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第七章 光电式传感器

第七章 光电式传感器. § 7 － 1 光电效应. 光电传感器是一种将光学量（光通量、照度）的变化转换为电量（电压、电流）变化的传感器. 、 外光电效应. 在光线的作用下，金属内的电子逸出金属表面，向外发射的现象称为外光电效应，基于外光电效应的器件有光电管和光电倍增管。. 1 ．光电管. 对于光子. －电子逸出功. －电子逸出时速率. －入射光的频率. 16. 光通量. 12. 8. 4. 0. 20. 40. 60. 80. 真空光电管的伏安特性. 强光. 12. 8. 4. 弱光. 2. 0. 20. 40.

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第七章 光电式传感器

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  1. 第七章 光电式传感器 • § 7－1 光电效应 光电传感器是一种将光学量（光通量、照度）的变化转换为电量（电压、电流）变化的传感器 • 、外光电效应 在光线的作用下，金属内的电子逸出金属表面，向外发射的现象称为外光电效应，基于外光电效应的器件有光电管和光电倍增管。

  2. 1．光电管 对于光子 －电子逸出功 －电子逸出时速率 －入射光的频率

  3. 16 光通量 12 8 4 0 20 40 60 80 真空光电管的伏安特性

  4. 强光 12 8 4 弱光 2 0 20 40 60 80 充气光电管伏安特性

  5. ⑴光电子是否产生取决于光子能量，这意味着每一种金属物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。光线的频率若低于红线频率，光子能量不足以使物体内电子逸出⑴光电子是否产生取决于光子能量，这意味着每一种金属物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。光线的频率若低于红线频率，光子能量不足以使物体内电子逸出 • ⑵光的频率不变，光越强，光电子越多，光强意味着光子数目多逸出的电子数目也越多 • ⑶光电子逸出时具有初始动能，因此光电管即使没有正向电压也会有电流，为了使光电流为零，必须加反相电压，反相电压与光的频率成正比

  6. 2．光电倍增管 阴极K 第一倍增级 第二倍增级 第三倍增级 第四倍增级 … 阳极A

  7. 每级电压为50～100V，适用于弱光下工作，强光易损坏光电倍增管每级电压为50～100V，适用于弱光下工作，强光易损坏光电倍增管

  8. 设每级倍增率为 （一个电子能轰击出 个次级电子），若有n个次阴极，则总的光电流倍增系数为 ， 为各级次阴极 电子收集效率。倍增管阳极电流 与阴极电流 的关系为

  9. 光电倍增管的放大倍数与极间电压之间的关系 极间所加电压越稳定越好 放大倍数 25 50 75 100 125 极间电压/V

  10. 阴极 锑铯－ 可见光范围 • 光谱特性与阴极所用的材料有关 灵敏度高 银氧铯－红外光源 锑铯－紫外光源

  11. 二、内光电效应 绝大多数高电阻半导体受光照后吸收光子能量，产生电阻率降低而易于导电的现象称为内光电效应。 － 禁带宽度 电子能量E 自由电子所占能带 导带 不存在电子的能带 禁带 红限 价带 价电子所占的能带

  12. ⒈光敏电阻 镀金电极 + － CdS半导体

  13. ⒉光电导材料 G e S i 单质 Se ZnO PbO 氧化物 CdSe CdTe CdS Cd化合物 PbS PbSe PbTe Pb化合物 其它 InSb SbS3

  14. ⒊光敏电阻的特性 • ⑴暗电阻、亮电阻与光电流 • ⑵伏安特性 • ⑶光照特性 • ⑷光谱特性 • ⑸光敏电阻响应时间 和频率特性 为光电流上升为稳定值的63％所需要的时间 越大，频率特性越差

  15. 7 硫化铅 6 5 4 3 硫化铊 2 1 0 50 100 光敏电阻的伏安特性

  16. 0.30 0.25 0.20 光电流/mA 0.15 0.10 0.05 0 0.6 1.2 光通量/lm 光敏电阻的光照特性

  17. 100 80 硫化铅 60 相对灵敏度/％ 硫化铊 40 20 硫化镉 0 15000 30000 入射光波长/ 光敏电阻的光谱特性

  18. 100 硫化铅 相对灵敏度/％ 80 60 40 20 硫化镉 /Hz 0 10 100 1000 10000 光敏电阻的频率特性

  19. §7－3－2 光电池 • 光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源 一、结构和工作原理 硼扩散层 P型电极 I P-N结 N型硅片 电极 光电池的结构原理图

  20. 1.用途 a. 作光电探测器使用 红外辐射探测器 光电读出 光电耦合 b. 作为电源使用 人造卫星 野外灯塔 微波站

  21. 光 膜 － ＋ 光电池有方形 圆形 三角形 环形等

  22. － ＋ P － ＋ N － ＋ ＋ － P N Voc P N mA ＋ －

  23. －－光电池的输出短路电流 －－无光照时PN结反向饱和电流 －－电子电量 －－玻尔兹曼常数 －－热力学温度 －－光电池开路输出电压

  24. 100 1.0 0.8 80 0.6 60 40 0.4 0.2 20 0 2000 4000 Ge光电池光电特性

  25. 300 0.6 0.4 200 100 0.2 0 2000 4000 Si光电池光电特性

  26. 脉冲光信号变换电路

  27. －10V ＋10V

  28. ＋4V A 光电池用以探测缓慢变化光信号的电路

  29. 100 相对灵敏度/％ 80 硒 硅 60 40 20 0 4000 6000 8000 10000 波长 光电池的光谱特性

  30. 100 硅光电池 80 相对光电流/％ 60 40 硒光电池 20 /Hz 6000 0 1500 3000 4500 7500 光电池的频率特性

  31. §7－3－3光敏二级管和光敏三级管 • 一、光敏二级管 P N E

  32. I V E 100lx R 200lx 300lx 400lx 光敏二级管的伏安特性

  33. 二、光敏三级管 ＋ ＋ E － N P N － 波长短，光子在半导体表面被吸收，波长长时能量小

  34. 三、光电管的特性 硅 锗 相对灵敏度/％ 光电三极管光谱特性

  35. 1000lx 60 800lx 600lx 40 400lx 20 0 －10 －20 －30 反向偏压/V 硅光电二极管伏安特性

  36. 700lx 8 600lx 6 500lx 4 400lx 300lx 2 0 10 20 30 40 硅光电三极管伏安特性

  37. 40 30 2CUA 20 2CUA 2CUS 10 0 200 400 600 800 1000 硅光电二级管光照特性

  38. 6 3DU33 5 3DU52 4 3DU23 3 2 1 0 500 1000 硅光电三级管光照特性

  39. §7－4新型光电器件 一、PIN光电二级管 P I N 导带 信号光 价带

  40. P型层很薄使光子很快进入I区 • I区电阻很大可加较高电压 • 高的电阻使暗电流明显减小，这些产生的光生电子－ 　空穴对将立刻被电场分离并作快速漂移运动 • I区加入增大了耗尽层厚度 • 减小了结电容CJ，提高了量子效率 • 漂移时间约为 相当于f=１KMHz

  41. 二、雪崩光敏二级管（APD） P N 　　类似光电倍增管，具有内部电流增益 ――倍增因子 －－雪崩倍增光电流 ――无雪崩倍增时的反向饱和电流

  42. ――外加电压 ――击穿电压 ――常数，约为1～3

  43. §7－4－3色敏光电传感器 电极1 电极2 紫光浅结 P N 红光深结 P 电极3

  44. 1.浅结对紫外光敏感 • 2.深结对红外光敏感 • 3.不同区域对不同波长分别具有不同灵敏度 这一特性为提供识别颜色创造了可能性 大 长波 短波 大 由实验得出标定曲线，根据标定曲线实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单色光波长

  45. － §7－4－4 光电位置传感器 － P ＋ ＋ N

  46. 当两电级间距已知时只要测出 和 的值就可求得光点照射的位置

  47. b a’ b’ 平面位置检测原理 a

  48. §7~5 光电传感器基本组成和原理 • 一、光电式传感器的基本组成 光源 光学通路 光电器件 测量电路 1．光源―白炽灯、激光器、发光二极管、 ， 射线等 2．光学通路－透镜、棱镜、光栅、光导纤维等

  49. b. 被测量 作用于光通路，使 发生变化。 a. 直接对光源作用，使 每个参数变化 二、光电传感器的基本类型 1．透射式 A 映射

  50. 2．反射式 A

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