第八章光电传感器

暗电流随温度升高而增加。原因：热激发
上午2时56分 在一定温度范围内，温度的变化对光电流的影响较小。
（5）频率特性：
光敏管的频率响应是指具 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）随频 率的变化关系。 由曲线可知，减小负载 电阻RL，可以提高响应 频率，负载不变，频率 提高，输出降低。 应根据频率选择最佳 负载。
第八章：光电式传感器
上午2时56分
§8－1基本工作原理
光电式传感器基本原理：
被测量
光量变化
电量
光电式传感器基本元件：
核心
光电元件
光源
光学元件 （1）开关型
光电式传感器基本类型：
（光电转速表，光电继电器等）
（2）光通量变化型（光电位移计，光电式测振计等）
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（3）图像型
（CCD）
外光电效应——在光线的作用下，物体内的电子
光敏电阻的光电流有惯性。 上升时间t1 下降时间t2=时间常数
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频率响 应较好
频率响 应较差
光敏电阻主要参数和基本特性（续）
（6）温度特性
1, 暗电阻 (暗电流 ) 2, 光电流 灵敏度 温度↑ 3, 光谱特性曲线 → （峰值）向短波 方向移动
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一，电荷耦合摄象器件 CCD
（Charge Coupled Device）
（一）基本组成部分
原理
一个完整的CCD器件由光敏元 阵列、读出移位寄存器、其它 辅助输入输出电路组成。
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1，MOS光敏元
组成结构： 图8-20 势阱→光生电子 →电荷色→象素（MOS） 光敏元阵→光生电荷图象 （与光照强度对应）
光电阴极
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阳极

I 2 二次电子发射数量 I1 一次电子发射数量
二次发射系数
几百万电子伏特动能的电子落到物体表面上 2，工作原理： 时，将一部分的能量传给该物体中的电子， 使这些电子从物体表面逸出。
原理图

D1
D3
A
D2
D4
K
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阴极
U D1 U D 2 U D 3 ... U R
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2，移位寄存器
读出移位寄存器是电荷 图像的输出电路，如图 所示。
它也是MOS结构，它是 在半导体的底部覆盖上 了一层遮光层，防止外 来光线的干扰。
读出移位寄存器结构原理
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3、电荷的输出
如图所示为利用二极管 的输出方式。
电荷输出
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（二）线阵式CCD图像传感器
热电阻≈12～16倍冷电阻。 为防止启动时过电流，可采用恒流源 供电或灯丝预热。 2，电源电压： <额定电压→使用寿命长 >额定电压→使用寿命短
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（二）发光二极管（LED） （固体发光光源）
用半导体P-N结将电能 机理 机理
转化 光
在形成PN结时：
电子和空穴扩散。内电场 阻止电子和空穴的进一步扩 散。形成势垒。 在P-N结两端加电压：势垒 的高度和宽度减小，从而克 服能带势垒。 电子从N区流向P区， 空穴从P区流向N区。 电子空穴流过P-N结时，产 生复合，释放能量：发光
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光电倍增管结构
倍增系统
光点阴极
——光窗（Input window ) ——光电阴极(Photo cathode) ——电子光学系统 ——电子倍增系统(Dynodes) ——阳极(Anode)
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光窗
由高速电子冲击而使物体产生 1，二次电子发射： 电子发射的现象。
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§8－2光电传感器的基本元件
光电传感器的基本元件－光源、光学元件、光电元件
一，光源
热辐射光源： 白炽灯 普通电光源： 气体放电灯： 氖灯，日光灯 固体发光光源： 发光二极管
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（一）白炽灯 靠电能将灯丝加热至白炽而发光。 多采用钨丝作灯丝。
1，钨丝正电阻特性： 在工作时的电阻（热电阻）>>冷态 （20℃）时的电阻（冷电阻）。
Kr Kr
能量太小 不能达到PN结
硅: K r 0.98m K r max 锗: K r 1.5 m K r max
确定光源和光电器件的最佳 匹配 上午2时56分
光敏晶体管基本特性
（2）光照特性
照度 结论 1、光敏二极管线性好； 反向电压越大，光电流 越大； 2、光敏三极管起始灵 敏度底； 在大电流时有饱和现象。 （图中未画出）。
选择
硒光电池：0.34～0.57um
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（2）光照特性：
2，光电池基本特性 光生电动势与照度之特性
光电流密度与照度之特性 饱和
①开路电压曲线
E f ( E e)
光生电动势 照度
②短路电流曲线
J
c
f ( E e)
光电流密度
所谓光电池的短路电流 是指外接负载电阻相对于它 的内阻来讲很小时的电流值。
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Ic(Ec)关系
光敏晶体管基本特性
（3）伏安特性：
1、光敏三极管比光敏 二级管灵敏度大上百倍； 2、在零偏压下时，光 敏二极管仍有光电流输 出，而三极管没有。 （这是由于光电二极 管存在光生伏特效应 的缘故）
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（4）温度特性：
（a）暗电流－温度特性
（b）光电流－温度特性
光电倍增管基本特性
（2）放大倍数_M
在一定的工作电压下，光电倍 增管的阳极信号电流与阴极信号 电流之比。
M─倍增管放大倍数
iA M ik
工作电压增高，光电倍增管的放 大倍数也越大。 U↑→M↑→ F ↑
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（3）阳极特性：
阳极电流
阳极特性是指阳极电 流对于最后一级倍增 极和阳极间电压的关 系。 照射在光电阴极上的 光通量越大，相应阳 极电流越大。 对于电压：呈饱和曲 线
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2，光电池基本特性 注意：短路电流JC与负载电阻有关，应实际实测 硅光电池在不同负载电阻情况的光照特性。
负载电阻↓→
J
c
f ( E e) _线性好
负载电阻>200Ω→
J
c
f ( E e) _显著变坏
负载 短 路 电 流
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2，光电池基本特性 光的调制频率f与相对输出电流 （3）频率特性： 之间的关系。
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（4）光电特性： 阳极电流Ia随照射到光阴极上的光 通量Φ的增大而增大。 ①饱和曲线 阳极电流
②光通量Φ ↑→Ia↑
例： 10 ~ 10
4 13
lm 线性3％
10
4
lm
非线性
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阳极电流Ia与光通量Φ关系：
4, 光电倍增管的基本电路
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§8－3新型光电元器件
光敏三极管：
光电流＝基极电流 集电极电流＝ ( 1) 基极电流 结论
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光敏三级管灵敏度优于光敏二极管
二，光敏晶体管基本特性 在一定照度下，光敏晶体管输出的光 （1）光谱特性：电流（或相对光谱灵敏度）随波长的 变化而变化。
相对光谱灵敏度：
K Kr 100 % K max
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光敏管的响应时间常数一般：
10 4 ~ 10 5 ( S )
（四） 光电倍增管
利用外光电效应和二次电子发射相结合， 把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种光电 器件。
特点
放大倍数很高，可达106─108 ，用于 探测微弱信号； 光电特性的线性关系好 ； 工作频率高达100MHZ ； 性能稳定，使用方便 ； 供电电压高； 玻璃外壳，抗震性差； 价格昂贵，体积大；
lm（光通量）
光敏电阻主要参数和基本特性（续） （4）光谱特性：灵敏度K与波长关系 讨论 图8-5：不同材料的光敏电 阻具有不同的光谱特性，光源 的发光波长应当与光敏电阻光 谱特性峰值的波长相接近，以 提高灵敏度。
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光敏电阻主要参数和基本特性（续）
（5）响应时间与频率特性 频率特性－光电器件输出电压 （电流）的振幅或相对灵敏度 随入射光通量的调制频率的变 化关系。 时间常数－光敏电阻自停止光 照到电流下降到原来的63％所 需要的时间。
光照愈强，阻值愈低。
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光敏电阻主要参数和基本特性 （1）光电流： 无光照─暗电阻 MΩ ─暗电流 有光照─亮电阻 ≤KΩ ─亮电流 光电流＝亮电流-暗电流
（2）伏安特性： 光敏电阻两端所加的电压与电流的 关系曲线。
1、在恒定的光照下，光敏电阻 是线性电阻，服从欧姆定律； 即外加电压越高，光电流越大；
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（三）面阵式CCD图像传感器
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二，半导体光电位置敏感器件（PSD）
横向光电效应：当光照射到PN结上时，除了产生结电 势外，还将产生侧向光生电动势。
一般用电阻温度系数表示：

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R2 R1 100 % (T2 T1 ) R2
（二）光电池
1， 原理： 光生伏特 效应： PN结合 N区
+ +
由于热运动 电子 空穴
-
N区电子向P区扩散 P区 P区空穴向N区扩散 在PN结形成电场， 阻止扩散。 在光照作用下，
+ + + + +
光
N区
电场
-
+ + +
P区
-
光生电 动势
N区
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