第七章 光电式传感器

贝克勒效应：在电解液中浸入两个相同的电极，二者之一受光 照后在两电极间产生电势的现象称为贝克勒效应，它是液体中 的光生伏特现象，有贝克勒效应发展出了实用化的感光电池。
7.1.2 光电器件基本特性
光电器件的基本特性对实际应用有重要指导意义。
1、光谱灵敏度S()：光电器件对单色辐射通量的反应，是波长 的函
7.2 光电器件与光电传感器类型
7.2.1 光电器件
1 光电管与光电倍增管
光电管的结构
光电管主要由金属 阳极 A 和阴极 K 封装 在一个玻璃壳内，当入 射光照射在阴极时，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，就有 可能克服金属表面对电 子的束缚（称为逸出功） 而逸出金属表面形成电 子发射。
具有足够动能的电子轰击任何物体使该物体发射出电子的现 象，称为二次电子发射现象。轰击物体的电子称一次电子，受轰 击物体发射的电子称为二次电子。用二次发射系数来表示物体的 二次电子发射能力：
ns iS
np iP
差别很大，如果大于1，就会发生空间电子数成倍增加的现象， 即电子倍增效应。
光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子流并使电子流 获得放大的电真空器件。它是最灵敏的光检测器，在冷却状 态，无热生电子时，甚至能检测单个光电子。
硅光敏三极管的频率特性
从图中可以看出，频率特性与负载大小有关，负载电阻RL越小， 频率响应越好，所以可根据实际频率来适当选择负载RL
硅管的响应频率比锗管大一个数量级，硅管截止频率50kHz，锗 管截止频率3kHz
三极管比二极管的响应频率要小得过，比如，锗三极管截止频率
3kHz，锗二极管，截止频率50kHz。
较小时，光电流随照度 增加较小，而在大电流 (光照度为几千勒克斯)时 有饱和现象。
硅光敏管的光照特性：(a)硅光敏二极管 (b)硅光敏三极管
频率特性：是指具有一定频率的调 制光照射时，光敏管输出的光电流 (或负载上的电压)随照射光频率的变 化关系。光敏管的频率响应与本身 的物理结构、工作状态、负载以及 入射光波长等因素有关。
光敏三极管的结构和原理图
光敏三极管的符号
光谱特性：在一定照度下，其灵敏度（输出光电流）与光波波长变化 的关系。当入射光的波长增加时，相对灵敏度下降。
硅管：范围0.4~1.1m，峰值灵敏度在0.8 m附件，近红外光 锗管：范围0.5~1.8 m ，峰值波长在1.4 m附近，近红外光。 一般来讲, 锗管的暗电流较大, 因此性能较差, 故在可见光或探测赤热 状态物体时, 一般都用硅管。但对红外光进行探测时, 锗管较为适宜。
光电倍增管的选择：光电倍增管的主要参数有：阳极灵 敏度、光谱特性、放大倍数、电流特性、阳极特性、阳极暗 电流的等效输入、等效噪声当量和能量分辨力等。选用时必 须详细阅读器件手册，特别注意令其光谱特性（峰值响应波 长）与被测光的光谱尽量接近或匹配；工作电压应采用推荐 数据，以保证其作用在最佳工作区间内，使之增益大，线性 度好，噪声小，暗电流小；阳极特性平坦段要宽，以适应负 载电流较大变化，能量分辨李数值要尽量小。
•电子逸出表面具有一定的功能，会有光电流产生 2 内光电效应
是指在光线作用下, 半导体材料的电阻率发生改变的现象， 或产生一定光电动势现象，如光敏电阻，光敏晶体管以及光电 池就属于此类效应。根据产生的效应不同可以有两种：
1）光电导效应（光敏电阻） 光照射到绝大多数高电阻率半导体材料引起该材料的电 阻率下降而易于导电的现象，称为光电导效应。
光电池材料有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅，砷化 镓等。
光敏二极管的原理（内光电效应——光生伏特效应）：由PN结单向 导电性的结构型光电器件，比如二极管，三极管（两个PN结）在光 照下，PN结附近吸收光子能量，产生自由电子浓度增加（电子—— 空穴对浓度增加），在外加电场和内电场的作用下，P区电子进入N 区，N区空穴进入P区，最后通过PN结的反向电流加大，形成光电 流。
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。对于PN结型，它 实质上为一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如P型面 时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么P型区每吸收一个 光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度有关的电动势。
电，形成新的电位差，这种现象称为PN结光生伏特效应。
光生电流与入射光照度及电子空穴的收集率有关：
I P qRT
其中，q为电子电荷，单位为C；为电子、空穴的收集率；RT为PN结 吸收的有效光量子数，其值与入射光照度成正比。
光生电势在PN结处的极性是相同的。流过二极管的正向电流为iJ：
iJ

I
0
结构：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结装在管的顶部, 可以直接受到光照射。光敏二极管在电路 中一般是处于负偏压状态, 在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流 很小, 这反向电流称为暗电流。光敏二极管的光电流与照度之间呈线 性关系。它的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。
数。
S() du() / d()
在m处S(m)为最大值时，对应的m为峰值波长。d()为单色辐射 通量——单位时间内发射的辐射能。
2、积分灵敏度 S——光电器件对连续辐射通量的反应程度。
S u/
3、频率特性：灵敏度随射光强调制频率f变化。
4、光照（光电）特性：光电流（或电压）与入射光通量之间的关系。 5、伏安特性：入射光频谱及光通量一定时，光电流和电压之间的关系
由载流子，在外电场作用下均可产生光电流。
材料的电导率：
无光照的自由电子 光照后的空穴增量
0 e(n0n p0 p ) e(nn p p )
光照后电 导率增量
光照后的自由电子增量
（光电导）
自由电子的迁移率
自由空穴的迁移率
无光照的 电导率 （暗电导）
无光照时的空穴
3. 光电池与光敏管
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。由于它可把 太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。光电池在有光线作用 下实质就是电源, 电路中有了这种器件就不需要外加电源。
常用的光电池分为两类。一类是金属——半导体型，其结构是 在半导体材料上蒸发一层办透明的金属薄膜，例如氧化亚铜和硒光 电池。另一种为PN结型，一般在P（或N）型半导体表面上扩散一 层N型（或P型）杂质，形成PN结，比如硅光电池等。
7.1 光电传感器的基本原理及基本特性
7.1.1 光电传感器的基本原理
其物理基础是光电效应。光电效应是指光照射到物质上 时，光能量作用于物质而释放出电子的现象。
光子能量 其中h——普朗Hale Waihona Puke Baidu常量，h = 6.626×10-34(JS)
——光频率， c ——光速， ——光波波长
• 物体内电子吸收光子能量足以克服逸出功A0时，电子就能逸 出物体表面。即E>hv>A0时，才会产生电子发射现象。这就意 味着每一种物体都具有一个对应的光频值或称红限频率v0 •当入射光的频谱成分不变时，产生的光电效应与光强度成正 比，即光强越大，逸出电子越多。
伏安特性：类似于普通的二极管和三极管，但是光敏三极管特性的参 变量不是基极电流而是光照度。光敏三极管的光电流比相同管型的二 极管大上百倍。在零偏压时，二极管仍有光电流输出，而晶体管则没 有。
硅光敏管的伏安特性：(a)硅光敏二极管 (b)硅光敏三极管
光照特性：在一定偏压 下，输出光电流与光照 强度(lx)之间的关系。图 示为硅光敏晶体管的光 照特性曲线。光敏二极 管的光照特性曲线的线 性较好。 晶体管在照度
PN结光生伏特效应：用光照射距表面很近的PN结，当光子能量hv大
于禁带宽度Eg时，结区及其附近由于本征激发会产生自由电子和自由 空穴。这些载流子在PN结内强大的内电场（由N区指向P区）作用下，
电子向N区加速，而空穴向P区加速，载流子的流动形成光电流iJ。光 生载流子经PN结后在边界附近积累，使半导体P侧带正电，N侧带负
光电倍增管主要由光电阴极K、倍增极D（又称二次电子 发射极）和阳极A组成，均封装在一个玻璃管内。
光电倍增管的结构原理图
其主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向 真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系 统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大 后的电子用阳极收集作为信号输出。最终电流的放大倍数可 达106~109。因此很多器件中都应用到光电倍增管，比如：照 相机和单光子发射断层成像装置；在放射性同位素测量和成 像技术中，也常用光电倍增管作为检测器中的光电转换器。
电子电荷
光电导灵敏度定义为光电导率与暗电导率之比：
/ (nn p p ) /(n0n p0 p )
具有显著光导效应的半导体材料有硫化镉、硒化镉、硫 化锌和红外波段的硒化铅、硫化铅等。
2）光生伏特效应（光电池、光敏晶体管） 在光照下，物体内部产生一定方向的电动势现象。光生伏 特效应有殿巴效应、光电磁效应和PN结光生伏特效应等三种
PN结电流产生示意图
光敏二极管符号
光敏二极管接线
把一般晶体管的基极和PN结制造成光敏二极管的结构形状，就 形成了光敏三极管。其特点是能把其中光敏二极管的光电流在三极 管上放大。可获得更大的输出电流，同时抗噪声能力较强。
光敏三极管有PNP型和NPN型两种。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（基极电流由光敏二极管提供）。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。光敏三 极管对电流有放大作用。
exp
qJ
nkT


1
其中，I0为二极管反向饱和电流，单位为A； J为二极管PN结两端的外电压，单位为V k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23JK-1
T为温度，单位为K
n为与半导体材料有关的常数，试验参量。工程
上考虑到杂质与晶格缺陷，长取1 或2
kT/q为热电压，常用Vt表示，Vt=0.026V(室温)
其效应的物理过程是：在光照下，半导体材料中价带电子
吸收了光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料中
的电子——空穴对浓度增加，加大了材料的电导率。
机制：当入射光子能量hv大于材料的禁带带宽Eg时，会引 起本征吸收，使价带中的电子跃迁到导带，称为自由电子；同
时价带中也会成对地形成自由空穴。自由电子和空穴统称为自
殿巴效应：半导体在强光照射下，表面的部分吸收能量形成高浓度的 电子和空穴，与其内部的电子和空穴形成浓度差而出现电势的现象。 殿巴效应中载流子由表面向内部扩散，由于电子的迁移率大于空穴的 迁移率，电子先到达半导体内部，故而半导体的受光表面带正电，另 一侧带负电。
光电磁效应：当半导体表面受强光照射并在其垂直方向加以外磁场时， 会在垂直于光和磁场方向上产生电势，这种现象称为光电磁效应。这 是由于半导体表面向其内部扩散的光生载流子在磁场中受磁场力的作 用而发生运动方向的偏移所致。其结果使电子和空穴移动方向相反、 形成电势差。
光电管符号及测量电路
二次电子发射
光电管工作电路如图所示。在阴极 和阳极之间供给直流电压E，阳极接电 源正极，阴极接电源负极。在没有受到 光照时电路无电流。如果阴极受到光照， 将发射电子，电子在阳极正电动势吸引 下形成电子流，并在输出负载RL中形成 电压降，这个输出电压反映光强度的变 化。光电管在很宽的光强度范围内稳定 性好，但是灵敏度较低。为获得更高的 灵敏度，可采用光电倍增管。
第七章 光电传感器与 光纤传感器
本章教学目标
通过本章的学习，了解和掌握光电效应及其形式以及相 应的光电器件工作原理。
掌握光敏电阻、光电池、光敏晶体管的结构特点及相应 的基本特性和参数。
熟悉光电传感器的应用方式以及光电耦合器件的特性。
光电传感器是以光为媒介、以光电效应为基础的传感器， 具有反应速度快、检测灵敏度高、并可实现非接触测量等优 点；光纤传感器是利用光纤技术与光学原理将被测信号转换 为可用信号输出的器件或装置，它不受电磁干扰、传输信号 安全、在恶劣环境下也能使用等优点。在生物医学领域应用 广泛。