第八章光电传感器

1、第八章 光电传感器 光电传感器 第8章 光电传感器 第8章 光电传感器8.1 8.3 8.4 8.5 8.6 光电传感器的基本效应 光电导效应及光电元件 光电伏特效应及光电元件 ccd图像传感器 应用光路 8.2 外光电效应光电器件 8.7 光电传感器应用思索题与习题 光电传感器 第8章 光电传感器 8.18.1.1 光敏器件所探测的光包括可见光、紫外线和红外光，在 整个电磁辐射的频谱中只占很小一部分。光具有波粒二象性， 沿r方向传播的频率为的单色光可视为一束光子流，其中每个光子具有的能量q和动能e分别为 (8.1) (8.2) 光电传感器 第8章 光电传感器 这样，单色光的辐射功率就可写为p

2、()=a f h (8.3) 量子力学指出，光的放射和汲取是与量子态间的跃迁过 程相联系的，在此过程中，光表现出其粒子性。在放射时， 光源系统由高能态e2向低能态e1跃迁，同时按能量守恒定律 放射光子，即 h=e2-e1 (8.4) 在汲取时，介质汲取光子h后就从低能态e1跃迁到高能 态e2。按能量守恒定律，介质系统跃迁前后的能量差应为 e2-e1=h (8.5) 光电传感器 第8章 光电传感器 即依据能量守恒定律，光源只能发出由式(8.4)描述的光子，只有符合式(8.5)的光子才能被介质汲取。汲取和放射只有在 计及光子动量并听从准动量守恒定则(选择定则)时才能发生。 光在半导体中传播时的衰减

3、是半导体内电子汲取光子后 从低能态向高能态跃迁的结果。在其诸多汲取过程中，本征 汲取是光敏器件的工作基础。本征汲取又称基本汲取，其相 应的跃迁过程是：价带电子汲取了能量大于或等于禁带宽度 的光子后，跃至导带，产生自由电子，并在价带留下自由空 穴。因此，在本征汲取时，每汲取一个光子，就产生一个电 子-空穴对。由于在本征汲取过程中被汲取的光子要满意的 条件是 h=eg (8.6) 光电传感器 第8章 光电传感器 8.1.2半导体光电效应是半导体中束缚电子在汲取光子后所产 半导体光电效应可分为外光电效应和内光电效应两大类。 半导体内的电子在汲取光子后，如能克服表面势垒逸出 半导体表面，则会产生外光电

4、效应。光电管、光电倍增管等 半导体内的电子在汲取光子后不能跃出半导体，所产生 的电学效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分 为光电导效应和光生伏特效应。内光电效应的种类许多，可 光电传感器 第8章 光电传感器 8.28.2.1 光电管的结构如图8.1所示。在一个抽成真空的玻璃泡 内装有两个电极：阳极和光电阴极(简称阴极)。当阴极受到 适当波长的光线照耀时便放射光电子，光电子被带正电位的 阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电子流，输出电压。光电流的大小与照耀在光电阴极上 的光强度成正比，并与光电阴极的 材料有关。当光通量肯定 时，真空光电管阳极电压与阳极电流的伏安特

5、性曲线见图8.2 光电传感器 第8章 光电传感器 图8.1 光电管的结构 光电传感器 第8章 光电传感器 图8.2 真空光电管的伏安特性曲线 光电传感器 第8章 光电传感器 光电管除真空光电管外，还有充气光电管。这两种光电管的结构基本相同，所不同的只是在充气光电管的玻璃泡内 充有少量的惰性气体，如氩或氖。当光电极被光照耀而放射 电子时，光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子使其 电离，从而使阳极电流急速增加，提高了光电管的灵敏度。 但其稳定性、频率特性等都比真空光电管的差。图8.3给出 光电传感器 第8章 光电传感器 图8.3 充气光电管的伏安特性曲线 光电传感器 第8章 光电传感器 8.2

6、.2光电倍增管的结构如图8.4所示。它在玻璃管4内由光电 阴极1(k)、若干个倍增极2(dn,n=414)和阳极3(a)三部分 组成。由肯定材料制成的光电阴极k受入射光照耀时，可 放射出光电子，形成光电流i。因倍增极和阳极上加有肯定 的电位(图中经分压电阻获得),故光电阴极放射的光电子被 第一倍增极d1的正电压所加速，而轰击第一倍增极d1,打 击出二次电子。同样，二次电子又被其次倍增极d2的正电 压所加速，而轰击其次倍增极d2,打击出更多的二次电子。 依次下去，最终全部二次电子被带正电位的阳极a所收集， 形成光电流i。假如在光电阴极上由于入射光的作用放射出 光电传感器 第8章 光电传感器 一个

7、电子， 则这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极。设这时第一倍增极有个二次电子发出， 这个电子又轰击其次倍增极，而其产生的二次电子又增加 倍。经过n个倍增极后，原先一个电子将变为 n个电子。这 些电子最终被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流 i,则 i=in 故输出电压 usc=ir=inr (8.8) (8.7) 光电传感器 第8章 光电传感器 图8.4 光电倍增管的结构 光电传感器 第8章 光电传感器 8.38.3.1 光敏电阻的光谱特性是选择光敏电阻器的重要依据。根 据光敏电阻的光谱特性，目前常用的有三种光敏电阻器：紫 紫外光敏电阻器对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉

8、红外光敏电阻器主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化 铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测 光电传感器 第8章 光电传感器 可见光光敏电阻器包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等，主要用于各种光电 掌握系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明 系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动 爱护装置和位置检测，零件的厚度检测，照相机自动曝光装 置，光电码盘，光电计数器， 烟雾报警器，光电跟踪系统等。 图8.5为某光敏电阻的结构及电路符号。用来制作光敏 电阻的典型材料有硫化镉(cds)及硒化镉(cdse)等。 光电传感器 第8章 光电传感器

9、图8.5 某光敏电阻的结构及电路符号 光电传感器 第8章 光电传感器 8.3.21. 光敏电阻在未受到光照耀时的阻值称为暗电阻，此时流 过的电流称为暗电流。光敏电阻受到光照耀时的电阻称为亮 电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称 为光电流。一般暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵敏 光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级，亮电阻在 几千欧以下。暗电阻与亮电阻之比一般在102106 光电传感器 第8章 光电传感器 2.一般光敏电阻(如硫化铅、硫化铊)的伏安特性曲线如图 8.6所示。由该曲线可知，所加的电压越高，光电流越大， 而且没有饱和现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光 图8.6 光敏电阻的伏安特性曲线 光电传感器 第8章 光电传感器 3.光敏电阻的光照特性用于描述光电流和光照强度之间的 关系。不同光敏电阻的光照特性是不相同的。绝大多数光敏 电阻的光照特性曲线是非线性的，如图8.7 图8.7 光敏电阻的光照特性曲线 光电传感器 第8章 光电传感器 4.常用光敏电阻材料的光谱特性曲线如图8.8所示。 图8.8 常用光敏电阻材料的光谱特性曲线 光电传感器 第8章 光电传感器 5.随着温度不断上升，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下 降，同时温度变化也影响它的光谱特性曲线。图8.9示出了 硫化铅的光敏温度特性曲线。从图中可以看出，它的峰值随 着温度上升向