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1、传感器原理及应用,第8章 光电式传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,主要内容： 8.1 光电效应 8.2 光电器件 光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、 光电池、光电耦合器、光电开关、电荷耦合器 8.3 光纤传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,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，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。光敏器件种类很多，如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 等等。 在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,光 电 鼠 标,传感器
2、原理及应用,第8章光电式传感器,概述,料位自动控制,光电开关,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,8.1 概 述,8.1.1 光的特性,光波是波长为10106nm的电磁波。,1000,000 nm,10 nm,780 nm,380 nm,可见光,红外光,紫外光,性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。 每个光子的能量为 E=h,可见，光的频率愈高，光
3、子的能量愈大。,8.1 光电效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,传统的光敏器件利用各种光电效应，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,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 (1)外光电效应,在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 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,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1 光电效应 8.1.1 工作原理,如果光子的能量E大于电子的逸出功A，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出
4、物体表面，产生光电子发射。 能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。,由能量守恒定律有：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电导效应： 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。 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 有光敏电阻。,8.1 光电效应8.1.1 工作原理 (2)内光电效应,过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。,
5、导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1 光电效应8.1.1 工作原理 (2)内光电效应,光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。 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,传感器原理及应用,第8章 光电传感器,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 宽度（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.
6、 基于这种效应的器件有 光电池,8.1 光电效应8.1.1 工作原理 (2)内光电效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,处于反偏的PN结（P接电源负极，N接电源正极）： 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， 电流方向与反向电流一致，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.,8.1 光电效应8.1.1 工作原理 (2)内光电效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 1、光电管,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（EA），会有电子逸出产
7、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,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 1、光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 1、光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 2、光电倍增管,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。 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。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件
8、 3、光敏电阻,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。,光敏电阻结构及符号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器3、光敏电阻,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏电阻光照特性 无光照时，内部电子被原子束缚具有很高的电阻值； 有光照时，电阻值随光强增加而降低； 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。 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 。,8.2 光电器件 3、光敏电阻,传
9、感器原理及应用,第8章光电式传感器,伏安特性 给定偏压 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。,8.2 光电器件 3、光敏电阻基本特性,光敏电阻伏安特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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， 材料与相对灵敏度峰位波长 例图： 硫化镉（CdS）0.30.8(m) 硫化铅（PbS）1.03.5(m) 锑化铟（InSb）1.07.3(m),8.2 光电器件 3、光敏电阻基本特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 3、光敏
10、电阻基本特性,光敏电阻的光谱特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 3、光敏电阻基本特性,温度特性 温度变化影响 光敏电阻的灵敏度、 暗电流和光谱响应。,光敏电阻温度特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 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。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 （1）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
11、个PN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。,硅光敏二极管结构,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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； 光电流方向与反向电流一致。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管基本电路,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,基本特性： 光照特性， 图是硅光敏二极管在小 负载电阻下的光照特性。 光电流与照度成线性关系。,光敏二极管光照特性,8.2 光电
12、器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光谱特性， 当入射波长900nm时，响应下降，因波长长， 光子能量小于禁带宽度，不产生电子空穴对； 当入射波长900nm时，响应也逐渐下降，波长短 的光穿透深度小，使光电流减小。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏二极管伏安特性,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。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,温度特性，
13、由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管暗电流与温度关系,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,频率响应: 光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。,光敏二极管频率响应曲线,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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，集电结做受光结
14、，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。 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。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管,光敏晶极管结构,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。在负载电阻RL上的输出电压为：,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管,晶体管电流放大系数,传感器
15、原理及应用,第8章光电式传感器,光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线 如图所示,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏晶体管的光谱特性 硅材料的光敏管峰值波长在0.9m附近（可见光） 灵敏度最大； 可见光或探测赤热状 物体时一般都用硅管 锗管的峰值波长约为 1.5m（红外光） 对红外进行探测时用 锗管较适宜。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管,光敏晶体管光谱特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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
16、检测和自动控制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,光 电 池 符 号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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0.2V0.6V电压50mA电流。,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光照特性 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度2000lx下趋于饱和。 短路电流，
