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1、第八章 光电式传感器 光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器，其理论基础是光电效应。对非电量进行测量时，只要将被测非电量的变化转化成光信号的变化，通过光电传感器，就可以将该非电量的变化转换成电量的变化。光电传感器具有结构简单、精度高、响应快、非接触测量等优点，因此在检测和控制系统中得到广泛应用。 随着科学的发展和绿色能源的广泛应用，根据光电效应制成的光电池也越来越多的使用到各个领域。本章在研究光电式传感器同时，也介绍了太阳能光电池的相关知识。,8.1 光电效应 当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电导率变化、发射电
2、子或产生电动势等），这种现象就称为光电效应。通常将光电效应分：外光电效应、内光电效应（光电导效应和光生伏特效应）。 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称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 根据光的波粒二象性，光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子，光子具有能量，每个光子的能量可由下式确定 E= h v （8-1）,式中 h 普朗克常数，6.62610 （Js）；v 光的频率（s）。 对不同频率的光，光子的能量是不同的，频率越高，光子能量越大，并且光子的能量是一份一份的，一个光子的全部能量只能一次性的释放或
3、被电子吸收。当光照射到物体时，物体中的电子吸收入射光子的能量，当足以克服逸出功时，电子就逸出物体表面，产生光电子。因此，如果一个电子想要逸出，光子能量h v必须超过逸出功，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 h v= +A0 (8-2) 式中：m 电子质量；v0电子逸出速度；A0逸出功。,该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由式（8-2）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，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，称为红限频率或波长。光线频率低于红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的
4、入射光，光强再大也不会产生光电子反射；反之入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。 2当入射光的频率不变时，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，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。,二、内光电效应 在光照下，物体的电导率发生变化或产生一定方向光生电动势的现象，称为内光电效应。 1光电导效应 当光照射在物体上，使物体的电导率（1/R）或电阻率发生变化的现象，称为光电导效应，基于这种效应的光电器
5、件有光敏电阻。这是因为在光线作用下，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。 当光照射到光电导体上时，若该光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图8-1所示，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。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Ef，即,（8-3） 式中v、分别为入射光的频率和波长。 也就是说，对于一种光电导体材料，总存在一个照射光波长极限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，从而使光电导体的电导率增加。,图8-1 电子能级示意图,2.光
6、生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二级管、光敏三极管。 （1）势垒效应（结光电效应） 当光线照射PN结时，若光子能量大于禁带宽度Ef，则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，这就是结光电效应。 （2）侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由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
7、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，未被光照射的部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电势。 下面几节将介绍利用外光电效应和内光电效应制作的光电器件。,8.2 外光电效应的光电器件 利用物质在光的照射下发射电子的所谓外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。 8.2.1光电管及其基本特性 （一）结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，如图8-2所示。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发
8、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，中央阳极可收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流I，如图(b)所示。,充气光电管内充有少量的惰性气体如氩或氖，当充气光电管的阴极被光照射后，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，因此增加了光电流，从而使光电管的灵敏度增加，但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系。因而使其稳定性较差、惰性大、温度影响大、容易衰老等一系列缺点。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
9、采用真空式光电管。,图8-2 光电管的结构,（二）主要性能 光电器件的性能主要是由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。由于篇幅限制，本书仅对最主要的特性作简单叙述。 （1）光电管的伏安特性。在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压U与阳极所产生的电流I之间的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如图8-3（a）和（b）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。 图8-3 真空光电管和充气光电管的伏安特性 （2）光电管的光照特性。其特性曲线如图8-4所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电
10、管光照特性，它呈非线性关系。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。,图8-4 光电管的光照特性,（3）光电管光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v，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，即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。国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限=7000 （埃），它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率
11、可达2530。这种管子适用于白光光源，因而被广泛的应用于各种光电式自动检测仪表中。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30008500 ，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极。但也有些光电管的光谱特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眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车上的夜视镜等。,8.2.2 光电倍增管及其基本特性 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。这时常用光电倍增管对光电流进行放大，图8-5是光电倍增管
12、的外形和工作原理图。,图8-5 光电倍增管的外形和工作原理,（一）光电倍增管的结构 光电倍增管由光阴极、次阴极（倍增电极）及阳极三部分组成，如图8-5所示。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成。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光电子的。它输出的是电压脉冲。 （二）工作原理 光电倍增管除光电阴极外，还有若干个倍增电极。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。同时这些倍增电极用次级发射材料制成，这种材料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生更多的“次级电子”。由于相邻
13、两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。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。,（三）主要参数 （1）倍增系数M 倍增系数M等于各个倍增电极的二次发射电子数i的乘积。如果n个倍增电极的i都一样，则。因
14、此，阳极电流I为 （8-4） 式中i光电阴极的光电流。光电倍增管的电流放大倍数为 （8-5） M与所加电压有关，一般M在105到108之间。如果电压有波动，倍增系数也要波动。因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好，这样可以减少统计涨落，从而减少测量误差。,（2）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的灵敏度。而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。 光电倍增管的实际放大倍数或灵敏度如图8-6所示。它的最大灵敏度可达10A/lm（安培/流
15、明），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。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,图8-6 光电倍增管的特性曲线,（3）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用，使其只对入射光起作用。但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，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。这种暗电流通常可以用补偿电路加以消除。 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射线的照射后，光电倍增管就会有电流信号输出。这种电流称为闪烁计数器的暗电流，一般把它称为本
16、底脉冲。 （4）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很相似。,8.3 内光电效应器件 利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的内光电效应器件，常见的有光敏电阻和光电池、光敏晶体管等。 8.3.1 光敏电阻 （一）结构和原理 光敏电阻又称光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单，如图8-7（a）所示。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠的电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。,光敏电阻连接电路如图8-7（b）所示，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小。光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻Ra值下降，所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大，因而可
