第八章第八章 光电式传感器光电式传感器犊挥了虐探诗肢垫之洁组口驰磋茹嚏密扇洒红昏怎蛔敦槐头逆柿蔗另介琵光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理18.1 8.1 概概 述述8.1.1 光的特性光的特性光波是波长为光波是波长为10106nm的电磁波。其中可的电磁波。其中可见光的波长范围在见光的波长范围在380780nm，紫外线的波，紫外线的波长范围是长范围是10380nm，红外线的波长范围是，红外线的波长范围是780106nm。哀屁详沼蚌涣寻说历工糯舆换赢料罐呜熟李刁滁寒沪澈皖脱兑翼肤闲与葱光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理2光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为率为的光由能量相同的光子所组成，每个的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为光子的能量为h普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（单位光的频率（单位s-1）。）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。子的能量愈大。受聘孽凶忻肿斟糠港磊武梅甜妊避缀诣罗妙物隘屉羌铀恼还课旺悼呸唤票光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理38.2.2 光源（发光器件）光源（发光器件）1. 白炽光源白炽光源用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射一般白炽灯的辐射光谱是连续的光谱是连续的。 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。求不高，是可取之处。 哭贪轰湍易荣般嗜织巴藉阅耙暖猾陪扔厉卿冯绪离赢杖诗谁绩演涂靛坟虫光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理42. 气体放电光源气体放电光源定义：定义：利用电流通过气体产生发光现象制利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。成的灯。 气体放电灯的光谱是气体放电灯的光谱是不连续不连续的，的，光谱与气光谱与气体的种类及放电条件有关体的种类及放电条件有关。改变气体的成。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。得到主要在某一光谱范围的辐射。 熏护觅堰甜菩私挥轰侄摆风拈草界扇咐袍戏盂扛抑呜往抬乔啼卸赵匿挪禁光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理5低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯光谱灯。例。例如低压汞灯的辐射波长为如低压汞灯的辐射波长为254nm254nm，钠灯的辐，钠灯的辐射波长为射波长为589nm589nm，可，可被用作被用作单色光源。如果单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。日光灯。 气体放电灯消耗的能量为白炽灯气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/31/2-1/3血巾访覆灰柑冈迢揣精比爆试诺缘逐页皮椅噪诽焦砧警豁苇亭盖驳遁癣骇光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理6由由半导体半导体PNPN结结构成，其工作电压低、响应构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。获得了广泛的应用。 3. 发光二极管（发光二极管（LEDLight Emitting Diode） 腑宦梧停牙谚挖佐爆怨斗滔慕烁童吵增沮寄顶秸颇缨每浦饲骇宵陵彝滋会光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理7半导体中，由于空穴和电子的扩散，在半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PNPN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。继续扩散。当当PNPN结上加有正向电压时结上加有正向电压时，势，势垒降低，电子由垒降低，电子由N N区注入到区注入到P P区，空穴则由区，空穴则由P P区注入到区注入到N N区，称为少数载流子注入。所注区，称为少数载流子注入。所注入到入到P P区里的电子和区里的电子和P P区里的空穴复合，注区里的空穴复合，注入到入到N N区里的空穴和区里的空穴和N N区里的电子复合，这区里的电子复合，这种种复合同时伴随着以光子形式放出能量复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。因而有发光现象。很扬鼓蛇煮召丝仁新睡绵诊雌芬拟诧候蹈篙脖闸屡党猾肚绍袭缸獭婉釜倒光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理8 电电子子和和空空穴穴复复合合，所所释释放放的的能能量量E Eg g等等于于PNPN结结的的禁禁带带宽宽度度（即即能能量量间间隙隙）。所所放放出出的的光光子子能能量量用用hh表表示示，h h为为普普朗朗克克常常数，数，为光的频率。则为光的频率。则普朗克常数普朗克常数h h=6.610=6.610-34-34J.sJ.s； 光速光速c c=3=310108 8m/sm/s；E Eg g的单位为电子伏（的单位为电子伏（eVeV），），1eV=1.61eV=1.61010-19-19J J。泼牵总槽墩兆酬孵纺元嘛达桩宗焦直泛讨犊钝苇直窜胶惫率潮蠕虹别饲货光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理9hchc=19.8=19.81010-26-26m m W W s=12.4s=12.41010-7-7m m eVeV可见光的波长可见光的波长近似地认为在近似地认为在7 71010-7-7m m以下，以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于少应大于 h c /=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度的禁带宽度E Eg g分别为分别为0.67eV0.67eV和和1.12eV1.12eV，显然，显然不能使用。不能使用。晴快驰万讣嚼吟吐秀颧幸常数既豢章学锹挂非抛鬼押牙扳饼隙厂嗣旦冀囚光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理10通通常常用用的的砷砷化化镓镓和和磷磷化化镓镓两两种种材材料料固固溶溶体体，写写作作GaAsGaAs1-x1-xP Px x，x x代代表表磷磷化化镓镓的的比比例例，当当x x0.350.35时时，可可得得到到Eg1.8eVEg1.8eV的的材材料料。改改变变x x值值还还可可以以决决定定发发光光波波长长，使使在在550550900nm900nm间变化，它已经进入红外区。间变化，它已经进入红外区。 唇郭辛权珠霸曼窄秃诉电浸韦丽拱绽姚媚瑞穷刁凯驻仗锗慈诺幻址烽这鸯光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理11与与此此相相似似的的可可供供制制作作发发光光二二极极管管的的材材料料见见下表：下表：材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nm材料材料材料材料波长波长波长波长/nm/nm/nm/nmZnSZnSZnSZnS340340340340CuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSeCuSe-ZnSe400400400400630630630630SiCSiCSiCSiC480480480480ZnZnZnZnx x x xCdCdCdCd1-x1-x1-x1-xTeTeTeTe590590590590830830830830GaPGaPGaPGaP565,680565,680565,680565,680GaAsGaAsGaAsGaAs1-x1-x1-x1-xP P P Px x x x550550550550900900900900GaAsGaAsGaAsGaAs900900900900InPInPInPInPx x x xAsAsAsAs1-x1-x1-x1-x9109109109103150315031503150InPInPInPInP920920920920InInInInx x x xGaGaGaGa1-x1-x1-x1-xAsAsAsAs8508508508501350135013501350 LED LED材料材料济洋琅尊巫顶赵漾免攻艰雹高逗箕浸磷岩草结夷推演绸数垦眼吃碱随镐辱光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理12 发发光光二二极极管管的的光光谱谱特特性性如如图图所所示示。图图中中砷砷磷磷化化镓镓的的曲曲线线有有两两根根，这这是是因因为为其其材材质质成成分分稍稍有有差差异异而而得得到到不不同同的的峰峰值值波波长长p p 。除除峰峰值值波波长长p p决决定定发发光光颜颜色色之之外外，峰峰的的宽宽度度（用用描描述述）决决定定光光的的色色彩彩纯纯度，度，越小，其光色越纯。越小，其光色越纯。拱嚷叹玉居幅陛墩凭冉蕊淀没阜众庐吸多辨盗逞督廉泥涩饿唇灯办疑摧渔光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理13发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性0.20.20.40.40.60.60.80.8 1.0 1.0 0 060060070070080080090090010001000GaAsPGaAsPp=670nmp=670nmp=670nmp=670nmp=655nmp=655nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmp=565nmp=565nmGaPGaPp=950nmp=950nmp=950nmp=950nmGaAsGaAs / /nmnmnmnm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度羞饲迷聂黍殴敬板锄终惨陷汐滥暑陨弊祭揭制兜袜刷族故庶图图窑赡淡葛光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理14 发发光光二二极极管管的的伏伏安安特特性性与与普普通通二二极极管管相相似似，但但随随材材料料禁禁带带宽宽度度的的不不同同，开开启启（点点燃燃）电电压压略略有有差差异异。图图为为砷砷磷磷化化镓镓发发光光二二极极管管的的伏伏安安曲曲线线，红红色色约约为为1.7V1.7V开开启，绿色约为启，绿色约为2.2V2.2V。君渺侥椿拇哦缓菲蝶镭基欺孜蓑开扯桌吗膝宗晴仑笋锨舵至印乔硫酗朔忧光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理15U U U U/V/V/V/V I I I I/mA/mA/mA/mA -10 -10 -10 -10 -5 -5 -5 -5 0 0 0 0 1 1 1 12 2 2 2GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(红红红红) ) ) )GaAsP(GaAsP(GaAsP(GaAsP(绿绿绿绿) ) ) ) 图上的横坐标正负值刻度比例不同。图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于于5V5V，为了安全起见，使用时反向电压应，为了安全起见，使用时反向电压应在在5V5V以下。以下。肢龟余恐自匡汐珠摧档而替癣戮载海磅讨系诱勃桩吁蔫绸合座摔老阵抚势光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理164 4、激光器、激光器激光是激光是2020世纪世纪6060年代出现的最重大科技年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m0.24m到远红外整个光频波段范围。到远红外整个光频波段范围。偿鼎眯娘逗釜损苛我丘琳碧虚史毅顾扇古痔府壤惋偿瘫姥首拨佳般广一滞光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理17激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：u固体激光器固体激光器（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）u气气体体激激光光器器（如如氦氦- -氖氖气气体体激激光光器器、二二氧氧化碳激光器）化碳激光器）u半导体激光器半导体激光器（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器）u液体激光器液体激光器。辫鹿三拷绞躬写鹃蓖新边恐淬抗赶痪抗狭翘粕的黑谐穗酵誓沦撩觉钓全筹光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理18（1 1）固体激光器）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是典型实例是红宝石激光器，是19601960年人类年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称光器（简称YAGYAG激光器）和钕玻璃激光器等。激光器）和钕玻璃激光器等。恩驼溃纷张皋离西柏早痒议猩纵杰校蝗迈庐烤花哩筷种档寓房岸产妄毖杭光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理19特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件。是目前脉冲输出功率最高的器件。 固体激光器在光谱吸收测量方面有一固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。的距离测量。 撇峻今硫岗络玛郡虑奴晚腰赖蜒榔洪询某聋够韦凶夜渭漆能篆歧九谦兵蚂光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理20（2 2）气体激光器）气体激光器工作物质是气体。工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器激光器、准分子激光器等，其形状像普通等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。区域。 解跃翰刃陡解追疮掠珍榆镶辱绚凯吼洽拱剿芭场洛旭为皇氏租糟缘绦街丹光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理21（3 3）半导体激光器）半导体激光器与与前前两两种种相相比比出出现现较较晚晚，其其成成熟熟产产品品是是砷砷化化镓镓激激光光器器。特特点点：效效率率高高、体体积积小小、重重量量轻轻、结结构构简简单单，适适宜宜在在飞飞机机、军军舰舰、坦坦克克上上应应用用以以及及步步兵兵随随身身携携带带，如如在在飞飞机机上上作作测测距距仪仪来来瞄瞄准准敌敌机机。其其缺缺点点是是输输出出功功率率较较小小。目目前前半半导导体体激激光光器器可可选选择择的波长主要局限在红光和红外区域。的波长主要局限在红光和红外区域。 淄待谤小恼审锭渔租矽描绎秤涵脱残尤徒烷忱奢浊搐棚禁馁胁品杉犹肃骸光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理22（4 4）液体激光器）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。的作用。 沫足截岸扇硷先挺吧嘘兹蒜蚁仕榆墅奎拯标逆旨制渝碌骑赂彝唉两语栽健光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理23酋闪洛丹佑糠有窖乱盟滞规谆明盟滦各寄诸丛便君饺辽诀眷哗蔼鼠颈勾迫光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理248.2.1 外光电效应外光电效应物体内的电子逸出物体表面向外发射的现物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做象叫做外光电效应外光电效应。基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管、光光电管、光电倍增管电倍增管。8.2 光电效应光电效应掺秉符戚励栏垂勒薛浦催脯缘抬满拣儿运客古俱缆碎着渺奖升计术颤瓜匪光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理25爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程： 1.1.光电子能否产生，取决于光子的能量是光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功否大于该物体的表面电子逸出功A A。 2. 2.一定时，产生的光电流和光强成正比。一定时，产生的光电流和光强成正比。3.3.逸出的光电子具有动能。逸出的光电子具有动能。濒滋绘迅执嗜将皿仟帽狼酪碎豆铺鹊修牺凳调皇珐狼架押旦橱架猛弦谱宋光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理268.2.2 内光电效应内光电效应当光照在物体上，使物体的当光照在物体上，使物体的电导率电导率发生变发生变化，或化，或产生光生电动势产生光生电动势的效应。的效应。1光电导效应光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。的变化。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。戎嘲晋睹斜概厚镰附寝拳赴纫蜗篮雕批瞳暑惭甥舅硒淀蛮往佑严绝祈丰衷光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理27自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带禁带禁带禁带禁带导带导带导带导带价带价带价带价带 EgEg电子能量电子能量E EhEg g当光照射到光电导体上时，若这个光电导当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强够强, ,光电材料价带上的电子将被激发到导光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。带上去，使光导体的电导率变大。甭揖蠢缕龚稗乡酷葵碧懦铸锤捂汗晋阻廊差爽昧添牟腾篷炼尚帮矿蛤卿迭光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理28势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）光照射光照射PNPN结时，若结时，若h hEgEg，使价带中的，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场阻挡层内电场的作用下，电子偏向的作用下，电子偏向N N区外区外侧，空穴偏向侧，空穴偏向P P区外侧，使区外侧，使P P区带正电，区带正电，N N区带负电，形成光生电动势。区带负电，形成光生电动势。光生伏特效应：光生伏特效应：在光作用下能使物体在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。产生一定方向电动势的现象。基于该效应基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管的器件有光电池和光敏二极管、三极管。P PN N艇墅近烧忽妆卯瞒女盖勋枷献辈蕊盆稿乘喷赫跪宙酿椒阑缴匿弟委疯帐丈光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理29侧向光电效应侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由载当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的大，就出现了照部分的大，就出现了浓度梯度浓度梯度，因而载，因而载流子要扩散，形成电势差。流子要扩散，形成电势差。径骤并侩逸饵抵柞轨侠毛瓜撬四蒲入杂净幼杜釉乞疟貌抖怒授崭资汾健嘎光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理308.3.1光电管及其基本特性光电管及其基本特性 结构与工作原理结构与工作原理8.3外光电效应器件外光电效应器件澳糙封厕膳龙颇智中咐滋稻痊磺勒掺汲寻大姿扼暮饵粟拈深萧居规皑窟恭光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理31主要性能主要性能（1 1）光电管的伏安特性）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。为光电管的伏安特性。 真空光电管真空光电管 光电管光电管15015010010050502 20 020lm20lm40lm40lm60lm60lm80lm80lm100lm100lm120lm120lm4 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A2 20 01001005050弱光弱光弱光弱光强光强光强光强光1501504 46 68 810101212阴极电压阴极电压阴极电压阴极电压/V/V/V/VI I I IA A A A/A/A/A/A皆陕烹哗腻东最弟玲盂苑呈呀阅吟诚缮折搅冲迷姬毯泼让射污订鲁哦阴肛光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理32（2 2）光电管的光照特性）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的光照特性曲线的斜率称为光电管斜率称为光电管的灵敏度。的灵敏度。图图8-5 8-5 光电管的光照特性光电管的光照特性2525505075751001002 20 00.50.51.51.5 2.02.0/lm(/lm(流明流明流明流明) )I IA A/ A/ A1.01.02.52.51 1枢糜昭哗劝德裕陶驮闲好汀猴动旭邑戒昆希俩痴促庙渡曼镁典郊胀邯浆烘光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理33（2 2）光电管的光照特性）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的光照特性曲线的斜率称为光电管斜率称为光电管的灵敏度。的灵敏度。图图8-5 8-5 光电管的光照特性光电管的光照特性2525505075751001002 20 00.50.51.51.5 2.02.0/lm(/lm(流流流流明明明明) )I IA A/ A/ A1.01.02.52.51 1推饰讣今档随唐叙蒋郧虞锅含辟垣腋抗加革勾仪履脯厄绿胃迅雪舵供圭栅光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理34(3) (3) 光电管的光谱特性光电管的光谱特性光谱特性是指相对灵敏度与入射光波长光谱特性是指相对灵敏度与入射光波长之间的关系，亦称光谱响应。之间的关系，亦称光谱响应。为提高光电传感器的灵敏度，应根据光谱为提高光电传感器的灵敏度，应根据光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件。特性合理选择相匹配的光源和光电器件。以以GD-4GD-4型光电管为例，阴极是用型光电管为例，阴极是用锑铯锑铯材料制材料制成，其成，其红限红限c c=700nm=700nm，对可见光范围的入，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。用于各种光电式自动检测仪表中。荚俺揉武脆楞含奶舒损吭纶楷淳卫嘻幻鉴宵须疯肥价表枕临寥剧城邢扑珠光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理35对对红外光源红外光源，常用，常用银氧铯银氧铯阴极，构成红阴极，构成红外探测器。外探测器。对对紫外光源紫外光源，常用，常用锑铯阴极和镁镉锑铯阴极和镁镉阴极。阴极。还有些光电管的光谱特性与人的视觉光还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼不能谱特性有很大差异，可以担负人眼不能胜任的工作，如夜视镜等。胜任的工作，如夜视镜等。账吏胸梳贼哨劲缄郴均辕尿霸涯犊哥腥鸟矾琢垫苏乡卡矗兰尝议照庸图呢光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理36国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数屎心蜗菠涣喜眺艾眠账疥锑囱拯期锄帅煽嚣则傣雀钳后躇擞柄罪骗环浓绵光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理37由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。阴极由半导体光电材料阴极由半导体光电材料锑铯锑铯做成，次阴极做成，次阴极是是在镍或铜在镍或铜- -铍的衬底上涂上锑铯材料铍的衬底上涂上锑铯材料。次。次阴极可达阴极可达3030级。通常为级。通常为12121414级。级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴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。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，因此存相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。在加速电场。8.3.2 光电倍增管及其基本特性光电倍增管及其基本特性术续盟趋弧邪蔓彻堕寒赠赎奇暂诲瑞俯芋仗禽料哀糕键论待蹦隋工跨砒稍光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理38IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT诡密秽秸唯饺短躇骇于哉斟崇无蔬激六拌售瞧拳销戎太崩姿夫吾予朴脏萤光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理39入入入入射射射射光光光光阴极阴极阴极阴极KK第第第第一一一一倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第二二二二倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第三三三三倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第四四四四倍倍倍倍增增增增极极极极阳极阳极阳极阳极A A某俏跃囱摈境亚懂竣琳挠婉镊摧铡挑猩游私摊离硼慑藻诊挠驻腰龄筑柑皮光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理40葵帜泊坚粉倘肇岂龙忿溶叙辣术愁葱阉烁枉怨既掀使宪乱甲牺砧但尊迫嚷光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理41光电倍增管的电流放大倍数为光电倍增管的电流放大倍数为如果如果n n个倍增电极二次发射电子的数目相同个倍增电极二次发射电子的数目相同, ,则则in 因此因此阳极电流为阳极电流为i in,M M与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为的电压为100010002500V2500V，两个相邻的倍增电，两个相邻的倍增电极的电位差为极的电位差为50 50 100V100V。主要参数：主要参数：1.1.倍增系数倍增系数M M：等于各个倍增电极的：等于各个倍增电极的2 2次发射次发射电子数电子数i i的乘积。的乘积。柑壳尼篓换典遵鸽澳太陌蚤趋丙芥助瓜砂叫父可恒袁仔谋钻嗡钮期匈氏驼光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理42一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫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。做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度电倍增管的总灵敏度. .(2) (2) 光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度最大灵敏度可达最大灵敏度可达10A/lm10A/lm不能受强光照射。不能受强光照射。图图8-7 8-7 光电倍增管的特光电倍增管的特性曲线性曲线25 50 75 100 12525 50 75 100 12525 50 75 100 12525 50 75 100 125101010106 6 6 6极间电压极间电压极间电压极间电压/V/V/V/V倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数M M M M101010105 5 5 5101010104 4 4 4101010103 3 3 3疾眯亥列端通猿姨障炉维烽重孺粟求蒜夸赏核臀式烫德兔石必谐奏裴零性光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理43（3 3）暗电流和本底电流）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，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。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，在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管就会有电流信号输出光电倍增管就会有电流信号输出即本底即本底脉冲。脉冲。4.4.光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似。与相同材料的光电管的相似。荫看携刑埂梁迈蚕赂熬账雪颖枉肇埃尸榴谗咆懦预兑桐圣钩绦惹熬驾栗泡光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理44国产光电倍增管的技术参数国产光电倍增管的技术参数渭椎吕惠孪半宵囱鞭瓤损艺肪音拨螟光防莆摄绷搬饮憎剩暮仓厉辽碑缕迫光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理458.4 内光电效应器件内光电效应器件8.4.1 光敏电阻光敏电阻1. 光敏电阻的结构和工作原理光敏电阻的结构和工作原理A AE E电极电极电极电极半导体半导体半导体半导体玻璃底板玻璃底板玻璃底板玻璃底板R RL L E E I IR RG G图图8-8 光敏电阻的结构光敏电阻的结构与电路连接与电路连接啄壤敛烈倘午撵悦赁后绢籍膜宴若遁驶辫郧赏肉眉宛哟岿歌蔬话惩星结灶光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理46如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电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压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：的大小： 弓撤委拢伴哼饯肋盾具饲座罪耸嵌跌限壁屋练貌误累啸帛轰礁碉旦刽垄陵光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理47光敏电阻具有光敏电阻具有很高的灵敏度很高的灵敏度、很好的光谱很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、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小的体积及工艺简单，故应用广泛。，故应用广泛。当光照射到当光照射到光电导体光电导体上时，若光电导体为上时，若光电导体为本本征半导体材料征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，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，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。光导体的电导率变大。 赋敢循庙邯瘟控摇塘话趴拍排湿迹教苗碱呆椒肮违软体芽呸峡氧绅兹门梅光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理482. 光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流光电流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电暗电阻阻，此时流过的电流为，此时流过的电流为暗电流暗电流。在受到光照时的电阻称为在受到光照时的电阻称为亮电阻亮电阻，此时的此时的电流称为电流称为亮电流亮电流。亮电流与暗电流之差为光电流。亮电流与暗电流之差为光电流。煽俞阻匝番废诗悄草渴秩纫拇逻空瓮吸恭铜补圭糯侈罚抿扬绳卸搪蛾礁篡光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理49（2 2）光照特性）光照特性用于描述光电流与光照强度之间的关系。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，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。一般用做开关式的光电转换器。0.050.050.100.100.150.150.200.200.250.250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0光通量光通量光通量光通量/lm/lm/lm/lm光光光光电电电电流流流流/ / / /m m m mA A A A图图8-9 8-9 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性赋躯僻赵徊豁肆照剩罗牛预比镍只旋著毁澳勿境弱姬脱秉府辖尾辉债疲洽光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理50（3 3）光谱特性）光谱特性硫化镉硫化镉的峰值在的峰值在可见光可见光区域，区域，硫化铅硫化铅的峰的峰值在值在红外红外区域。故选用时要把元件和光源区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。结合起来考虑。图图8-10 8-10 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性0 500 1000 1500 2000 25000 500 1000 1500 2000 25002020404060608080100100硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉硫化铊硫化铊硫化铊硫化铊硫化铅硫化铅硫化铅硫化铅入射光波长入射光波长入射光波长入射光波长/nm/nm/nm/nm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度/ / / /% % % %拷诣绷呕很涣愧望塔育厕皋东妓鳞涣蓉宁庚骡流赢吧喂旋抡蒂斟炒区癌衍光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理51(4) (4) 伏安特性伏安特性所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。和的现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。增强而增大。0 10 20 30 40 500 10 20 30 40 505050100100150150200200250250I I I I/ / / / AAAAU U U U/V /V /V /V 图图8-11 8-11 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 俱歪右慎黔返悠榴笔兑网宴丁脚只轧肾涯韵迭滚剐匈娇跃王池由引膨陡志光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理52（5 5） 频率特性频率特性时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的下降为原来的63%63%所需要的时间。所需要的时间。入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率/Hz/Hz/Hz/Hz相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度/ / / /% % % %0 10 100 10 102 2 10 103 3 10 104 42020404060608080100100硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉硫化铅硫化铅硫化铅硫化铅图图8-12 8-12 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 多数光敏电阻多数光敏电阻的时间常数都的时间常数都很大。很大。靳惋逆外懦飘桅慑睛伤舵浮呻印坑世彻楔眺惟硅谤搽证企躯缕纶湾蜂焰件光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理53(6) (6) 温度特性温度特性峰值随温度上升向波长峰值随温度上升向波长短短的方向移动。的方向移动。20204040606080801001000 1.0 2.0 3.0 4.0 5.00 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0/m/m/m/m相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（% % % %）+20 +20 +20 +20 C C C C-20 -20 -20 -20 C C C C图图8-13 8-13 光敏电阻的光谱温度特性光敏电阻的光谱温度特性亩残赫鄙荚钙毯竹疡列帚裔铣军亭瓜粒李退息询述法铀侠狱检鳖九苔甫斯光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理54初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能在人工加温、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，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。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。理的情况下几乎是无限长的。 （7 7）稳定性）稳定性仁揉拘童种育妇醇掠良叫歹浆倪寿解吴命休嚎琵匆崩腊鞠玻蹬丢笺椒拽妹光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理558.4.2 8.4.2 光电池光电池 光电池是利用光电池是利用光生伏特效应光生伏特效应把光直接转变把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为接转变为电能，因此又称为太阳能电池太阳能电池。它有它有较大面积的较大面积的PN结，结，当光照射在当光照射在PN结结上时，在结的两端出现电动势。故光电池上时，在结的两端出现电动势。故光电池是是有源元件。有源元件。谓衍互宇哎豆菩五锁湖绵吮云坊吁污窝痪吱岭零慑吨疆彻卧葱桐蛇条屹摘光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理56光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、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、最有发展前途的是广、最有发展前途的是硅光电池硅光电池和和硒光电池硒光电池。硅光电池硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。于接受红外光。硒光电池硒光电池的光电转换效率低、寿的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。命短，适于接收可见光。砷化镓光电池砷化镓光电池转换效率转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻比硅光电池稍高，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。合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。源方面应用最广。挥氓故钨猛烹柄傲菠奋档墓尾私居诊卧鳞臣赞陌草助侧拭杨澜支狈互退国光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理571. 1. 光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理图图8-14 8-14 光电池的结构图光电池的结构图下电极下电极下电极下电极梳状电极梳状电极梳状电极梳状电极SiOSiOSiOSiO2 2 2 2抗反射膜抗反射膜抗反射膜抗反射膜P P P PN N N N硅光电池的结构如硅光电池的结构如图。它是在一块图。它是在一块N型硅片上用扩散的型硅片上用扩散的办法掺入一些办法掺入一些P型型杂质（如硼）形成杂质（如硼）形成PN结。结。 诲锗椰的橙熟柄你霍非逗份渍吕弯须虑人档寝感芋刀掀印尉一矗沤斯孰陕光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理58图图8-15 8-15 光电池的工光电池的工作原理示意图作原理示意图R R R RL L L LI I I I- - - - - - - - - -mAmAmAmAV V V V+ + + + + + + + + + P P P P当光照到当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子将在结区附近激发出电子-空穴对，空穴对，在在N区区聚积负电荷，聚积负电荷，P区聚积正电荷，区聚积正电荷，这样这样N区和区和P区之间出现电位差。区之间出现电位差。若将若将PN结两端用导线结两端用导线连起来，电路中就有连起来，电路中就有电流流过。若将外电电流流过。若将外电路断开，就可测出路断开，就可测出光光生电动势。生电动势。 N保穗霸海嚷骑卸公狮赦憨官填郊苫思笔络糙辖诈拷琴歼颈挣锹晋楔膊更揽光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理592.2.基本特性基本特性（）光谱特性（）光谱特性 故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪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。器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅光电池的光谱硅光电池的光谱峰值在峰值在800nm800nm附附近，硒的在近，硒的在540nm540nm附近。附近。2020404060608080100100硒硒硒硒硅硅硅硅入射光波长入射光波长入射光波长入射光波长/nm/nm/nm/nm0 400 600 800 1000 12000 400 600 800 1000 1200相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度/ / / /% % % %图图8-16 8-16 光电池的光谱特性光电池的光谱特性闰杰溅迁挥份窘描效落中毡钾灶爬灼矣夯赢差棱翱程识绪磷进阔毡借佃批光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理60(2) (2) 光照特性光照特性不同光照射下有不同光照射下有不同光电流和光生不同光电流和光生电动势。电动势。短路电短路电流流在很大范围内与在很大范围内与光强成线性关系。光强成线性关系。图图8-17 8-17 光电池的光照特性光电池的光照特性开路电压开路电压开路电压开路电压0.10.10.30.30.20.2照度照度照度照度/lx/lx/lx/lx0 2000 4000 0 2000 4000 光光光光生生生生电电电电流流流流/ / / /m m m mA A A A0.20.20.60.60.40.4光光光光生生生生电电电电压压压压/ / / /V V V V短路电流短路电流短路电流短路电流开路电压开路电压与光强是非线性的，且在与光强是非线性的，且在2000 2000 lxlx时趋于饱和。时趋于饱和。光电池作为测量元件时，光电池作为测量元件时，应把它作为应把它作为电流源电流源的形式来使用，不宜用作的形式来使用，不宜用作电压源，且电压源，且负载电阻越小越好负载电阻越小越好。砰巷钡舆败还泌筹蔗摆尤厨蛋戒薪诉鼎暇祟焚标柒僧瓤诚兴硒铂笋蓑野忆光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理61(3) (3) 频率特性频率特性硅光电池有很高的频率响应，可用于高速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。记数、有声电影等方面。光电池的频率特光电池的频率特性是反映光的交性是反映光的交变频率和光电池变频率和光电池输出电流的关系。输出电流的关系。图图8-18 8-18 光电池的频率特性光电池的频率特性2020404060608080100100硒光电池硒光电池硒光电池硒光电池硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池0 1500 3000 4500 6000 75000 1500 3000 4500 6000 7500相相相相对对对对光光光光电电电电流流流流/ / / /% % % %入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率入射光调制频率/Hz/Hz/Hz/Hz哲瓷验东们偏遗箕泞煽枚缘宗阮悼汪燥牺背镁姐至钧航柒金庞广汪敛独装光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理62(4) (4) 温度特性温度特性主要描述光电池主要描述光电池的的开路电压开路电压和和短短路电流路电流随温度变随温度变化的情况。化的情况。开路电压开路电压随温度升高而下降的速度较快。随温度升高而下降的速度较快。 短路电流短路电流随温度升高而缓慢增加。随温度升高而缓慢增加。 因此作测量元件时应考虑进行温度补偿。因此作测量元件时应考虑进行温度补偿。图图8-19 8-19 光电池的温度特性光电池的温度特性开路电压开路电压开路电压开路电压温度温度温度温度/光光光光生生生生电电电电流流流流/ / / /m m m mA A A A1.81.82.22.22.02.0光光光光生生生生电电电电压压压压/ / / /V V V V短路电流短路电流短路电流短路电流1001002002003003004004005005000 20 40 60 80 1000 20 40 60 80 100肃发山至趴族褐遥靠荷罪九钎寒尉二屉殊胃矢妄即磐涟鼻蓄舱缝检镭鳖堑光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理638.4.3 光敏晶体管光敏晶体管1. 1. 光敏二极管光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向工作光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。测等方面的应用。R R R RL L L L 光光光光P P P PN N N NP P P PN N N N光光光光丁参盈涵盛獭飘熏全绰睦园闰军穴铬阔痹利后掂顶冶贡纸昨投田臭遥霞蛔光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理64PNRE+-If f响人臣溯训革厄际炔耙尘侗康掠扯绸孔亥齐尺攘残绑蚀侨蕾洪梦缮搀寻袍光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理65PNRE-+Is s盗伦裙语戳甄惯兑乒轴形勤抽拉痛咽惺苦括蔷抛明焰果灰街格陷勿灭焰臭光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理66RE-+I当光照射时，光敏二极管处于导通状态。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。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。PN奈侦晃赐受蹈综温盘掖庸郭涉灾晴渺觅缆鲜熟榴灾淘诗抄寄芋案骸嫡朴喻光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理67读闻谷譬夕悉巨釜踌盟莲再钳酬猾辊筑滥虾疫频穷滁于膝麻鄙氓怜烯缄嗅光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理682. 2. 光敏三极管光敏三极管集电结一边做得很大，以扩大光的照射面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。积，且基极一般不接引线。P PP PN N becN NN NP Pe bc阳裁桂柬疹佣农嫩何胺伤矣拿哲描诫栗壮砸绝娃训聘睦拾佯险蹦庇因葬奖光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理69普通三极管普通三极管IC CIB BeEB BEC CIE ERC CRb bcbNNP彼墅孕宣口翼尉响议雪面浇梨牢磋宫箔授侩氓桅元妒哥尔攘您辰绰票戳眼光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理70光敏三极管光敏三极管基区很薄，基区很薄，基极一般不接引线；基极一般不接引线；集电极面积较大。集电极面积较大。IC CeEC CIE ERC CcNNPb执祸急邵挨种伙镜瞥茨郡懂逢悔筛围摩颅桨哩嗓客搞洱坐泅客流悲桃婴族光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理71当集电极加上正电压，基极开路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。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，当光线照射在集电结的基区时，产生电子、空穴对，光生电子被产生电子、空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使拉到集电极，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极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的流的倍。倍。基本工作线路：基本工作线路：cbeRL L猫熊臣体揣凝溶赘亿志障梆役赌搜饱嫁屯留孤芦豌拨纹曝凹挞湖阐挝蠢辟光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理723. 3. 光敏晶体管的主要特性光敏晶体管的主要特性(1) (1) 光谱特性光谱特性 存在一个最佳灵敏度波长存在一个最佳灵敏度波长20204040606080801001004 400008 800001212000016160000入射光入射光入射光入射光波长波长波长波长/ /nmnm锗锗锗锗硅硅硅硅相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（%）0 0挎蛙什困魂绞懈尔霓集掉全绷盲菇杖讣糖素除圃插绒抿肛仕编孟弟冉嗣妖光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理73(2) (2) 伏安特性伏安特性0 01 12 23 34 4 5 5外加电压（外加电压（外加电压（外加电压（V V V V）20406080I I（mA)mA)2500Lx2500Lx2000Lx2000Lx1500Lx1500Lx1000Lx500Lx500Lx与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特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。性一样。只需把光电流看作基极电流即可。仰挂沛击瓶秦阳媚臆演上坑械沪祖汲台愉龙教兼鱼初史刀隶挪搅尼探碌臻光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理74(3) (3) 光照特性光照特性1.01.02.02.03.03.0200200 400400 600600 800800 10001000LxLx0 0I( I( A)A)故光敏三极管既可做线性转换元件，故光敏三极管既可做线性转换元件， 也也可做开关元件可做开关元件近似线性关近似线性关系。但光照系。但光照足够大时会足够大时会出现饱和现出现饱和现象。象。捌溢族嘱荒减揉瞒皮澡焦室驮锋梗砖蝎酸宾姑河童沂宛闺腿槐凌屠八频屎光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理75(4) (4) 温度特性温度特性暗电流（暗电流（暗电流（暗电流（mA)mA)10103030505070700 025255050CC200200400400100100300300 500500光电流（光电流（光电流（光电流（ A)A)10103030505070700 0CC温度变化对光电流的影响很小，对暗电流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的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。行温度补偿。慷诚族虞性渺南始新檬蛔雄所这雨夕彝陷靖彝元如塑垢叔实痰阻捞啸殉微光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理76(5) (5) 频率特性频率特性减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负根据频率选择最佳的负载电阻载电阻。硅管的响应频率比锗管的好硅管的响应频率比锗管的好。2020 40 4060608080100100相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（相对灵敏度（%）f(kf(kHZHZ) ) 1 11010 100 1000 0RL=1kRL=1kRL=10kRL=10kRL=100kRL=100k紊栅挞照茫挪芝榨酸鞍底睫谬隔另摄劫追舜呸溪题遂涯盆疆坟颖郴奇笑脆光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理778.5 新型光电传感器新型光电传感器8.5.1 高速光电二极管高速光电二极管1. PIN1. PIN结光电二极管结光电二极管P PI IN N P P、N N间加了层很厚的高电阻率间加了层很厚的高电阻率 的本征半的本征半 导体导体I I。P P层做的很薄层做的很薄。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。匡蚜编鞠睹兢逸粥叼距滦喷填肚孰益驻拣窒拣礼组葛妓简鳃耸隔缉啥您衙光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理78入射光照射在入射光照射在P P层上，层上，由于由于P P层很薄，大量的层很薄，大量的光被较厚的光被较厚的I I层吸收，层吸收，激发较多的载流子形激发较多的载流子形成光电流；又成光电流；又PINPIN结结光电二极管比光电二极管比PNPN结光结光电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当层加宽。当P P型和型和N N型半导体结合后，在交界型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，处形成电子和空穴的浓度差别，因此，N N区的区的电子要向电子要向P P区扩散，区扩散，P P区空穴向区空穴向N N区扩散。区扩散。图图8-28 PIN8-28 PIN光电二极管光电二极管偏压偏压偏压偏压价带价带价带价带导带导带导带导带信号光信号光信号光信号光信号光信号光信号光信号光电极电极电极电极电极电极电极电极输出端输出端输出端输出端P P P P I I I I N N N N能岔将誊男慧陪朋你酬孵庇讶膨要绞百钾闲闯尔敛敦矩歧添姚汾且昨起稳光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理79P P区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在在PNPN交界面形成空间电荷，即在交界处形成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，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，耗尽层越耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，宽，PNPN结内电场越强，加速了光电子的定向结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。应速度。PINPIN结光电二极管仍然具有一般结光电二极管仍然具有一般PNPN结结光电二极管的线性特性。光电二极管的线性特性。奉洒岿场囚傻吗靖产滑垦曲棱赘糯山涪袄兹奋输庚聋电跺眼戚边罐免枕履光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理80嚎八眩痕芜逻毁奶品挫劲卧至晨招笋桂太这袁碌音纺据丹点肃胺铺挛怔烁光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理81 2. 2.雪崩式光电二极管（雪崩式光电二极管（APDAPD）在在PNPN结的结的P P区外增加一区外增加一层掺杂浓度极高的层掺杂浓度极高的P P + +层，且在其上加上层，且在其上加上高反高反偏压。偏压。偏压偏压偏压偏压输出端输出端输出端输出端价带价带价带价带导带导带导带导带信号光信号光信号光信号光信号光信号光信号光信号光电极电极电极电极电极电极电极电极P P P P+ + + + I I I I N N N N图图8-29 8-29 雪崩式二极管雪崩式二极管字浪忧鸟浸疆凋举质孵君吨形磐溉沸袍再著五呕俱襟炽大男侮印琉善窑肾光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理82当光入射到当光入射到PN结时，结时， 光子被吸收而产生光子被吸收而产生电子电子-空穴对。如果电压增加到使电场达空穴对。如果电压增加到使电场达到到200 kV/cm以上，初始电子（一次电子）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。在高电场区获得足够能量而加速运动。高高速运动的电子和晶格原子相碰撞，速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶使晶格原子电离，产生新的电子格原子电离，产生新的电子-空穴对空穴对。 新新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多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，致使载流子雪崩次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，式倍增， 祸捕康悠韦土梳晕染冗笋胜捎吵瞒汾槽肪戍情幢睹桐好苟宰谰成耿瑞滇诸光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理838.5.2 8.5.2 色敏光电传感器色敏光电传感器不同区域对不同波长分别具有不同不同区域对不同波长分别具有不同 灵敏灵敏度，浅结对紫外光灵敏度高。度，浅结对紫外光灵敏度高。N NP P1 12 23 3P P+ +1 12 23 3酗纫昼丧仕咯人郭匡玖脏顽亡丢寄椅商酉赫吐固呀离傀揉埃驶爱瞅夕怯图光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理84根据光学性能，不同颜色的光在不同的介根据光学性能，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道，根据接收到的光强来判断管道中的液流介质。流介质。囚廉歧祟场词咽晋陌嫩撅新络榔吾吾逃萄靖琉氨者墩惠硼派爆澡波隧交睬光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理858.5.3 光固态图象传感器光固态图象传感器 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转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件器件CTD（Charge Transfer Device），最），最常用的是电荷耦合器件常用的是电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）。由于它具有光电转换、）。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，因功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。此被广泛地应用。其拔钠鸿从袋厄柬储绳霜劳悄丘绑驭摘撤兆陡川腆俘员仗藻蟹核辉迎猩头光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理861CCD的结构和基本原理的结构和基本原理CCD是一种半导体器件，由若干个电荷耦是一种半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。合单元组成。CCD的最小单元是在的最小单元是在P型（或型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的的SiO2，再在，再在SiO2层上依次沉积金属或掺杂多层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属晶硅电极而构成金属-氧化物氧化物-半导体的电容半导体的电容式转移器。其中，式转移器。其中，“金属金属”为为SiO2层上沉积的层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极栅极”；半；半导体硅作为底电极，俗称导体硅作为底电极，俗称“衬底衬底”；“氧化物氧化物”为两电极之间夹的绝缘体为两电极之间夹的绝缘体SiO2。骚宝夕佑移盂吭毁虑栽直光臆帜摔拎酵公震框悄忧杰茬航势某惶欣府囱翼光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理87二、光固态图象传感器 光固态图象传感器由光光敏敏元元件件阵阵列列和电电荷荷转转移移器器件件集合而成。它的核心是电电荷荷转转移移器器件件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。1 1CCDCCD的结构和基本原理的结构和基本原理P型Si耗尽区电荷转移方向123输出栅输入栅输入二极管输出二极管 SiO2 CCD的MOS结构卫领描暗鸳秀眉协彼鹰度出煮佩脏星怔捎晦屉蟹检始飘苗贤始牙挂眼辜几光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理88 CCD是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图所示。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。 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1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。骨斡珊雅瞳郭臣横寄巩永无淳艰歇蒲渊聘膜枚云驮滨国寒捡脖决诗览吱栖光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理892 2面型面型CCDCCD图像传感器图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。 图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。棋阿汀逗印瓜谴鹊猜绵厢骆梯乔券猴蝎捉拥负驻抓镇际某黑酋因夯吉犁输光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理90股叹皖枪娃瘸援孵妈银悼守塞梁期匿匆梨妖糟够四腻吟雨咀垃瑚犀髓究态光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理91鄂衬吞蔡寻蓑群臭囱筷棍件合咒化谨侵纲赏飞王头疗恍膘蜀征佣签炊睦丰光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理92谚互参观晋绷乏篷匪宋猛综塔罢钧掌胎类锤抡皮毗右币殴饱赦仿羡睛箩好光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理93拜森黍旺碍运铸习瘴蔼阵停姚酉优臭伟侄遇舆农惭湘漓巡逮拾廉淤毁锥糙光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理94光电传感器的应用光电传感器的应用n光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图组成，如图7.3.1所示。图中，所示。图中，1是光源发出的光信是光源发出的光信号，号，2是光电器件接受的光信号，被测量可以是是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或或者者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号从而影响传感器输出的电信号I。绞舅澈上这莆否汰直凳桔拉恋咎黔肢律标吴洗押籍肆越豹揣刃体钡斌颖与光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理95模拟式光电传感器模拟式光电传感器光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定函数关系，光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定函数关系，1)光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，电元件的输出反映了光源的某些物理参数，a）这种型）这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。 2)恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某剩余部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。些参数。b）所示。可用于测量透明度、混浊度。）所示。可用于测量透明度、混浊度。退扮养竞厉圈缓篓姬列磅命碳卧述嫁疽蓝蒋锚甜殊虞凌晰祁推项证币奉认光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理963)3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图面反射后再投射到光电元件上，如图c c）所示。反射光）所示。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。4)4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如图光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如图7.3.27.3.2）所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动）所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。测量等场合。c)c)被测量有反射能力被测量有反射能力被测量有反射能力被测量有反射能力d)d)被测量遮蔽光通量被测量遮蔽光通量被测量遮蔽光通量被测量遮蔽光通量塞髓业童抢习闺畅隐箱酵渣妥航爹贼贡橱粥栽盖骨熔潜柱什掺董变盎帐陛光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理97透射式光电传感器及在烟尘浊度监测的应用透射式光电传感器及在烟尘浊度监测的应用 透射型透射型BYD3M.TDT光电传感器使用示意图光电传感器使用示意图 吸收式烟尘浊度监测系统组成框图吸收式烟尘浊度监测系统组成框图 吏驭贪挡扯螟剐经砖奖哄蚜谤曳售汝抠租擞码形搭慷佑爵火仇踞敝辫货盘光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理98 光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器 检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向,从而从而为纠偏控制电路提供纠偏信号为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送纸、主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。原理如图所示。光源发出的光胶片、磁带生产过程中。原理如图所示。光源发出的光线经过透镜线经过透镜1会聚为平行光束会聚为平行光束,投向透镜投向透镜2,随后被会聚到随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中的途中,有部分光线有部分光线受到被测带材的遮挡受到被测带材的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少。使传到光敏电阻的光通量减少。 射泡嫩了稍倦散蛛崩娱界擞菇谁勉啮周丰斯版吗冈米玻裙铁扮凋薄赖战著光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理99 包装充填物高度检测包装充填物高度检测 用用容容积积法法计计量量包包装装的的成成品品，除除了了对对重重量量有有一一定定误误差差范范围围要要求求外外，一一般般还还对对充充填填高高度度有有一一定定的的要要求求，以以保保证证商商品品的的外外观观质质量量，不不符符合合充充填填高高度度的的成成品品将将不不许许出出厂厂。如如图图所所示示为为借借助助光光电电检检测测技技术术控控制制充充填填高高度度的的原原理理。当当充充填填高高度度偏偏差差太太大大时时，光光电电接接头头没没有有电电信信号号，即即由执行机构将包装物品推出进行处理。由执行机构将包装物品推出进行处理。 利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等。否漏贴，以及送料机构是否断料等。 碧瑶泻措籍嘉怒草惯亩滓哟目枢鸯挟踊蘑艇噶恩沈凛紧砧坠襄瘴欺孟壬昭光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理100脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器在这种传感器中，光电元件接受的光信号在这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。计数和光电式转速测量等场合。奖裙丧影掳厂裕像卒通杏警舰卢卿弯赚鸥抱乎翼熊鼠怯衍民舔遂阉在情清光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理101光电式数字转速表谅酬糜绪妙浮啼奶瘤机阁矮龄镭掇缉供讣想本凶倔梳倡账多蜜脑烬鹃吹勿光电色敏传感器工作原理光电色敏传感器工作原理102