光电效应和光电器件

第4章

光电式传感器原理与应用一、引言

光电检测技术是光学与电子学技术相结合而产生的一门新兴的检测技术，它是利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示等。目前，光电式传感器主要用来组成光电检测系统与装置。

光电检测装置的核心部分：光电传感器。

光电检测与其它检测相比有以下测量优点：①非接触；②检测速度快，检测精度高；③高可靠性；④能够自动、连续地进行检测；⑤可以进行遥测；⑥结构简单等一系列特点。

测量范围：位移、振动、力、转矩、转速、压力、温度、流量、液位、湿度、液体浓度、成分、角度、表面粗糙度等。

应用前景：现代科学技术的检测以及机器人技术的大力开发都离不开光电传感器与检测技术。二、光电检测系统的基本构成

光电检测系统的基本组成

一个完整的光电检测系统包括：信息的获得、交换、处理、显示等。

具体讲：一个光电检测系统由三个基本部分组成：

待检测对象光电传感器处理电路显示①核心部分②③执行

核心部分：它以光为媒介、以光电检测器件为手段、将各种待测量转换成电量（I、V、F）。它将决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态响应等。

处理电路作用：是将光电传感器的输出的微弱电信号进行放大、处理、运算等，以适应后续显示、控制或执行机构的要求。2.光电传感器的组成⑴组成：光源、光学系统、光电探测器三部分组成。⑵优点：

a非接触式检测

b响应速度高：10-1—10-6Sc检测对象范围宽

d大量的相关应用。不仅对光进行检测，而且还能用于检测液面、位置、压力等。⑶缺点：

a沾污影响大

b外界干扰光影响大

c使用温度范围小，不能用于高温。⒊光电检测系统中处理电路的任务⑴实现对微弱信号的检测

⑵实现光源的稳定化4.1光电效应和光电器件外光电效应:

在光线作用下，使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管内光电效应:

在光线作用下，能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。阻挡层光电效应(光生伏特效应):

在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等光电效应和光电器件4.1.1光电管4.1.2光电倍增管4.1.3光敏电阻4.1.4光敏二极管和光敏晶体管4.1.5光电池4.1.6光电式传感器的应用4.1.1光电管1）当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子；2）电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。上一页下一页返回（1）真空光电管真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性（2）充气光电管:

构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差

上一页下一页返回（2）充气光电管4.1.2光电倍增管在入射光非常微弱时，光电管能产生的光电流就很小，但光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极上一页下一页返回光电倍增管的结构与工作原理光电阴极光电倍增极阳极 倍增极上涂有Sb-Cs(铯化锑)或Ag-Mg(镁化银)等光敏材料，并且电位逐级升高.

阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射.

二次电子发射系数:σ=二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn

若有11个倍增极，则E11发射的电子数约为光电子数的105-106倍。上一页下一页返回4.1.3光敏电阻1.光敏电阻的工作原理及结构2．光敏电阻的主要参数3．光敏电阻的基本特性上一页下一页返回1.光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加上一页下一页返回光敏电阻的结构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.引线由于光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。上一页下一页返回半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层,光敏电阻的电极一般采用梳状，是为提高光敏电阻的灵敏度。特点：灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定等。梳状电极上一页下一页返回2．光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流

光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻

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。上一页下一页返回3．光敏电阻的基本特性

（1）伏安特性（2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性上一页下一页返回（1）伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系注意几点：◆在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；◆在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象；◆光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的；◆耗散功率与面积及散热条件等因素有关。上一页下一页返回（2）光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中，常用作开关式光电信号传感元件。上一页下一页返回光通量lm（流明）（3）光谱特性光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的上一页下一页返回（4）响应时间和频率特性光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化在时间上有一个滞后。通常响应时间用t表示。上一页下一页返回t1–上升响应时间t2–下降响应时间光敏电阻的频率特性不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。

上一页下一页返回（5）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性

光敏电阻温度特性用温度系数表示:

在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率。R1-在一定光照下，温度为T1时电阻R2-在一定光照下，温度为T2时电阻

上一页下一页返回温度对光谱特性影响随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性上一页下一页返回4.1.4光敏二极管和光敏晶体管1．工作原理2．基本特性上一页下一页返回1．工作原理结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管上一页下一页返回光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。上一页下一页返回NPN光敏晶体管

PNP光敏晶体管

2．基本特性（1）光谱特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应上一页下一页返回（1）光谱特性入射光的波长增加（减小）时，光子能量减小，相对灵敏度都要下降

硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性

可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。注意：峰值波长硅900nm，锗1500nm上一页下一页返回最大相对灵敏度对应波长，除此位置相对灵敏度都减小（2）伏安特性上一页下一页返回硅光敏管的伏安特性（3）光照特性硅光敏管的光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好上一页下一页返回光敏二极管光敏三极管

（4）温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。上一页下一页返回（5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系。硅光敏晶体管的频率响应上一页下一页返回硅管频率响应比锗管好4.1.5光电池上一页下一页返回光电池种类很多，如有硅、硒、硫化镉、氧化亚铜、砷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、能耐高温耐辐射、具有低噪声等。硒光电池比硅光电池廉价，它的光谱峰值位置在人的视觉范围内，因而应用于不少测量仪器上。光电池在有光线作用下实质上就是一个电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。1.工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。上一页下一页返回工作原理（指硅）（光生电动式的形成）hγ＞Ｅｇ（禁带宽度），Ｐ区每吸收一个光子，便产生一个自由电子－空穴队，吸收越多hγ，产生越多自由电子－空穴队。自由电子在它复合之前到达ＰＮ结过渡区，就相当于在结电场作用下正好将电子推向Ｎ型区。这样，电子－空穴对就被结电场分离开来。从而使Ｐ区带阳电，Ｎ区带阴电。形成光生电动势。P区很薄,并掺杂光线hν照射P-N结-++-U++++++++++++++---------------N型半导体●○●●●○○○电子空穴2．基本特性(1)光谱特性(2)光照特性(3)频率响应(4)温度特性(5)稳定性上一页下一页返回（1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的上一页下一页返回(2)光照特性不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用.上一页下一页返回光电池的短路电流外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽.上一页下一页返回(3)频率响应指输出电流随调制光频率变化的关系硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换.上一页下一页返回

(4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标硅光电池的温度特性(照度1000lx)上一页下一页返回

(5)稳定性稳定性好：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。硅光电池的性能比硒光电池更稳定影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件上一页下一页返回4.1.6光电式传感器的应用模拟式传感器脉冲式传感器上