第八章 光电式传感器

禁带 价带
价电子所占能带
第八章 光电式传感器
3、光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生
一定Байду номын сангаас向的电动势的现象。典型光电元件有光电池
等。
二、光电器件
1、外光电效应应用器件
光信号→电信号
光电管
A
A
A——阳极，K——阴极
K
K
金属底层光电管
光透明光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时发射电子，中央带正 电的阳极吸引从阴极上逸出的电子，这样在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生电流。
若将PN结两端用导线连起来，电路 中就有电流流过。若将外电路断开， 就可测出光生电动势。
P N
下电极 光电池的结构图
太阳能电池片
4、电荷耦合器件
（Charge-Coupled Device，简称CCD）
• 70年代发展起来，发展自MOS器件
• 分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、
液体激光器
§8-2 光电效应与光电器件
一、光电效应
光电传感器的工作原理基于光电效应
光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒 子——光子所组成，每一个光子能量为：
E hf
h ——普朗克常数，6.626×10-34J.s； f ——光的频率（s-1）。
光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的
第八章 光电式传感器
• 原理
首先把被测量的变化转换成光信号的变化， 然后通过光电器件变换成电信号。
辐射源
光学通路
光电器件
输出
被测量
被测量
• 特性
频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等
§8-1 光源
光源是光电式传感器的一个组成部分，大多 数光电传感器都离不开光源。
• 热辐射光源 • 气体放电光源 • 电致发光器件 • 激光器
式中，i为光电阴极的光电流
几种光电倍增管的外形
2、内光电效应应用器件：
光敏电阻 • 结构
一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越 好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏 电值阻在的几暗千电欧阻以值下用一。半般导在体兆材欧料量制级成， 亮电阻
暗电阻 暗电流 亮电阻 亮电流 光电流
多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光 电转换器。
集电极电流是光电流的1+β倍。
c
be
RL
3、光生伏特效应应用器件：
硅光电池的结构如图。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。
梳状电极 SiO2抗反射膜
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。
光电倍增管
• 由光电阴极、若干倍增极和阳极三
K
部分组成。
• 倍增极上的涂料在电子轰击下能发射 更多电子；
• 倍增极之间有依次增大的加速电压。
A • 二次发射系数
光电倍增管的主要性能 • 倍增系数M
等于各倍增电极的二次发射系数σi 的乘积。如果
n个倍增电极的σi 都一样（ i ），则
Mn
所以
I in
逸出物体表面电子具有的动能
v0——电子逸出速度； A0——物体的表面电子逸出功。
不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频 率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不
能激发电子，此频率限成为“红限”，其临界波长λK为：
K hc/ A0
c ——光在真空中的速度。
外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。
称为电致发光
• 特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快 • 代表：发光二极管
四、激光器
(Light amplification by stimulated emission of radiation )
• 定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件
• 特点：高单色性、高方向性好、高亮度、高相干性
光照特性曲线的斜率称
IA/ μA
为光电管的灵敏度。
100
1-氧铯阴极 2-锑铯阴极
75
2
50
25
1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Φ/1m
(3) 光电管的光谱特性
一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率， 因此它们可用于不同的光谱范围。
另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。 以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红 限λc=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。 适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表 中。
2、内光电效应：又称光导电效应， 在光照作用下， 物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现
象。典型的光电元件有光敏电阻，光敏二极管等。
当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半 导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上 的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。
电子能量E
导带 自由电子所占能带 h≧Eg
光敏二极管
光敏二极管在电路中一般是处于反向工 作状态。
PN RL
当光不照射时，光敏二极管处于截止状 态。
当光照射时，光敏二极管处于导通状态。
光敏二极管的光照特性是线性的，适 合检测等方面的应用。
光敏三极管
集电结一边做得很大，以扩大光 的照射面积，且基极一般不接引 线。
暗电流： ICEO(1 )ICBO
光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相 应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。
光电效应按原理又分为以下3种：
1、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出
物体表面，形成光电流。
光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A0和
动能，即：
m——电子质量；
Ek 12mv02 hf A0
光电管的主要性能
（1）光电管的伏安特性 入射光的频谱及光通量一定时，对光电器件的阳极所 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。
12 IA/μA
10 8 6 4 2
120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm
20μlm
0 50 100 150 阳极电压/V
（2）光电管的光电特性 当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通 量与光电流之间的关系。
一、热辐射光源
• 原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射 • 特点：物体温度越高，辐射能量越大 • 代表：白炽灯、卤钨灯
二、气体放电光源
• 原理：电流通过气体会产生发光现象 • 特点：改变气体成分、压力、阴极材料和放电电流
的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体
• 代表：日光灯
三、电致发光器件
• 原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象