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1、传感器原理与应用 电子科技大学中山学院 2013 光电传感器光电传感器 光电传感器 介绍光电效应、光电元件的分类、结构、 工作原理、特性、应用电路，以及光电传感器的 四种类型的应用实例。还简单介绍了光辐射的基 本知识。 1905年德国物理学家爱因 斯坦用光量子学说解释了光 电发射效应，并为此而获得 1921年诺贝尔物理学奖。 用光照射某一物体，可以 看作物体受到一连串能量为hf （或h）的光子的轰击，组成 这物体的材料吸收光子能量而 发生相应电效应的物理现象称 为光电效应。 第一节 光电效应及光电元件 光电效应的分类 第一类：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的 现象称为外光电效应，基于外光电
2、效应的光电元件有 光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 第二类：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的 现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光 电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶 体管及光敏晶闸管等。 第三类：在光线的作用下，物体产生一定方向电动 势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光 电元件有光电池等。 1）外光电效应 a)光电管 b)外光电效应示意 1阳极a 2阴极k 3石英玻璃外壳 4抽气管蒂 5阳极引脚 6阴极引脚 7金属表面 8光子 9光致发射电子 金属板 “光电子” 爱因斯坦光电方程 式中 m电子质量； W金属光电阴极材料的逸出功； f入射光的频率。 由于逸
3、出功与材料的性质有关，当材料选定后，要 使金属表面有电子逸出，入射光的频率f应有一最低的 限度值。当hf小于W时，即使光通量很大，照射时间很 长，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为 红限。 电子逸出金属表面的速度v可由能量守恒定律确定： 电磁波频谱（光是一种电磁波） 光电管电路及特性 金属阳极a和阴极k封装在一个石英 玻璃壳内。当入射光照射在阴极板上 时,光子的能量传递给阴极表面的电 子,当电子获得的能量足够大时,电子 就可以克服金属表面对它的束缚而逸 出金属表面,形成电子发射。当光电 管阳极加上数十伏电压时,从阴极表 面逸出的“光电子”被具有正电压的阳 极所吸引,在光电管中形成电流,
4、简称 为光电流,光电流I正比于光电子数, 而光电子数又正比于光照度。 1 低照度时的曲线 2紫外线增强时的曲线 光电倍增管 外光电效应的典型元器件还有光电倍增管。 它的灵敏度比上述光电管高出几万倍以上，在星 光下就可以产生可观的电流，光通量在10-1410- 6lm（流明）的很大变化区间里，其输出电流均能 保持线性。 因此光电倍增管可用于微光测量,如探测高能射线产生的辉光 等。但由于光电倍增管是玻璃真空器件，体积大、易破碎,工作 电压高达上千伏,所以目前已逐渐被新型半导体光敏元件所取 代。微弱 光照 二、基于内光电效应的光电元件 1光敏电阻 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明
5、 窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成 梳状。 光敏电阻的图形符号： 构成光敏电阻的材料有： 金属的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半导体。半导体的 导电能力取决于半导体载流子数目的多少。当光敏电阻受到光 照时，若光子能量hf大于该半导体材料的禁带宽度，则价带中的 电子吸收光子能量后，跃迁到导带，成为自由电子，同时产生 空穴，电子-空穴对的出现使电阻率变小。光照越强，光生电子- 空穴对就越多，阻值就越低。入射光消失，电子-空穴对逐渐复 合，电阻也逐渐恢复原值。 光敏电阻外形及结构 当光敏电阻受到光照 时， 左右电极之间的阻 值减小。 光敏电阻原理演示 当光敏电阻受 到光照
6、时，光生电 子-空穴对增加，阻 值减小，电流增 大。 暗电流 （温度升高，暗电 增大） 光照产生的电 流 称为亮电流 光敏电阻的特性和参数 1）暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为 暗电阻，通常大于1M。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升 ，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一 大缺点。 2）光电特性：在光敏电阻两极电压固定不变时,光照度与电 阻及电流间的关系称为光电特性(非线性严重) 3）响应时间：光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时 间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光 电流也需要经过一段时间(下降时间)才能恢复到其暗电流值，（ 时延特性）。光
7、敏电阻的上升响应时间和下降响应时间约为102 103s，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。 部分光敏电阻的特性参数 二、光敏管 光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等统 称为光敏管，它们的工作原理是基于内光电效 应。光敏晶体管的灵敏度比二极管高，但频率 特性较差，暗电流也较大。目前还研制出光敏 晶闸管，它的导通电流比光敏晶体管大得多， 工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大， 主要用于光耦合器（俗称光电耦合器）中。 光敏二极管的结构 光敏二极管的 PN结被设置在透 明管壳顶部的正 下方，可以直接 受到光的照射。 1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈
8、 8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11耗尽层12金丝引出线 光敏二极管的工作原理 没有光照时，由于二极管反 向偏置，所以反向电流很小， 称为暗电流，相当于普通二 极管的反向饱和漏电流。 当合适波长的光照射在光敏 二极管的PN结（又称耗尽层） 上时，原子中的电子吸收光子 的能量，变成自由光子。相应 地，产生同样数量的空穴。 光照增强，产生的电子-空穴 对数量也随之增加，在外加的反 向电压的作用下，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，从而产生 反向电流电流（称为光电流），光电流与照度成正比。 部分光敏二极管特性参数 . 光敏二极管实物照片 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部
9、的正下方，光照射到光 敏二极管的PN结时， 电子-空穴对数量增加 ，光电流与照度成正 比。 透镜 +- 光敏二极管外形 光敏二极管伏安特性及红外发射、接收对管 红外发射管 红外接收管 光敏二极管的伏安 特性 光敏二极管的反向偏置接法 在没有光照时，由于二 极管反向偏置，所以反向 电流很小，这时的电流称 为暗电流，相当于普通二 极管的反向饱和漏电流。 当光照射在二极管的PN结 （又称耗尽层）上时，在 PN结附近产生的电子-空 穴对数量也随之增加，光 电流也相应增大，光电流 与照度成正比。 电路的输出电压Uo与光电 流ID成正比，在一定范围内 ，与光照度E 成正比。 光敏晶体管 光敏晶体管又称“光
10、敏三极管”，它有两个 PN结。与普通晶体管相似，有电流增益，灵 敏度比光敏二极管高。多数光敏晶体管的基 极没有引出线，只有正负（C、E）两个引脚 ，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上 很难区别。 光敏晶体管的结构 a）管芯结构 b) 结构简化图 c）光敏晶体管图形符号 1N+衬底 2N型集电区 3透光SiO2保护圈 4集电结JC 5P型基区 6发射结JE 7N型发射区 光敏三极管的外形 多数只有C、E 两个电极 C EB C E 硅光敏晶体管的伏安特性 光敏晶体管在不同 照度下的伏安特性与一 般晶体管在不同基极电 流下的输出特性相似。 光敏晶体管的工作电压 一般应大于3V。若在 伏安特性曲线
11、上作负载 线，便可求得某光强下 的输出电压UCE。 硅光敏晶体管的光谱特性 电磁波频谱 硅光敏晶体管的光谱特性 电磁波频谱 几种光敏材料的光谱峰值波长 . 材料 名称 GaA sP GaA s SiHgC dTe GeGaIn AsP AlGa Sb GaIn As InS b 峰值 波长 /m 0.60.650.8121.31.31.41.655.0 3DU光敏三极管特性参数 光敏达林顿管 将光敏三极管与另一个普通三极管制作在同一个管芯里，连 接成复合管型式，称为达林顿型光敏三极管。它的灵敏度更高 （=12），且允许输出较大的电流。但是达林顿光敏三极管的 漏电（暗电流）也较大，频响较差，温漂
12、也较大。 光敏达林顿三极管 图形符号 达林顿型光耦合器 输出电流可达50mA 光敏晶闸管 光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g 。它的 顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正 极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过 玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时,将产生门极电流,从而使光 敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后,即使光照消失,光敏 晶闸管仍维持导通。使阳极与阴极的电压反向, 或使负载电流小于其维持电流，晶闸管截止。 光敏晶闸管的特点是： 导通电流比光敏三极管大得多,工作电 压可达近千伏，因此输出功率大，可用 于工业自动检测控制。 光敏晶闸管
13、用于光控路灯电路 光敏面 光照小于设定值时,VT1截止, VT2的门极电流Ig2增大, VT2导通,电灯HL亮。减小Rg, 门极电流被旁路,灵敏度 降低。 光敏晶闸管多用于弱电控制强电的光耦电路 双向过零触发晶闸管光耦 MOC30系列 2013/10/2536 单片机控制灯光或交流继电器电路 . 三、基于光生伏特效应的光电元件 光电池 在P型衬底上制造一很薄、透明的N型层作为 光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射 光子的能量足够大时，PN结每吸收一个光子就 产生一对光生电子-空穴对， 光生 电子-空穴 对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N 型区，空穴漂移到P区，所以N区带负电，P区 带
14、正电。如果光照是连续的，经短暂的时间， PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出，这 就是光生伏特效应。 太阳能电池 的种类 非晶硅可挠式 光电池的结构及工作原理示意图 . 光电池内部载流子的漂移示意图 入射光线 光电池外形 光敏面 1.硅光电池的图形符号及等效电路 当光电池短路时，相当于电流源； 当光电池开路时，相当于电压源； E 2.硅光电池的主要特性 开路电压Uoc：在一定光照下，硅光电池两个输出端开路时 ，所产生的电动势。短路电流ISc：在一定光照下，硅光电池所 接负载电阻为零时，流过硅光电池的电流。暗电流ID：在无光 照的条件下，在硅光电池两端施加额定反向电压时所产生的电 流。反向阻抗
15、R:在无光照的条件下，在硅光电池两端施加额定 反向电压时所呈现的阻抗。峰值波长o：响应光谱转换效率最 大处的波长。上、下限波长1、2 ：响应光谱中转换峰值的 50%处所对应的上、下限波长。 最大反向电压URM：使用硅光 电池时所允许加的极限反向电压(由串联的其他电池产生)。 转 换效率：硅光电池输出电能与输入光能量的比值。 光谱特性： 硅光电池对近红外敏感。硒光电池对可见光敏感。随着制造 技术的进步,硅光电池已具有从蓝紫到近红外的宽光谱特性。目 前许多厂商已生产出峰值波长为0.7m(可见光)的硅光电池,在紫 光(0.4m)附近仍有4060%的相对灵敏度。 硒、硅、锗光电池的光谱特性比较 光电池的光电特性 光电池的负载电阻不同，输出电压和电流也不同。开路电压Uo 与光照度的关系呈非线性，近似于对数关系，在2000lx照度以上 就趋于饱和。负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系就愈 好。当负载短路时，光电流在很大范围内与照度成线性关系，当 希望光电池的输出与光照度成正比时.应把光电池作为电流源来使 用。 当被测非 电量是开关 量时，也可 以把光电池 作为电压源 来使用。 开路电压 对数特性 短路电流 能提供较大电流的大面积光电池外形 （频率特性很差） 光电池组件 光电池在动力方面
