传感器技术光电传感器特性

1由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成

阴极由半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材料形成。次阴极可达30级。通常为12~14级。

使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。

8.3.2光电倍增管及其基本特性

2IAKD1D2D3D4A

R1R2R3R4R5RLUOUT3入射光

阴极K第一倍增极

第二倍增极

第三倍增极

第四倍增极

阳极A4光电倍增管的电流放大倍数为

如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则Ｍ＝δin因此阳极电流为Ｉ＝i·δin,)48(

i/Ini?????M与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。

主要参数：

1.倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子数δi的乘积。

5一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。

一个光子在阳极上产

生的平均电子数叫光

电倍增管的总灵敏度.(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度

最大灵敏度可达

10A/lm不能受强光照射。

图8-7光电倍增管的特性曲线

255075100125106

极间电压/V倍增系数M

105

104

103

6（3）暗电流和本底电流

由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。

在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管会有电流信号输出—本底脉冲。

4.光电倍增管的光谱特性

与相同材料的光电管的相似。

7

型号

光谱响应范围(A。)

倍增极数

阴极灵敏度(uA/lm)阳极工作电压(V)暗电流(A)环境温度(℃)GDB-5253000–6500

1140

<900<8×10-9

-40-40

GDB-2513000–6500

1330

<900<6×10-9

-50-50

GDB-2203000–6500

840

<900<8×10-9

-40-50

GDB-4103000–7500

1130<1000<1×10-7

-80-60GDB-4233000–8500

1160<1300<5×10-8

-40-40GDB-1252000–6500

940<750<2×10-9

-40-50国产光电倍增管的技术参数

88.4

内光电效应器件

8.4.1光敏电阻

1.光敏电阻的结构和工作原理

梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AAAE

电极

半导体

玻璃底板

RL

E

I

RG

图8-8光敏电阻的结构与电路连接

9如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：

10光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。

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。

112.光敏电阻的主要参数和基本特性

（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流

光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。

在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。

亮电流与暗电流之差为光电流。

12（2）光照特性

用于描述光电流与光照强度之间的关系。

多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。

0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光电流/mA图8-9

光敏电阻的光照特性

13（3）光谱特性

硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。

图8-10光敏电阻的光谱特性

0500100015002000250020406080100硫化镉

硫化铊

硫化铅

入射光波长/nm相对灵敏度/%14(4)伏安特性

所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。

在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。

0102030405050100150200250I/μA

U/V图8-11光敏电阻的伏安特性

15（5）

频率特性

时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。

入射光调制频率/Hz相对灵敏度/%010102103104

20406080100硫化镉

硫化铅

图8-12光敏电阻的频率特性

多数光敏电阻的时间常数都很大。

16(6)温度特性

峰值随温度上升向波长短的方向移动。

2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm

相对灵敏度（%）

+20oC

-20oC

图8-13光敏电阻的光谱温度特性

17初制成的光敏电阻，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。

光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。

（7）稳定性

188.4.2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器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。

19光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。

硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。

201.光电池的结构和工作原理

图8-14光电池的结构图

下电极

梳状电极

SiO2抗反射膜

PN硅光电池的结构如图。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。

21图8-15光电池的工作原理示意图

RL

I

---mAV+++PN当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。

若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。

222.基本特性

（１）光谱特性

故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。

20406080100硒

硅

入射光波长λ/nm040060080010001200相对灵敏度/%

图8-16光电池的光谱特性

23(2)光照特性

①不同光照射下有不同光电流和光生电动势。②短路电流在很大范围内与光强成线性关系。

图8-17光电池的光照特性

开路电压

0.10.30.2照度/lx020004000光生电流/mA0.20.60.4光生电压/V短路电流

③开路电压与光强是非线性的，且在2000lx时趋于饱和。④光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。

24(3)频率特性

硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。

光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。

图8-18光电池的频率特性

20406080100硒光电池

硅光电池

015003000450060007500相对光电流/%

入射光调制频率/Hz25(4)温度特性

主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。

开路电压随温度升高而下降的速度较快。

短路电流随温度升高而缓慢增加。

因此作测量元件时应考虑进行温补。

图8-19光电池的温度特性

开路电压

温度/℃

光生电流/mA1.82.22.0光生电压/V短路电流

100200300400500020406080100268.4.3光敏晶体管

1.光敏二极管

光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。

光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。

RL

光

P

N

P

N

光

27PNRE+-If28PNRE-+Is29RE-+I当光照射时，光敏二极管处于导通状态。

当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。

PN30312.光敏三极管

集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。

P

P

N

b

e

c

N

N

P

e

b

c

32普通三极管

ICIBeEBECIERCRbcbNNP33光敏三极管

ICIBeEBECIERCRbcbNNP基区很薄，基极一般不接引线；

集电极面积较大。

34ICeECIERCcNNPb35当集电极加上正电压，基极开路

时，集电结处于反向偏置状态。

当光线照射在集电结的基区时，

产生电子、空穴对，光生电子被

拉到集电极，基区留下空穴，使

基极与发射极间的电压升高，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的?倍。

基本工作线路：

cbeRL363.光敏晶体管的主要特性

(1)光谱特性

存在一个最佳灵敏度波长

2040608010040080012001600入射光

波长/nm锗

硅

037(2)伏安特性

012345外加电压（V）

20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特

性一样。只需把光电流看作基极电流即可。

38(3)光照特性

1.02.03.02004006008001000Lx0I(μA)故光敏三极管既可做线性转换元件，

也可做开关元件

近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。

39(4)温度特性

1030507002550oC200400100300

500103050700oC温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。

40(5)频率特性

减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。

20406080100相对灵敏度（%）

f(kHZ)1101000418.5新型光电传感器

8.5.1高速光电二极管

1.PIN结光电二极管

PIN

P、N间加了层很厚的高电阻率

的本征半

导体I。P层做的很薄。

比普通的光电二极管施加较高的反偏压。

42入射光照射在P层上，

由于P层很薄，大量的

光被较厚的I层吸收，

激发较多的载流子形

成光电流；又PIN结

光电二极管比PN结光

电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当P型和N型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，N区的电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散。

图8-28PIN光电二极管

偏压

价带

导带

信号光

信号光

电极

电极

输出端

PIN43P区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。

44452.雪崩式光电二极管（APD）

在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。

偏压

输出端

价带

导带

信号光

信号光

电极

电极

P+IN图8-29雪崩式二极管

46当光入射到PN结时，

光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，

使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。

新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，

478.5.2色敏光电传感器

不同区域对不同波长分别具有不同

灵敏度，浅结对紫外光灵敏度高。

NP123P+12348根据光学性能，不同颜色的光在不同的介质中的穿透能力不同。利用不同介质对某一色光的吸收，用这种色光去投射液体管道，根据接收到的光强来判断管道中的液流介质。

498.5.3光固态图象传感器

光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD（ChargeTransferDevice），最常用的是电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）。由于它具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。

501．CCD的结构和基本原理

CCD是一种半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚约120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属-氧化物-半导体的电容式转移器。其中，“金属”为SiO2层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体SiO2。

5152P型Si耗尽区

电荷转移方向

Ф1

Ф2

Ф3

输出栅

输入栅

输入二极管

输出二极管

SiO2

CCD的MOS结构

53当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中Ф1极下），形成电荷包（势阱）。

对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。

54电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下图以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3

(a)

Ф1

Ф2

Ф3

t0

t1

t2

t3

t

Ф

(b)

电荷转移过程

t=t0t=t1t=t2t=t3055

三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；

56当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。

572．线型CCD图像传感器

线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如图所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。

58在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。

59实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。

转移栅

光积分单元

不透光的电荷转移结构

光积分区

输出

转移栅

(a)(b)

线型CCD图像传感器

输出

603．面型CCD图像传感器

面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部