第七章 光电式传感器第七章 光电式传感器 §§ 7 7 －－ 1 1 光电效应光电效应

光电传感器是一种将光学量（光通量、照度）的变化转换为电量（电压、电流）变化的传感器

一、外光电效应 在光线的作用下，金属内的电子逸出金属表面，向外发射的现象称为外光电效应，基于外光电效应的器件有光电管和光电倍增管。

1 ．光电管

E h

20 0

1

2h m A

0A

0

对于光子

－电子逸出功

－电子逸出时速率

AK

h

－入射光的频率

/I mA

光通

量

真空光电管的伏安特性

20

40

60

8

0

4

12

1

6

80

/V V

充气光电管伏安特性

/V V

/I A

2

4

8

12

020

40

60

80

强光

弱光

⑴⑴ 光电子是否产生取决于光子能量，这意味着每一种金光电子是否产生取决于光子能量，这意味着每一种金属物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。光线属物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。光线的频率若低于红线频率，光子能量不足以使物体内电子的频率若低于红线频率，光子能量不足以使物体内电子逸出逸出

⑵⑵ 光的频率不变，光越强，光电子越多，光强意味着光光的频率不变，光越强，光电子越多，光强意味着光子数目多逸出的电子数目也越多子数目多逸出的电子数目也越多

⑶⑶ 光电子逸出时具有初始动能，因此光电管即使没有正光电子逸出时具有初始动能，因此光电管即使没有正向电压也会有电流，为了使光电流为零，必须加反相电向电压也会有电流，为了使光电流为零，必须加反相电压，反相电压与光的频率成正比压，反相电压与光的频率成正比

2 ．光电倍增管

…

阴极K 第一倍

增级 第二倍增级 第三倍

增级第四倍增级

阳极 A

1000 2500V

1R

2R

3R

4R

1D

2D

3D

4D

5R LR

A

K

0U每级电压为 50 ～ 100V ，适用于弱光下工作，强光易损坏光电倍增管

设每级倍增率为 （一个电子能轰击出 个次级电子），设每级倍增率为 （一个电子能轰击出 个次级电子），若有若有 nn 个次阴极，则总的光电流倍增系数为 ， 为个次阴极，则总的光电流倍增系数为 ， 为各级次阴极各级次阴极

电子收集效率。倍增管阳极电流 与阴极电流 的关系为电子收集效率。倍增管阳极电流 与阴极电流 的关系为

nc c

I

0 0

nI I M I c

0I

光电倍增管的放大倍数与极间电压之间的关系

极间所加电压越稳定越好

210

410

100

75

1255025

极间电压 /V

放大

倍数 610

810

光谱特性与阴极所用的材料有关 光谱特性与阴极所用的材料有关

7000 A

25 30%

阴极 锑铯－

银氧铯－红外光源锑铯－紫外光源

可见光范围

灵敏度高

绝大多数高电阻半导体受光照后吸收光子能量，产生电阻率降低而易于导电的现象称为内光电效应。

gE

gE

二、内光电效应二、内光电效应

导带

禁带

价带

自由电子所占能带

不存在电子的能带

价电子所占的能带

电子能量 E －－ 禁带宽度

0gE

h 红限

⒈⒈ 光敏电阻光敏电阻

GR

LR0U

+

－

镀金电极

CdS 半导体

⒉⒉ 光电导材光电导材料料

单质

氧化物

Cd 化合物

Pb 化合物

其它

SeSe G eG e S iS i

ZnOZnO PbOPbO

CdSCdS CdSeCdSe CdTeCdTe

PbSPbS PbSePbSe PbTePbTe

InSbInSb SbSSbS33

⒊⒊ 光敏电阻的特性光敏电阻的特性 ⑴⑴ 暗电阻、亮电阻与光电流暗电阻、亮电阻与光电流 ⑵⑵ 伏安特性伏安特性 ⑶⑶ 光照特性光照特性 ⑷⑷ 光谱特性光谱特性 ⑸⑸ 光敏电阻响应时间 和频率特性光敏电阻响应时间 和频率特性 为光电流上升为稳定值的为光电流上升为稳定值的 6363 ％所需要的时间％所需要的时间 越大，频率特性越差越大，频率特性越差

/I A

/V V

43

5

0

6

12

7

50 100

硫化

铅

硫化铊

光敏电阻的伏安特性

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.61.2

0

光敏电阻的光照特性 光通量 /lm

光电

流/m

A

100

30000

60

80

4020

0 15000

相对

灵敏

度/

％

入射光波长 / A

硫化镉

硫化铊

硫化铅

光敏电阻的光谱特性

相对灵敏度/

％

/Hz

硫化铅

硫化镉

0 1010000

1000100

20

40

60

80

100

光敏电阻的频率特性

§7§7 －－ 33 －－ 2 2 光电池光电池 光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源

一、结构和工作原理一、结构和工作原理

硼扩散层 P 型电极

N 型硅片P-N 结

电极

I

光电池的结构原理图

1.1. 用途 用途 a. a. 作光电探测器使用作光电探测器使用 红外辐射探测器红外辐射探测器 光电读出 光电读出 光电耦合光电耦合 b. b. 作为电源使用作为电源使用 人造卫星 人造卫星 野外灯塔 野外灯塔 微波站微波站

2SiO 膜

PN

－ ＋

LR

光

光电池有方形 圆形 三角形 环形等

P N－ － － ＋ ＋

＋ P N

＋ －

Voc

P N

＋ －mA

/ 1qu KTL SOI I I e

0

ln 1L

SO

IKToc q IV

－－光电池的输出短路电流

－－无光照时 PN 结反向饱和电流

－－电子电量

－－玻尔兹曼常数

－－热力学温度

－－光电池开路输出电压

0q

K

T

ocV

SOI

LI

OCU mV

0.6

0.4

0.2

40002000

0

20

40

60

80

100

0.8

1.0

LI mA

Ge 光电池光电特性

LI mA

0.6

0 2000 4000

0.2100

200

300

0.4

OCU V

Si 光电池光电特性

脉冲光信号变换电路脉冲光信号变换电路

bR LR 0u

ci 1K

0u

－ 10V ＋ 10V

ci 1K

scu

A

1K ciscu

＋ 4V

100

scu2CR

2CR

fR

2 7AD

光电池用以探测缓慢变化光信号的电路

A

相对灵敏度/

％

波长

硒 硅

20

0

8060

40

4000

100

8000

6000

10000

光电池的光谱特性

硒光电池

硅光电池

1500

0

40

20

80

60

3000

100

4500

6000

7500

相对光电流/

％

/Hz

光电池的频率特性

§7§7 －－ 33 －－ 33 光敏二级管和光敏三光敏二级管和光敏三级管级管

一、光敏二级管一、光敏二级管

P N

E

ER

V

I

300lx200lx100lx

光敏二级管的伏安特性

400lx

N P N＋ －

＋

－E

二、光敏三级管二、光敏三级管

0uLR

波长短，光子在半导体表面被吸收，波长长时能量小

三、光电管的特性三、光电管的特性

相对灵敏度/

％

310 A

硅 锗

光电三极管光谱特性

LI A

反向偏压 /V

40

60

0

20

－ 20

－ 10

－ 30

400lx

600lx

800lx

1000lx

硅光电二极管伏安特性

cI mA

V0

2

6

4

10

8

3020

40

400lx

700lx

500lx

600lx

300lx

硅光电三极管伏安特性

LI A

/E lx0

10

200

20

400

30

600

40

800

1000

2CUA

2CU

A2CU

S

硅光电二级管光照特性

6

5

4

3

2

1

0500

1000

LI A

/E lx

硅光电三级管光照特性

3DU

33

3DU52

3DU23

§7§7 －－ 44 新型光电器件新型光电器件

P NI

导带

价带价带

信号光

一、 PIN 光电二级管

PP 型层很薄使光子很快进入型层很薄使光子很快进入 II区区

II区电阻很大可加较高电压区电阻很大可加较高电压

高的电阻使暗电流明显减小，这些产生的光生电子－高的电阻使暗电流明显减小，这些产生的光生电子－

　空穴对将立刻被电场分离并作快速漂移运动　空穴对将立刻被电场分离并作快速漂移运动

II区加入增大了耗尽层厚度区加入增大了耗尽层厚度

减小了结电容减小了结电容 CJCJ ，提高了量子效率，提高了量子效率

漂移时间约为 相当于漂移时间约为 相当于 f=f=１１ KMHzKMHz1010 S

二、雪崩光敏二级管（二、雪崩光敏二级管（ APDAPD ））

0

IM

I

M

0I

P N

　　类似光电倍增管，具有内部电流增益

I －－雪崩倍增光电流

――无雪崩倍增时的反向饱和电流

――倍增因子

1

1d

B

MVV

V

BV

d

　――外加电压

――击穿电压

――常数，约为1 ～ 3

§7§7 －－ 44 －－ 33 色敏光电传感器色敏光电传感器

P

P

N

2SiO电极 1 电极

2

电极3

紫光浅结

红光深结

1.1.浅结对紫外光敏感浅结对紫外光敏感 2.2.深结对红外光敏感深结对红外光敏感 3.3. 不同区域对不同波长分别具有不同灵敏度不同区域对不同波长分别具有不同灵敏度 这一特性为提供识别颜色创造了可能性这一特性为提供识别颜色创造了可能性

2

1

SD

SD

IS

I

2SDI

1SDI

长波 大 短波 大

由实验得出标定曲线，根据标定曲线实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单色光波长

1x

§7 － 4 － 4 光电位置传感器

＋ ＋

－ －2x

1R 2R

1I 2I

N

P

2 2

1 1

R x

R x

2 2 2

1 1 1

I R x

I R x

1I 当两电级间距已知时只要测出 和 的值就可求得光点照射的位置

2I

a

b

a’ b’

平面位置检测原理

§7~5 §7~5 光电传感器基本组成和原理光电传感器基本组成和原理 一、光电式传感器的基本组成一、光电式传感器的基本组成

1x光源 光学通路 光电器件 测量电路

2x1x

1 2 I

1 ．光源―白炽灯、激光器、发光二极管、 ， 射线等x 2 ．光学通路－透镜、棱镜、光栅、光导纤维等

a. a. 直接对光源作用，使 每个参数变化直接对光源作用，使 每个参数变化1x 1

22xb. 被测量 作用于光通路，使 发生变化。

二、光电传感器的基本类型

1 ．透射式A

0p A

p0

P AI F F

映射

A

p

A

0p A

P AI F F

2 ．反射式

A

0p

0PI F F

3 ．辐射式

如光电高温计和炉子燃烧监视装置

A

0p A

P AI F F

4 ．遮挡式

光源与光敏器件间的光路上，有物体时，光路被遮挡，光源与光敏器件间的光路上，有物体时，光路被遮挡， 5.5.开关式开关式

没有物体，光路通畅。没有物体，光路通畅。 开关 光电继电器 计数器开关 光电继电器 计数器