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1、第3章光电式传感器第第3章章光电式传感器光电式传感器光光电电传传感感器器是是各各种种光光电电检检测测系系统统中中实实现现光光电电转转换换的的关关键键元元件件，它它是是把把光光信信号号（红红外外、可可见见及及紫紫外外光光辐辐射射）转转变变成成为为电电信信号号的的器器件件。其其工工作作原原理理是是基于一些物质的光电效应。基于一些物质的光电效应。可用于检测直接引起光强变化的可用于检测直接引起光强变化的非电量非电量，如，如光强、辐射测光强、辐射测温、气体成分分析温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的等；也可用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如其它非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速
2、度、加零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度速度等。等。第3章光电式传感器第一节第一节概述概述第二节第二节外光电效应器件外光电效应器件第三节第三节内光电效应器件内光电效应器件第四节第四节新型光电传感器新型光电传感器第五节第五节光敏传感器的应用举例光敏传感器的应用举例第3章光电式传感器一、光谱一、光谱光波光波：波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm紫外线：紫外线：波长波长10380nm，波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线波长波长10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线：红外线：
3、波长波长780106nm波长波长3m（即（即3000nm）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 概概 述述第3章光电式传感器远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外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
4、波长和频率的关系为的单位为Hz，的单位为cm。=31010cm/s第3章光电式传感器二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1 1、钨丝白炽灯、钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的连续的发发光光范范围围：可见光、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。特特点点：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3章光电式传感器2 2、气体放电灯、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。利用电流通过气体产
5、生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不不连连续续的，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单色色光光源源。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，目前荧光剂的选择范围很广，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3章光电式传感器3 3、发光
6、二极管、发光二极管LED（LightEmittingDiode）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3章光电式传感器4 4、激光器、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之
7、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3章光电式传感器三、光电效应三、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外光电效应和内光电效应两大类1 1、外光电效应、外光电效应在在光光照照射射下下，物物体体内内的的电电子子逸逸出出物物体体表表面面向向外外发发射射的的现现象象称称为为外外光
8、光电电效效应应。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；光的频率（s-1）第3章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。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。注：注：1921年爱因斯坦因发现光电效应而获诺贝尔奖年爱因斯坦
9、因发现光电效应而获诺贝尔奖。第3章光电式传感器n光光电电子子能能否否产产生生，取取决决于于光光电电子子的的能能量量是是否否大大于于该该物物体体的的表表面面电电子子逸逸出出功功A0。不不同同的的物物质质具具有有不不同同的的逸逸出出功功，即即每每一一个个物物体体都都有有一一个个对对应应的的光光频频阈阈值值，称称为为红红限限频频率率或或波波长长限限。光光线线频频率率低低于于红红限限频频率率，光光子子能能量量不不足足以以使使物物体体内内的的电电子子逸逸出出，因因而而小小于于红红限限频频率率的的入入射射光光，光光强强再再大大也也不不会会产产生生光光电电子子发发射射；反反之之，入入射射光光频频率率高高于于
10、红红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。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，意味着入射光子数目越多，逸出的正比。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。电子数也就越多。n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，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，光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且
11、截止电压与入射光的频率成正比。而且截止电压与入射光的频率成正比。第3章光电式传感器2.内光电效应内光电效应内光电效应分为两类,光电导效应光电导效应和光生伏特效应光生伏特效应。(1).光电导效应光电导效应入入射射光光强强改改变变物物质质导导电电率率的的物物理理现现象象,叫叫光光电电导导效效应应。这这是是由由于于,在在入入射射光光作作用用下下,电电子子吸吸收收光光子子能能量量,从从价价带带激激发发到到导导带带,过过渡渡到到自自由由状状态态,同同时时价价带带也也因因此此形形成成自自由由空空穴穴,致致使使导导带带的的电电子子和和价价带带的的空空穴穴浓浓度度增增大大,引引起起材材料料电电阻阻率率减减小小
12、。为为使使电电子子从从价价带带激激发发到到导导带带,入入射射光光子子的的能能量量E0应应大大于于禁禁带带宽宽度度Eg,如如图图3.1所所示示,即即光光的的波波长应小于某一临界波长长应小于某一临界波长0。第3章光电式传感器式中,Eg以电子伏(eV)为单位(1eV=1.601019J),c为光速(m/s)。0也称为截止波长。根据半导体材料不同的禁带宽度可得相应的临界波长。图3.1能带图第3章光电式传感器图3.2光电导元件工作示意图第3章光电式传感器图图3.2为为光光电电导导元元件件工工作作示示意意图图。图图中中光光电电导导元元件件与与偏偏置置电电源源及及负负载载电电阻阻RL串串联联。当当光光电电导
13、导元元件件在在一一定定强强度度的的光光的的连连续续照照射射下下,元元件件达达到到平平衡衡状状态态时时,输输出出的的短短路电流密度为路电流密度为(3.2)式式中中,为为内内光光量量子子效效率率(为为光光强强生生成成的的载载流流子子数数与与入入射射光光子子数数之之比比),c为为多多数数载载流流子子的的迁迁移移率率,c为为多多数数载载流流子子寿寿命命,d为为两两电电极极间间距距。其其它它符符号号含含义义见见(3.1)式式。可可以以看看出出,i0在在波波长长决决定定之之后后与与P成成正正比比,在在P一一定定时时,与与光波长光波长成正比。成正比。第3章光电式传感器(2).光生伏特效应光生伏特效应光光生生
14、伏伏特特效效应应就就是是半半导导体体材材料料吸吸收收光光能能后后,在在PN结结上上产产生生电电动动势势的的效效应应。若若在在N型型硅硅片片掺掺入入P型型杂杂质质可可形形成成一一PN结结。P型型半半导导体体内内有有许许多多多多余余的的空空穴穴,N型型半半导导体体内内有有许许多多过过剩剩的的电电子子,当当N型型半半导导体体和和P型型半半导导体体结结合合在在一一起起时时,由由于于热热运运动动,N型型半半导导体体中中的的电电子子越越过过交交界界面面填填补补了了P型型半半导导体体中中的的空空穴穴,也也可可以以说说P型型半半导导体体中中的的空空穴越过交界面复合了穴越过交界面复合了N型半导体中的电子型半导体
15、中的电子。第3章光电式传感器图3.3PN结产生光生伏特效应光线照射光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带，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，被光激发的空穴移区外侧，被光激发的空穴移向向P区外侧，从而使区外侧，从而使P区带正电，区带正电，N区带负电，形成区带负电，形成光电动势光电动势。第3章光电式传感器3.热释电效应热释电效应利利用用热热效效应应的的光光电电传传感感器器包包含含光光-热热、热热-电电,两两个个阶阶段
16、段的的信信息息变变换换过过程程。光光-热热阶阶段段是是物物质质吸吸收收了了光光以以后后温温度度升升高高,热热-电电阶阶段段是是利利用用某某种种效效应应将将热热转转变变为为电电信信号号。热释电效应就是这种效应之一。热释电效应就是这种效应之一。热释电材料有晶体、陶瓷和塑料等。使用最早的是热释电晶体。热热释释电电晶晶体体在在自自然然条条件件下下能能够够自自发发极极化化,形形成成固固有有的的偶偶极极矩矩,在在垂垂直直晶晶体体极极轴轴的的两两个个端端面面上上具具有有大大小小相相等等、符符号号相相反反的的束束缚缚电电荷荷。如如果果垂垂直直晶晶体体极极轴轴的的两两个个端端面面上上镀镀有有金金属属电电极极,则
17、则在在电电极极上上会会感感生生与与束束缚缚电电荷荷大大小小相相等等的自由电荷。的自由电荷。第3章光电式传感器当当温温度度变变化化时时,电电偶偶极极矩矩会会发发生生变变化化,晶晶体体表表面面的的束束缚缚电电荷荷发发生生变变化化,从从而而导导致致电电极极上上的的自自由由电电荷荷发发生生变变化化。如如果果电电极极与与放放大大器器的的输输入入端端相相接接,则则放放大大器器输输出出与与温温度度变变化化成成正正比比的的电电信信号号。通常极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集在晶体外表面的自由电荷中和,晶体对外不显电性。中和平均时间为第3章光电式传感器图3.5热释电效应示意图为为了了使使产产生生的的束束缚缚电
18、电荷荷不不被被中中和和掉掉,就就必必须须使使晶晶体体处处于于冷冷热热交交变变工工作作状状态态,这这样样才才能能使使晶晶体体两两端端所所产产生生的的束束缚缚电电荷荷表表现现出出来来。为为此此,热热释释电电传传感感器器需需要要用用光光调调制制器器调调制制入入射射光光。调调制制频频率率f必必须须大大于于1/,才才能能使使热热释释电电体体产产生生的的电电荷荷来来不不及及被外来自由电荷所中和被外来自由电荷所中和,在晶体极轴两端产生交变电压在晶体极轴两端产生交变电压.第3章光电式传感器若若在在热热释释电电体体两两端端的的电电极极上上接接入入电电阻阻R,则则R两两端端所所产产生的交流信号电压生的交流信号电压
19、U为为式式中中,S为为电电极极面面积积,dPS/dt为为自自发发极极化化矢矢量量对对时时间间的的相相对对变变化化,g=dPS/dT为为热热释释电电系系数数,dT/dt为为温温度度对对时时间间的的变变化化率率。由由此此看看出出,输输出出信信号号U与与温温度度变变化化速速度度成成正正比比,而而温温度度的的变变化化速度又与红外线的强度变化有关。速度又与红外线的强度变化有关。利用热释电效应可制成利用热释电效应可制成红外探测器、红外探测器、温度传感器、热成像器件等。温度传感器、热成像器件等。第3章光电式传感器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
20、管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图光阳极光电阴极光窗1.结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。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。第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件第3章光电式传感器光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1）光电管的伏安特性2.2.主要性能主要性能在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的
21、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4.2-2光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/A第3章光电式传感器（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。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极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。
22、光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.51第3章光电式传感器（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3章光电式传感
23、器国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%30%。它适用于白光光源白光光源，因而被广泛地应用于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，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。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，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；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8000Hz时
24、，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。第3章光电式传感器用用光光电电管管对对微微弱弱光光进进行行检检测测时时,光光电电管管产产生生的的光光电电流流很很小小,由由于于放放大大部部分分所所产产生生的的噪噪声声比比决决定定光光电电管管本本身身检检测测能能力力的的光光电电流流散散粒粒效效应应噪噪声声大大得得多多,检检测测极极其其困困难难。若若要要解解决决对对微微弱弱光光的的检检测测,就就要要用用光光电电倍倍增增管管。光光电电倍倍增增管管是是利利用用二二次次电电子子释释放放效效应应,将将光光电电流流在在管管内内部部进进行行放放大大。所所谓谓二二次次电电子子释释放放效效应应是是指指高高速电子撞击固体
25、表面速电子撞击固体表面,再发射出二次电子的现象。再发射出二次电子的现象。二、光电倍增管及其基本特性第3章光电式传感器图图3.15为光电倍增管示意图。它由为光电倍增管示意图。它由光电阴极、若光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。干倍增极和阳极三部分组成。第3章光电式传感器图3.17几种常见光电倍增管的结构第3章光电式传感器图3.18几种光电倍增管的外形第3章光电式传感器1.光敏电阻的结构原理光敏电阻的结构原理光光敏敏电电阻阻的的工工作作原原理理是是基基于于光光电电导导效效应应:在在无无光光照照时时,光光敏敏电电阻阻具具有有很很高高的的阻阻值值;在在有有光光照照时时,当当光光子子的的能能量量大大于
26、于材材料料禁禁带带宽宽度度,价价带带中中的的电电子子吸吸收收光光子子能能量量后后跃跃迁迁到到导导带带,激激发发出出可可以以导导电电的的电电子子-空空穴穴对对,使使电电阻阻降降低低;光光线线愈愈强强,激激发发出出的的电电子子-空空穴穴对对越越多多,电电阻阻值值越越低低;光光照照停停止止后后,自自由由电电子子与与空空穴穴复复合合,导导电电性性能能下下降降,电电阻阻恢恢复原值。复原值。第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件第3章光电式传感器光敏电阻具有灵敏度高,光谱响应范围宽,体积小,重量轻,机械强度高,耐冲击,抗过载能力强,耗散功率大,以及寿命长等特点。图3.20光敏电阻结构图第3章光电式传感
27、器图3.21光敏电阻的电极构造第3章光电式传感器2.光敏电阻的基本特性和主要参数光敏电阻的基本特性和主要参数1)暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流室室温温条条件件下下,光光敏敏电电阻阻在在全全暗暗后后经经过过一一定定时时间间测测得得的的电电阻阻值值,称称为为暗暗电电阻阻。此此时时在在给给定定工工作作电电压压下下流流过过光光敏敏电电阻的电流称为阻的电流称为暗电流暗电流。光光敏敏电电阻阻在在某某一一光光照照下下的的阻阻值值,称称为为该该光光照照下下的的亮亮电电阻阻,此时流过的电流称为此时流过的电流称为亮电流亮电流。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。亮阻与暗阻之差越大，说明光敏电阻
28、性能越好。亮阻与暗阻之差越大，说明光敏电阻性能越好。第3章光电式传感器图3.22光敏电阻的光照特性2)光照特性光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻称为光敏电阻的光照特性。的光照特性。第3章光电式传感器3)光谱特性光谱特性光光敏敏电电阻阻对对不不同同波波长长的的光光,光光谱谱灵灵敏敏度度不不同同,而而且且不不同同种种类类光光敏敏电电阻阻峰峰值值波波长长也也不不同同。光敏电阻的光谱灵敏度和峰值波长与所采用材料、掺杂浓度有关。图3.23为硫化镉、硫化铅、硫化铊光敏电阻的光谱特性曲线。由图可见,硫化镉光敏电阻的光谱响应峰值在可见光区域,接近人的视觉特性
29、;而硫化铅在红外区域。在选用光敏电阻时,应和光源的光谱特性相匹配,以取得好的效果。第3章光电式传感器图3.23光敏电阻的光谱灵敏度第3章光电式传感器4)伏安特性伏安特性在在一一定定照照度度下下,光光敏敏电电阻阻两两端端所所加加的的电电压压与与光光电电流流之之间间的的关关系系,称称为为伏伏安安特特性性。硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线如图3.24所示。由曲线可知,在给定的偏压下,光照度越大,光电流也越大;在一定的光照度下,电压越大,光电流越大,且没有饱和现象。但是不能无限制地提高电压,任何光敏电阻都有最大额定功率,最高工作电压和最大额定电流。超过最大工作电压和最大额定电流,都可能导致光敏电阻永久性损
30、坏。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的,而光敏电阻的耗散功率又与面积大小以及散热条件等因素有关。第3章光电式传感器图3.24光敏电阻的伏安特性第3章光电式传感器5)响应时间和频率特性响应时间和频率特性在阶跃脉冲光照射下,光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值,光照停止后,光电流也要经历一段时间才下降到零。这是光电导的驰豫现象,通常用响应时间来描述。响应时间又分为上升时间t1、t2和下降时间t1、t2,如图3.25所示。第3章光电式传感器图3.25光敏电阻的响应时间第3章光电式传感器常用时间常数来描述响应时间的长短。产品说明中也往往给出时间常数的值,多数光敏电阻时间常数在10-61
31、s数量级。实验表明:光敏电阻的响应时间与前历时间有关,在暗处放置时间越长,响应时间越长;响应时间也与照度有关,照度越大,响应时间越短。由于不同材料的光敏电阻有不同的响应时间,因而它们的频率特性也不相同。图3.26表示不同材料光敏电阻的频率特性,即相对光谱灵敏度与照度调制频率的关系曲线。在光电器件中,光敏电阻的响应速度最慢,因此,利用其作开关元件仅适用于低速的情况。第3章光电式传感器图3.26光敏电阻的频率特性第3章光电式传感器图3.27硫化镉光敏电阻的温度特性曲线6)温度特性温度特性当温度升高时,光敏电阻的暗电阻和灵敏度都下降,因此光电流随温度升高而减小。第3章光电式传感器温度变化不仅影响灵敏
32、度、暗电阻,而且对光敏电阻的光谱特性也有很大影响,随温度升高,峰值波长向短波方向移动。因此,对光敏电阻灵敏面降温可提高对长波长的响应。图3.28为硫化铅光敏电阻在不同温度的光谱特性曲线。第3章光电式传感器3.5.4光电二极管和光电三极管光电二极管和光电三极管光光电电二二极极管管是是利利用用PN结结单单向向导导电电性性的的结结型型光光电电器器件件,结结构构与与一一般般二二极极管管类类似似。PN结结安安装装在在管管的的顶顶部部,便便于于接接受受光光照照。外外壳壳上上面面有有一一透透镜镜制制成成的的窗窗口口以以使使光光线线集集中中在在敏敏感感面面上上。为为了了获获得得尽尽可可能能大大的的光光生生电电
33、流流,PN结结的的面面积积比比一一般般二二极极管管要要大大。为为了了光光电电转转换换效效率率高高,PN结结的的深深度度较较一一般般二二极极管管浅浅。光光电电二二极极管管电电路路原原理理如如图图3.33所所示示。光光电电二二极极管管可可工工作作在在两两种种工工作作状状态态。大大多多数数情情况况下下工工作作在在反向偏压反向偏压状态。状态。第3章光电式传感器图3.33光电二极管结构原理图第3章光电式传感器光电二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，光电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，受光照射时，PN结附结附近受光子
34、轰击，吸收其能量而产生电子近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从空穴对，从而使而使P区和区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在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，外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子区的少数载流子渡越阻挡层进入渡越阻挡层进入N区，区，N区的少数载流子渡越阻挡层区的少数载流子渡越阻挡层进入进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这结的反向电流大为增加，这就形成了光电流就形成了光电流。光电二极管的光电流I 与照度之间呈线性关系。光电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3章光电式传感器另一种工作状态
35、是在光电二极管上不加电压，另一种工作状态是在光电二极管上不加电压，利用利用PN结受光照时产生正向电压的原理，将其结受光照时产生正向电压的原理，将其作为微型光电池用。这种工作状态一般用作光作为微型光电池用。这种工作状态一般用作光电检测。电检测。第3章光电式传感器光电三极管与光电二极管相似,不过内部有两个PN结,类似一般三极管也有PNP型和NPN型。和一般三极管不同的是它的发射极一边尺寸很小,以扩大光照面积,如图3.34（a）所示。它它可可以以等等效效看看作作一一个个光光电电二二极极管管和和一一只只晶晶体体三三极极管管的的结结合合,如图3.34（b）所示。当基极开路时,基极集电极处于反偏,有光照时
36、形成的光电流ICO作为基极电流被晶体管放大,其放大原理与一般晶体三极管相同,这样ICO被放大倍,一般放大倍数为几十,因此光电三极管的灵敏度比光电二极管的灵敏度高几十倍。第3章光电式传感器图3.34光电三极管结构原理图第3章光电式传感器1.光电管的基本特性光电管的基本特性1)光谱特性光谱特性图3.35为光电二极管的光谱特性曲线,光电三极管的光谱特性曲线与光电二极管的相似。由图可见,当入射光的波长增加时,相对灵敏度要下降,这是因为光子的能量h太小,不足以激发出电子-空穴对。当入射光波长太短时相对灵敏度也下降,这是因为光子在半导体表面附近激发的电子空穴在半导体表面附近便被吸收,不能达到PN结。第3章
37、光电式传感器图3.35光电管的光谱特性曲线由图可知,材料不同,响应的峰值波长也不同。因此,应根据光谱特性来确定光源和光电器件的最佳匹配。一般来讲，锗管的暗电流较大,因此性能较差,故在可见光或探测赤热状态物体时,一般都用硅管。但对红外光进行探测时,则锗管较为适宜。第3章光电式传感器2)光照特性光照特性光照特性反映集电极输出电流IC和照度EC之间的关系,如图3.36所示。三极管的光照特性曲线线性不太好,在大电流时有饱和现象。光电二极管在反向偏压的作用下,光照特性曲线有良好的线性。第3章光电式传感器3)伏安特性伏安特性图3.37为光电管的伏安特性。由图可见,光电管的伏安特性与一般晶体三极管类似,差别
38、在于参变量不同:晶体三极管的参变量为基极电流,而光电管的参变量是入射的光照度。光电三极管的光电流比相同管型的二极管大好几十倍,而且在零偏压时,二极管有光电流输出(如(a)所示),而三极管没有(如(b)所示)。第3章光电式传感器图3.37光电管的伏安特性（a）二极管；（b）三极管第3章光电式传感器4)温度特性温度对光电管暗电流和光电流的影响,如图3.38所示。从图可见,温度变化对光电流的影响很小,而对暗电流影响很大。暗电流随温度升高是由于热激发造成的。在高温低照度下工作时,由于温度升高而产生的电流变化是一个必须考虑的误差信号。当交流放大时,由于隔直电容的作用,暗电流被隔断,因此消除了温度升高及暗
39、电流增加对输出的影响。第3章光电式传感器图3.38温度对光电管暗电流和光电流的影响第3章光电式传感器案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。与光敏晶体管组合来测量位移。光电鼠标的工作原理是：在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二光电鼠标的工作原理是：在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面。然后将光电鼠标底部表面反射回极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）
40、内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。成光标的定位。第3章光电式传感器案例：案例：光电鼠标就是利
41、用光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。与光敏晶体管组合来测量位移。光电鼠标通常由以下部分组成：光学感应器、光学透镜、光学感应器、光学透镜、发光二极管、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、连线、发光二极管、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、连线、PS/2或或USB接口、外壳等。接口、外壳等。第3章光电式传感器通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。目的。案例：案例：亮度传感器：亮度传感器：第3章光电式传感器3.5.5光电池光
42、电池光光电电池池是是利利用用光光生生伏伏特特效效应应把把光光直直接接转转变变成成电电能能的的器器件件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。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。+-PN第3章光电式传感器命命名名方方式式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)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，转转换换效效率率高高，寿寿命命长长，适适于于接接受红外光受红外光。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
43、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，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。第3章光电式传感器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。当当光光照照到到PN结结区区时时，如如果果光光子子能能量量足足够够大大，将将在在结结区区附附近近激激发发出出电电子子-空空穴穴对对，在在N区区聚聚积积负负电电荷荷，P区区聚聚积积正正电电荷荷，这这样样N区区和和P区区之之间间出出现现电电位位差差。若将PN结两端
44、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。1.1.光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理+光PNSiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图P N第3章光电式传感器光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)图4.3-17光电池符号和基本工作电路第3章光电式传感器太阳能电池的应用太阳能电池的应用第3章光电式传感器图3.47光电池的光谱特性2.光电池的基本特性光电池的基本特性1)光谱特性光谱特性光电池的光谱特性如图光电池的光谱特性如图3.47所示。从图中可知所示。从图中可知
45、,不不同材料的光电池同材料的光电池,峰值波长不同。峰值波长不同。第3章光电式传感器图3.48硅光电池的光照特性2)光照特性光照特性硅光电池的短路电流与光照有较好的线性关系硅光电池的短路电流与光照有较好的线性关系,而开路而开路(负负载电阻载电阻RL趋于无限大时趋于无限大时)电压与照度的关系是非线性的电压与照度的关系是非线性的（呈对数关系）（呈对数关系）,而且在光照度而且在光照度2000lx时就趋向饱和了。时就趋向饱和了。短路电流开路电压第3章光电式传感器因因此此,光光电电池池作作为为测测量量元元件件使使用用时时,应应利利用用短短路路电电流流与与照照度度有有较较好好线线性性关关系系的的特特点点,可
46、可当当作作电电流流源源使使用用,而而不不宜宜当当作作电电压压源源使使用用。所所谓谓短短路路电电流流是是指指外外接接负负载载电电阻阻远远小小于于光光电电池池内内阻阻时时的的电电流流。从从实实验验可可知知,负负载载越越小小,光光电电流流与与照照度度之之间间的的线线性性关关系系越越好好,而而且且线线性性范范围围越越宽宽。负负载载在在100以以下下,线线性性还还是是比比较较好好的的,负负载载电电阻阻太太大大,则则线性变坏。线性变坏。第3章光电式传感器3)频率特性频率特性光电池的频率特性是指相对输出电流与光的调制频率之间的关系。所谓相对输出电流是指高频输出电流与低频最大输出电流之比。图3.50是光电池的
47、频率特性曲线。在光电池作为测量、计算、接收器件时,常用调制光作为输入。由图可知硅光电池具有较高的频率响应（曲线2）,而硒光电池则较差（曲线1）。因此,在高速计数的光电转换中一般采用硅光电池。第3章光电式传感器图3.50光电池的频率特性曲线第3章光电式传感器4)温度特性光电池的温度特性是指开路电压Uoc和短路电流Isc随温度变化的关系。图3.51为硅光电池在照度为1000lx下的温度特性曲线。由图可知,开路电压随温度上升下降很快,但短路电流随温度的变化较慢。温度特性影响应用光电池的仪器设备的温度漂移,以及测量精度或控制精度等重要指标。当其用作测量器件时,最好能保持温度恒定或采取温度补偿措施。第3
48、章光电式传感器图3.51硅光电池的温度特性曲线第3章光电式传感器5)伏安特性所谓伏安特性,是在光照一定的情况下,光电池的电流和电压之间的关系曲线。图3.52画出了按图3.46所示电路测量的、硅光电池在受光面积为1cm2的伏安特性曲线。图中还画出了0.5、1、3k的负载线。负载线（如0.5k）与某一照度(如900lx)下的伏安特性曲线相交于一点(如A),该点(A)在I和U轴上的投影即为在该照度（900lx)和该负载（0.5k）时的输出电流和电压。第3章光电式传感器图3.52硅光电池的伏安特性曲线第3章光电式传感器6)稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当稳定的,使用
49、寿命也很长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外,在很大程度上还与使用环境条件有密切关系。如在高温和强光照射下,会使光电池的性能变坏,而且降低使用寿命,这在使用中要加以注意。第3章光电式传感器3.电路分析和计算电路分析和计算1)作电流源使用作电流源使用光电池短路电流与照度有较好的线性关系,作为测量元件使用时,常当作电流源使用。光电池的受光面积,一般要比光电二极管和光电三极管大得多,因此它的光电流比后两者大,受光面积越大光电流也越大,适于需要输出大电流的场合。第3章光电式传感器2)作电压源使用作电压源使用硅光电池的开路（负载电阻RL趋于无限大时）电
50、压与照度的关系是非线性的,因此,作为测量元件使用时,一般不宜当作电压源使用。而且硅光电池的开路电压最大也只有0.6V左右,因此如果希望得到大的电压输出,不如采用光电二极管和光电三极管,因为它们在外加反向电压下工作,可得到几伏甚至十几伏的电压输出。但如果照度跳跃式变化,如从零跳变至某值,对电压的线性关系无要求,光电池可有0.5V左右(开路电压)的电压变化,亦可适合于开关电路或继电器工作状态。第3章光电式传感器3 3、光电池应用、光电池应用光电池主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将太阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。