第10章光電式傳感器

第10章光電式傳感器第10章

光電式傳感器主要內容：

10.1光電效應

10.2光電器件

光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電晶體管、

光電池、其他光電器件、電荷耦合器

10.3光柵式傳感器

第10章

光電式傳感器概述

光電傳感器是將被測量的變化通過光信號變化轉換成電信號，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。光敏器件種類很多，如：

光電管、光敏二極管、光電倍增管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電耦合器、光纖等等。在計算機、自動檢測、控制系統(tǒng)應用非常廣泛。第10章

光電式傳感器概述

指紋鎖門禁光電鼠標第10章

光電式傳感器概述

料位自動控制電動扶梯自動啟停光電開關第10章

光電式傳感器概述

光柵光纖光電管光敏電阻

10.1光電效應

第10章

光電式傳感器

傳統(tǒng)的光敏器件利用各種光電效應，光電效應可分為：外光電效應內光電效應光電導效應

光生伏特效應

第10章

光電式傳感器10.1光電效應

10.1.1工作原理(1)外光電效應

在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應。光照射物體時，電子吸收入射光子的能量，每個光子具有的能量是：

——普朗克常數(shù)()

——光的頻率（Hz），波長短，頻率高，能量大第10章

光電式傳感器10.1光電效應

10.1.1工作原理

如果光子的能量E大于電子的逸出功A，超出的能量表現(xiàn)在電子逸出的功能，電子逸出物體表面，產生光電子發(fā)射。能否產生光電效應，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。

由能量守恒定律有：第10章

光電式傳感器光電導效應：入射光強改變物質導電率的物理現(xiàn)象稱光電效應。這種效應幾乎所有高電阻率半導體都有，為使電子從價帶激發(fā)到導帶，入射光子的能量E0應大于禁帶寬度Eg?；诠怆妼墓怆娖骷泄饷綦娮?。10.1光電效應

10.1.1工作原理(2)內光電效應第10章

光電式傳感器10.1光電效應

10.1.1工作原理(2)內光電效應光生伏特效應：光生伏特效應是半導體材料吸收光能后，在PN結上產生電動勢的效應。為什么PN結會因光照產生光生伏特效應呢？有下面兩種情況：不加偏壓的PN結處于反偏的PN結第10章光電傳感器

不加偏壓的PN結當光照射在PN結時，如果電子能量大于半導體禁帶寬度（E0＞Eg）,可激發(fā)出電子——空穴對，在

PN結內電場作用下空穴移向P區(qū)，而電子移向N區(qū)，使P區(qū)和N區(qū)之間產生電壓，這個電壓就是光生電動勢.

基于這種效應的器件有光電池

10.1光電效應

10.1.1工作原理(2)內光電效應第10章

光電式傳感器

處于反偏的PN結：無光照時，反向電阻很大，反向電流很小；有光照時，光子能量足夠大產生光生電子—空穴對，在PN結電場作用下，形成光電流，電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。具有這種性能的器件有：光敏二極管、光敏晶體管.10.1光電效應

10.1.1工作原理(2)內光電效應第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（1）光電管

當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（E＞A），會有電子逸出產生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內形成電子流，電流在回路電阻R上產生正比于電流大小的壓降。因此

第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（1）光電管第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（1）光電管第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（2）光電倍增管

光照很弱時，光電管產生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測器都使用的是光電倍增管做光電轉換元件。光電倍增管是利用二次電子釋放效應，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內進行放大。第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（2）光電倍增管第10章

光電式傳感器

光電倍增管的光陰極和陽極之間被加了許多倍增極（10個左右），在陽極和陰極之間加有幾百～上千伏的高壓，每個倍增極間有100～200V高壓，電流增益在105數(shù)量極。倍增極外加電壓Ud與增益G的關系近似為：式中： ——

常數(shù)

——

光電倍增管倍增極數(shù)10.2光電器件

（2）光電倍增管第10章

光電式傳感器上式可見，外加電壓Ud的變化引起光電倍增管增益的變化，因此對供給光電倍增管的工作電源電壓要求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。另外，為減少光電倍增管受溫度影響，在核探測技術中“穩(wěn)譜”是一個重要內容，與光電倍增管的指標、參數(shù)密切相關。10.2光電器件

（2）光電倍增管增益變化為：第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（2）光電倍增管

光電倍增管測量電路

第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（2）光電倍增管

核儀器測量中的譜線漂移

第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（2）光電倍增管基于光電倍增管的輸入設備滾筒掃描儀第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（3）光敏電阻

光敏電阻的工作原理是基于光電導效應，其結構是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導體物質，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導體上覆蓋一層漆膜。

光敏電阻結構及符號

第10章

光電式傳感器10.2光電器

（3）光敏電阻第10章

光電式傳感器光敏電阻光照特性:

無光照時，內部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；有光照時，電阻值隨光強增加而降低；光照停止時，自由電子與空穴復合，電阻恢復原值。光敏電阻主要參數(shù):

暗電阻——無光照時的電阻；暗電流——無光照時的電流；亮電阻、亮電流——受光照時的阻值、電流；光電流——亮電流與暗電流之差稱光電流。10.2光電器件

（3）光敏電阻第10章

光電式傳感器

伏安特性給定偏壓光照越大光電流越大；給定光照度電壓越大光電流越大；光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、無飽和，但受最大功耗限制。10.2光電器件

（3）光敏電阻——基本特性光敏電阻伏安特性第10章

光電式傳感器

光譜特性光敏電阻靈敏度與入射波長有關;

光敏電阻靈敏度與半導體摻雜的材料有關，材料與相對靈敏度峰位波長例圖：硫化鎘（CdS）0.3～0.8(μm)硫化鉛（PbS）1.0～3.5(μm)銻化銦（InSb）1.0～7.3(μm)

10.2光電器件

（3）光敏電阻——基本特性第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（3）光敏電阻——基本特性光敏電阻的光譜特性第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（3）光敏電阻——基本特性

溫度特性溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應。

光敏電阻溫度特性第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（3）光敏電阻——應用光敏電阻開關電路第10章

光電式傳感器10.2光電器件

（3）光敏電阻——應用光敏電阻在聲、光控開關中的應用第10章

光電式傳感器10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應。特點：響應速度快、頻率響應好、靈敏度高、可靠性高;廣泛應用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、自動報警、自動計數(shù)等領域和裝置。

第10章

光電式傳感器10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管

①光敏二極管

光敏二極管結構與一般二極管相似，它們都有一個P—N結，并且都是單向導電的非線性元件。為了提高轉換效率大面積受光，PN結面積比一般二極管大。硅光敏二極管結構

第10章

光電式傳感器工作原理：光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無光照時，反向電阻很大，反向電流很小；有光照時，PN結處產生光生電子空穴對；在電場作用下形成光電流，光照越強光電流越大；光電流方向與反向電流一致。10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管

光敏二極管基本電路

第10章

光電式傳感器

基本特性：光照特性，圖是硅光敏二極管在小負載電阻下的光照特性。光電流與照度成線性關系。

光敏二極管光照特性

10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管第10章

光電式傳感器光譜特性，當入射波長＞900nm時，響應下降，因波長長，光子能量小于禁帶寬度，不產生電子——空穴對；當入射波長＜900nm時，響應也逐漸下降，波長短的光穿透深度小，使光電流減小。10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管硅光敏二極管光譜響應

光敏晶極管光譜響應

第10章

光電式傳感器光敏二極管伏—安特性

伏安特性當反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，光生電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關，只取決于光照強度。10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管第10章

光電式傳感器

溫度特性，由于反向飽和電流與溫度密切有關，因此光敏二極管的暗電流對溫度變化很敏感。10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管光敏二極管暗電流與溫度關系第10章

光電式傳感器

頻率響應:光敏管的頻率響應是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關系。光敏管的頻響與本身的物理結構、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因素有關。圖光敏二極管頻率響應曲線說明調制頻率高于1000Hz時，硅光敏晶體管靈敏度急劇下降。光敏二極管頻率響應曲線

10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管第10章

光電式傳感器

與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極—集電極結作為光敏二極管，集電結做受光結，另外發(fā)射極的尺寸做的很大，以擴大光照面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，集電結加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)。10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管

②光敏三極管光敏晶極管結構

第10章

光電式傳感器

硅（Si）光敏晶體極管一般都是NPN結構，光照射在集電結的基區(qū)，產生電子、空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。在負載電阻RL上的輸出電壓為：

10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管

②光敏三極管——晶體管電流放大系數(shù)

第10章

光電式傳感器光敏晶體管具有放大作用，伏安特性曲線如圖所示10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管光敏晶體管等效電路

光敏晶體管伏安特性

第10章

光電式傳感器

光敏晶體管的光譜特性硅材料的光敏管峰值波長在0.9μm附近（可見光）靈敏度最大；可見光或探測赤熱狀物體時一般都用硅管鍺管的峰值波長約為1.5μm（紅外光）對紅外進行探測時用鍺管較適宜。

10.2光電器件

(4)光敏二極管和光敏三極管

②光敏三極管光敏晶體管光譜特性第10章

光電式傳感器

光電池工作原理也是基于光生伏特效應，可以直接將光能轉換成電能的器件。有光線作用時就是電源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動控制等。光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）光電池符號第10章

光電式傳感器10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）太陽能手機充電器太陽能供LED電警示太陽能電池第10章

光電式傳感器

結構：光電池實質是一個大面積PN結，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。原理：當光照射PN結的一個面時，電子——空穴對迅速擴散，在結電場作用下建立一個與光照強度有關的電動勢。一般可產生0.2V～0.6V電壓50mA電流。10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）光電池結構

光電池工作原理圖

第10章

光電式傳感器①光照特性開路電壓，光生電動勢與照度之間關系稱開路電壓曲線，開路電壓與光照度關系是非線性關系，在照度2000lx下趨于飽和。短路電流，短路電流與照度之間關系稱短路電流曲線曲線，短路電流是指外接負載RL相對內阻很小時的光電流。10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）第10章

光電式傳感器

光電池光照特性

光電池光照與負載的關系

光電池作為測量元件使用時，一般不做電壓源使用，而作為電流源的形式應用。

10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）第10章

光電式傳感器②光譜特性光電池對不同波長的光靈敏度不同，硅光電池的光譜響應峰值在0.8μm附近，波長范圍0.4～1.2μm。硅光電池可在很寬的波長范圍內應用。硒光電池光譜響應峰值在0.5μm附近,波長范圍0.38～0.75μm。10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）第10章

光電式傳感器②光電池譜特性10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）第10章

光電式傳感器③頻率特性頻率特性指光電池相對輸出電流與光的調制頻率之間關系。硅、硒光電池的頻率特性不同，硅光電池頻率響應較好硒光電池較差。所以高速計數(shù)器的轉換一般采用硅光電池作為傳感器元件。10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）硅、硒光電池的頻率特性

第10章

光電式傳感器10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）④溫度特性第10章

光電式傳感器電路連接光電池作為控制元件時通常接非線性負載，控制晶體管工作。光電池作為電源使用時，根據(jù)使用要求進行連接。需要高電壓時應將光電池串聯(lián)使用；需要大電流時應將光電池并聯(lián)使用。10.2光電器件

(5)光電池（有源器件）第10章

光電式傳感器

硅管的發(fā)射結導通電壓為0.6V～0.7V，光電池的

0.5V電壓起不到控制作用，可將兩個光電池串聯(lián)后接入基極，或用偏壓電阻產生附加電壓。有光照度變化時，引起基極電流Ib變化，集電極電流發(fā)生β倍的變化。電流Ic與光照近似線性關系。光電池電路連接

第10章

光電式傳感器①PIN型硅光電二極管，高速光電二極管，響應時間達1nS，適用于遙控裝置。②雪崩式光電二極管，具有高速響應和放大功能，高電流增益，可有效讀取微弱光線，用于0.8μm范圍的光纖通信、光磁盤受光元件裝置。③光電閘流晶體管（光激可控硅），由入射光線觸發(fā)導通的可控硅元件。10.2光電器件

(6)其他光電管第10章

光電式傳感器④達林頓光電三極管（光電復合晶體管），輸入是光電三極管，輸出是普通晶體管，增益大，I=IgI1I2。⑤光敏場效應晶體管，具有靈敏度高、線性動態(tài)范圍大、光譜響應范圍寬、輸出阻抗低、體積小等優(yōu)點。廣泛用于對微弱信號和紫外光的檢測。⑥半導體色敏傳感器，可直接測量從可見光到紅外波段的單色輻射波長。10.2光電器件

(6)其他光電管第10章

光電式傳感器又稱光電隔離器

“光耦”器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光管輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。通過電——光、光——電，兩次轉換進行輸入輸出耦合。10.2光電器件

(6)其他光電管⑦光電耦合器件第10章

光電式傳感器

“光耦”集成器件的特點：輸入輸出完全隔離，有獨立的輸入輸出抗，器件有很強的抗干擾能力和隔離性能可避免振動、噪聲干擾。特別適宜做數(shù)字電路開關信號傳輸、邏輯電路隔離器、計算機測量、控制系統(tǒng)中做無觸點開關等。10.2光電器件

(6)其他光電管第10章

光電式傳感器10.2光電器件

(6)其他光電管光電耦合器用于天然氣點火器電路第10章

光電式傳感器透射式，當不透明物質位于中間時會阻斷光路，接受器產生相應的電信號。反射式，光電開關的發(fā)射與接受器件光軸在同一平面上，以某一角度相交，交點處為待測點，當有物體經過待測點時，接受元件接收到物體表面反射的光線。10.2光電器件

(6)其他光電管⑧光電開關

光電開關結構與外形第10章

光電式傳感器10.3光柵式傳感器光柵式傳感器的特點：精度高；大量程測量兼有高分辨率；可實現(xiàn)動態(tài)測量；具有較強的抗干擾能力。第10章

光電式傳感器長光柵用于長度或直線位移的測量，刻線相互平行；