2019/5/21,1,机电类 自动检测技术 第十章（上） 多媒体课件 统一书号：ISBN 978-7-111-40710-2 课程配套网站 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net 2013年1月版,第十章（上） 光电传感器,第十章（上）介绍光电效应、光电元件的分类、结构、工作原理、特性、应用电路，以及光电传感器的四种类型的应用实例。还简单介绍了光辐射的基本知识。 第十章（中）介绍光电开关及光电断续器的原理及应用见。 第十章（下）介绍CCD图像传感器、热成像技术、光导纤维传感器的原理及应用。,10.1 光电效应与光电元件 10.2 光电元件的基本应用电路 10.3 光电传感器的应用,第十章（上）光电传感器 目录,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。,用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf （或h）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。,第一节 光电效应及光电元件,光电效应的分类,第一类：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 第二类：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。 第三类：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第二、三类属于半导体元件。,1）外光电效应,a)光电管 b)外光电效应示意,1阳极a 2阴极k 3石英玻璃外壳 4抽气管蒂 5阳极引脚 6阴极引脚 7金属表面 8光子 9光致发射电子,金属板,“光电子”,爱因斯坦光电方程 电子逸出金属表面的速度v可由 能量守恒定律确定：,式中 m电子质量； W金属光电阴极材料的逸出功； f入射光的频率。 由于逸出功与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率f应有一最低的限度值。当hf小于W时，即使光通量很大，照射时间很长，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。,几种金属逸出功的近似值(eV),根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子吸收。电子吸收光子的能量hf（有时也用h表示）后，能量增加。如果电子吸收的能量hf足够大，能够克服脱离原子所需要的能量（即电离能量）I和脱离物体表面时的逸出功W，电子就能够离开金属表面，而脱逸出来，称为“光电子”。光电子的逸出方向基本与金属板垂直。,光的频率、波长、光速之间的关系,不同物质的相应的红限波长是不同的。在光电技术中，经常使用光的波长，而不是光的频率。光的波长与光的频率f、光速c之间的关系为=c/f ，c3108m/s。 当hf大于W时，光通量越大，撞击到阴极的光子数目也越多，逸出的电子数目也越多，光电流I就越大。,光速不变,电磁波频谱（光是一种电磁波）,光电管电路及特性,金属阳极a和阴极k封装在一个石英玻璃壳内。当入射光照射在阴极板上时,光子的能量传递给阴极表面的电子,当电子获得的能量足够大时,电子就可以克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面,形成电子发射。当光电管阳极加上数十伏电压时,从阴极表面逸出的“光电子”被具有正电压的阳极所吸引,在光电管中形成电流,简称为光电流,光电流I正比于光电子数,而光电子数又正比于光照度。,1 低照度时的曲线 2紫外线增强时的曲线,光电倍增管,外光电效应的典型元器件还有光电倍增管。它的灵敏度比上述光电管高出几万倍以上，在星光下就可以产生可观的电流，光通量在10-1410-6lm（流明）的很大变化区间里，其输出电流均能保持线性。,因此光电倍增管可用于微光测量,如探测高能射线产生的辉光等。但由于光电倍增管是玻璃真空器件，体积大、易破碎,工作电压高达上千伏,所以目前已逐渐被新型半导体光敏元件所取代。,微弱 光照,紫外光电管,当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。可见光较难引起光电子的发射。 火焰的辐射光中包含了较大比例的紫外光，有别于灯光，以及纯粹的高温红外辐射。,紫外线,玻壳用对紫外线透光率较好的石英材料制造,二、基于内光电效应的光电元件,1光敏电阻 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。 光敏电阻的图形符号： 构成光敏电阻的材料有： 金属的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，若光子能量hf大于该半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子能量后，跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子-空穴对的出现使电阻率变小。光照越强，光生电子-空穴对就越多，阻值就越低。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。,光敏电阻外形及结构,当光敏电阻受到光照时， 左右电极之间的阻值减小。,光敏电阻原理演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子-空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流 （温度升高，暗电增大）,光照产生的电流 称为亮电流,光敏电阻的特性和参数,1）暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1M。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。 2）光电特性：在光敏电阻两极电压固定不变时,光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性(非线性严重),3）响应时间：光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间(下降时间)才能恢复到其暗电流值，（时延特性）。光敏电阻的上升响应时间和下降响应时间约为102103s，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。,部分光敏电阻的特性参数,二、光敏管,光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等统称为光敏管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏晶体管的灵敏度比二极管高，但频率特性较差，暗电流也较大。目前还研制出光敏晶闸管，它的导通电流比光敏晶体管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，主要用于光耦合器（俗称光电耦合器）中。,光敏二极管的结构,光敏二极管的PN结被设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。,1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈 8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11耗尽层12金丝引出线,光敏二极管的工作原理,没有光照时，由于二极管反 向偏置，所以反向电流很小， 称为暗电流，相当于普通二 极管的反向饱和漏电流。 当合适波长的光照射在光敏 二极管的PN结（又称耗尽层） 上时，原子中的电子吸收光子的能量，变成自由光子。相应地，产生同样数量的空穴。 光照增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，在外加的反向电压的作用下，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，从而产生反向电流电流（称为光电流），光电流与照度成正比。,部分光敏二极管特性参数,.,光敏二极管实物照片,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,透镜,+,-,光敏二极管外形,光敏二极管阵列,包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜等。,光敏二极管伏安特性及红外发射、接收对管,红外发射管,红外接收管,光敏二极管的伏安特性,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（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。,电路的输出电压Uo与光电流ID成正比，在一定范围内，与光照度E 成正比。,光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流 （暗电流）很小。,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,特殊光敏二极管PIN二极管,PIN光敏二极管是在P区和N区之间插入一层较厚的I本征半导体层，从而使PN结的间距加宽，结电容变小(几个pF)。因此，PIN光敏二极管的频带较宽，可达GHz数量级。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）只需十几伏，光电转换效率较高，灵敏度比普通的光敏二极管高得多。特殊结构的PIN二极管可用于测量紫外线、X射线或射线。PIN光敏二极管的缺点是I层电阻较大，输出电流较小，一般多为微安数量级，没有倍增效应。目前已将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上，并封装于一个管壳内，用于较短距离的光纤通信。,PIN二极管,.,PIN二极管的PN结与内部电场,.,特殊光敏二极管APD二极管,APD光敏二极管(雪崩光敏二极管)是一种具有内部倍增放大作用的光敏二极管,灵敏度比PIN大几百倍。当有一个光子从外部射入到其PN结上时,将产生一个电子空穴对。由于PN结上施加了较高的工作电压(约100V),接近于反向击穿电压。PN结中的电场强度可达104V/mm数量级，因此能将光子所产生的光电子加速到具有很高的动能,撞击其他原子,产生新的电子空穴对,如此多次碰撞,以致最终造成载流子按几何级数剧增的“雪崩”效应,形成对原始光电流的放大作用,增益可达几千倍,而雪崩产生和恢复所需的时间可小于10ns,适用于微光信号检测以及长距离光纤通信,可以取代光电倍增管。APD光敏二极管的主要缺点：噪声大。若有用光电信号只有几个毫微瓦(nW),就会被噪声淹没。,APD光敏二极管的PN结、内部电场分布 及电子倍增,APD载流子雪崩式倍增示意图,APD光敏二极管的 外形及用途,APD二极管适用于微光测量和光纤通信。,GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数,.,InGaAs-PIN 及InGaAs-APD近红外二极管特性,光敏晶体管,光敏晶体管又称“光敏三极管”，它有两个PN结。与普通晶体管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏晶体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。,光敏晶体管的结构,a）管芯结构 b) 结构简化图 c）光敏晶体管图形符号 1N+衬底 2N型集电区 3透光SiO2保护圈 4集电结JC 5P型基区 6发射结JE 7N型发射区,NPN型光敏晶体管的电流增益,光敏晶体管的集电结反偏，发射结正偏，有电流增益 。 入射光子在集电结附近产生电子-空穴对，集电极电流IC是原始光电流的倍。,光线,集电结 (反偏),大 于 3V,光敏三极管的外形 多数只有C、E 两个电极,C,E,B,C,E,硅光敏晶体管的伏安特性,光敏晶体管在不同照度下的伏安特性与一般晶体管在不同基极电流下的输出特性相似。光敏晶体管的工作电压一般应大于3V。若在伏安特性曲线上作负载线，便可求得某光强下的输出电压UCE。,硅光敏晶体管的光谱特性,电磁波频谱,硅光敏 晶体管的光谱特性,电磁波频谱,几种光敏材料的光谱峰值波长,.,光敏二极管、晶体管的光电特性比较,0,光照,光电流,光敏晶体管,光敏二极管,3000lx,4mA,请分析光敏二极管、光敏晶体管的 灵敏度曲线差异,0.3mA,请作图、计算当E=1000lx时，光敏二极管的光电流I,I,E,ICE0,光敏管的特性（续）,温度特性：温度变化对亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常大，并且是非线性的，将给微光测量带来误差。硅光敏晶体管的温漂比光敏