传感器技术 第6章

6.2 基于外光电效应的器件
(2)光电倍增管
光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二 次电子，将光电流在管内进行放大。
所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表 面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电 子叫做二次电子。
6.2 基于外光电效应的器件
光照越大光电流越大； • 给定光照度
电压越大光电流越大； • 光敏电阻的伏安特性
曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。
光敏电阻伏安特性
6.3 内光电效应器件
(1)光敏电阻---基本特性
光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系。 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
制系统中作为开关时光电信号传感元件。
频率特性
光电器件相对光谱灵敏度(输出端 电压(电流)的振幅)随调制光频率的变 化关系称为光电器件的频率特性。由 于光电器件有一定的惰性,在一定幅度 的正弦调制光照射下,当频率较低时, 灵敏度与频率无关;若频率增高,灵敏 度就会逐渐降低。
Sr / %
100
1硫化铅
80
60 2硫化铊
40
20
0
10 100 1000 10000
基于这种效应的器件 有光电池
6.1 光电效应
6.1.2内光电效应
• 处于反偏的PN结：
无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，
在PN结电场作用下，形成光电流， 光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管。
6.2 基于外光电效应的器件
6.1 光电效应
光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每一个粒子具有的能量E 与其频率大小成正比，光照射就可看成是一连串具有能量E的粒子轰击在物体 上，物体吸收了这些能量为E的粒子后产生的效应为光电效应。
光电效应可分为： 外光电效应 内光电效应
光电导效应 光生伏特效应
6.1光电效应
6.1.1外光电效应
可靠性高; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计
数等领域和装置。
6.3 内光电效应器件
(3)光敏晶体管
与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极 —集电极结作为光敏二极管，集电极做受光极。
大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小 孔，让光照射到基区。
不仅在发达的欧美国家，数码相机 已经占有很大的市场，就是在发展 中的中国，数码相机的市场也在以 惊人的速度在增长，因此，其关键 零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的
种传感器，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。
被测量可能直接作用于光源，使它发出的光发生变化，也可能作用 在光通过的路径上，使通过后的光发生变化。
被测量
光源
光电 器件
被测量
概述
光电式传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照 度和气体成分等，也可用于检测能间接转换成光量变化的其它非电量，如 几何尺寸、位移、振动、速度等。 光电器件响应快、结构简单、而且有较高的可靠性, 因此在计算机、 自动检测、控制系统应用非常广泛。
f / Hz
光敏电阻的频率特性
6.3 内光电效应器件
(1)光敏电阻---基本特性 温度特性
光敏电阻的灵敏度、 暗电流与温度的关系。
温度特性可用温度系数来表示：
R2 R1 (T2 T1 )R2
100%C
1
6.3 内光电效应器件
(1)光敏电阻---基本特性 温度对光谱特性的影响：
100
/ 80
6.2 基于外光电效应的器件
(1)光电管
（1）真空光电管 真空光电管由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个 真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，阳极A通过负载电阻同电源正极相接， 因此管内形成电场。 当光照射阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电 流，该电流引起负载上的压降随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为 电传号的目的。
在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应，也叫光 电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物 质称为光电材料。 光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个
光子具有的能量是：
——普朗克常数(
)
——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大
6.1光电效应
6.1.1外光电效应
60
40
相对2灵0敏度
＋20℃－20℃
0 1.0 2.0 3.0 4.0 入射光波长/m
6.3 内光电效应器件---光生伏特器件
(2)光敏二极管
光敏二极管结构与一般二极管相似， 它们都有一个P—N结，并且都是单向 导电的非线性元件。为了提高转换效 率大面积受光，PN结面积比一般二极 管大。
6.3 内光电效应器件
6.3 内光电效应器件
(3)光敏晶体管 光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线
如图所示
光敏晶体管伏安特性
6.3 内光电效应器件
(4)光电池
光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能 的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和 自动控制等。 光电池种类很多，有硒光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。
6.2 基于外光电效应的器件
(1)光电管
（2）充气光电管 如果在玻璃钢管内充入少量的惰性气体（如氩、氖等）， 即构成充气光电管。 当充气光电管的阴极被光照射后，产生的光电子在飞向阳极的途中，对 惰性气体进行轰击，使其电离，从而产生更多的自由电子，形成数倍于真空 光电管的光电流，提高了光电变换的灵敏度。 但充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，所以较少采用。充 气光电管的管内可充单纯气体或混合气体。
(1)光敏电阻
•光敏电阻主要参数 • 暗电阻——无光照时的电阻； • 暗电流——无光照时的电流； • 亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流； • 光电流——亮电流与暗电流之差称光电流
光电流=亮电流-暗电流 暗电流越小，亮电流越大，则灵敏度越高。
6.3 内光电效应器件
(1)光敏电阻---基本特性
伏安特性 • 给定偏压
第六章 光电式传感器
本章重要介绍以下几个内容:
1、光电效应及其分类 2、各种外光电效应器件的原理和结构 3、各种内光电效应器件的原理和结构 4、图像传感器的原理和结构 5、各种光电传感器的实际应用 重点是掌握光电效应的原理，熟悉各种光电传感器的应用。
光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号的一
6.3 内光电效应器件
(1)光敏电阻---基本特性
光谱特性 • 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; • 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。
例图： 硫化镉（CdS）0.3～0.8(μm) 硫化铅（PbS）1.0～3.5(μm) 锑化铟（InSb）1.0～7.3(μm)
6.3 内光电效应器件
(1)光敏电阻---基本特性
6.2 基于外光电效应的器件
(1)光电管
真空光电管的伏安特性曲线如图所示，其饱和光电流与入射光的强度成正比。 一般工作电压选择在饱和区，但要尽可能小一些。 由于光电子逸出物体表面具有初始动能。 因此光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。
6.2 基于外光电效应的器件
(1)光电管
阳极饱和光电流
入射光的强度
(2)光敏二极管
工作原理：
光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，
• 无光照时，反向电阻很大，
反向电流很小；
• 有光照时，PN结处产生光生
电子空穴对；在电场作用下
形成光电流，光照越强光电 流越大；
光敏二极管基本电路
6.3 内光电效应器件
(2)光敏二极管
基本特性： 光照特性 光谱特性 伏—安特性 频率特性 温度特性
爱因斯坦的光电效应方程
：E
1 2
mv2
A
如果光子的能量E大于电子的逸出功A，这时逸出物体表面的电子就具有动能， 产生光电子发射。
由能量守恒定律有：
能否产生外光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电
子逸出功。
常见的器件有 光电管、光电
倍增管等
6.1 光电效应
6.1.2内光电效应
在光线照射的作用下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发 生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。。
光电流IA 。
6.2 基于外光电效应的器件
(2)光电倍增管
光电倍增管倍增系数与工作电压关系
6.3 内光电效应器件--光电导器件
(1)光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底板上涂一层对光 敏感的半导体物质，两端有金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。
光敏电阻结构及符号
6.3 内光电效应器件
光 电 池 符 号
6.3 内光电效应器件
(4)光电池 结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是 一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子—空穴对迅速扩散，在结电场作用 下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。
光电池工作原理图
(2)光电倍增管
光电倍增管的光电转换过程： 当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又 打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极 产生的二次电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极 同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增 极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在整个回路里形成
6.3 内光电效应器件
(2)光敏二极管 伏安特性 当反向偏压较低时，光电流随电压变 化比较敏感，随反向偏压的加大，光 生电流趋于饱和，这时光生电流与所 加偏压几乎无关，只取决于光照强度。
光敏二极管的伏安特性
6.3 内光电效应器件
(3)光敏晶体管
光敏晶体管工作原理主要基于内光电效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化 的现象称为光电导效应。 这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子 的能量E0应大于禁带宽度Eg。 基于光电导效应的光电器件 常见的有光敏电阻。
6.1 光电效应
6.1.2内光电效应 光生伏特效应：
6.3 内光电效应器件
(4)光电池
温度特性曲线 开路电压随温度升高下降较快，而短路电流随温度升高缓慢增加。因此当光 电池作测量元件时，在系统设计中就应该考虑到温度的影响，从而采取相应 措施。
6.4 图像
1：什么是图像传感器
图像传感器是传感技术中最主要的一个分Βιβλιοθήκη Baidu，广泛应用于各种领 域，它是PC 机、多媒体世界今后不可缺少 的外设，也是保安器件，包括光 电鼠标、支持数码照相技术的手 机以及消费电子、医药和工业市 场中的各种新应用。每种应用都有其独特的客户
(1)光电管
光电管是内装有光阴极和阳极的真空玻璃管。
6.2 基于外光电效应的器件
(1)光电管
工作原理：当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出 功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光 电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小 的压降。因此
光电池结构
6.3 内光电效应器件
(4)光电池
光照特性 光电池的输出短路电流与光照有较好的线性关系。这里的短路电流就是负载 电阻相对于光电池内阻来说很小时的电流值
光电池的开路电压与光照度关系呈非线性。
6.3 内光电效应器件
(4)光电池
光谱特性 光谱特性表示的是光线波长和相对光谱灵敏度之间的关系。 光电池对不同的波长，灵敏度不同。
系统要求。
图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着 数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展
，目前市场和业界都面临着跨越 各平台的视讯、影音、通讯大整 合时代的到来，勾划着未来人类 的日常生活的美景。以其在日常 生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展 速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码 相机就由几十万像素，发展到４００、５００万 像素甚至更高。
在光线照射下，光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结两端 产生电动势的效应。 为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？ 有下面两种情况： • 不加偏压的PN结 • 处于反偏的PN结
6.1 光电效应
6.1.2内光电效应
• 不加偏压的PN结
当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体 禁带能量（E0 ＞ Eg）,可激发出电子—空穴对， 在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N 区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生 电动势。