第六章 光敏传感器

6.2 光电效应传感器
6.2.1 外光电效应及器件
1．外光电效应
光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效
应分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效 应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。
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。向外发射的电子叫
6.3.2 光电池 1．原理与结构
图6-29 硅光电池示意图 光电池的工作原理基于光生伏特效应。当光照 射在光电池上时可以直接输出电动势及光电流。 图6-29所示是硅光电池结构示意图。
② 亮电阻：光敏电阻在受光照射时的阻值。此时流 过的电流称为亮电流。
③ 光电流：亮电流与暗电流之差。
（3）光敏电阻的基本特性
① 伏安特性
在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电 阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图 6-18所示为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。
图6-18 硫化镉光敏电阻的伏安特性
6.1
概述
光敏传感器就是将光能转换为相应电能的装置， 又称为光电式传感器。从目的上讲，它是探测光信号 的器件，也可以称为光电探测器。
6.1.1 光谱
按通常定义，光指的是频率为1011 Hz（远红外 线）～1017 Hz（远紫外线）范围内的电磁波谱，单 个光子的能量E可由式（6-1）求出（h是普朗克常数 ， 是光的频率）
理有
h

1 2
mv02

A0
（6-5）
式中，m为电子质量；v0为电子逸出速度。该方
程称为爱因斯坦光电效应方程。
图6-3所示为测定逸出电子随光的强度和光频率变化 的实验，图6-4是光电流随光强变化的曲线。
图6-3 光电发射检测装置
图6-4 光电流随光强 的变化曲线
2．光电发射二极管
通常，人们把检测装置中发射电子的极板称为阴 极，吸收电子的极板称为阳极，且将两者封于同一 壳内，连上电极，就成为光电二极管。按照光电发 射二极管的原理可以分为真空光电二极管和充气光 电二极管两类。
实用光电发射材料应该具备三个条件：① 光吸 收系数大；② 光电子在体内传输到体外的过程中能 量损失小，使逸出深度大；③ 电子亲和势较低，
使表面的逸出概率提高。 一般金属材
料只适于做紫外 灵敏的光电器件。 半导体材料对可 见光、红外光都 很敏感，所以半 导体被广泛用做 光电阴极。表6-1 是一些材料光电 阴的主要性能。
图6-20所示为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线， 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。
图6-20 硫化铅光敏电阻的光谱特性
④ 光照特性 图6-21表示CdS光敏电阻的光照特性，即在一定
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。
大倍数或电流增益，即 G iA SA iK SK
（6-6）
式中，iA是阳极电流；iK是阴极电流。
图6-14所示为一个典型的光电倍增管阳极灵敏 度和放大倍数随工作电压变化的关系曲线。
③ 暗电流：当光电倍增管在全暗条件下时，阳极上 也会收集到一定的电流，其输出电流的直流成分称 为该管的暗电流。
图6-6 测量电路
图6-7 I-V特性曲线
射电子都已到达阳极，电压再增大，电流几乎不变， 曲线平坦，此部分称为饱和区，一般工作电压选择在 饱和区但要尽可能小一些。而随着光强的增加，产生 的光电子数就增多，所以光电流与光强成正比。
（2）充气光电二极管 充气光电二极管结构与真空管相似，只是管壳内
充有低压惰性气体（氩气和氖气）。充入惰性气体 可以起到电子倍增效应，使到达阳极的电子数目比 真空二极管所产生的电子数目大得多，相当于具有 一定的放大倍数，可达10倍左右。图6-8是充气光电 二极管的伏安特性曲线。
② 光谱特性
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系 称为光谱特性，也称为光谱响应。图6-19所示为几 种不同材料光敏电阻的光谱特性。
图6-19 光敏电阻的光谱特性
③ 温度特性
温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时， 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响 应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。
④ 光电特性：图6-15所示为光电倍增管的光电特性 ，可以看出阳极电流随光通量而增加，而且在很宽 范围内是线性的，所以适合测量辐射光通量较大的 场合。
图6-14 光电倍增管阳极灵敏度 和放 大倍数随工作电压变化曲线
图6-15 光电倍增管的 光电特性
（4）光电倍增管的应用领域
光电倍增管的应用领域非常广泛，主要分为以 下十几种。
图6-8 充气光电二极管 伏安特性曲线
表6-1 材料光电阴极的主要性能
3．光电倍增管 （1）光电倍增管原理
图6-9 光电倍增管的结构
当具有足够动能的电子轰击倍增极时，该倍增极 表面将有电子发射出来，这种现象称为二次电子发射 。光电倍增管的原理如图6-9所示。
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（2）光电倍增管的结构分类 ① 直线瓦片式倍增系统（聚焦型）
（1）真空光电二极管
将一个阳极和一个阴极同装于一个真空玻璃内，引 出两个电极就构成一个真空光电二极管。图6-5是两 个典型的真空光电二极管结构示意图。
图6-5 真空光电二极管结构示意图
将真空光电二极管按照图6-6所示的测量电路连 接，测得其I-V特性曲线如图6-7所示。由图可以看出 ，同一光强下Ia-Va曲线中，在0～20 V范围内，阳极 电压增大，光电子达到阳极的数目也增大，阳极电 流急剧增大；当阳极电压大于20 V后，几乎全部发
图6-26 标识灯电路
6.3 光生伏特效应器件
6.3.1 光生伏特效应 光生伏特效应包括势垒效应（结光电效应）和
侧向光电效应。 1．势垒效应（结光电效应）
接触半导体和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。 2．侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓 度梯度将会产生侧向光电效应。
① 光谱学 ② 质量光谱学与固体表面分析
③ 环境监测 ④ 生物技术
⑤ 医疗应用 ⑥ 射线测定
⑦ 资源调查 ⑧ 工业计测
⑨ 摄影印刷 ⑩ 高能物理——加速器实验
中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测
激光
等离子体
6.2.2 内光电效应（光电导）及器件 1．光电导效应
光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电 子-空穴对，使导电性能加强，电导率增加，这种 现象被称为光电导效应（内光电效应）。
光通量：光源在单位时间内向周围空间辐射的、能 引起视觉反应的能量，即可见光的能量。
光的照度：在一个面上的光通密度，它是射入单 位面积内的光通量，单位是lx（勒克斯）。
6.1.3 光源
一般而言，光电式传感器对光源具有如下要 求： ① 光源必须具有足够的照度； ② 光源应保证均匀、无遮挡或阴影； ③ 光源的照射方式应符合传感器的测量要求； ④ 光源的发热量应尽可能小； ⑤ 光源发出的光必须具有合适的光谱范围。


1.24

≥
Eg
（6-7）
式中，、分别为入射光的频率和波长。
2．内光电效应（光电导）器件——光敏电阻 （1）光敏电阻的结构与工作原理
图6-17 光敏电阻的原理结构 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料 制成的光电器件。图6-17所示为光敏电阻的原理结 构。
（2）光敏电阻的主要参数
① 暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值。此时 流过的电流称为暗电流。
PN结光电检测电路如图6-24所示，其电流-电 压特性曲线如图6-25所示。
图6-27 PN结光电检测电路 图6-28 PN结光电检测电路电 流-电压特性曲线
从图6-27和图6-28可知，有光照时反向电流增 加且增加量是光电流。这样就可以在PN结两端并联 一个电压表，测量光照时PN结两端形成的电势差。 这样就验证了光生伏特效应。
③ 盒栅式倍增系统（非聚焦型）
图6-12 盒栅式倍增系统示意
其电极结构如图6-12所示。每个倍增极是一个圆 柱面的1/4。为提高电子收集效率，防止二次电子的 逸散，在电子入口加一个与盒子具有相同电位的金 属栅网。
④ 百叶窗式倍增系统（非聚焦型）
图6-13 百叶窗式倍增系统
图6-13为百叶窗式倍增系统结构示意图。每一 倍增极由一组互相平行并有一定倾斜的同电位叶片 组成。
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第6章 光敏传感器
本章课程安排
6.1 概 述 6.2 光电效应传感器 6.3 光生伏特效应器件 6.4 光敏二极管 6.5 光敏晶体管 6.6 色敏光电传感器 6.7 光电耦合器件 6.8 红外热释电光敏器件 6.9 固态图像传感器 6.10 光纤传感器 小 结
图6-21 CdS光敏电阻的光照特性
⑤ 频率特性
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6-22所示。
⑥ 稳定性
图6-23中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏 电阻的稳定性。
图6-10 直线瓦片式倍增系统示意
这是一种聚焦式倍增系统，其单个电极形似圆柱 状的瓦片，形成的电场使电子轨迹在极间会聚交叉 ，交叉点落在下一级的靠近中心处，如图6-10所示
② 圆环瓦片式倍增系统（聚焦型） 它的电极形式和直线瓦片一样，但各倍增极的
排列方式是圆环状的，如图6-11所示。
图6-11 圆环瓦片式倍增系统示意
图6-25 亮光报警电路 图6-25所示为亮光报警电路，当有光照射光敏 电阻CdS时其阻值减小，VTl的基极电位高于发射板
，则VT1导通，VT2和VT3也导通，蜂鸣器B呜叫。
③ 标识灯
图6-26所示是标识灯电路。在白天，光照射在 光敏电阻CdS上其阻值变低，VT2的基极电位下降 ，为此，VT2截止，VT3和VT4都截止，灯H不亮。 在夜晚，CdS无光照射，其电阻值非常高，相当于 开路，VT1和VT2构成的多谐振荡器工作，标识灯H 交替亮灭。
几种光敏电阻的特性参数如表6-2所示。
图6-22 不同材料的频率特性 图6-23 CdS光敏电阻稳定性
表6-2 几种光敏电阻的特性参数
（4）应用实例 ① 自动照明灯
图6-24 自动照明灯电路 自动照明灯广泛适用于医院、学生宿舍及公共场 所。它白天不会亮而晚上自动亮，应用电路如图624所示。
② 亮光报警器
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 其由价带越过禁带跃入导带，如图6-16所示，使 材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加， 从而使电导率变大。
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大
图6-16 光电导效应示意
于光电导材料的禁带宽度Eg，即
h

hc
（3）光电倍增管的性能参数
① 灵敏度：光电倍增管将光辐射转换成电信号能力的 一个重要参数。阳极灵敏度SA是指在一定工作电压 下阳极输出电流与照射到阴极面上光通量的比值。阴 极灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。
② 放大倍数（电流增益G）：在一定工作电压下，光
电倍增管的阳极电流和阴极电流的比值称为该管的放
nm的电磁波称为红外线，如图6-1所示。
光谱分布如图6-2所示。
图6-2 光谱分布图
6.1.2 光学传感器的相关计量单位
辐射度学：测量纯粹的、原始的能量流，与波长无 关。单位W（瓦特）。
光度学：测量人眼可视的波长范围内的能量流。单 位lm（流明）。
光强：单位面积上的辐射度。单位W/m2。 发光强度：1坎德拉（cd）是指，在给定方向上， 相应于人眼系统敏感最高峰的光的强度，而且在此 方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。
E = h （单位：J或eV） （6-1）
波长与频率的关系如下（c为光速， 是光的波长）
= c/
可见，光是
电磁波谱中人眼
可以感知的部分。
根据人眼对光的
感应，把波长小
于380 nm的电磁 波称为紫外线，
图6-1 各种波长的相对光强，在人眼
而把 波长大于650
最敏感的波长555 nm处归一化
做光电子。光子是具有能量的粒子，每个光子的能 量为
E = hv
（6-4）
式中，h为普朗克常数，即6.626×10-34J·s；v为光的 频率（Hz）。
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，超过部
分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定