传感器原理光传感器

1、传感器技术传感器技术主讲：吴秋宁主讲：吴秋宁第五章第五章 光传感器光传感器 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光传感器是各种光电检测系统中实现光电转换光传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件外光辐射）转变成为电信号的器件。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

2、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：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 述述远紫外远紫外近紫外近紫外可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.050.55波长波长/mm光的波长与频率的关系由光速确定，真

3、空中的光速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，通常c31010cm/s。光的波长光的波长和频率和频率的关系为的关系为的单位为的单位为Hz，的单位为的单位为cm。=31010cm/s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灯的辐射光谱是连续的。连续的。发光范围发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何：可见光外、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。光敏元件都能和它配合接收到光信号。2

4、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。定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是气体放电灯的光谱是不连续不连续的，光谱与气体的种的，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料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。它们经常用作光电检测仪器的射。它们经常用作光电检测仪器的单色光源单色光源。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。3 3、发光二极管、发光二极管LED（LightEmittingD

5、iode）由半导体由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、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。寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体在半导体PN结中，结中，P区的空穴由于扩散而移动到区的空穴由于扩散而移动到N区，区，N区的电子则扩散到区的电子则扩散到P区，在区，在PN结处形成势垒（内结处形成势垒（内电场），从而抑制了空穴和电子的继续扩散。电场），从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当当PN结结上加有正向电压时，势垒（内电场）降低，电子由上加有正向电压时，势垒（内电场）降低，电子由N区区注入到注入到P区，空穴则由区，空穴则由P区注入到

6、区注入到N区，称为少数载流子区，称为少数载流子注入。注入。所注入到所注入到P区里的电子和区里的电子和P区里的空穴复合区里的空穴复合，注，注入到入到N区里的空穴和区里的空穴和N区里的电子复合区里的电子复合，这种复合同时，这种复合同时伴随着以伴随着以光子形式放出能量光子形式放出能量，因而有发光现象。，因而有发光现象。4 4、激光器、激光器激光是激光是20世纪世纪60年代出现的最重大科技成就之年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光到远红外整个光频波段范围。频波段范围。激光器

7、种类激光器种类繁多，按工作物质分类：繁多，按工作物质分类：u固体固体激光器（如红宝石激光器）激光器（如红宝石激光器）u气体气体激光器（如氦激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳氖气体激光器、二氧化碳激光器）激光器）u半导体半导体激光器（如砷化镓激光器）激光器（如砷化镓激光器）u液体液体激光器。激光器。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。量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为光电效应。光电效应分为外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应两两

8、大类大类1 1、外光电效应、外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光称为外光电效应。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电子。基于外光电效应的光电器件有光电管光电管、光电倍光电倍增管增管等。等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子根据爱因斯坦假设，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

9、表面逸出，必的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使须使光子的能量大于该物体的表面逸出功光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应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属释放电子所需时间不超过10- -9s。根据能量守恒定理根据能量守恒定理式中式中m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度。电子逸出速度。02021Amh该方程称为爱因斯坦光电效应方程。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。n光电子能否产生，光电子能否产生，取决于光电子的能量是否

10、大于该物取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限或波长限。光线频率低于。光线频率低于红限频率红限频率，光子能量不足以使，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，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。

11、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。当光照射在物体上，使

12、物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生发生变化，或产生光生电动势的现象变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电效应分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类：两类：（1）光电导效应光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。器件有

13、光敏电阻。2 2、内光电效应、内光电效应过程：过程：当光照射到半导体材料上时，当光照射到半导体材料上时，价带价带中的电子受中的电子受到能量大于或等于到能量大于或等于禁带宽度禁带宽度的光子轰击，并使其由的光子轰击，并使其由价价带带越过越过禁带禁带跃入导带，如图，使材料中跃入导带，如图，使材料中导带内的电子导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg电子能级示意图电子能级示意图材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光材料的光

14、导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有，只有波长小于波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。增加。式中式中、分别为入射光的频率和波长。分别为入射光的频率和波长。 Eg24. 1hch为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度材料的禁带宽度Eg，即，即（2）光生伏特效应光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的在光线作用下能够使物体产生一定方向的电

15、动势的现象叫做光生伏特效应电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。三极管。势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射其接结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。这就是结光电效应。以以PN结为例，光线照射结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁结时，设光子能量大于禁带宽度带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子空穴对，在阻

16、挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向移向N区外侧，被光激发的空穴移向区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而区外侧，从而使使P区带正电，区带正电，N区带负电，形成光电动势。区带负电，形成光电动势。侧向光电效应。侧向光电效应。当半导体光电器件受光照不均匀时，有载当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流浓度大，就出现了载流子

17、浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（位置敏感器件（PSD）。）。利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制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，成的光电器件，一般都是真空的或充气的光

18、电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。如光电管和光电倍增管。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电管的结构示意图光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗1. 1. 结构与工作原理结构与工作原理光电管有光电管有真空光电管真空光电管和和充气充气光电管光电管或称或称电子光电管电子光电管和和离子光离子光电管电管两类。两者结构相似，如图。两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，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。并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常

19、用金有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。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光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱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。特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1 1） 光电管的伏安特性光电管的伏安特性2. 2. 主要性能主要性能在一定的光照射在一定的光照射下，对光电器件的阴下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所极所加电压与阳极所产生的电流之间的关产生的电流之间的关系称为光电管的伏安系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性。光

20、电管的伏安特性如图所示。它是特性如图所示。它是应用光电传感器参数应用光电传感器参数的主要依据。的主要依据。图图4.2-2光电管的伏安特性光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压阳极与末级倍增极间的电压/VIA/A（2 2）光电管的光照特性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。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。曲线其特性曲线如图所示。曲线1表示表示氧铯阴极氧铯阴极

21、光电光电管的光照特性，光电管的光照特性，光电流流I与光通量成线性关与光通量成线性关系。曲线系。曲线2为为锑铯阴极锑铯阴极的光电管光照特性，的光电管光照特性，它成非线性关系。它成非线性关系。光光照特性曲线的斜率照特性曲线的斜率（光电流与入射光光（光电流与入射光光通量之间比）称为光通量之间比）称为光电管的灵敏度。电管的灵敏度。光电管的光照特性光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.51（3 3）光电管光谱特性）光电管光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管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。对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不保持

22、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变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，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它们有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光，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率高于红限频率0，并且强度相同，随着入射光频率，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，这就是光电光电

23、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，管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。选用不同材料的光电阴极。国产国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：高，转换效率：25%30%。它适用于。它适用于白光光源白光光源，因而，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光红外光源源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对，常用银氧铯阴

24、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，为范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉，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。胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气

25、光电管当入射光频率大于一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。二、光电倍增管及其基本特性二、光电倍增管及其基本特性当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几小，只有零点几A，很不容易探测。这时常用光电倍，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。1. 1. 结构和工作原理结构和工作原理由由光阴极、光阴极、次阴极次阴极(倍增电极倍增电极)以及以及阳极阳极三部分组成。光阴极是由

26、半三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜- -铍的衬底上涂上锑铯铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，材料而形成的，次阴极多的可达次阴极多的可达30级级；阳极是最后用来收集电子；阳极是最后用来收集电子入射光入射光光电阴极光电阴极第一倍增极第一倍增极阳极阳极第三倍增极第三倍增极的，收集到的电子数是阴极的，收集到的电子数是阴极发射电子数的发射电子数的105106倍。即倍。即光电倍增管的放大倍数可达光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因管高

27、几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。能产生很大的光电流。（1 1）倍增系数）倍增系数MM倍增系数倍增系数M等于等于n个倍增电极的二个倍增电极的二次电子发射系数次电子发射系数的乘积。如果的乘积。如果n个倍增电极的个倍增电极的都相同，都相同，则则M=因此，阳极电流因此，阳极电流I 为为 I =i i i i 光电阴极的光电流光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数为为 = I / i =M与所加电压有关，与所加电压有关，M在在105108之间，稳定性为之间，稳定性为1左左右，加速电压稳定性要在右，加速电压稳定性要在0.1以

28、内。如果有波动，倍以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍，两个相邻的倍增电极的电位差为增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好，。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。2. 2. 主要参数主要参数ninini103104105106255075100125极间电压极间电压/V放大倍数放大倍数光电倍增管的特性曲线光电倍增管的特性曲线（2 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度）光电

29、阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的叫做光电倍增管的阴极灵敏度阴极灵敏度。而一个光子在。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总总灵敏度灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。以不

30、能受强光照射，否则将会损坏。（3 3）暗电流和本底脉冲）暗电流和本底脉冲一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。可以用补偿电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，

31、在完全蔽光如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为情况下，出现的电流称为本底电流本底电流，其值大于暗电流。，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底本底电流电流具有具有脉冲形式脉冲形式。光电光电倍增倍增管的管的光照光照特性特性与直线最大与直线最大偏离是偏离是3%10131010109107105103101在在45mA处饱和处饱和10141010106102光通量光通量/1m阳阳极极电电流流/A（4 4）光电倍增管的

32、光谱特性）光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。量大，开始出现非线性，如图所示。利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件势的光电器件称称内光电效应器件内光电效

33、应器件，常见的有，常见的有光敏光敏电阻、光电池电阻、光电池和和光敏晶体管光敏晶体管等。等。一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重优点：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、耐振动、抗过载能量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。不足：需要外部电源，有电流时会发热。第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件

34、1. 1. 光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度宽度Eg，即，即 h h=Eg(eV)式中式中和和入射光的频率和波长。入射光的频率和

35、波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有，只有波长小于波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。ch24.1光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有

36、产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料光导电材料绝缘衬低绝缘衬低引线引线电极电极引线引线光电导体光电导体限，因此光电导体一限，因此光电导体一般都做成薄层。为了般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采敏电阻的电极一般采用用梳状梳状图案，图案，结构见结构见下图。下图。1-光导层光导层;2-玻璃窗口玻璃窗口;3-金属外壳金属外壳;4-电极电极;5-陶瓷基座陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。电阻引线。RG1234567(a)结构结构(b)电极电极(c)符号符号它是在一定的

37、掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种梳状电极，由于在间距铟等金属形成的。这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电）是光敏电阻的代表符号。阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的结构和符号光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照

38、射就能接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。，因此应用比较广泛。RGRLEI（2 2）光照特性）光照特性下图表示下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类下，光敏电阻的光电流

39、和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx10002000（3 3）光谱特性）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域

40、峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相相对对灵灵敏敏度度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅（4 4） 伏安特性伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度分别表示照度为为零零及照度为及照度为某值某值时的伏安

41、特性。由曲线可知，在给时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现5010015020012U/V02040象。但是电压不能无限地象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。电阻永久性损坏。I/A（5 5）频率特性

42、）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，20406080100I /%f /Hz010102103104电阻电阻时延特性不同，所以时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，它们的频率特性也不同，如图。如图。硫化铅硫化铅的使用频率的使用频率比比硫化镉硫化镉高得多，但多数高得多，但多数光敏电阻的光敏电阻的时延都比较大，时延都比较大，所以，它不

43、能用在要求快所以，它不能用在要求快速响应的场合。速响应的场合。硫化铅硫化铅硫化镉硫化镉（6 6）稳定性）稳定性图中曲线图中曲线1、2分别表示两种型号分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定体内机构工作不稳定，以及以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品

44、阻值上在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上I /%408012016021T/h0400 800 1200 1600升，有些样品阻值下降，但升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的再变了。这就是光敏电阻的主要优点。主要优点。光敏电阻的使用寿命在光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况密封良好、使用合理的情况下，几乎是下，几乎是无限长无限长的。的。（7 7）温度特性）温度特性其性能其性能(灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的度的升高，其暗电阻和

45、灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。用制冷器使光敏电阻的温度降低。I /A100150200-50-1030 5010-30T /C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20C- -20C二、光电池二、光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电池是利用光生伏特效应把

46、光直接转变成电能的器件器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳。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。它有较大面积的元件。它有较大面积的PN结，当光照射在结，当光照射在PN结上时，结上时，在结的两端出现电动势。在结的两端出现电动势。命名方式：命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电或太阳能电池池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应应用最广、最有发展前途的是硅光

47、电池。用最广、最有发展前途的是硅光电池。l硅光电池价格便宜，硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光转换效率高，寿命长，适于接受红外光。l硒光电池光电转换效率低硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。，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，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

48、应用是有发展前它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。途的。光电池的示意图光电池的示意图硅光电池的结构如图所示。它是在一块硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩型硅片上用扩散的办法掺入一些散的办法掺入一些P型杂质型杂质(如硼如硼)形成形成PN结。结。当光照到当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子出电子- -空穴对，在空穴对，在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区聚积正电荷，区聚积正电荷，这样这样N区和区和P区之间出现电位差区之间出现电位差。若将。若将PN结两端用导线结两端用导线连起来，电路中有电流

49、流过，电流的方向由连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外区流经外电路至电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。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+光光PNSiO2RL(a)光电池的结构图光电池的结构图I I光光(b)光电池的工作原理示意图光电池的工作原理示意图P N光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。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)图图光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路L/klxL/klx 5432100.10.20.30.40.524681

50、0开路电压开路电压Uoc /V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a)硅光电池硅光电池(b)硒光电池硒光电池（1 1）光照特性）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为当照度为2000lx时趋向饱和。时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线2. 2. 基本特性基本特性开路电压开路电压短路电流短路电流短路电流短路电流短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度

51、下，其内阻也不同，很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路短路”条件。条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx5010010005000RL=0204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m(2) (2) 光谱特性光谱特性光电池

52、的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围围400nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm附近，因此硅附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。光电池可以在很宽的范围内应用。1硒光电池硒光电池2硅光电池硅光电池(3) (3) 频率特性频率特性光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光输

53、入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线，而硒光电池则较差，如曲线1。204060801000I /%1234512f /kHz1硒光电池硒光电池2硅光电池硅光电池（4 4）温度特性）温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关

54、系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。偿措施。2004060904060UOC/mVT /CISCUOCISC /A600400200UOC开路电压开路电压ISC短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特性曲线三、

55、光敏二极管和光敏三极管三、光敏二极管和光敏三极管光电二极管和光电池一样，其光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个基本结构也是一个PN结结。它和光电池相比，重要的不同点是。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因结面积小，因此它的频率特性特别好此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十到几十A。按。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的

56、是同质结硅光电二极管。中最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为为2CU和和2DU两种系列。两种系列。2CU系列以系列以N-Si为衬底，为衬底，2DU系列以系列以P-Si为衬底。为衬底。2CU系列的光电二极管只有系列的光电二极管只有两条引线，而两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。系列光电二极管有三条引线。1. 1. 光敏二极管光敏二极管光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、系列、2DU14系系列。列。光敏二

57、极管的结构与一般二极管相似、它装在透明光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态反向工作状态，如图，如图所示。所示。PN光光光敏二极管符号光敏二极管符号RL 光光PN光敏二极管接线光敏二极管接线光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做电流很小。反向电流也叫做暗电流暗电流当光照射时，光敏当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不二极管的工作原理

58、与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流照射时，光敏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；流即暗电流；受光照射时，受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子收其能量而产生电子- -空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数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，作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，区，N区区

59、的少数载流子渡越阻挡层进入的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的结的反向电流大为增加，这就形成了光电流反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的。光敏二极管的光电流光电流I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。性是线性的，所以适合检测等方面的应用。（1 1） PINPIN管结光电二极管管结光电二极管PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在在P型半导体和型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半

60、导体。这样，的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中结的内电场就基本上全集中于于I层中，从而使层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。结双电层的间距加宽，结电容变小。由式由式= CjRL与与f=1/2知，知，Cj小，小，则小，频带将变则小，频带将变宽。宽。P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图管结构示意图最大特点：频带宽，可达最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点。另一个特点是，因为是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会