两种材料的固熔体，写作通常用的砷化镓和磷化镓两种材料的固熔体，写作GaAs1xPx，x代表磷化镓的比例，当代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到时，可得到Eg1.8eV的材料。改的材料。改变变x值还可以决定发光波长，使值还可以决定发光波长，使 在在550900nm间变化，它已经间变化，它已经进入红外区。进入红外区。其它可供制作发光二极管的材料见下表。其它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/nmZnS340CuS
16、e-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院22 与普通二极管相似，但随材料与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为开启，绿色约为2.2V。U/V -10 -5012
17、I/mA 发光二极管的反向击穿电压大于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，为了安全起见，使用时反向电压应在向电压应在5V以下。以下。第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院23 发光二极管的发光二极管的光谱特性光谱特性如图所示。如图所示。除峰值波长除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用决定发光颜色之外，峰的宽度（用描述）决定描述）决定光的色彩纯度，光的色彩纯度，越小，其光色越纯。越小，其光色越纯。图中砷磷化镓的曲线有两根，图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异，这是因为其材质成分稍有差异，可以得到不同的峰
18、值波长可以得到不同的峰值波长p p。70080090010000.20.40.60.8 1.0 0600GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs相对灵敏度相对灵敏度第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院24 激光是激光是20世纪世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有年代出现的最重大科技成就之一，具有高方高方向性向性、高单色性高单色性和和高亮度高亮度三个重要特性。波长从三个重要特性。波长从0.24m到远红外到远红外整个光频波段范围。整个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类
19、繁多，按工作物质分类：n固体激光器固体激光器（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）n气体激光器气体激光器（如氦（如氦-氖激光器、氖激光器、CO2激光器）激光器）n半导体激光器半导体激光器（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器）n液体激光器液体激光器第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院25固体激光器固体激光器n 种类：种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。激光器）和钕玻璃激光器等。n 特点：特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功小而坚固、功率高，钕玻璃激光
20、器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十千瓦。率最高的器件，已达到几十千瓦。1960 1960年人类发明的年人类发明的第一台激光器第一台激光器是是红宝石激光器红宝石激光器，其工作物，其工作物质是固体。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。质是固体。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。于地球到月球的距离测量。第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院26气体激光器气体激光器n 以气体作为工作物质。以气体作为工作物质
21、。n 种类：常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，种类：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、准分子激光器等以及二氧化碳激光器、准分子激光器等n 特点：能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到特点：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。远红外的频谱区域。第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院27LED半导体激光器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。与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。n 特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机
22、、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军舰、坦克上应用以及步兵随身携带n 输出功率较小输出功率较小n 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。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。n 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，种类：螯合物激光器、无机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。其中较为重要的是有机染料激光器。n 特点：激光波长可在一段范围内调节，而效率不会降低，因特点：激光波长可在一段范围内调节，而效率不会降低，因而能起着其他激光器不能起到的作用。而能起着其他激光器不能起到的
23、作用。液体激光器液体激光器第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院28650 nm第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院29光电效应光电效应 一个光子的能量只能被一个电子吸收，光的吸收过程实际上一个光子的能量只能被一个电子吸收，光的吸收过程实际上是光子将能量传递给电子的过程。是光子将能量传递给电子的过程。电子吸收光子能量后，以不同的形式体现出来，即不同的电子吸收光子能量后，以不同的形式体现出来，即不同的光光电效应电效应。光电效应可分为光电效应可分为 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应光
24、电导效应光电导效应、光生伏特效应、光生伏特效应第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院30每个光子具有的能量是每个光子具有的能量是 E=h f h普朗克常数普朗克常数 f光的频率（光的频率（Hz）一个入射光子的能量只能被一个电子吸收，转换为电子的动一个入射光子的能量只能被一个电子吸收，转换为电子的动能和（电）势能能和（电）势能对于金属导体，则主要是转化为动能的增量，即对于金属导体，则主要是转化为动能的增量，即波长越短，频率越高，能量越波长越短，频率越高，能量越大21()2kEmvh f第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通
25、大学 电气工程学院电气工程学院31在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射的现象，称为在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射的现象，称为外外光电效应光电效应在导体处于一定的条件下（主要指温度），要使电子逸出导在导体处于一定的条件下（主要指温度），要使电子逸出导体，电子的动能增量必须达到一定值，定义该值为体，电子的动能增量必须达到一定值，定义该值为材料的逸材料的逸出功出功，记为，记为A0，即，即因此，产生外光电效应的条件是因此，产生外光电效应的条件是 光的频率光的频率 f 大于大于 f0=A0/h，f0称为红线频率称为红线频率或者或者光的波长光的波长 小于小于 0=hc/A0，0称为临界波长称为临
26、界波长201()2kEmvh fA大于临界波长的光，即使光强再大，也不会产生电子逸出的现象大于临界波长的光，即使光强再大，也不会产生电子逸出的现象第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院32 选择一定的（一般选较小的）逸出功的光敏材料做成电极，选择一定的（一般选较小的）逸出功的光敏材料做成电极，在电极间施加电压，当一定波长的光照射到阴极时，将产生外在电极间施加电压，当一定波长的光照射到阴极时，将产生外光电效应，形成光电流光电效应，形成光电流第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院33光电特性光电
27、特性：光电管所加电压：光电管所加电压 u 一定时，电流一定时，电流 i 与光通量与光通量 之之间的关系，即间的关系，即 i=f()|u=C伏安特性伏安特性：光强一定时，光强一定时，u 与与 i 之间的关系，即之间的关系，即 i=f(u)|=C光谱特性：光谱特性：u、一定时，一定时，i 与与 之间的关系，即之间的关系，即 i=f()|=C，u=C第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院34光电特性光电特性伏安特性伏安特性光谱特性光谱特性第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院35光照很弱时，光电管
28、的电流很小光照很弱时，光电管的电流很小光电倍增管可提高灵敏度光电倍增管可提高灵敏度将光电子加速后，撞击出二次电将光电子加速后，撞击出二次电子，二次电子加速后撞击出三次子，二次电子加速后撞击出三次电子电子，光电流在管内得到充分光电流在管内得到充分放大放大入射光K阴极第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极A阳极第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院36n入射光使材料的导电状态发生改变的入射光使材料的导电状态发生改变的现象，称为现象，称为内光电效应内光电效应n产生的机理产生的机理材料中的电子处于价带材料中的电子处于价带 束缚电子束缚电子电子吸收光
29、子的能量后，跃迁到电子吸收光子的能量后，跃迁到导带导带 自由电子自由电子导带与价带之间的能量差值，称为导带与价带之间的能量差值，称为禁带宽度禁带宽度，记为，记为Eg第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院37半导体材料一般都能产生内光电效应半导体材料一般都能产生内光电效应要使电子从价带跃迁到导带，光子的能量必须大于材料的禁要使电子从价带跃迁到导带，光子的能量必须大于材料的禁带宽度带宽度Eg,即即 h f Eg使电子由价带跃迁到导带的光子吸收，称为使电子由价带跃迁到导带的光子吸收，称为本征吸收本征吸收，对应，对应的频率和波长，称为本征频率的频率和
30、波长，称为本征频率 f0 和本征波长和本征波长 0第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院38 半导体材料产生本征吸收后，自由电子浓度增加，导电性半导体材料产生本征吸收后，自由电子浓度增加，导电性能增强，这种现象称为光电导效应。能增强，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应可以构造光敏电阻利用光电导效应可以构造光敏电阻AA梳状梳状电极电极CdS透光窗透光窗绝绝缘缘基基底底引脚引脚玻璃支柱玻璃支柱外壳外壳梳状梳状电极电极CdS电阻电阻第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院39n 在玻璃底版上涂一
31、层对光敏半导体物质，两端有梳状金属电在玻璃底版上涂一层对光敏半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层透明保护层，装入一个顶端有极，然后在半导体上覆盖一层透明保护层，装入一个顶端有聚光玻璃窗、四周挡光的壳体中，焊接引脚聚光玻璃窗、四周挡光的壳体中，焊接引脚n 无光照时，电阻值很高无光照时，电阻值很高n 有光照时，电阻值随光有光照时，电阻值随光 强增加而降低强增加而降低n 光照停止时，自由电子与空穴光照停止时，自由电子与空穴 复合，电阻恢复原值复合，电阻恢复原值第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院40n主要参数主要参数暗电阻暗电阻
32、无光照时的电阻值，此时的电流称为暗电流无光照时的电阻值，此时的电流称为暗电流亮电阻亮电阻受光照时的电阻值，此时的电流称为亮电流受光照时的电阻值，此时的电流称为亮电流光电流光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n特性曲线特性曲线伏安特性伏安特性电压一定时，光照越大光电流越大电压一定时，光照越大光电流越大光照一定时，电压越高光电流越大光照一定时，电压越高光电流越大 可调的可调的、电阻的电阻的 特性特性100M 1k第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院41光谱特性光谱特性u灵敏度与入射波长有关灵敏度与入射波长有关u灵敏
33、度与材料有关灵敏度与材料有关常用光敏电阻频谱范围常用光敏电阻频谱范围u硫化镉（硫化镉（CdS）0.30.8m，可见光，几，可见光，几ms几几s，2070u硫化铅（硫化铅（PbS）1.02.5m，红外，红外，100300s，60u锑化铟（锑化铟（InSb）2.05.5m，红外，红外，1su Cd4SiS6，Cd4GeS6，0.430.47m，紫外，紫外第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院42光照特性：光照特性：线性度不太好线性度不太好 温度特性：温度特性：u光电流随温度上升而降低光电流随温度上升而降低u光谱响应的波长峰值随温度上光谱响应的波长
34、峰值随温度上升而下移升而下移光照特性光照特性应用领域应用领域 光强测量；光强测量；照相机快门控制；照相机快门控制；路灯、航标灯控制路灯、航标灯控制 光电开光的元件；光电开光的元件；光耦器件的接收元件光耦器件的接收元件第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院43声光控开关声光控开关第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院44光生伏特效应光生伏特效应 半导体材料在吸收光能后，在半导体材料在吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应，结上产生电动势的效应，称为称为光生伏特效应光生伏特效应 产生机理产生机理
35、 当光照射在当光照射在PN结，且光子能量大于半导体禁带宽度时，将结，且光子能量大于半导体禁带宽度时，将激发出电子激发出电子空穴对，在空穴对，在 PN结内建电场作用下空穴移向结内建电场作用下空穴移向P区，区，而电子移向而电子移向N区，使区，使P区和区和N区之间产生电压，这个电压就是区之间产生电压，这个电压就是光生电动势光生电动势第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院45n电子、空穴扩散，形成电子、空穴扩散，形成内建电场内建电场n光照时，产生电子空光照时，产生电子空穴对，在内建电场作用穴对，在内建电场作用下移动，产生电压下移动，产生电压n光生电压
36、大小与光生电压大小与PN结结的特性有关的特性有关内建电场内建电场光电子移动光电子移动第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院46工作原理：工作原理：光生伏特效应光生伏特效应特点：特点：响应速度快、灵敏度高、可靠响应速度快、灵敏度高、可靠性高性高应用领域：应用领域：可见光和远红可见光和远红 探测，自动控制、自动报警、自动计数探测，自动控制、自动报警、自动计数结构：结构：与一般二极管相似，有一个与一般二极管相似，有一个PN结，单向导电。为了提高转换效率，结，单向导电。为了提高转换效率，PN结面积比一般二极管大结面积比一般二极管大入射光玻璃透镜管壳引
37、脚管芯型衬底N结PN型P扩散层保护层2SiO光敏面铝电极第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院47光敏二极管必须接成反向偏置状态光敏二极管必须接成反向偏置状态无光照时，反向电阻很大，反向电无光照时，反向电阻很大，反向电流很小流很小有光照时，有光照时，PN结处产生光生电子结处产生光生电子空穴对空穴对在外加电场作用下，形成光电流在外加电场作用下，形成光电流光照越强光电流越大光照越强光电流越大光电流实际为二极管的反向电流光电流实际为二极管的反向电流第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院48a.a.
38、光照特性光照特性 在小负载电阻情况下，光电流与照度呈线性关系。在小负载电阻情况下，光电流与照度呈线性关系。照度（照度（LX)LX)光电流（光电流（ma）第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院49b.b.光谱特性光谱特性n灵敏度在灵敏度在900nm附近时，附近时，达到峰值达到峰值n当入射波长当入射波长900nm并并逐渐增大时，灵敏度逐渐逐渐增大时，灵敏度逐渐降低。因为随波长增大，降低。因为随波长增大，光子能量小于禁带宽度，光子能量小于禁带宽度，不能产生电子不能产生电子空穴对空穴对硅光敏二极管光谱响应硅光敏二极管光谱响应 n当入射波长当入射波长9
39、00nm900nm并逐渐减小时，灵敏度也逐渐降低。因为并逐渐减小时，灵敏度也逐渐降低。因为波长短波长短 的光穿透深度小，使光电流减小。的光穿透深度小，使光电流减小。第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院50c.c.伏安特性伏安特性 当反向偏压较低时，光当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。决于光照强度。光敏二极管伏光敏二极管伏安特性安特性 第九章 光电式传感
40、器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院51d.d.温度特性温度特性 光敏二极管的暗电流对温光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。度变化很敏感。e.e.频率响应特性频率响应特性n光敏管输出的光电流随电源频光敏管输出的光电流随电源频率变化。率变化。n光敏管的频响特性与本身的物光敏管的频响特性与本身的物理结构、工作状态、负载以及理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关入射光波长等因素有关n当调制频率达到一定限度时，当调制频率达到一定限度时，光敏管的灵敏度急剧下降。光敏管的灵敏度急剧下降。第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学
41、院电气工程学院52工作原理：工作原理：将基极将基极集电极之间的集电极之间的PN结作为结作为光敏二极管，当有光照射到集电结上光敏二极管，当有光照射到集电结上时，就能产生基极电流。时，就能产生基极电流。结构结构：集电结作为受光结，尺寸做的很大，集电结作为受光结，尺寸做的很大，以扩大光照面积以扩大光照面积光敏晶极管结构光敏晶极管结构 大多数光敏晶体管的基极无引线，封装上有个玻璃聚光体，以大多数光敏晶体管的基极无引线，封装上有个玻璃聚光体，以使光线能照射到基区使光线能照射到基区PNN2SiO入射光第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院53 光敏晶体管
42、从原理上可以看作是光光敏晶体管从原理上可以看作是光敏二极管与普通晶体管的复合体，因敏二极管与普通晶体管的复合体，因此特性与光敏二极管相似。此特性与光敏二极管相似。伏安特性 光谱特性 第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院54工作原理：光生伏特效应，直接将光能转换成电能工作原理：光生伏特效应，直接将光能转换成电能广泛用于太阳能发电，作为可再生能源及宇航电源；还可在广泛用于太阳能发电，作为可再生能源及宇航电源；还可在检测和自动控制系统中作为传感器使用检测和自动控制系统中作为传感器使用硅、硒、锗、氧化亚铜、磷化镓等都可以作为光电池的材料。硅、硒、锗
43、、氧化亚铜、磷化镓等都可以作为光电池的材料。其中硅光电池最受重视，稳定性好、光谱范围宽、效率高、其中硅光电池最受重视，稳定性好、光谱范围宽、效率高、频率特性好、耐高温和辐射频率特性好、耐高温和辐射硒：硒：380750nm，峰值，峰值500nm，可见光，可见光硅：硅：4001200nm，峰值，峰值800nm，红外光，红外光第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院55PN结作得很浅，面积很大结作得很浅，面积很大第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院56太阳能供电太阳能供电的的LEDLED警示牌警示
44、牌太阳能充电器太阳能充电器太阳能电池太阳能电池传感器传感器第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院57a.光谱特性光谱特性光电池对不同波长的光灵光电池对不同波长的光灵敏度不同敏度不同硅光电池的波长范围较宽，硅光电池的波长范围较宽，0.41.2m，响应峰值，响应峰值0.8m硒光电池的波长范围硒光电池的波长范围0.380.75m，响应峰值，响应峰值0.5m第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院58光电池在不同照度下，光电池在不同照度下，光生电压、电流不同光生电压、电流不同开路电压与照度是非开路电压
45、与照度是非 线性关系，硅电池在照度线性关系，硅电池在照度200lx200lx下趋于饱和下趋于饱和 短路电流（外接电阻相对很小时的电流）与照度保持很好的短路电流（外接电阻相对很小时的电流）与照度保持很好的线性关系线性关系 光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，而因该作为电流源的使用用，而因该作为电流源的使用第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院59光电池的频响特性是指输出电流与光的调制频率之间的关系光电池的频响特性是指输出电流与光的调制频率之间的关系硅光电池的频响特性较硅光电池的频响特性较 好，
46、硒光电池的较差好，硒光电池的较差在高速计数应用中，在高速计数应用中，一般采用硅光电池一般采用硅光电池第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院60光电池的稳定特性是指在一定光照条件下，开路电压和短路光电池的稳定特性是指在一定光照条件下，开路电压和短路电流与温度之间的关系电流与温度之间的关系开路电压随温度上升开路电压随温度上升 而快速下降而快速下降短路电流随温度上升短路电流随温度上升 而上升（变化较小）而上升（变化较小）在应用中应考虑温度的影响因素在应用中应考虑温度的影响因素第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程
47、学院电气工程学院61优点：轻便、简单、环保优点：轻便、简单、环保缺点：投资大缺点：投资大作为检测与控制元件时，通常与电阻、晶体管组合作为检测与控制元件时，通常与电阻、晶体管组合作为电源使用时，根据应用要求进行串、并联连接作为电源使用时，根据应用要求进行串、并联连接注意避免高温、强光注意避免高温、强光第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院62调节控制器调节控制器逆变器逆变器 交流负载交流负载太阳太阳电池电池方阵方阵 直流负载直流负载阻塞二极管阻塞二极管第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院63
48、n 半导体色敏传感器是一种半导体光敏半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，基于光的透射现象及光电效应，器件，基于光的透射现象及光电效应，将光信号的波长转换为电信号将光信号的波长转换为电信号n 能实现从可见光到近远红外波段内能实现从可见光到近远红外波段内单单色波长色波长的检测的检测n 可看作由两只结构不同的光电二极管可看作由两只结构不同的光电二极管（双结二极管）构成，两个（双结二极管）构成，两个PN结的深结的深浅不同浅不同P N P SiO2 电极电极1 1 电极电极2 2电极电极3 31 2 3 第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院64 一
49、定波长的光照射到半导体材料上时，在材料的深度方向上一定波长的光照射到半导体材料上时，在材料的深度方向上会发生衰减，其规律为会发生衰减，其规律为 (d)=0e-d其中，其中，(d)为深度为深度d处的光通量，处的光通量，0为半导体表面的光通量，为半导体表面的光通量，为衰减系数。为衰减系数。n 在材料一定的条件下，在材料一定的条件下，与是波长的单值函数。与是波长的单值函数。颜色（波长）测量归结为颜色（波长）测量归结为 的测量的测量n波长越短，衰减越快波长越短，衰减越快紫光衰减快，红光衰减慢紫光衰减快，红光衰减慢第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院
50、65 对于两个处于不同深度的光敏二极管，由于光线照射而产生对于两个处于不同深度的光敏二极管，由于光线照射而产生的光电流为的光电流为 I1=0e-d1,I2=0e-d2由由I1、I2可以确定可以确定，即，即 (lnI1-lnI2)/(d2-d1)因此，只要能测量因此，只要能测量I1、I2的对数差值，就可以知道的对数差值，就可以知道 的数值，的数值，再由再由 与与 的对应关系，可以知道的对应关系，可以知道 的大小的大小。光的颜色光的颜色123 I1I2第九章 光电式传感器传感器技术传感器技术北京交通大学北京交通大学 电气工程学院电气工程学院66双结二极管的光谱特性双结二极管的光谱特性)(nm入射光
