第9章 光電式傳感器

1、 第九章 光電式傳感器 光源：光源：是光電式傳感器必不可缺的組成部分。是光電式傳感器必不可缺的組成部分。一、光電式傳感器的組成一、光電式傳感器的組成9.1 光電式傳感器的組成與光源光通路：光通路：將光源輸送給光電器件的通路。將光源輸送給光電器件的通路。光電元件：光電元件：光電式傳感器最重要的環(huán)節(jié)，所以的被測信號最光電式傳感器最重要的環(huán)節(jié)，所以的被測信號最 重都轉(zhuǎn)化成電信號的變化。重都轉(zhuǎn)化成電信號的變化。測量電路：測量電路：對光電器件輸出的電信號進行放大或轉(zhuǎn)換，達對光電器件輸出的電信號進行放大或轉(zhuǎn)換，達 到便于輸出和處理的目的。到便于輸出和處理的目的。二、常用光源二、常用光源9.1 光電式傳感器

2、的組成與光源常用光源常用光源發(fā)光器件發(fā)光器件物體輻射光物體輻射光白熾光源白熾光源氣體放電光源氣體放電光源發(fā)光二極管發(fā)光二極管激光器激光器GaP、SiC可見光可見光LEDGaAs紅外紅外LED一、光電效應(yīng)基本概念一、光電效應(yīng)基本概念9.2 光電器件外光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)：物體內(nèi)的電子逸物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光電管、光電倍增管等。二、外光電效應(yīng)二、外光電效應(yīng)02021Amh（3）外光電效應(yīng)從光）外光電效應(yīng)從光照至發(fā)射電子幾乎瞬間發(fā)生，照至發(fā)射電子幾乎瞬間發(fā)生，所需時間所需時間 10

3、-9 s。愛因斯坦光電效應(yīng)方程：愛因斯坦光電效應(yīng)方程： （1）光電子能否產(chǎn)生，取決）光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功。面電子逸出功。（2）對某種特定材料，入）對某種特定材料，入射射光的頻率高于紅限頻率時，會激發(fā)光的頻率高于紅限頻率時，會激發(fā)產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電子。9.2 光電器件光電管：外光電效應(yīng)器件。光電管：外光電效應(yīng)器件。1 1、光電管、光電管光強IUout當(dāng)光線照射在光敏材料上當(dāng)光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量大于電子的時，如果光子的能量大于電子的逸出功，會有電子逸出產(chǎn)生電子逸出功，會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。發(fā)射。電子被帶

4、有正電的陽極吸電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，電引，在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻流在回路電阻RL上產(chǎn)生正比于電上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。流大小的壓降。9.2 光電器件光照很弱時，光電管產(chǎn)生的電光照很弱時，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。電倍增管。如核儀器中閃爍探測器多使用如核儀器中閃爍探測器多使用光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。2 2、光電倍增管、光電倍增管光電倍增管工作原理：光電倍增管工作原理：利用二利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流

5、體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進行放大。在管內(nèi)進行放大。9.2 光電器件光電倍增管結(jié)構(gòu)：光電倍增管結(jié)構(gòu)：由陰極、次由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成。次陰極（倍增電極）、陽極組成。次陰極可達陰極可達30級，通常為級，通常為1214級。級。內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光照在物體上，當(dāng)光照在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)。生電動勢的效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。三、內(nèi)光電效應(yīng)三、內(nèi)光電效應(yīng)基于這種效應(yīng)的光電器件基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻，光敏二極管、三有光敏電阻，光敏二極管、三極管等。極管等。在光線作用下，

6、電子吸收光子在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。而引起材料電導(dǎo)率的變化。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強且光輻射能量又足夠強,光電材料價光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。9.2 光電器件1 1、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng) h光敏電阻光敏電阻基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：在玻璃底版上涂一層在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)

7、，兩端有梳狀金屬電極，在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。屬電極，在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。9.2 光電器件梳狀電極光電導(dǎo)梳狀電極光電導(dǎo)透光窗口外殼絕緣基體玻璃支柱引腳AA工作原理：工作原理：光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光敏光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子電阻受到光照時，光生電子空穴對增空穴對增加，阻值減小，電流增大。加，阻值減小，電流增大。勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）當(dāng)當(dāng)PN結(jié)兩端沒有外加電場時，結(jié)兩端沒有外加電場時，在在PN結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在內(nèi)電場，其方結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在內(nèi)電場，其方向從向從N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)。當(dāng)光照射到結(jié)區(qū)區(qū)。當(dāng)光照射到結(jié)區(qū)時，光照產(chǎn)生的電子空穴對在結(jié)電時，光照產(chǎn)生的電子空穴對在結(jié)

8、電場的作用下，電子偏向場的作用下，電子偏向N區(qū)外側(cè)，空區(qū)外側(cè)，空穴偏向穴偏向P區(qū)外側(cè)，使區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動勢。區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動勢。在光作用下能使物體產(chǎn)生一定在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管等。光敏二極管、三極管等。9.2 光電器件2 2、光生伏特效應(yīng)、光生伏特效應(yīng) PNS0Px nxx（1）光敏二極管）光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。在透明玻璃結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。在透明玻璃外殼中，外殼中，PN結(jié)裝在管的頂部，可直接受到結(jié)裝在管的頂部，可直接受到光照射

9、。光照射。光敏二極管在電路中一般處于反向工光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時反向電流很小，作狀態(tài)，在沒有光照射時反向電流很小，稱為暗電流；光照射在稱為暗電流；光照射在PN結(jié)上，結(jié)上，PN結(jié)附結(jié)附近產(chǎn)生光生電子近產(chǎn)生光生電子空穴對，在空穴對，在PN結(jié)處內(nèi)電結(jié)處內(nèi)電場作用下定向運動，形成光電流。光的照場作用下定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。度越大，光電流越大。9.2 光電器件入射光玻璃透鏡管殼引腳管芯PNLR因此，光敏二極管在不受光照射時處于因此，光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。 （2）光敏三極管）

10、光敏三極管與一般晶體管相似，具有兩個與一般晶體管相似，具有兩個PN結(jié)，結(jié)，只是發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的只是發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。照射面積。9.2 光電器件型襯底N結(jié)PN型P擴散層保護層2SiO光敏面鋁電極光敏二極管光敏二極管PNNecPNN2SiO入射光光敏三極管光敏三極管大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓，而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時，在結(jié)附近產(chǎn)生電當(dāng)光照射在集電結(jié)時，在結(jié)附近產(chǎn)生電子子空穴對，會有大量的電子流向集電

11、空穴對，會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的電流的倍，所以光敏晶體管有放大作倍，所以光敏晶體管有放大作用。用。 基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：光電池實質(zhì)是一個大面積光電池實質(zhì)是一個大面積PN結(jié)，上電極為柵狀受光電極，結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。下電極是一層襯底鋁。 9.2 光電器件（3）光電池）光電池工作原理：工作原理：當(dāng)光照射當(dāng)光照射PN結(jié)的一個面時，結(jié)的一個面時，電子電子空穴對迅速擴散，在結(jié)電場空穴對迅速擴散，在結(jié)電場作用下建立一個與光照強度有關(guān)的作用下建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。電動勢。一般可產(chǎn)生一般可產(chǎn)生0.20.

12、6V電壓電壓50mA電流。電流。 光梳狀電極抗反射膜型層N結(jié)PN型硅層P金屬下電極光半透明金屬膜硒半導(dǎo)體金屬底盤（1）暗電阻、暗電流、亮電阻、）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、光電流亮電流、光電流暗電阻：暗電阻：光敏電阻在未受到光照時光敏電阻在未受到光照時的阻值，此時流過的電流為的阻值，此時流過的電流為暗電流暗電流。亮電阻：亮電阻：在受到光照時的電阻，此在受到光照時的電阻，此時的電流稱為時的電流稱為亮電流亮電流。光電流：光電流：亮電流與暗電流之差。亮電流與暗電流之差。9.2 光電器件四、光電器件的特性四、光電器件的特性1 1、光敏電阻基本特性、光敏電阻基本特性)(lm入射光通量)(mA光電流光

13、敏電阻的光照特性（2）光照特性）光照特性描述光電流與光照強度之間的關(guān)系。描述光電流與光照強度之間的關(guān)系。多數(shù)是非線性的。不宜做線性測量元件，多數(shù)是非線性的。不宜做線性測量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。（3）光譜特性）光譜特性光譜響應(yīng)：光敏電阻靈光譜響應(yīng)：光敏電阻靈敏度與入射波長有關(guān)。敏度與入射波長有關(guān)。 光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)。體摻雜的材料有關(guān)。 材料與相對靈敏度峰位材料與相對靈敏度峰位波長：波長：硫化鎘，硫化鎘，300800nm，在可見光區(qū)域，常被用作光在可見光區(qū)域，常被用作光度量測量（照度計）的探頭。度量測量（照度計）的探頭

14、。 硫化鉛，硫化鉛，10002500nm，響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū), 常常用做火焰探測器的探頭。用做火焰探測器的探頭。9.2 光電器件)(um入射光波長%相對靈敏度光敏電阻的光譜特性硫化鎘硫化鉈硫化鉛選用時要綜合考慮元件和光源選用時要綜合考慮元件和光源（4）伏安特性）伏安特性所加電壓越高，光電流越大，而所加電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。但受最大功耗限且沒有飽和的現(xiàn)象。但受最大功耗限制。制。 在給定的電壓下，光電流的數(shù)值在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強而增大。將隨光照增強而增大。（5）溫度特性）溫度特性光敏電阻硫化鉛的溫度光敏電阻硫化鉛的溫度特性，峰值隨溫

15、度上升向波特性，峰值隨溫度上升向波長短的方向移動。長短的方向移動。9.2 光電器件)(VU電壓)(uAI電流硫化鉛硫化鉈)(um入射波長)(uAI電流C20C20（6） 穩(wěn)定性穩(wěn)定性初制成的光敏電阻，由于電阻體初制成的光敏電阻，由于電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達到平衡，性能與其介質(zhì)的作用還沒有達到平衡，性能不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照及加負(fù)載不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照及加負(fù)載情況下，性能可達穩(wěn)定。光敏電阻在最情況下，性能可達穩(wěn)定。光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會有變化，但最初的老化過程中，阻值會有變化，但最后達到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏后達到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏電阻的主要優(yōu)點。電阻的

16、主要優(yōu)點。光敏電阻的使用壽命在密封良好、光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下幾乎是無限長的。使用合理的情況下幾乎是無限長的。 9.2 光電器件（1）光譜特性）光譜特性 光敏管的光譜特性是指在一定光敏管的光譜特性是指在一定照度時，輸出的光電流（或用相照度時，輸出的光電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的對靈敏度表示）與入射光波長的關(guān)系。關(guān)系。硅和鍺光敏管光譜特性曲線：硅和鍺光敏管光譜特性曲線：硅的峰值波長約為硅的峰值波長約為0.9m，鍺，鍺的峰值波長約為的峰值波長約為1.5m，此時靈敏，此時靈敏度最大，當(dāng)入射光波長增長或縮度最大，當(dāng)入射光波長增長或縮短時，相對靈敏度都會下降。短時，相

17、對靈敏度都會下降。9.2 光電器件2 2、光敏二極管和光敏三極管、光敏二極管和光敏三極管 基本特性基本特性 )(nm入射光波長%相對靈敏度硅光敏三極管鍺光敏三極管一般鍺管的暗電流較大，因此一般鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光的探測，用鍺管較但對紅外光的探測，用鍺管較為適宜。為適宜。（2）伏安特性）伏安特性硅光敏晶體管的伏安特性，硅光敏晶體管的伏安特性，縱坐標(biāo)為光電流，橫坐標(biāo)為集電縱坐標(biāo)為光電流，橫坐標(biāo)為集電極極-發(fā)射極電壓。發(fā)射極電壓。 與一般晶體管在不同的基極與一般晶體管在不同的基

18、極電流時的輸出特性一樣。只需把電流時的輸出特性一樣。只需把光通量看作基極電流即可。光通量看作基極電流即可。晶體管具有放大作用，在同晶體管具有放大作用，在同樣照度下，光電流比相應(yīng)的二極樣照度下，光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍。管大上百倍。 9.2 光電器件)(mAI)(VUcelm500lm1000lm1500lm2000lm2500（3）頻率特性）頻率特性 光敏管的頻率特性是指光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流（或相對光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，普

19、通光敏二極管頻率響應(yīng)種，普通光敏二極管頻率響應(yīng)時間達時間達10s。光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)范圍，電阻可以提高頻率響應(yīng)范圍，但輸出電壓響應(yīng)也減小。但輸出電壓響應(yīng)也減小。 9.2 光電器件光敏晶體管的頻率特性光敏晶體管的頻率特性 （4）溫度特性）溫度特性光敏管的溫度特性是指光敏光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。系。從光敏晶體管的溫度特性曲從光敏晶體管的溫度特性曲線可看出：溫度變化對光電流影線可看出：溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。響很小，而對暗電流

20、影響很大。因此，光敏晶體管作為測量因此，光敏晶體管作為測量元件時，在電子線路中應(yīng)該對暗元件時，在電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導(dǎo)電流進行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。致輸出誤差。 9.2 光電器件（5）光照特性）光照特性光敏三極管的光照特性近似線性光敏三極管的光照特性近似線性關(guān)系。但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。關(guān)系。但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件，件， 也可做開關(guān)元件。也可做開關(guān)元件。9.2 光電器件)(lx入射光照度)(mA光電流光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光能直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。能直接

21、轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。光電池可把太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽怆姵乜砂烟柲苤苯愚D(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此又稱為太陽能電池。能，因此又稱為太陽能電池。光電池有較大面積的光電池有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)結(jié)，當(dāng)光照射在光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。故光電池是有源元件。電動勢。故光電池是有源元件。光電池有硒光電池、砷化鎵光電光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。鎘光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。的是硅光電池和硒光電池。9.2 光電器件3 3、光電池基本特性、光電池基本

22、特性硅光電池的價格便宜，硅光電池的價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。接受紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可率低、壽命短，適于接收可見光。見光。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽光譜最吻合，且特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，在宇宙射線的輻射。因此，在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源方面應(yīng)用最廣。的電源方面應(yīng)用最廣。9.2 光電器件（1）光譜特性）光譜特性對不同波長的光，光電池的靈敏對不同波長的光，光電池的靈敏度是不同的。度是不同的。 從硅光電池和硒光電池的光譜特從硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線可知，不同材料的光電池，光性曲線可知，不同材料的光電池，光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不同的，硅光電池波長在同的，硅光電池波長在800nm附近，附近，硒光電池在硒光電池在500nm附近。附近。9.2 光電器件硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為4001200nm，而硒光電池只能為，而硒光電池只能為380750nm。硅光電池可在很寬的波長。硅光電池可在很寬的波長范圍內(nèi)應(yīng)用。范圍內(nèi)應(yīng)用。（2）光照特性）光照特性不同光照射下有