第8章 光电式传感器

第八章光电传感器2023/1/311

2023/1/312一、教学目标（1）了解光电元件的结构和分类。

（2）掌握光电式传感器的工作原理及光电元件的基本应用电路。（3）熟悉光电式传感器在工程上的应用。二、教学重点和难点1、重点：光电效应和光电元件。2、难点：光电元件的基本应用电路。三、教学学时

6学时

8.1光电效应与光电元件8.2光电元件的基本应用电路8.3光电式传感器的应用

1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

2023/1/3148.1光电效应与光电元件

8.1.1光电效应

一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：

E=hf

（10-1）

式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)

f——光的频率（s-1）。

光电效应:当用光照射在某一物体上时，可以看做是物体受到一连串能量为hf的光子轰击，组成这种物体的材料吸收了光子能量而发生相应电效应的现象（如发射光电子、电导率变化、产生电动势等），这种现象称为光电效应。光电效应外光电效应：光电管、光电倍增管光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管 内光电效应：光生伏特效应：光电池1.外光电效应

在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理式中：m——电子质量；

v0——电子逸出初速度。

上式为爱因斯坦光电效应方程式,由式可知：

1)光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；

2)入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；

3)光电子逸出物体表面时具有初始动能 ，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。2.内光电效应内光电效应是指在光线的作用下使物体的电阻率发生改变的光电效应。常见的基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。3.光生伏特效应光生伏特效应是指在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象。常见的基于光生伏特效应的光电元件有光电池。图8-1PN结的光生伏特效应1）光电管(a)真空光电管(b)充气光电管图8-2光电管的结构示意图8.1.2光电元件

1.基于外光电效应的光电元件光电管的工作原理当阴极受到适当波长的光线（紫外线）照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在（紫外）光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。2）光电倍增管

在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小。光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极

2.基于内光电效应的光电元件①光敏电阻的工作原理

光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。1）光敏电阻当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。光敏电阻演示

2023/1/3118暗电流（越小越好）当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流（暗电流）很小。

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值（亮电阻）减小，电流（亮电流）增大。光敏电阻的内部结构图8-6光敏电阻的内部结构1—玻璃；2—光电导层；3—电极；4—绝缘衬底；5—金属壳；6—黑色绝缘玻璃；7—引线半导体吸收光子而产生光电效应只限于光照的表面层，所以光敏电阻的电极一般采用梳状，这样可以提高光敏电阻的灵敏度。图8-7梳状光敏电阻②光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。（2）亮电阻和亮电流光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流亮电流与暗电流之差，称为光电流。（4）响应时间。光敏电阻具有延时特性，上升响应的时间和下降响应的时间均为10–2～10–3s，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。光敏电阻

当光敏电阻受到光照时，阻值减小。2023/1/31232）光敏二极管１．结构原理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PN结装在管的顶部,可以直接受到光照射。

光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态,在没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小。

当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子的浓度增加，在外加反向的电压和内电场的作用下作定向运动,形成光电流。光的照度越大,光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时,处于截止状态,受光照射时,处于导通状态。图8-9光敏二极管的工作原理光敏二极管的反向偏置接法

在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结上时，电子-空穴对数量增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。2023/1/3127光敏二极管的光谱特性

硅光敏二极管的光谱响应波段为0.4~1.5μm范围，锗光敏二极管的光谱响应波段为0.6~2.5μm范围。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这是选择光敏二极管的重要依据之一。

图8-10光敏二极管的光谱特性光敏二极管外形

2023/1/3129光敏二极管阵列包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。红外发射、接收对管外形

2023/1/3131红外发射管红外接收管3）光敏三极管

光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。

多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。

2023/1/3132光敏三极管外形

2023/1/3133光敏三极管内部结构

a)

内部组成b)管芯结构c）结构简化图

1—集电极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜

5—发射极引脚6—N+衬底7—N型集电区8—SiO2保护圈9—集电结10—P型基区11—N型发射区12—发射结2023/1/3134

大多数光敏三极管的基极无引出线,当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时,集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对,光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，基极与发射极间的电压升高，使大量电子由发射极经过基区流向集电极，其中少量电子与基区空穴复合从而形成光生电流,相当于三极管的基极电流，而大部分流向集电极形成集电极电流即光电流，因此光电流是光生电流的β倍,所以光敏三极管有放大作用。3.基于光生伏特效应的光电元件

在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。2023/1/3136光电池外形2023/1/3137光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形2023/1/3138其他光电池及在照度测量中的应用2023/1/3139柔光罩下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用2023/1/3140太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板光电池在动力方面的应用（续）2023/1/3141太阳能发电光电池在动力方面的应用（续）2023/1/3142光电池在人造卫星上的应用8.2光电元件的基本应用电路8.2.1光敏电阻的基本应用电路2023/1/3143a）UＯ与光照变化趋势相同的电路b）UＯ与光照变化趋势相反的电路8.2.2光敏二极管的基本应用电路

利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。

2023/1/31448.2.3光敏三极管的基本应用电路（a）发射极输出电路（b）集电极输出电路图8-16锗光敏三极管的两种基本应用电路由表8-1可知，发射极输出电路的输出电压变化与光照的变化趋势相同，而集电极输出电压恰好相反。表8-1锗光敏三极管发射极和集电极输出电路状态的比较电路形式无光照时强光照时三极管状态ICUo三极管状态ICUo发射极输出电路截止00（低电平）饱和（UCC－0.３）/RLICRL（高电平）集电极输出电路截止0UCC（高电平）饱和（UCC－0.３）/RLUCC－ICRL（低电平）

当无光照时，V1截止，IΦ=0，则V2处于什么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与Rb2位置上下对调，其结果如何？2023/1/3147光电元件的应用1、光电耦合器光电元件的应用2、光电开关光电元件的应用3、光电续电器8.3.新型光电传感器8.3.1色彩传感器

在单晶硅晶片上做两个PN结，如图8-21（a）所示，其等效电路图如图8-21（b）所示，PNP的结构可以看作是两个光敏二极管及的反向连接。（a）结构（b）等效电路

图8-21色彩传感器的结构与等效电路色彩传感器8.3.2红外传感器自然界的一切物体都会发出红外线。红外辐射俗称红外线，是一种不可见光，由于是可见光中红色光以外的光线，因此被称为红外线(波长：0.76-1000um)。大气窗口：波长在2-2.6um，3-5um,8-14um的红外线非常容易穿透大气，把它们称为大气窗口。图8-24光谱特性图热释电传感器简介

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。

2023/1/3155热释电传感器的内部电路2023/1/3156两块反向串联的热释电晶片场效应管原理：热释电晶片检测到外界的红外线时，导致场效应管导通产生信号，输出信号反应被测红外线信号。热释电传感器工作原理

热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。2023/1/3157菲涅尔透镜菲涅尔透镜2023/1/3158热释电晶片

热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等……8.3.3图像传感器图像传感器是利用光传感器的光电转换功能，将其感光面上的光信号图像转换为与之成比例关系的电信号图像的一种功能器件。摄像机、数码相机、彩信手机上广泛使用的是固态图像传感器，分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器。固态图像传感器是在单晶硅衬底上布设若干个光敏单元与移位寄存器，集成制造的功能化的光电转换器件，其中光敏单元也称为像素，我们常说的分辨率是指单位面积上的像素。1. CCD（电荷耦合器件）图像传感器图8-29CCD电荷耦合器件1. CCD（电荷耦合器件）图像传感器工作原理图8-29CCD电荷耦合器件当入射光作用在P型衬底上时，载流子吸收吸收能量。由于在栅极上加上脉冲信号，电子被吸引到加了脉冲信号的栅极下方。根据栅极所加信号不同，电子被吸引到不同的栅极下方，由此完成信号的输出。然后由储存器存储形成图像。输出电荷经放大器放大变成一连串的模拟脉冲信号。每一个脉冲信号反应一个光敏元件的受光情况，脉冲幅度反应该光敏元件受光的强弱，脉冲顺序反应光敏元件的位置，即光点的位置，这就实现了光图像转化成电图像。2.CMOS图像传感器1、当栅极电压为零时：无光照——CMOS管截止，iD=0有光照——CMOS管产生并存储光电荷。2、加上栅极电压，源级通过漏极电阻形成电流，由此反应光信号的变化。图8-32CMOS型光电放大器件图8-33CMOS线型图像传感器构成1、一个光敏元件和一个MOSFET组成一个像素，光敏二极管受光照时，产生与入射光量成正比的电荷2、扫描电路实际上是移位寄存器，用于信号存储。3.CCD和CMOS图像传感器的比较

CCD图像传感器具有成像效果好的特点，但是比较费电，成本较高，因此常用于数码相机；CMOS图像传感器具有省电、成本低的特点，但是成像效果较差，故常用于手机。根据被测物、光源、光电器件三者之间的关系，模拟式光电传感器通常有四种测量方式：辐射式、吸收式、反射式、遮光式、8.4光电式传感器的应用8.4.1光源本身是被测物体的应用实例光源本身是被测物，被测物发出的光量投射到光电器件上，光电器件的输出反映了光源的某些参数。典型应用如非接触式高温测量、光照度计等。辐射式2023/1/3168光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。

光电池（外加柔光罩）1.红外线辐射温度计：

自然界的物体都会发出红外线。

红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-30℃~3000℃，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。2023/1/3169红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准2023/1/3170红外线辐射温度计外形

红外线辐射温度计用于食品温度测量2023/1/3171红外线辐射温度计用于人体额温测量2023/1/3172

红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用2023/1/3173集成IC温度测量2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用

热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。2023/1/3174热释电元件外形

菲涅尔透镜外形2023/1/3175传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。热释电套件2023/1/3176热释电报警器菲涅尔透镜2023/1/3177设定按钮高分贝喇叭热释电报警器（续）菲涅尔透镜2023/1/3178热释电报警器（续）

吸顶式热释电报警器2023/1/3179热释电传感器应用

热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗2023/1/3180热释电传感器的感应范围自动感应灯

（参考施特朗公司资料）2023/1/3181光源发射的光量穿过被测物。一部分光量由被测物吸收，剩余的光量照射到光电器件上，被吸收的光量与被测物透明度有关，如图(a)所示。典型应用如透明度计、浊度计等。

吸收式8.4.2被测物体吸收光通量的应用实例

光电式浊度计和含沙量测量2023/1/3183将装有浊水的试管插入仪器中光电式浊度计工作原理1—恒流源2—半导体激光器3—半反半透镜

4—反射镜5—被测水样6、9—光电池

7、10—电流/电压转换器8—标准水样2023/1/3184参比通道

光源发射的光量照射到被测物上，被测物将部分