光电传感器

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1、,第5章 光电式传感器,5.1 常用光电器件5.2 光栅传感器5.3 固态图像传感器,上一页,下一页,返 回,教学目标：了解和掌握光电效应及其形式以及相应的光电器件工作原理。掌握光敏电阻、光电池、光敏晶体管（光敏二极管、光敏三极管）的结构特点及相应的基本特性和参数。,光电式传感器,定义：是一种将光信号转换成电信号的装置。 以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。物理基础：光电效应优点：结构简单、性能可靠、精度高、反映快。应用：现代测量和自动控制系统，应用广泛，前景广阔。,上一页,下一页,返 回,光电效应

2、,下一页,返 回,定义：是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：1）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称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：,光是由被看做具有一定能量的光粒子组成，每个光子所具有的能量E正比于其光的频率。光射在物体上（半导体材料）可以看成是一串有能量的光粒子轰击在物体上，物体吸收了能量为E的光后产生了电效应。,根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的

3、能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0电子逸出速度。 A0电子逸出表面的功（束缚电子的能量）,该方程称为爱因斯坦光电效应方程,光电子能否产生，取决于光电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，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子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；反

4、之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。,当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。,区分光强和光能量：光强光子的多少引起光的强弱 光能量E=hf,下一页,返 回,2）内光电效应,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效

5、应和光生伏特效应两类： （1） 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，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,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。,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,材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的

6、电导率增加。,式中、分别为入射光的频率和波长。,为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即,（2） 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势（电荷堆积）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、三极管。 势垒效应（结光电效应）。 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

7、电动势。,侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。 当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。,5.1 常用光电器件,5.1.1 光敏电阻5.1.2 光电池5.1.3 光敏二极管和光敏晶体管5.1.4 常用光电器件的应用,下一页,返 回,511 光敏

8、电阻,1. 光敏电阻的光电效应2光敏电阻种类3光敏电阻的主要参数4. 光敏电阻的基本特性,上一页,下一页,返 回,1. 光敏电阻的光电效应,光敏电阻特性：当无光照时：光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时：光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加光照停止时：恢复高阻状态优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。,上一页,下一页,返 回,光敏电阻又称为光导管，是基于内光电效应中的光电导效应（即光照改变电导率）。,上一页,下一页,返 回,接受光照时： 其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带

9、穿越禁带到达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时： 失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合，自由电子空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。Eg禁带宽度，价电子吸收光子能量EEg，才能穿越禁带成为自由电子。 光照越强、E越大，光生自由电子越多，电阻值越小。 光照停止或光强减小使EEg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使电阻值增加或恢复高阻状态。,形成原因：,上一页,下一页,返 回,偏压U一定时，检流计指示电流I的大小决定于光敏电阻上的光照强度：无光照时：I很小，此电流称之为暗电流； 光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻（兆欧级

10、）有光照时：I较大，此电流称之为亮电流； 光敏电 阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻（千欧以内）光电流：由光照所产生的自由电子空穴流，为亮电流与暗电流之差。由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。,光敏电阻光电效应实验电路,光敏电阻的结构,1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。,上一页,下一页,返 回,2. 光敏电阻种类,光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻。半导体光敏元件的敏

11、感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围分三类：（1）对紫外光敏感元件 紫外光是指紫外线(波长10380nm)的内侧光波，波长约300380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌、硫化锌等，适于作射线检测及光电控制电路。 （2）对可见光敏感元件 可见光波长范围约380760nm，对这类光敏感的材料有硒、硅、锗等，适用于光电计数、光电耦合、光电控制等场合。（3）对红外光敏感元件 红外光是红外线(波长 7601106nm)的内侧光波，波长约7606000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅、硒化钳等，主要用来探测不可见目标。,上一页,下一页,返 回,3 光敏电阻的主要参数,（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温

12、条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。越小越好 （2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。越大越好 （3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。越大越好,上一页,下一页,返 回,4光敏电阻的基本特性,（1）光谱特性（2）光照特性（3）伏安特性 （4）响应时间和频率特性（5）温度特性（6）稳定性,上一页,下一页,返 回,（1）光谱特性,定义：光电流对不同波长的单色光，灵敏度是不同的，即即产生的光电流的大小不同。,上一页,下一页,返 回,光波： 波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外

13、线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线，红外线：波长780106nm,因为f不同，光的能量不同，所以光电组对不同f的光具有不同的灵敏度。,光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。结论： 在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,上一页,下一页,返 回,一般光敏电阻具有较高的灵敏度、很好的光谱特性，其光谱响应可从紫外区到红外区。,（2）光照特性,定义：在一定电压下，光

14、敏电阻的光电流I与光强E之间的关系。,上一页,下一页,返 回,右图表示CdS硫化镉光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,（3）伏安特性,定义：在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。,上一页,下一页,返 回,图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度越大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额

15、定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,50,100,150,200,1,2,20,I/ A,0,40,U/V,（4）响应时间和频率特性,时延特性： 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。 通常用响应时间t表示。,上一页,下一页,返 回,光敏电阻的频率特性,频率特性：是指光照的交变（调制）频率与光敏电阻光电流输出的关系。其原因在于光敏电阻突然受到光照，光电流并不是立刻上升到饱和值，光突然消失光电流也不是立刻降为0，在时间上有一个滞后。 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。,