1、 光電式傳感器光電式傳感器第第5 5章章 光電式傳感器光電式傳感器 光電傳感器是采用光電元件做為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。 光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。 光電元件是各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。實驗實驗鋅板鋅板銅網銅網弧光燈弧光燈紫外光照射時電流計指針發生偏轉紫外光照射時電流計指針發生偏轉靈敏電靈敏電流計流計5.1光電效應及光電器件光電效應及光電器件5.1.1光電效應光電效應 光具有波粒二重性，光以微粒的形式波動，這種微粒叫

2、光子。 用光照射某一物體，可以看作物體受到一用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為連串能量為hf 的光子的轟擊，組成這物體的材的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發生相應電效應的物理現象料吸收光子能量而發生相應電效應的物理現象稱為光電效應。稱為光電效應。 光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hfh普朗克常數，6.62610-34Js；f光的頻率（s-1）1. 1.外光電效應外光電效應 在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。向外發射的電子叫做光電子。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。所有金屬中，都存在大量的自由電子。當光照射時，

3、其中一部分被吸收，使金屬發熱；而另一部分激發電子（電子獲得能量），使其逸出金屬表面。 某些半導體，在黑暗環境中電阻值很高； 當光照射在物體上，在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，從而加強了導電性能，使電阻值降低。 半導體內的電阻率發生變化，這種現象又被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻、光敏晶體管。2.內光電效應3.光生伏特效應 在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應。 基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 接觸的半導體和PN結中，當光線照射其接觸區域時，便引起光電動勢，光線照射PN結時，產生電子空穴對，在阻擋層內電場的

4、作用下，被光激發的電子移向N區外側，被光激發的空穴移向P區外側，從而使P區帶正電，N區帶負電，形成光電動勢。 一、光電管及其基本特性一、光電管及其基本特性光電管的結構示意圖 光陽極光電陰極光窗1. 結構與工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結構相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。5.1.25.1.2光電元件及特性光電元件及特性 紫外管外形紫外管外形 當入射紫外當入射紫外線照射在紫外管線照射在紫外管陰極板上時，電陰極板上時，電子

5、克服金屬表面子克服金屬表面對它的束縛而逸對它的束縛而逸出金屬表面，形出金屬表面，形成電子發射。紫成電子發射。紫外管多用于紫外外管多用于紫外線測量、火焰監線測量、火焰監測等。測等。 紫外線紫外線1.結構及工作原理 利用物質在光的照射下電導性能改變或產生電動勢的光電器件稱內光電效應器件，常見的有光敏電阻光電池和光敏晶體管等。光敏電阻用半導體材料制成,沒有極性, 純粹是一個電阻器件, 使用時既可加直流電壓, 也可以加交流電壓。工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。二、光敏電阻光敏電阻光敏電阻 當光敏電阻受到當光敏電阻受到光照時，光照時， 阻值減小。阻值減小。內光電效應：在內光電效應：在光

6、線作用下能使光線作用下能使物體的電阻率改物體的電阻率改變的現象變的現象. .光敏電阻演示光敏電阻演示 當光敏當光敏電阻受到光電阻受到光照時，照時，光生光生電子電子空穴空穴對增加，阻對增加，阻值減小，電值減小，電流增大。流增大。暗電流（越小越好）暗電流（越小越好） 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。 光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應可從紫外區到紅外區范圍內。而且體積小、重量輕、性能穩定、價格便宜，因此應用比較廣泛。 RGRLEI2. 2.

7、 光敏電阻的主要參數和基本特性光敏電阻的主要參數和基本特性（1 1）暗電阻、亮電阻、光電流）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。 實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M,甚至高達100M，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。 （2 2）光照特

8、性）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統中用作光電開關。012345I/mA L/lx10002000（3 3）光譜特性）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內均有較高的靈敏度，峰值在紅外區域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240

9、/m312相對靈敏度1硫化鎘2硒化鎘3硫化鉛（4） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零零及照度為某值某值時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現5010015020012U/V02040象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。I/ A三、光電池三、光電池 光生伏特效應指半導體材料光生伏特效應指半導體材料P-NP-N結受到光照后結受到光

10、照后產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。的光電池是常用的光生伏特型器件。+-PN基于光生伏特效應的光電元件基于光生伏特效應的光電元件 光電池光電池 在在N型襯底上制造一薄層型襯底上制造一薄層P型層作為光型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，光子的能量足夠大時，P型區每吸收一個光型區每吸收一個光子就產生一對光生電子子就產生一對光生電子空穴對，空穴對， 光生光生 電電子子空穴對的的擴散運動使電子通過漂移運空穴對的的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到動被拉

11、到N型區，空穴留在型區，空穴留在P區，所以區，所以N區帶區帶負電，負電，P區帶正電。如果光照是連續的，經區帶正電。如果光照是連續的，經短暫的時間，短暫的時間，PN結兩側就有一個穩定的光生結兩側就有一個穩定的光生電動勢輸出。電動勢輸出。 光電池光電池外形外形光敏面光敏面光生伏特效應：在光線的作用下光生伏特效應：在光線的作用下, ,物體物體產生一定方向電動勢的現象產生一定方向電動勢的現象. .光電池在動力方面的應用（續）光電池在動力方面的應用（續）太陽能發電太陽能發電光電池的示意圖硅光電池的結構如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(如硼)形成PN結。當光照到當光照到PN結區時

12、，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發出電子出電子- -空穴對，在空穴對，在N區聚積負電荷，區聚積負電荷，P區聚積正電荷，區聚積正電荷，這樣這樣N區和區和P區之間出現電位差區之間出現電位差。若將PN結兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區流經外電路至N區。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。1. 1. 光電池的結構和工作原理光電池的結構和工作原理+光PNSiO2RL(a) 光電池的結構圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖 P N光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)圖4.3-17 光電池符號和

13、基本工作電路L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光電池(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流2. 基本特性 （1 1）光電池的光電特性光電池的光電特性 一個典型的一個典型的硅光電池的光電特性硅光電池的光電特性 11開路電壓曲線開路電壓曲線 22短路電流曲線短路電流曲線 開路電壓為開路電壓為 對數特性對數特性短路電流為短路電流為 線性特性線性特性短路電流，指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內阻也不同，因而應

14、選取適當的外接負載近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) (2) 光譜特性光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范圍400nm1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內應用

15、。1硒光電池2硅光電池(3) (3) 頻率特性頻率特性 光電池作為測量、計數、接收元件時常用調制光輸入。光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系。由于光電池PN結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池（4 4）溫度特性）溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標

16、，因此，當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC開路電壓ISC 短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線四、光敏二極管和光敏三極管四、光敏二極管和光敏三極管 光電二極管和光電池一樣，其基本結構也是一個基本結構也是一個PN結結。它和光電池相比，重要的不同點是結面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十到幾十A。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二

17、極管等許多種。按結構分，有同質結與異質結之分。其中最典型的是同質結硅光電二極管。 國產硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。 1. 光敏二極管光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二極管的結構與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態反向工作狀態，如圖所示。PN光光敏二極管符號RL 光PN光敏二極管接

18、線 光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流當光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當光不照射時，光敏二極管處于載止狀態，這時只有少數載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時，受光照射時，PN結附近受光子轟擊，吸結附近受光子轟擊，吸收其能量而產生電子收其能量而產生電子- -空穴對，從而使空穴對，從而使P區和區和N區的少數區的少數載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作用下，作用下， P區的少數載流子渡越阻擋層進入區的少數載流子渡越阻擋層進入N區，區，

19、N區區的少數載流子渡越阻擋層進入的少數載流子渡越阻擋層進入P區，從而使通過區，從而使通過PN結的結的反向電流大為增加，這就形成了光電流反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應用。光敏二極管光敏二極管 將光敏二極管的將光敏二極管的PN 結設置在透明管結設置在透明管殼頂部的正下方，光殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的照射到光敏二極管的PN結時，電子結時，電子-空穴空穴對數量增加，光電流對數量增加，光電流與照度成正比。與照度成正比。 光敏二極管的反向光敏二極管的反向偏置接法偏置接法 在沒有光照時，由在沒有

20、光照時，由于二極管反向偏置，所于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流，相的電流稱為暗電流，相當于普通二極管的反向當于普通二極管的反向飽和漏電流。當光照射飽和漏電流。當光照射在二極管的在二極管的PNPN結（又稱結（又稱耗盡層）上時，在耗盡層）上時，在PNPN結結附近產生的電子附近產生的電子- -空穴空穴對數量也隨之增加，光對數量也隨之增加，光電流也相應增大，光電電流也相應增大，光電流與照度成正比。流與照度成正比。 光敏二極管的反向偏置接線及光光敏二極管的反向偏置接線及光電特性演示電特性演示 在沒有光照時，由在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反于二極管反向偏置

21、，反向電流（暗電流）很小。向電流（暗電流）很小。 當當光照增加光照增加時，時，光電流光電流I與光照度成正與光照度成正比關系。比關系。 光敏光敏二二極管的極管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照2. 光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結構與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態。當光線照射在集電結的基區時,會產生電子-空穴對,在內電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區留下空穴,使基極與發射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電

22、流為光電流的倍。 PPNNNPe b bc RL Eec光敏三極管光敏三極管 光敏三極管有兩光敏三極管有兩個個PN結結。與普通。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。敏二極管高。多數光敏三極管的基極沒多數光敏三極管的基極沒有引出線，有引出線，只有正負（只有正負（c、e）兩個引腳，兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區別。上很難區別。 光敏三極管外形光敏三極管外形 光電特性光電特性 0光照光照 光光電電流流光敏光敏 三極管三極管光敏光敏 二極管二極管3000lx4mA請判斷靈敏度的高低請判斷靈敏度的高

23、低0.3mA請計算當請計算當E=100lx時，光敏二極管的光電流時，光敏二極管的光電流I IE光敏三極管的主要特性：光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發的電子空穴對不能到達PN結，因而使相對靈敏度下降。（1 1）光譜特性）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波長為9000，鍺的峰值波長為15000。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光

24、或探測赤熱狀態物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性（2 2）伏安特性）伏安特性 光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發射極e與基極b之間的PN結附近，所產生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。U/V光敏晶體管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.

25、0（3 3）光照特性）光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關系。它們之間呈現了近似線性關系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現飽和現象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。 暗電流/mA光電流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶體管的溫度特性（4 4）溫度特性）溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大所以電子線

26、路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。（5 5）光敏三極管的頻率特性）光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調制頻率 / HZ相對靈敏度/%圖4.3-15光敏晶體管的頻率特性5.35.3光電傳感器的應用光電傳感器的應用依被測物、光源、光電元件三者之間的關系，可以將光電傳感器分為下述四種類型1） 光源本身是被測物，被測物發出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數。2） 恒光源發射的光通量穿過被測物，一部分由被測物吸收，剩余部分投射到光電