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1、2.4 光电式传感器光电式传感器 2 2. .4 4. .1 1 光电效应光电效应 一一、外光电效应外光电效应 式中，式中，f 为光波频率；为光波频率；h 为普朗克常数：为普朗克常数： 光电元件是光电传感器中最重要的部件光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空常见的有真空光电元件和半导体光电元件两大类光电元件和半导体光电元件两大类。它们的工作原理都基它们的工作原理都基于不同形式的光电效应于不同形式的光电效应。根据光的波粒二像性根据光的波粒二像性，我们可以我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为：每个光子
2、具有的能量为： Eh f346.63 10shJ一一、 外光电效应器件外光电效应器件 1、工作原理工作原理 光电管是利用外光电效应制成的光电光电管是利用外光电效应制成的光电 元件元件，其外形和结构如图所示其外形和结构如图所示，半圆筒半圆筒 形金属片制成的阴极形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心和位于阴极轴心 的金属丝制成的阳极的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空封装在抽成真空 的玻壳内的玻壳内。 A AK K当入射光照射在阴极上时当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量单个光子就把它的全部能量 传递给阴极材料中的一个自由电子传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能从而使自由电子的
3、能 量增加量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时时， 它就可以克服金属表面束缚而逸出它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射形成电子发射。这种这种 电子称为光电子电子称为光电子。 式中式中，c为光速；为光速；A为逸出功为逸出功。 Khc A21 2EhfmvA根据能量守恒定律有根据能量守恒定律有： 式中式中，m为电子质量；为电子质量；v为电子逸出的初速度为电子逸出的初速度。 由上式可知由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hfA。 由于不同材料具有不同的逸出功由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种
4、阴极材料因此对每一种阴极材料， 入射光都有一个确定的频率限入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率当入射光的频率低于此频率 限时限时，不论光强多大不论光强多大，都不会产生光电子发射都不会产生光电子发射，此频率限称此频率限称 为为“红限红限”。相应的波长相应的波长K为：为： 光电管正常工作时光电管正常工作时，阳极电位高于阴极阳极电位高于阴极，如图所示如图所示。在人在人 射光频率大于射光频率大于“红限红限”的前提下的前提下，从阴极表面逸出的光电子从阴极表面逸出的光电子 被具有正电位的阳极所吸引被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流在光电管内形成空间电子流， 称为光电流称为光
5、电流。此时若光强增大此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多轰击阴极的光子数增多，单单 位时间内发射的光电子数也就增多位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大光电流变大。在图所示在图所示 的电路中的电路中，电流电流I和电阻只和电阻只RL上的电压降上的电压降U0就和光强成函数就和光强成函数 关系关系，从而实现光电转换从而实现光电转换。 RLEIOU阴极材料不同的光电管阴极材料不同的光电管，具有不同的红限具有不同的红限，因此适用于因此适用于 不同的光谱范围不同的光谱范围。此外此外，即使入射光的频率大于红限即使入射光的频率大于红限，并并 保持其强度不变保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光
6、但阴极发射的光电子数量还会随入射光 频率的变化而改变频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光即同一种光电管对不同频率的入射光 灵敏度并不相同灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性光电管的这种光谱特性，要求人们应当要求人们应当 根据检测对象是紫外光根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材可见光还是红外光去选择阴极材 料不同的光电管料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度以便获得满意的灵敏度。 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放 大光电流能力的光电倍增管。图是光电倍增管结构示意图。大光电流能力的光电倍增管。图是光电倍增管结构示
7、意图。 K1D2D3D4D5D6D IOUALR图所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用图所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用 分压电阻分压电阻R1、R2、Rn获得的，阳极电流流经负载电阻获得的，阳极电流流经负载电阻 RL得到输出电压得到输出电压U0。当用于测量稳定的辐射通量时，图中当用于测量稳定的辐射通量时，图中 虚线连接的电容虚线连接的电容C1、C2、Cn和输出隔离电容和输出隔离电容C0都可以都可以 省去。省去。 RnRn-1Rn-2R2RLCnCn-1Cn-2C2C0R1C1OUUU二二、内光电效应器件内光电效应器件 1、光敏电阻光敏电阻 光敏电阻是一种光电效应半光敏电
8、阻是一种光电效应半 导体器件导体器件，应用于光存在与否应用于光存在与否 的感应的感应（数字量数字量）以及光强度以及光强度 的测量的测量（模拟量模拟量）等领域等领域。它它 的体电阻系数随照明强度的增的体电阻系数随照明强度的增 强而减小强而减小，容许更多的光电流容许更多的光电流 流过流过。这种阻性特征使得它具这种阻性特征使得它具 有很好的品质：通过调节供应有很好的品质：通过调节供应 电源就可以从探测器上获得信电源就可以从探测器上获得信 号流号流，且有着很宽的范围且有着很宽的范围。 mAImAI光敏电阻的检测：光敏电阻的检测： A用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，
9、此时万用表此时万用表 的指针基本保持不动的指针基本保持不动，阻值接近无穷大阻值接近无穷大。此值越大说明光此值越大说明光 敏电阻性能越好敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零若此值很小或接近为零，说明光敏电阻说明光敏电阻 已烧穿损坏已烧穿损坏，不能再继续使用不能再继续使用。 B将一光源对准光敏电阻的透光窗口将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指此时万用表的指 针应有较大幅度的摆动针应有较大幅度的摆动，阻值明显减小阻值明显减小，此值越小说明光此值越小说明光 敏电阻性能越好敏电阻性能越好。若此值很大甚至无穷大若此值很大甚至无穷大，表明光敏电阻表明光敏电阻 内部电路损坏内部电路损坏，也不能再继续
10、使用也不能再继续使用。 C将光敏电阻透光窗口对准入射光线将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光用小黑纸片在光 敏电阻的遮光窗上部晃动敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光使其间断受光，此时万用表指此时万用表指 针应随黑纸片的晃动而左右摆动针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停如果万用表指针始终停 在某一位置不随纸片晃动而摆动在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材说明光敏电阻的光敏材 料已经损坏料已经损坏。 光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工它们的工 作原理也是基于内光电效应作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差
11、别仅在于光和光敏电阻的差别仅在于光 线照射在半导体线照射在半导体PN结上结上，PN结参与了光电转换过程结参与了光电转换过程。 光敏二极管的结构和普通二极管相似光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的只是它的PNPN结装结装 在管壳顶部在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在可以集中照射在 PNPN结上结上，图是其结构示意图图是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处光敏二极管在电路中通常处 于反向偏置状态于反向偏置状态。 mAI光敏二极管光敏二极管 光敏三极管有两个光敏三极管有两个PN结结，因而可以获得因而可以获得 电流增益电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵它
12、比光敏二极管具有更高的灵 敏度敏度。其结构如图所示其结构如图所示。 mA当光敏三极管按图所示的电路连接时当光敏三极管按图所示的电路连接时，它的集电结反向偏它的集电结反向偏 置置，发射结正向偏置发射结正向偏置。无光照时仅有很小的穿透电流流过无光照时仅有很小的穿透电流流过， 当光线通过透明窗口照射集电结时当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相和光敏二极管的情况相 似似，将使流过集电结的反向电流增大将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电这就造成基区中正电 荷的空穴的积累荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子发射区中的多数载流子( (电子电子) )将大量注人将大量注人 基区基区，
13、由于基区很薄由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与只有一小部分从发射区注入的电子与 基区的空穴复合基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极而大部分电子将穿过基区流向与电源正极 相接的集电极相接的集电极，形成集电极电流形成集电极电流I IC C。这个过程与普通三极管这个过程与普通三极管 的电流放大作用相似的电流放大作用相似，它使集电极电流它使集电极电流I IC是原始光电流的是原始光电流的 ( (l+l+ ) )倍倍。这样集电极电流这样集电极电流I IC C将随入射光照度的改变而更加将随入射光照度的改变而更加 明显地变化明显地变化。 光敏三极管光敏三极管 三三、光生伏特效应器件
14、光生伏特效应器件 光电池是一种自发电式的光电元件光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身它受到光照时自身能产生一定方向的电动势能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下在不加电源的情况下，只要接只要接通外电路通外电路，便有电流通过便有电流通过。光电池的种类很多光电池的种类很多，有硒有硒、氧氧化亚铜化亚铜、硫化铊硫化铊、硫化镉硫化镉、锗锗、硅硅、砷化镓光电池等砷化镓光电池等，其其中应用最广泛的是硅光电池中应用最广泛的是硅光电池，因为它有一系列优点因为它有一系列优点，例如例如性能稳定性能稳定、光谱范围宽光谱范围宽、频率特性好频率特性好、转换效率高转换效率高，能耐能耐高温辐射等高温辐射等。另
15、外另外，由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围视觉范围，所以很多分析仪器所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它测量仪表也常用到它。下下面着重介绍硅光电池面着重介绍硅光电池。 一一、工作原理工作原理 硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它是在一块硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它是在一块N型硅型硅 片上用扩散的方法掺人一些片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积型杂质而形成的一个大面积PN 结结。 PNPN结E结构示意图结构示意图符号符号二二、基本特性基本特性 1、外光电效应外光电效应 有关特性有关特性 (1) 光电管的光电特性光电管的光电特性 光电管的光照特性光电管的光照特性 25 50 75 100 2 0 0.5 1.5 2.0 /1m IA/ A 1.0 2.5 1 曲线曲线1表示表示氧铯阴极氧铯阴极光光 电管的光照特性，光电流电管的光照特性，光电流 I与光通量成线性关系。与光通量成线性关系。 曲线曲线2为为锑铯阴极锑铯阴极的光的光 电管光照特性，它成非线电管光照特性，它成非线 性关系。性关系。 光照特性曲线的斜率光照特性曲线的斜率 （光电流与入射光光通量（光电流与入射光光通量 之间比）称为光电管的灵之间比）称为光电管的灵 敏度
