第第8章章 光电式传感器光电式传感器Photoelectric sensors第第8章章 光电式传感器光电式传感器2光电器件和特性光电器件和特性(photoelectricdevicesandfeatures)第第8章章 光电式传感器光电式传感器概述概述(overview)8.18.28.3新型光电器件（自学）新型光电器件（自学）(newphotoelectricdevices)8.4光电式传感器应用光电式传感器应用(applicationsofphotoelectricsensors)8.5光光源源(lightsources)3光电式传感器通常由四部分组成，如图光电式传感器通常由四部分组成，如图8-1X1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；X2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。 光 电 传 感 器 是 各 种 光 电 检 测 (photoelectricinspection)系 统 中 实 现 光 电 转 换 (photoelectricconversion)的关键元件，它是把光信号转变成为电信号的器件。 图8-1 光电传感器的组成形式8.1 概述概述4一、光谱（一、光谱（spectrum of lightspectrum of light）光波：波长为光波：波长为101010106 6nmnm的的电磁波电磁波(electromagnetic wave)可见光可见光(visible lights)：波长：波长380780nm380780nm紫外线紫外线(Ultraviolet rays)：波长：波长10380nm10380nm 波长波长300380nm300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm10200nm称为极远紫外线称为极远紫外线红外线红外线(Infrared rays)：波长：波长78010780106 6nmnm 波长波长3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。第二节第二节 光源光源 (lightsources)8.2 光源光源5 光是光是电磁波谱电磁波谱(Electromagneticwavespectrum)中的一员中的一员; ; 这些光的频率这些光的频率( (波长波长) )各不相同各不相同; ; 都具有反射都具有反射(reflection)、折射、折射(refraction)、散射散射(dispersion)、衍射、衍射(diffraction)、干涉、干涉(interference)和吸收和吸收(absorption)等性质。等性质。8.2 光源光源6远远紫紫外外近近紫紫外外可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018=31010cm/s光 的 波 长 与 频 率 的 关 系 由 光 速 确 定 ， 真 空 中 的 光 速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz，的单位为cm。8.2 光源光源78.2 光源光源8二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1、热辐射光源(钨丝白炽灯 Tungstenlamp) 热辐射(heatradiation)光源是通过将物体加热后产生热辐射来实现照明的，温度越高光越亮。用钨丝(Tungstenfilament)通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯(incandescentlamp)的辐射光谱是连续的发光范围：可见光、大量红外线(infrared)和紫外线(ultraviolet-UV)，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。 在普通白炽灯基础上制作的发光器件有卤素灯(Halidelamp)，例如溴Bromine钨灯和碘Iodine钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。热辐射光源特点：（1）光源谱线丰富，主要涵盖可见光和红外光，适用于大部分光电传感器；（2）发光效率低；（3）发热大，超过80%的能量转化为热量；（4）寿命短，一般为1000小时左右；（5）动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处；（6）易碎，电压高。8.2 光源光源92、气体放电灯(Gaselectricdischargelamps)定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。 气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料(Cathodematerial)和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。 低压汞灯(Mercurylamp)、氢灯(Hydrogenlamp)、钠灯(Sodiumlamp)、镉灯(Cadmiumlamp)、氦灯(Heliumlamp)是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯(Spectrumlamps)。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源(Monochromiclightsource)。如果光谱灯涂以荧光剂(fluorescentagent)，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：照明日光灯(fluorescentlamp) 。 气体放电光源的特点是：效率高，省电，功率大，消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。8.2 光源光源103、发光二极管发光二极管LEDLED（LightEmittingDiode） 由半导体PN结(PNjunction)构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。 在半导体PN结中，P区的空穴(hole)由于扩散而移动到N区，N区的电子(electron)则扩散到P区，在PN结处形成势垒(barrier)，从而抑制了空穴和电子的继续扩散(diffuse)。当PN结上加有正向(forward)电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子(photon)形式放出能量，因而有发光现象。8.2 光源光源11与热辐射光源和气体放电光源相比，LED具有突出的特点：体积小，可以平面封装，属于固体光源，耐震动；无辐射，无污染，是真正的绿色光源；功耗低，仅为白炽灯的1/8，荧光灯的1/2，发热少，是典型的冷光源；寿命长，一般可达10万小时，是荧光灯的数十倍；相应快，一般点亮只需1毫秒，适于快速通断和光开关；供电电压低，易于数字控制，与电路和计算机系统连接方便；在达到相同照度的条件下，LED价格比较贵。 目前，LED的应用越来越广泛，特别随着白色LED的出现和价格的下跌，LED将替代现有的照明光源得到普遍推广。8.2 光源光源12电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则普朗克Planck常数h = 6.610-34J.s；光速c = 3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。 可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度(Energygap)至少应大于h c/=1.8eV 普通二极管是用锗Germanium或硅Silicon制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。8.2 光源光源13常 用 的 砷 化 镓 (GalliumArsenide)和 磷 化 镓 (GalliumPhosphide)两种材料固溶体(Solidsolution) ，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550900nm间变化，它已经进入红外区。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。材料材料波长波长/nm材料材料波长波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350表8-1 LED材料和波长8.2 光源光源14 发光二极管的伏安特性(Volt-Amperecharacteristic)与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。 注意，图上的横坐标(Abscissa)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于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。U/V I/mA -10 -5 0 12GaAsP(红)GaAsP(绿)8.2 光源光源15 发光二极管的光谱特性(Spectralcharacteristic)如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰Ridge的宽度（）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性/nm相对灵敏度8.2 光源光源164 4、激光器、激光器 LASER LASER 激光(LASER-LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性(Directivity)、高单色性(Monochromaticity)和高亮度(Brightness)三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。 激光器种类繁多，按工作物质分类：u固体激光器Solid State laser(如红宝石激光器Ruby Laser)u气体激光器GasLaser(如氦-氖气体激光器He-NeLaser、二氧化碳激光器CO2Laser)u半导体激光器(如砷化镓激光器GaAs Laser)u液体激光器LiquidLaser。u化学激光器ChemicalLaser。8.2 光源光源17（1）固体激光器 Solid State Laser 典型实例是1960年人类发明的第一台激光器：红宝石(Ruby)激光器，它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器(NeodymiumglassLaser)是目前脉冲输出功率(Impulseoutputpower)最高 的 器 件 ， 已 达 到 几 十 太 瓦 (Trillion Watt 1,000,000,000,000)。 8.2 光源光源18（2）气体激光器气体激光器 Gas Laser Gas Laser 工作物质是气体。种类：各种原子(Atom)、离子(Ion)、金属蒸汽(Metalsteam)、气体分子(Gasmolecule)激光器。常用的有氦氖(He-Ne)激光器、氩离子(ArgonIon)激光器、氪(Krypton)离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器(ExcimerLaser)等，其形状像普通的放电管一样，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区域。 8.2 光源光源19（3）半导体激光器 Semiconductor Laser与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。（4）液体激光器 Liquid Laser种类：螯合物液体激光器(Chelateliquidlaser)、无机液体激光器和有机染料激光器(Organicdyelaser)，其中较为重要的是有机染料激光器。特点：发出的激光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的作用。8.2 光源光源20光电效应Photoelectriceffect是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应(Externalphotoelectriceffect)和内光电效应(Internalphotoelectriceffect)两大类。1、外光电效应(Externalphotoelectriceffect) 在光线的作用下，物体内的电子逸出escape物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子(Photon)的能量：E=hh普朗克Planck常数，6.62610-34Js；光的频率(s-1)8.3 光电器件及特性光电器件及特性21 根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功(surfaceescapingwork)，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物(Metaloxide)，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。 根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。8.3 光电器件及特性光电器件及特性22n光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强(lightintensity)成正比。即光强愈大，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。n光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。8.3 光电器件及特性光电器件及特性23 当光照射在物体上，使物体的电阻率(Resistivity)发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应(Photoconductivityeffect)和光生伏特效应(Photovoltaiceffect)两类：（1）光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(Photoresistance)。2、内光电效应(Internalphotoelectriceffect)8.3 光电器件及特性光电器件及特性24过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带(valenceband)越过禁带(forbiddenband)跃入导带(Conductionband)，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率(conductivity)变大。导带价带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg8.3 光电器件及特性光电器件及特性25材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加，电阻下降。式中、分别为入射光的频率和波长。 为了实现能级的跃迁(Transition)，入射光子(Incidencephoton)的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即8.3 光电器件及特性光电器件及特性26（2）光生伏特效应光生伏特效应(Photovoltaiceffect) 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池(Photoelectricbattery)和光敏二极管(Photodiode)、三极管(Phototransistor)。势垒效应(Barriereffect)（结Junction光电效应）。 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。8.3 光电器件及特性光电器件及特性27侧向光电效应(lateralphotoelectriceffect)。 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子(chargecarrier)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空穴对(electronholepair)时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度(gradient)，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。8.3 光电器件及特性光电器件及特性28外光电效应器件外光电效应器件 利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管(Photocell)和光电倍增管(Photomultipliertube)。8.3 光电器件及特性光电器件及特性29一、光电管及其基本特性1. 结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，如图。它们由 一 个 阴 极 (Cathode)和 一 个 阳 极(Anode)构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。光电管的结构示意图光电管的结构示意图光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗8.3 光电器件及特性光电器件及特性30 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。2. 主要性能（1） 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。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。光电管的伏安特性光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压阳极与末级倍增极间的电压/VIA/A8.3 光电器件及特性光电器件及特性31（2）光电管的光照特性(illuminationcharacteristic)通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。 光电管的光照特性光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.518.3 光电器件及特性光电器件及特性32（3）光电管(Photocell)光谱特性(Spectralcharacteristic) 由于光阴极(cathode)对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率(Red-limitfrequency)0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。8.3 光电器件及特性光电器件及特性33国产GD-4型的光电管，阴极是用锑(Stibium)铯(Caesium)材料制成的。其红限波长0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱有很大差异，因而在测量技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。 一般充气光电管当入射光强度频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。8.3 光电器件及特性光电器件及特性34二、光电倍增管二、光电倍增管(Photomultipliertube)及其基本特性及其基本特性 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。1.光电倍增管结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是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而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。8.3 光电器件及特性光电器件及特性35（1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相同，则M= 因此，阳极电流 I 为 I = i i i i 光电阴极的光电流光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为 = I / i =M与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。 2. 主要参数8.3 光电器件及特性光电器件及特性36103104105106255075100125极间电压极间电压/V放大倍数放大倍数光电倍增管的特性曲线8.3 光电器件及特性光电器件及特性37（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度(CathodeSensitivity)。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度(OverallSensitivity)。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 8.3 光电器件及特性光电器件及特性38（3）暗电流(Darkcurrent)和本底脉冲(Backgroundimpulse) 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、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，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体(scintillator)放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。 8.3 光电器件及特性光电器件及特性39光电光电倍增倍增管的管的光照光照特性特性与与直直线线最最大大偏离是偏离是3%10131010109107105103101在 45mA处饱和10141010106102光通量光通量/1m阳阳极极电电流流/ A（4）光电倍增管的光照特性 光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。8.3 光电器件及特性光电器件及特性40 利用物质在光的照射下电导(Electricconductivity)性能改变或产生电动势(Electricpotential)的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻(Photo-resistor) 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强 度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。 内光电效应器件内光电效应器件8.3 光电器件及特性光电器件及特性418.3 光电器件及特性光电器件及特性421. 光敏电阻的工作原理和结构当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体(IntrinsicSemiconductor)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。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h h= = Eg(eV) 式中和入射光的频率和波长。 一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。8.3 光电器件及特性光电器件及特性43 光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状Comb图案，结构见图。8.3 光电器件及特性光电器件及特性441-光导层; 2-玻璃窗口; 3-金属外壳; 4-电极;5-陶瓷基座; 6-黑色绝缘玻璃; 7-电阻引线。RG1234567(a)结构(b)电极(c)符号它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀(Steam coat)金(Aurum)或铟(Indium)等金属形成的。这种梳状电极(Combshapeelectrode)，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的结构和符号8.3 光电器件及特性光电器件及特性45 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。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，其连线电路如图所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。RGRLEI8.3 光电器件及特性光电器件及特性462. 光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。 8.3 光电器件及特性光电器件及特性47（2）光照特性(illuminationcharacteristic)下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx100020008.3 光电器件及特性光电器件及特性48（3）光谱特性(Spectralcharacteristic) 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅8.3 光电器件及特性光电器件及特性49（4） 伏安特性(V-ACharacteristic) 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。5010015020012U/V02040在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。I/A8.3 光电器件及特性光电器件及特性50（5）频率特性(Frequencycharacteristic)20406080100I /%f /Hz010102103104当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。硫化铅硫化镉8.3 光电器件及特性光电器件及特性51（6）稳定性（Stability） 图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。I /%408012016021T/h0400 800 1200 1600光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就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。 8.3 光电器件及特性光电器件及特性52（7）温度特性(temperaturecharacteristic)其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I /A100150200-50-1030 5010-30T /C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20C-20C8.3 光电器件及特性光电器件及特性53二、光电池二、光电池(Photoelectricbattery/Photocell) 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。又称为太阳能电池(Solarbattery)。它是基于光生伏特效应制成的。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。命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。l 硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。l 硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。l 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它主要用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源。8.3 光电器件及特性光电器件及特性54光电池的示意图光电池的示意图硅光电池的结构如图所示。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。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，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。1. 光电池的结构和工作原理+光PNSiO2RL(a)光电池的结构图光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图光电池的工作原理示意图P N8.3 光电器件及特性光电器件及特性55光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路8.3 光电器件及特性光电器件及特性56L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压开路电压Uoc /V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a)硅光电池硅光电池(b)硒光电池硒光电池（1）光照特性(illuminationcharacteristic)开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和(Saturation)。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线2. 基本特性开路电压开路电压短路电流短路电流短路电流短路电流8.3 光电器件及特性光电器件及特性57短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx5010010005000RL=08.3 光电器件及特性光电器件及特性58204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m(2) 光谱特性(Spectralcharacteristic) 光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。1硒光电池2硅光电池8.3 光电器件及特性光电器件及特性59(3) 频率特性(Frequencycharacteristic) 光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。204060801000I /%1234512f /kHz1硒光电池2硅光电池8.3 光电器件及特性光电器件及特性60（4）温度特性(Temperaturecharacteristic) 光电池的温度特性是指开路电压(Opencircuitvoltage)和短路电流(Shortcircuitcurrent)随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060UOC/ mVT /CISCUOCISC /A600400200UOC开路电压开路电压ISC 短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特性曲线8.3 光电器件及特性光电器件及特性61三、光敏二极管(Photodiode)和光敏三极管(Phototransistor) 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。 8.3 光电器件及特性光电器件及特性621. 光敏二极管(Photodiode)光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。PN光光敏二极管符号光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线光敏二极管接线8.3 光电器件及特性光电器件及特性63光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。8.3 光电器件及特性光电器件及特性64（1） PIN管结光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体(Intrinsicsemiconductor)。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。 由式 = CjRL与 f = 1/2知，Cj小，则小，频带将变宽。P-SiN-SiI-SiPINPIN管结构示意图管结构示意图8.3 光电器件及特性光电器件及特性65最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将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的商品出售。 8.3 光电器件及特性光电器件及特性66（2） 雪崩光电二极管(APD) 雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。 8.3 光电器件及特性光电器件及特性672. 光敏三极管(Phototransistor)(自学)光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,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,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。PPNNNPe b bc RL Eec第第8章章光电式传感器光电式传感器68光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。（1）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光/400080001200016000100806040200硅硅的的峰峰值值波波长长为为9000，锗锗的的峰峰值值波波长长为为15000。由由于于锗锗管管的的暗暗电电流流比比硅硅管管大大，因因此此锗锗管管的的性性能能较较差差。故故在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，一一般般选选用用硅硅管管；但但对对红红外外线线进进行行探探测测时时,则则采用锗管较合适。采用锗管较合适。8.3 光电器件及特性光电器件及特性69光敏晶体管的伏安特性（2）伏安特性如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080U/V8.3 光电器件及特性光电器件及特性70光敏晶体管的光照特性I /AL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。 8.3 光电器件及特性光电器件及特性71暗电流/mA光电流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C2505010002003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性（4）温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。8.3 光电器件及特性光电器件及特性72（5）光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性8.3 光电器件及特性光电器件及特性73 第四节第四节 新型光电器件（自学）新型光电器件（自学）一、色敏光电传感器P+NPSiO2电极电极1 电极电极2电极电极3 3123色敏光电传感器和等效电路色敏光电传感器和等效电路 色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊类型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体，其结构和工作原理的等效电路如图所示。8.4 新型光电器件新型光电器件74二、固态图象传感器(Solid State Image Sensor) 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)。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，被广泛应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。CCD的结构和基本原理P型Si耗尽区耗尽区电荷转移方向电荷转移方向123输出栅输出栅输入栅输入栅输入二极管输入二极管输出二极管输出二极管SiO2CCD的的MOS结构结构8.4 新型光电器件新型光电器件75一、烟尘浊度监测仪一、烟尘浊度监测仪(SmokeTurbidityMonitor) 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。第五节第五节 光电式传感器的应用光电式传感器的应用8.5 光电式传感器的应用光电式传感器的应用76平行光源光电探测放大显示刻度校正报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道8.5 光电式传感器的应用光电式传感器的应用77二、光电转速传感器二、光电转速传感器231231(a)(b)光电数字式转速表工作原理图光电数字式转速表工作原理图下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。 在待测转速的轴上固在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当有不同的反射率。当转轴转动时，反光与转轴转动时，反光与不反光交替出现，光不反光交替出现，光电敏感器件间断地接电敏感器件间断地接收光的反射信号，转收光的反射信号，转换为电脉冲信号。换为电脉冲信号。8.5 光电式传感器的应用光电式传感器的应用78三、光电池应用三、光电池应用光电池(Photoelectricbattery)主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将太阳能转换成电能，即太阳能电池。这是人们探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空Aviation、通信设施Communication、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池将获得更广泛的应用。将 光 电 池 作 光 电 转 换 器 件 (Optoelectronic TransformDevice)应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。8.5 光电式传感器的应用光电式传感器的应用791 1太阳电池电源太阳电池电源(Solarbatterypowersource) 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。调节控制器逆变器交流负载太阳电池方阵直流负载太阳能电池电源系统太阳能电池电源系统阻塞二极管8.5 光电式传感器的应用光电式传感器的应用802 2光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测(Photoelectricdetection)使用时，其基本原理与光敏二极管(Photodiode)相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅(Grating)测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。8.5 光电式传感器的应用光电式传感器的应用81