黄贤武传感器第7章精要

《黄贤武传感器第7章精要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《黄贤武传感器第7章精要（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、传感器 第七章 光电式传感器 标准按钮 第七章 光电式传感器 第一节 光电效应与光电 器件 第二节 固态图像传感器 第三节 光导式传感器 第四节 应用 第一节 光电效应与光电器件 光电管，光电倍增管 光敏电阻 光电池，光敏二极管，光敏三极管 光电效应 光电导效应 光生伏特效应 光电器件 外光电效应 内光电效应 外光电效应 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。 向外发射的电子叫做光电子。 光电器件有光电管、光电倍增管等。 光子具有能量，每个光子具有的能量可由 下式确定 （7-1 ） 式中 h 普朗克常数，6.62610-34 Js； 光的频率(s-1)。 物体中的电子吸收了

2、入射光子的能量，当足以 克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电 子发射。 如果一个电子要想逸出，光子能量必须超过逸 出功A0 ，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。 根据能量守恒定理 （7-2） 式中 m 电子质量； v0电子逸出速度。 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。 由爱因斯坦光电效应方程可知： (1)光电子能否产生，取决于光子的能量 是否大于该物体的表面电子逸出功A0 。不同 的物质具有不同的逸出功A0，每一种物体都 有一个对应的光频阀值，称为红限频率或波 长限。 光线频率低于红限频率，光于的能量不足 以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率 的入射光，光强再大也不会产生光电子发射

3、 ；反之入射光频率高于红限频率，即使光线 微弱，也会有光电子逸出。 (2)当入射光的频谱成分不变时，产生的 光电流与光强成正比。光强愈大，意味着入 射光子数目越多，逸出的光电子数也就越多 。 (3)光电子逸出物体表面具有初始动能。 因此外光电效应器件，如光电管即使没有 加阳极电压，也会有光电流产生。 为了使光电流为零，必须加上反向的截止 电压，截止电压的大小与射入光的频率成正 比。 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合 状态过渡到自由状态，从而引起材料电导率 的变化，这种现象被称为光电导效应。 这种效应的光电器件有光敏电阻。 当光照射到 本征半导体材料 上时，若光辐射 能量足够强，

4、光 电导材料价带上 的电子将被激发 到导带上去，从 而使导带的电子 和价带的空穴增 加，光导体的电 导率变大。 为了实现电子的能级的跃迁，入射光的能 量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即 式中、分别为入射光的频率和波长。 对于一种光电导体材料，只有波长小于的 光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的 跃迁，进而使光电导体的电导率增加。 即：存在一个照射光波长限。 光生伏特效应 在光线作用下，能够使物体内产生一定方 向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有： 光电池和光敏二极管、光敏三极管。 结光电效应 (势垒效应) 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区 域时，便引起光

5、电动势，这就是结光电效应。 以PN结为例。 光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg， 使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在 阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外 侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电 ，N区带负电，形成光电动势。 侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，光照 部分吸收入射光子的能量，产生电子空穴对 ，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载 流子浓度大，出现载流子浓度梯度，因而载 流子要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那 么空穴的扩散不明显，则电子则向未被光照 部分扩散，造成光照射的部分带正电，未被 光照射的部分带负电，光照部分与未被光照

6、部分产生光电势。 光电管 光电管有两类：真空光电管和充气光电管 。两者结构相似，如图所示。 真空光电管 由一个阴极和一个阳极构成，密封在一只真 空玻璃管内。 阴极在玻璃管内壁上涂有光电发射材料 。 阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形， 置于玻璃管的中央。 当光照在阴极上时，阴极上逸出光电子，中 央阳极收集光电子。在外电场作用下，形成电流I 。 充气光电管 充气光电管内充有少量惰性气体，如氩或氖，当阴极 被光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和气体的原子发 生碰撞，而使气体电离，因此增大了光电流，使光电管的 灵敏度增加；但也会导致充气光电管的光电流与入射光强 度不成比例关系，因而其稳定性较差、惰性大

7、、温度影响 大、容易衰老等缺点。 目前由于放大技术的提高，对于光电管的灵敏度不再 要求那样严格，况且真空式光电管的灵敏度也正在不断提 高。在自动检测仪表中，由于要求温度影响小和灵敏度稳 定，所以一般都采用真空式光电管。 主要特性 伏安特 性 光照特 性 光谱特 性 伏安特性 在一定的光照射下，阳极上所加电压与阳极所 产生的电流之间的关系称为光电管的伏安持性。 它是光电传感器应用的主要参数依据。 光照特性 当阳极和阴极之间所加电 压一定时，光通量与光电流 之间的关系为光电管的光照 特性。 曲线1为银氧铯阴极光电 管的光照特性，呈线性关系 。 曲线2为锑铯阴极光电管 的光照特性，呈非线性关系 。

8、光照特性曲线的斜率(光 电流与入射光光通量之比)称 为光电管的灵敏度。 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，用于不同的光谱范围。此外，即使照射 在阴极上的的入射光的频率高于红限频率，并且强 度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电 子的数量还会不同。 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同， 这就是光电管的光谱特性。 所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同 材料的光电阴极。 例 国产GD-4型光电管，阴极是用锑铯材料。其红限 7000 ，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效 率可达20 30。这种管子适用于白光光源，因而被 广泛地应用于各种光电式自动检测仪

9、表小。 对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。 对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。 另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000 8500，灵敏度也较高，与人的视觉光诺特性很接近，是 一种新型的光电阴极。 有些光电管的光谱持性和人的视觉光谱特性有很大差 异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人服 所不能胜任的工作，如坦克和装甲车上的夜视镜等。 光电倍增管 光电倍增管由： 光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极3部 分组成。 光阴极是由半导体光电材料锑艳制成。 次阴极是在镍或铜铍的衬底上涂上锑铯 材料而形成的。次阴极多的可达30级，通常 为1214级。 阳极是最后用来收集电子的，它输

10、出的是 电压脉冲。 使用时，在各个倍增电极上均加上电压。 阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极 的电位依次升高，阳极电位最高。 工作原理 从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到 第一个倍增电极上，引起二次电子发射。每个电子 能从这个倍增电极上打出36倍个次级电子； 被打出来的次级电子再经过电场的加速后，打 在第二个倍增电极上，电子数又增加36倍。 如此不断倍增，阳极最后收集到的电子数将达 到阴极发射光电子数的105106倍，即光电倍增管 的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。 光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到 几百万倍。 因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光 电流。 主要参数 倍增

11、系数M 光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏 度 暗电流和本底脉冲 光电倍增管的光谱特性 倍增系数M 倍增系数M等于各倍增电极的 二次电子发射系数i的乘积。如果 个倍增电极的i都一样，则M in。 因此，阳极电流I为 式中 i 光电阴极的光电流 。 一般M在105108之间，M与所 加电压有关，如果电压有波动，倍 增系数M也会波动，M具有一定的统 计涨落。一般阳级和阴级之间的电 压为1000 2500V，两个相邻的倍 增电极的电位差为50100V。对所 加电压越稳越好，这样可以减小统 计涨落。从而减小测量误差。 光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做 光电阴极

12、的灵敏度。 一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电 倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的实际灵敏度最大灵敏度可达10A 1m，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压 也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳定。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，因而 不能受强光照射，否则将会损坏。 暗电流和本底脉冲 一般，在使用光电倍增管时，必须把管子放在 暗室里避光，使其只对入射光起作用；但是由于环 境温度、热辐射和其他因素的影响，即使没有光信 号输入，加上电压后，阳极仍有电流，这种电流称 为暗电流。通常这种暗电流可用补偿电路消除。 光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体、就构成 闪烁计数器。在闪烁体受到人眼看不见的宇宙

13、射线 的照射后，光电倍增管就也会有电流信号输出，这 种电流称为闪烁计数器的暗电流，一般把它称为本 底脉冲。 光电倍增管的光谱特性 光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电 管的光谱特性相似。 国产光电管和光电倍增管的主要参数见附 表7-1和7-2。 光敏电阻 在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，半导体的两端装 上金属电极。使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压人 塑料封装体内。在半导体光敏层上覆盖有一层漆膜 。 半导体光敏层材料 硫化镉、硫化铅、硫化铊、硫化铋、 硒化镉、硒化铅、 碲化铅 等。 光敏电阻的特性 暗电阻、亮电阻与光电流 伏安特性 光照特性 光谱特性 响应时间和频率特性

14、温度特性 部分国产光敏电阻的参数 表 暗电阻、亮电阻与光电流 暗电阻 ：光敏电阻在未受到光照射时的阻值 。 此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻：在受到光照射时的阻值。 此时的电流称为亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。 一般，暗电阻在兆欧数量级，亮电阻在几千 欧以下。暗电阻与亮电阻之比在102106之间。 一般，暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵 敏度越高。 伏安特性 由曲线可知： 所加的电压越高， 光电流越大，而且 没有饱和现象。 光照特性 描述光电流I 和光 照强度之间的关系。 不同光敏电阻的光 照特性不相同。 绝大多数光敏电阻 的光照特性曲线是非线 性。 光敏电阻不宜作线 性测量元件

15、，一般用作 开关式的光电转换器。 光谱特性 光的波长不同，光 敏电阻的灵敏度不同。 硫化镉的灵敏度峰 值在可见光区域。 硫化铅的灵敏度峰 值在红外区域。 因此，应根据光源 的种类选用光敏电阻， 才能获得良好的结果。 响应时间和频率特性 实验证明：光敏电阻的光电流不是随着光 照量的改变而即刻改变。即光敏电阻产生的 光电流有一定的惰性，这种惰性用时间常数 来描述。 时间常数t ：光敏电阻自停止光照起到电 流下降为原来的63所需要的时间。 时间常效越小，响应越迅速。 大多数光敏电阻的时间常数都较大，这是它 们的缺点。 图示为硫化镉和硫 化铅的光敏电阻的频率 特性。此处的频率指光 强的变化频率，而非光

16、 的波动频率。 硫化铅的使用频率 范围最大，其他都较差 。 目前正在通过工艺 改进来改善各种光敏电 阻材料的频率特性。 温度特性 随着温度升高，光敏电 阻的暗电阻和灵敏度都下降 。 同时温度变化也影响光 谱特性曲线。 图示为硫化铅的光谱 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。 因此，有时为了提高元 件的灵敏度，或为了能够经 受较长波段的红外辐射而采 取致冷措施。 光电池 光电池是基于光生伏特电效应。 能直接将光量转变为电动势。它是电压源。 光电池的种类很多：硒光电池、氧化亚铜光电 池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅 光电池、砷化镓光电池等。 其中最受重视的是硅光电池和硒光电池，它们 有一系列优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性 好、转换效率高、能耐高温辐射等。 另外，由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的视 觉范围，很多分析仪器、测量仪表常常用到它。 重点介绍硅光电池和硒光电池。 硒光电池的结构与原理