第6章光敏傳感器--參考匯總課件

1、第6章 光敏傳感器1光敏傳感器構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光電元件。應(yīng)用：1、光量變化的非電量；2、能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。特點：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。被測量的變化光信號的變化電信號的變化6.0 引 言什么是光敏傳感器？2光敏傳感器的測量方法可歸納為四種形式。 36.1 概 述6.1.1 光的特性光波是波長為10106nm的電磁波。1000,000 nm10 nm780 nm380 nm可見光紅外光紫外光性質(zhì)：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。41905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)：光在空間傳播時，是不連續(xù)的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運動的粒子流，愛因斯坦把這些不連

2、續(xù)的量子稱為“光量子”。1926年，美國物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”，并沿用至今。每個光子的能量為 E=h可見，光的頻率愈高，光子的能量愈大。56.1.2 光源（發(fā)光器件）1. 白熾光源最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：320 nm2500 nm, 所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。 特點：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。 62. 氣體放電光源利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈即氣體放電燈。它的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放

3、電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。 7汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。 如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如照明日光燈。 氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3。8構(gòu)成：由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成。特點：工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。 3. 發(fā)光二極管（LEDLight Emitting Diode） 9RUNP+-UiD+_原

4、理：當(dāng)加正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，和P區(qū)里的空穴復(fù)合；空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種電子空穴對的復(fù)合同時伴隨著光子的放出，因而發(fā)光。10可供制作發(fā)光二極管的材料見下表：材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350 LED材料11 發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵曲線有兩根，這是因為其材質(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長p。除峰值波長p決定發(fā)

5、光顏色之外，峰的寬度（用描述）決定光的色彩純度，越小，其光色越純。12發(fā)光二極管的光譜特性0.20.40.60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs/nm相對靈敏度13U/V I/mA -10 -5 0 12GaAsP(紅)GaAsP(綠)反向電壓應(yīng)在5V以下!發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線144、激光器激光（Laser: Light amplification by stimu

6、lated emission of radiation）是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一。具有高方向性、高單色性、高亮度和高的相干性四個重要特性。激光波長一般從0.15m到遠(yuǎn)紅外整個光頻波段范圍。X-射線激光器。15激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）液體激光器（染料激光器）。半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）16（1）固體激光器 典型實例是紅寶石激光器，是1960年人類發(fā)明的第一臺激光器（T.Maiman ）。工作物質(zhì)為紅寶石-摻0.05%Cr+3 的Al2O3棒。17（2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。種類：各種原子

7、、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。 18（3）液體激光器種類：螯合物激光器、無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中較為重要的是有機(jī)染料激光器。它的最大特點是發(fā)出的激光波長可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。 19（4）半導(dǎo)體激光器與前幾種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶。其缺點是輸出功率較小。目前半導(dǎo)

8、體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。 2010.2.1 外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。10.2 光電效應(yīng)兩類：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。211887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實驗中首次發(fā)現(xiàn)的；1902年，勒納（Lenard)也對其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時的理論加以解釋 ；1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)。22愛因斯坦光電效應(yīng)方程： 1.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面電子逸出功A。 2. 一定時，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比。3.逸出的

9、光電子具有動能。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。2310.2.2 內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。1光電導(dǎo)效應(yīng) 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)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。 24自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶禁帶導(dǎo)帶價帶 Eg電子能量EhEg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，且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電材料價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。25基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。26勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 光照射PN結(jié)

10、時，若hEg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，電子偏向N區(qū)外側(cè)，空穴偏向P區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動勢。光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。PN27側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，光照部分產(chǎn)生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現(xiàn)了載流子濃度梯度，引起載流子擴(kuò)散，如果電子比空穴擴(kuò)散得快，導(dǎo)致光照部分帶正電，未照部分帶負(fù)電，從而產(chǎn)生電動勢，即為側(cè)向光電效應(yīng)。2810.3.1光電管及其基本特性 結(jié)構(gòu)與工作原理10.3外光電效應(yīng)器件29主要性能（1）光電管

11、的伏安特性 在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管 充氣光電管150100502020lm40lm60lm80lm100lm120lm4681012陰極電壓/VIA/A2010050弱光強(qiáng)光1504681012陰極電壓/VIA/A30（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。圖10-5 光電管的光照特性255075100200.51.52.0/1mIA/ A1.02.511-氧銫陰極2-銻銫陰極31(3) 光電管的光譜特性 一般光電陰極材料不同的

12、光電管對應(yīng)不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。 另外，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限c=700nm，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。32對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。國產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù)33由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達(dá)30級。通常為1214級。使用時在各個倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個倍增電極

13、之間有電位差，因此存在加速電場。10.3.2 光電倍增管及其基本特性34IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT35入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極A36光電倍增管的電流放大倍數(shù)為如果n個倍增電極二次發(fā)射電子的數(shù)目相同,則in 因此陽極電流為i in,M與所加的電壓有關(guān)。一般陽極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50100V。主要參數(shù)：1.倍增系數(shù)M：等于各個倍增電極的2次發(fā)射電子數(shù)i的乘積。37一個光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度.(2) 光電陰極

14、靈敏度和光電管的總靈敏度最大靈敏度可達(dá)10A/lm不能受強(qiáng)光照射。圖10-7 光電倍增管的特性曲線25 50 75 100 125106極間電壓/V倍增系數(shù)M10510410338（3）暗電流和本底電流由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。在其受人眼看不到的宇宙射線的照射后，光電倍增管會有電流信號輸出本底脈沖。4.光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的相似。3910.4 內(nèi)光電效應(yīng)器件10.4.1 光敏電阻1. 光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理AE電極半導(dǎo)體玻璃底板RLEIRG圖10-8 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接40如果把光敏電阻連接到

15、外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大?。?41光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、很長的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、小的體積及工藝簡單，故應(yīng)用廣泛。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。 422. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、光電流光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流為暗電流。在受到光照時的電阻稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差為光電流。43（2）光照特性用于描述光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系

16、。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。0.050.100.150.200.250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0光通量/lm光電流/mA圖10-9 光敏電阻的光照特性44（3）光譜特性硫化鎘的峰值在可見光(380-780)區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時要把元件和光源結(jié)合起來考慮。圖10-10 光敏電阻的光譜特性0 500 1000 1500 2000 250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長/nm相對靈敏度/%45(4) 伏安特性所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。0 10

17、 20 30 40 5050100150200250I/ AU/V 圖10-11 光敏電阻的伏安特性 46（5） 頻率特性時間常數(shù)：光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時間。入射光調(diào)制頻率/Hz相對靈敏度/%0 10 102 103 10420406080100硫化鎘硫化鉛圖10-12 光敏電阻的頻率特性 多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都很大。47(6) 溫度特性峰值隨溫度上升向波長短的方向移動。204060801000 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0/m相對靈敏度（%）+20 C-20 C圖10-13 光敏電阻的光譜溫度特性48初制成的光敏電阻，性能不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照

18、及加負(fù)載情況下，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會有變化，但最后達(dá)到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏電阻的主要優(yōu)點。 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。 （7）穩(wěn)定性4910.4.2 光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。由于它可把太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此又稱為太陽能電池。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN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。50光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。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。硅光電池的價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受

19、紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見光。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。適于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等方面應(yīng)用。511. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖10-14 光電池的結(jié)構(gòu)圖下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。 52圖10-15 光電池的工作原理示意圖RLI+mAV- P N當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩

20、端用導(dǎo)線連起來，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。 532.基本特性（）光譜特性 故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測量儀表。如用照度計測定光的強(qiáng)度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波長/nm0 400 600 800 1000 1200相對靈敏度/%圖10-16 光電池的光譜特性54(2) 光照特性不同光照射下有不同光電流和光生電動勢。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。圖10-17 光電池的光照特性開路電壓0.10.30.2照度/lx0 2000 4000 光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短

21、路電流開路電壓與光強(qiáng)是非線性的，且在2000 lx時趨于飽和。光電池作為測量元件時，應(yīng)把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好。55(3) 頻率特性硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面。光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。圖10-18 光電池的頻率特性20406080100硒光電池硅光電池0 1500 3000 4500 6000 7500相對光電流/%入射光調(diào)制頻率/Hz56(4) 溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。 短路電流隨溫度升高而緩慢增加。 因此作測量元件時應(yīng)

22、考慮進(jìn)行溫補。圖10-19 光電池的溫度特性開路電壓溫度/光生電流/mA1.82.22.0光生電壓/V短路電流1002003004005000 20 40 60 80 1005710.4.3 光敏晶體管1. 光敏二極管光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測等方面的應(yīng)用。RL 光PNPN光58PNRE+-If59RE-+I當(dāng)光照射時，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。PN60612. 光敏三極管集電結(jié)一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且基極一般不接引線。PPN becNNPe bc62普通三極管ICIBeEBECIERCRbc

23、bNNP63ICeECIERCcNNPb基區(qū)很薄，基極一般不接引線；集電極面積較大。光敏三極管643. 光敏晶體管的主要特性(1) 光譜特性 存在一個最佳靈敏度波長2040608010040080012001600入射光波長/nm鍺硅相對靈敏度（%）065(2) 伏安特性01234 5外加電壓（V）20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx與一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。只需把光電流看作基極電流即可。66(3) 光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(A)故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件， 也可做開關(guān)元件近似線性關(guān)系。但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。67(4) 溫度特性暗電流（mA)1030507002550C200400100300 500光電流（ A)103050700C溫度變化對光電流的影響很小，對暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對暗電流進(jìn)行溫度補償。68(5) 頻率特性減小負(fù)載電阻可以提高響應(yīng)頻率，但將使輸出降低