光電式傳感器

1、第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電效應器件和特性光電效應器件和特性1.2第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器光光 源源8.18.28.3新型光電傳感器新型光電傳感器8.4光敏傳感器的應用舉例光敏傳感器的應用舉例8.5第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。 一、光譜一、光譜光波：光波： 波長為波長為101010106 6nmnm的電磁波的電磁波可見光：可見光：波長波長380780nm380780nm紫外線：紫外線：波長波長10380nm10380nm， 波長波長300380nm

2、300380nm稱為近紫外線稱為近紫外線 波長波長200300nm200300nm稱為遠紫外線稱為遠紫外線 波長波長10200nm10200nm稱為極遠紫外線，稱為極遠紫外線，紅外線：紅外線：波長波長78010780106 6nmnm 波長波長3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的稱近紅外線）以下的稱近紅外線 波長超過波長超過3m 3m 的紅外線稱為遠紅外線。的紅外線稱為遠紅外線。 光譜分布如圖所示。光譜分布如圖所示。第一節(jié)第一節(jié) 光光 源源第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器遠紫外遠紫外近紫外近紫外可見光可見光近紅外近紅外遠紅外遠紅外極遠紫外極遠紫外0.010.11100.050.

3、55波長/m波數/cm-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018=31010cm / s光 的 波 長 與 頻 率 的 關 系 由 光 速 確 定 ， 真 空 中 的 光 速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波長和頻率的關系為 的單位為Hz，的單位為cm。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器二、光源（發(fā)光器件）二、光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈 用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的發(fā)光范圍：可見光外、大量紅外線和

4、紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。 在普通白熾燈基礎上制作的發(fā)光器件有溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，光效高，壽命也較長。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器2、氣體放電燈定義：利用電流通過氣體產生發(fā)光現象制成的燈。 氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。 低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，它

5、們經常用作光電檢測儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如：照明日光燈。 氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/21/3。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器3、發(fā)光二極管發(fā)光二極管LEDLED（Light Emitting DiodeLight Emitting Diode） 由半導體PN結構成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。 在半導體PN結中，P區(qū)的空穴由于擴散而移動到N區(qū)，N區(qū)的電子則擴散到P區(qū)，在PN結處形成勢壘，從而抑制了空穴和

6、電子的繼續(xù)擴散。當PN結上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復合，這種復合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現象。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 電子和空穴復合，所釋放的能量Eg等于PN結的禁帶寬度。所放出的光子能量用h表示，h為普朗克常數，為光的頻率。則gEhcgEchgEh普朗克常數h = 6.610-34J.s；光速c = 3108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.610-19J。 hc=19.810-26mWs=12.410-7me

7、V?？梢姽獾牟ㄩL近似地認為在710-7m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應大于h c /=1.8 eV 普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當x0.35時，可得到Eg1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使在550900nm間變化，它已經進入紅外區(qū)。 與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見下表。材料材料波長波長/nm材料材料波長波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480Zn

8、xCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350表4.1-1 LED材料第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。圖為砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線，紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。U/V I/mA 注意，圖上的橫坐標正負值刻度比例不同。一般而言，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，為了安全起見，使用時反向電壓應在5V以下。 -10 -5 0 12GaAsP(紅)GaAsP(綠)第第8章

9、章 光電式傳感器光電式傳感器 發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵的曲線有兩根，這是因為其材質成分稍有差異而得到不同的峰值波長p。除峰值波長p決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（）決定光的色彩純度，越小，其光色越純。0.20.40.60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs發(fā)光二極管的光譜特性/nm相對靈敏度第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器4 4、激光器、激光器 激光是20世紀60年代出現的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。激光波長從0.24m到遠紅外整個光頻波段

10、范圍。 激光器種類繁多，按工作物質分類：u 固體激光器（如紅寶石激光器）u 氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）u 半導體激光器（如砷化鎵激光器）u 液體激光器。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（1）固體激光器 典型實例是1960年人類發(fā)明的第一臺激光器：紅寶石激光器，它的工作物質是固體。種類：紅寶石激光器、摻釹的釔鋁榴石激光器（簡稱YAG激光器）和釹玻璃激光器等。特點：小而堅固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達到幾十太瓦。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（2）氣體激光器氣體激光器 工作物質是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用

11、的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。它們的波長覆蓋了從紫外到遠紅外的頻譜區(qū)域。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（3）半導體激光器與前兩種相比出現較晚，其成熟產品是砷化鎵激光器。特點：效率高、體積小、重量輕、結構簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準敵機。其缺點是輸出功率較小。目前半導體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。 （4）液體激光器種類：螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器，其中較為重要的是有機染料激光器。特點：發(fā)出的激光波長可在一段范圍

12、內調節(jié)，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器三、光電效應是指物體吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能量，從而產生的電效應。光電傳感器的工作原理基于光電效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類。1、外光電效應 在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿?。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hh普朗克常數，6.62610-34Js；光的頻率（s-1）第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 根據愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子

13、的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現為逸出電子的動能。外光電效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。 根據能量守恒定理 式中 m電子質量；v0電子逸出速度。02021Amh該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器n 光電子能否產生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會

14、產生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。n 當入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強成正比。即光強愈大，入射光子數目越多，逸出的電子數也就越多。n 光電子逸出物體表面具有初始動能mv02 /2 ，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 當光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多發(fā)生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：（1）光電導效應 在

15、光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。2、內光電效應第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。導帶價帶禁帶自由電子所占能帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶價電子所占能帶Eg第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器材料的光導性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導材料，總存在一個照射光波長限0，只有波長小

16、于0的光照射在光電導體上，才能產生電子能級間的躍進，從而使光電導體的電導率增加。式中、分別為入射光的頻率和波長。 Eg24. 1hch 為了實現能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度Eg，即第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（2）光生伏特效應光生伏特效應 在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應。 基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。勢壘效應（結光電效應）。 接觸的半導體和PN結中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結光電效應。以PN結為例，光線照射PN結時，設光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產生電子空穴對

17、，在阻擋層內電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光電動勢。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器側向光電效應。 當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產生側向光電效應。當光照部分吸收入射光子的能量產生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產生光電動勢?；谠撔墓怆娖骷绨雽w光電位置敏感器件（PSD）。

18、第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器外光電效應器件外光電效應器件 利用物質在光照射下發(fā)射電子的外光電效應而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。一、光電管及其基本特性光電管的結構示意圖光電管的結構示意圖 光光陽極陽極光電陰極光電陰極光窗光窗1. 結構與工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。兩者結構相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。第二、三節(jié)第二、三節(jié) 光電效應器件和特性光電效應器件和特性第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器

19、光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應時間、峰值探測率和溫度特性來描述。2. 主要性能（1） 光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應用光電傳感器參數的主要依據。圖圖4.2-2 光電管的伏安特性光電管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012陽極與末級倍增極間的電壓陽極與末級倍增極間的電壓/VIA/ A第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（2） 光電管的光照特性 通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電

20、流之間的關系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。 光電管的光照特性光電管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.51第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（3）光電管光譜特性 由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關系叫光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率0，因此它們可用于不同

21、的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應選用不同材料的光電陰極。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 國產GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限0=7000，它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉換效率：25%30%。它適用于白光光源，因而被廣泛地應用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外傳感器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，

22、為30008500，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜有很大差異，因而在測量技術中，這些光電管可以擔負人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。 一般充氣光電管當入射光頻率大于8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器二、光電倍增管及其基本特性二、光電倍增管及其基本特性 當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾A，不容易探測，需要用光電倍增管對電流進行放大。1.光電倍增管結構和工作原理由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導體光電材料

23、銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹的襯底上涂上銻入射光入射光光電陰極光電陰極第一倍增極第一倍增極陽極陽極第三倍增極第三倍增極銫材料而形成的，次陰極多的可達30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數是陰極發(fā)射電子數的105106倍。即光電倍增管的放大倍數可達幾萬到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（1）倍增系數M 倍增系數M等于n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數的乘積。如果n個倍增電極的都相同，則M= 因此，陽極電流 I 為 I = i i i i 光電陰極的光電流光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數為 = I / i =M與所加電壓有

24、關，M在105108之間，穩(wěn)定性為1左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1以內。如果有波動，倍增系數也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50100V。所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計漲落，從而減小測量誤差。 2. 主要參數nini第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器ni 103 104 105 106255075100125極間電壓極間電壓/V 放大倍數放大倍數光電倍增管的特性曲線第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個

25、光子在陽極上產生的平均電子數叫做光電倍增管的總靈敏度。 光電倍增管的最大靈敏度可達10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（3）暗電流和本底脈沖 一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除。 如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下

26、，出現的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電光電倍增倍增管的管的光照光照特性特性與直線最大與直線最大偏離是偏離是3%10131010109107105103101在45mA處飽和10141010106102光通量光通量/1m陽陽極極電電流流/ A（4）光電倍增管的光譜特性 光譜特性反應了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數關系。對于較好的管子，在很寬的范圍之內，這個關系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時，有較好的線性

27、關系。光通量大，開始出現非線性，如圖所示。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 利用物質在光的照射下電導性能改變或產生電動勢的光電器件稱內光電效應器件，常見的有光敏電阻光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。 內光電效應器件內光電效應器件第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器1. 光敏電阻的工作原理和結構 當光照射到光電導體上時，若光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，

28、光導材料價帶上的電子將激發(fā)到導帶上去，從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導體的電導率變大。為實現能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導體材料的禁帶寬度Eg，即 h h= = Eg(eV) 式中和入射光的頻率和波長。 一種光電導體，存在一個照射光的波長限C，只有波長小于C的光照射在光電導體上，才能產生電子在能級間的躍遷，從而使光電導體電導率增加。ch.241第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光敏電阻的結構如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體。A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結構圖金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結構圖光導電材料絕緣襯低引線電極引線光電導體光導體吸收光子而產

29、生的光電效應，只限于光照的表面薄層，雖然產生的載流子也有少數擴散到內部去，但擴散深度有限，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結構見圖。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器1-光導層; 2-玻璃窗口; 3-金屬外殼; 4-電極;5-陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃; 7-電阻引線。RG1234567(a)結構 (b)電極 (c)符號它是在一定的掩模下向光電導薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（c）是光敏電阻的代表符號。CdS光敏電阻的結構和符號光敏電阻的結構和符號第第

30、8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。 光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應用比較廣泛。 RGRLEI第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器2. 光敏電阻的主要參數和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下

31、的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。 實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M,甚至高達100M，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（2）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開

32、關。012345I/mA L/lx10002000第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（3）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240/m312相對靈敏度1硫化鎘2硒化鎘3硫化鉛第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（4） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安

33、特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。5010015020012U/V02040在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。I/ A第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（5）頻率特性20406080100I / %f / Hz010102103104當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏，電阻時延特性不同，所以

34、它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數光敏電阻的時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應的場合。硫化鉛硫化鎘第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（6）穩(wěn)定性 圖中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內機構工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經一至二周的老化，性能可達穩(wěn)定。I / %408012016021T/h0400 800 1200 1600光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上升，有些樣品阻值下降，但最后達到一個穩(wěn)定值后就不再變了。這就

35、是光敏電阻的主要優(yōu)點。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（7）溫度特性其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。硫化鎘的光電流I和溫度T的關系如圖所示。有時為了提高靈敏度，或為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器二、光電池

36、二、光電池 光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器件。又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結上時，在結的兩端出現電動勢。命名方式：把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。l 硅光電池價格便宜，轉換效率高，壽命長，適于接受紅外光。l 硒光電池光電轉換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計。l 砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它主要用于

37、宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電池的示意圖光電池的示意圖硅光電池的結構如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(如硼)形成PN結。當光照到PN結區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現電位差。若將PN結兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。1. 光電池的結構和工作原理+光PNSiO2RL(a) 光電池的結構圖光電池的結構圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖光電池的工作原理示意圖 P N第第8章

38、章 光電式傳感器光電式傳感器 光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)圖4.3-17 光電池符號和基本工作電路第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓開路電壓Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光電池硅光電池(b)硒光電池硒光電池（1）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為2000lx時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線2. 基本特性開路電壓開路電壓短路電

39、流短路電流短路電流短路電流第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器短路電流，指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內阻也不同，因而應選取適當的外接負載近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) 光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在

40、可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范圍400nm1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內應用。1硒光電池2硅光電池第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器(3) 頻率特性 光電池作為測量、計數、接收元件時常用調制光輸入。光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系。由于光電池PN結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池第第8章章

41、 光電式傳感器光電式傳感器（4）溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標，因此，當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC開路電壓開路電壓ISC 短路電流短路電流硅光電池在硅光電池在1000lx照照度下的溫度特性曲線度下的溫度特性曲線第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器三、光敏二極管和光敏三極管三、光敏二極管和光敏三極管 光電二極管和

42、光電池一樣，其基本結構也是一個PN結。它和光電池相比，重要的不同點是結面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十A。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結構分，有同質結與異質結之分。其中最典型的是同質結硅光電二極管。 國產硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器1. 光敏二極管光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類

43、；硅光敏二極管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二極管的結構與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號光敏二極管符號RL 光PN光敏二極管接線光敏二極管接線 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流當光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當光不照射時，光敏二極管處于載止狀態(tài)，這時只有少數載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時，PN結附近受光子轟擊，吸收其能量

44、而產生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作用下， P區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入N區(qū)， N區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應用。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（1） PIN管結光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。 由式

45、 = CjRL與 f = 1/2知，Cj小，則小，頻帶將變寬。 P-Si N-Si I-SiPIN管結構示意圖管結構示意圖第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（2） 雪崩光電二極管(APD) 雪崩光

46、電二極管是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)內電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。 噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應時間極短，靈

47、敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器2. 光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結構與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結的基區(qū)時,會產生電子-空穴對,在內電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的倍。 PPNNNPe b bc RL Eec第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器光敏三極管的主要特性：光敏三極

48、管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結，因而使相對靈敏度下降。（1）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波長為硅的峰值波長為9000，鍺的峰值波長為鍺的峰值波長為15000。由于鍺管的暗電流比硅管由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；態(tài)物體

49、時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時但對紅外線進行探測時,則則采用鍺管較合適。采用鍺管較合適。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管的伏安特性（2）伏安特性如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結附近，所產生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。U/V第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器光敏晶體管的光照

50、特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關系。它們之間呈現了近似線性關系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現飽和現象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器暗電流/mA光電流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶體管的溫度特性（4）溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關系

51、。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大所以電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器（5）光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調制頻率 / HZ相對靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性第第8章章 光電式傳感器光電

52、式傳感器 第四節(jié)第四節(jié) 其它光電傳感器其它光電傳感器一、色敏光電傳感器P+NPSiO2電極電極1 電極電極2電極3123色敏光電傳感器和等效電路色敏光電傳感器和等效電路 色敏光電傳感器色敏光電傳感器實際上是光電傳感器實際上是光電傳感器的一種特殊類型。它的一種特殊類型。它是兩只結深不同的的是兩只結深不同的的光電二極管組合體，光電二極管組合體，其結構和工作原理的其結構和工作原理的等效電路如圖所示。等效電路如圖所示。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 雙結光電二極管的P+-N結為淺結，N-P結為深結。當光照射時，P+，N，P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系數

53、大，經過很短距離就被吸收完畢；因此，淺結對紫外光有較高靈敏度。而紅外光部分吸收系數小，光子主要在深結處被吸收；因此，深結對紅外光有較高的靈敏度。即半導體中不同的區(qū)域對不同波長分別具有不同靈敏度。這一特性為識別顏色提供了可能性。利用不同結深二極管的組合，即可構成測定波長的半導體色敏傳感器。 具體使用時，首先對該色敏器件進行標定，也就是測定在不同波長光照射下，深結的短路電流ISD2與淺結的短路電流ISD1的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2在長波區(qū)較大，ISD1在短波區(qū)較大；因而 ISD2 / ISD1與入射單色光波長的關系就可以確定。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器二、光固態(tài)圖象傳感

54、器 光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉移器件集合而成。它的核心是電荷轉移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點，被廣泛應用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。1CCD的結構和基本原理P型Si耗盡區(qū)耗盡區(qū)電荷轉移方向電荷轉移方向123輸出柵輸出柵輸入柵輸入柵輸入二極管輸入二極管輸出二極管輸出二極管 SiO2 CCD的的MOS結構結構第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 CCD是由若干個電荷耦合單元組成，該單元的結構如圖所示。CCD的最小單元是

55、在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積鋁電極而構成MOS的電容式轉移器。將MOS陣列加上輸入、輸出端，便構成了CCD。 當向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內（如圖中1極下），形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數載流子為空穴。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 如何實現電荷定向轉移呢？電荷轉移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電

56、荷定向轉移的過程。 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)電荷轉移過程電荷轉移過程t=t0t=t1t=t2t=t30第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖1，2，3，見圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。當P1極施加高電壓時，在P1下方產生電荷包（t=t0）；當P2極加上同樣的電壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P

57、1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當P1回到低電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中（t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉到P3下的勢阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數載流子便從CCD的一端轉移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數載流子，送入放大器處理，便實現電荷移動。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器2線型CCD圖像傳感器 線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應的構成一個主體,在它們之間設有一個轉移控制柵,如圖4.4-4(a)所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻

58、使其在電氣上隔開。當入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結束時,轉移柵上的電壓提高(平時低電壓),與CCD對應的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉移到移位寄存器中。當轉移完畢,轉移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復原來的高電壓狀態(tài),準備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從CCD中轉移,由輸出端輸出。這個過程重復地進行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 目前，實用的線型CCD圖像傳感

59、器為雙行結構，如圖（b）所示。單、雙數光敏元件中的信號電荷分別轉移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。轉移柵轉移柵光積分單元光積分單元不透光的電荷轉移結構不透光的電荷轉移結構光積分區(qū)光積分區(qū)輸出輸出轉移柵轉移柵(a)(b)線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器輸出輸出第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器3面型CCD圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉移部分組成。目前存在三種典型結構形式，如圖所示。 圖(a)所示結構由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件

60、內的信息轉移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉換為視頻圖像信號。這種結構易于引起圖像模糊。第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器二相驅動二相驅動視頻輸出視頻輸出 行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅動感光區(qū)溝阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光區(qū) 存儲區(qū)析像單元 視頻輸出輸出柵串行讀出面型面型CCD圖像傳感器結構圖像傳感器結構(a)(b)第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器 圖（b）所示結構增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂