第9章光电

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第9章 光电传感器
三、光电池的基本特性
1、光照特性 指光生电动势和光电流与光照强度之间的关系
Isc/mA 5 4 3 2 1 0 2 短路电流 4 6 L/klx 8 10 Uoc /V 开路电压 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.5 0.3 0.1 0 1 2 短路电流 3 4 L/klx 5 Isc /mA 开路电压 0.4 0.3 0.2 0.1 Uoc/V
1 2 h m0 A0 2
m—电子质量；v0—电子逸出速度。 A0——电子逸出功
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第9章 光电传感器
h
1 2 m0 A0 2
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A0。每种物体都有一个对应的光 频阈值，称为红限频率。
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成 正比。光强大，入射光子数目多，则逸出的电子多。 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。 ——使光电流为零的条件：加负的截止电压
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第9章 光电传感器
2、吸收式：恒光源发出的光通量穿过被测物，部分 被吸收后到达光电元件，吸收量决定于被测物介质中 被测的参数，如液体，气体透明度、混浊度；
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第9章 光电传感器
3、遮光式：恒光源发出的光通量在到达光电元件的 途中遇到被测物，被遮挡一部分，光电元件的输出反 映被测物的尺寸，如工件尺寸测量；
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第9章 光电传感器
二、内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化或产生光 生电动势的效应称内光电效应。——多发生于半导体内。 分类：光电导效应、光生伏特效应 1、 光电导效应 定义：在光线作用下，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。 产生条件：光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg。 基于光电导效应的器件：光敏电阻 2、 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。 基于光生伏特效应的器件：光电池，光敏晶体管
5、温度特性
光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它
的暗电阻和灵敏度都下降。
硫化镉光敏电阻的温度特性
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第9章 光电传感器
温度对光谱特性影响
随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。
因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长 波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
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第9章 光电传感器
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第9章 光电传感器
应用：
照相机自动测光 光控灯 工业控制
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第9章 光电传感器
三、光敏电阻的应用电路
无光照时，光敏电阻RΦ很大，随入射光增大， RΦ↓ a）UＯ随之增大，与光照变化趋势相同 b）UＯ随之减小，与光照变化趋势相反
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第9章 光电传感器
四、光敏电阻的主要参数和基本特性
1、暗电阻、亮电阻、光电流
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第9章 光电传感器
三、光敏二极管和三极管的主要差别
光电流（灵敏度）
光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管 一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十 倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不 大，一般都不超过1uA。
响应时间
光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为 5～10μs。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管； 只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。
输出特性
光敏二极管的线性特性很好，光敏三极管的线性较差。
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第9章 光电传感器
§9-5光电传感器的类型及应用
一、光电传感器的类型
光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式 ( 直 射式)、吸收式、遮光式、反射式四种基本形式。
1、辐射式：被测物本身是光源，被测物发出的光通量射向 光电元件，比如光电比色高温计。
第9章 光电传感器
第9章 光电传感器
光电效应 光敏电阻 光电池 光敏二极管和光敏三极管 光电传感器的类型及应用 光纤传感器
第9章 光电传感器
光电式传感器是利用光电器件把光信号转
换成电信号的装置。 光电式传感器工作时，先将被测量转换为 光量的变化，然后通过光电器件再把光量的 变化转换为相应的电量变化，从而实现非电 量的测量。 光电式传感器的核心是光电器件，光电器 件基于光电效应。 光电式传感器具有响应快、性能可靠、能 实现非接触测量等优点。
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第9章 光电传感器
4、 伏安特性

在一定照度下，光敏电阻两端的电压与流过电流的关系。
在给定偏压下 , 光照度较大，光电流也越大。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。光 敏电阻受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制，超过限 制，可能导致永久损坏。
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第9章 光电传感器
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第9章 光电传感器
§9-1 光电效应
光电效应通常分为外光电效应和内光电效应。 一、外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子
逸出物体表面向外发射的现象称为外 光电效应。
基于外光电效应的光电器件： 光电管、光电倍增管等。
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第9章 光电传感器 光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
E hv
h—普朗克常数，6.626×10-34J· s；ν—光的频率（s-1） 根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子， 因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必 须大于该物质表面的逸出功A0，即
硅光电池 硒光电池 短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的 光电池作为测量元件使用时，应取短路电流的形式
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第9章 光电传感器
I/mA 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2 4 6 RL=0 50Ω 100Ω 1000Ω 5000Ω 8 10 L/klx
硒光电池在不同负载电阻时的光照特性 负载电阻越小，光电流与强度的线性关系越好，线性范围越宽。 应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。
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第9章 光电传感器
当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电
结为反向偏压。当光照射在集电结时，会在结附近产生电 子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴（形成 光电流），使基极与发射极间的电压升高，发射极便会有大 量的电子经基极流向集电极，形成输出电流，且集电极电流 为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。

UOC/ mV
600
400 200 0 UOC
ISC / μA
ISC 60 40 20
UOC——开路电压 ISC ——短路电流
硅光电池在1000lx照 度下的温度特性曲线
27
40
60
C 90 T / º
第9章 光电传感器
§9-4 光敏二极管和光敏三极管
一、光敏二极管
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于 导通状态。在电路中一般是处于反向偏压状态。
第9章 光电传感器
二、光敏三极管
光敏晶体管与一般晶体管相似，具有两个 PN 结，用集电结作为
受光结。
把光信号转换为电信号，同时又将信号电流加以放大（集电结产
生的光电流相当于基极电流，集电极电流是原始光电流的 β 倍）。
多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，
其外型与光敏二极管相似。
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第9章 光电传感器
§9-2 光敏电阻
光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理基 于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。
一、光敏电阻的工作原理
当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征 半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价 带上的电子将被激发到导带上去，从而使导带的电子 和价带的空穴增加，致使光电导体的电导率变大。
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第9章 光电传感器
实现能级的跃迁的条件： 入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg
h
hc


1.24

E g (eV )
ν —入射光的频率；λ —入射光的波长
结论： 一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有
波长小于λC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。

光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，光敏电阻对不同
波长的入射光有不同的灵敏度。
100 80 (%) I 60 40
1
2
3
20
0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4
1——硫化镉 2——硒化镉 3——硫化铅
λ/μm 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。
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第9章 光电传感器
2、光照特性

指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系
I/mA 5 4 3 2 1 0
1000
2000
L/lx
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
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第9章 光电传感器
3、光谱特性
指光敏电阻的光电流（以最大值的百分数表示）与入射波 长的关系。
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第9章 光电传感器
当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
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第9章 光电传感器
二、光敏电阻的结构
1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线 半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。 光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装 在带有玻璃的壳体中。