第六章光敏傳感器

第6章光敏傳感器傳感器與檢測(cè)技術(shù)主要內(nèi)容光相關(guān)的基本概念外光電效應(yīng)及器件光電導(dǎo)效應(yīng)及器件光生伏特效應(yīng)及器件光敏傳感器的應(yīng)用6.1概述什么是光敏傳感器？光敏傳感器是能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種器件，簡(jiǎn)稱光電器件。它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光敏傳感器的工作原理用光敏傳感器測(cè)量非電量時(shí)，首先要將非電量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過(guò)光電器件的作用（利用光電效應(yīng)），再將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，從而實(shí)現(xiàn)光敏傳感器非電量電測(cè)的目的。6.1概述光敏傳感器又稱為光電式傳感器，有時(shí)又被稱為光電探測(cè)器光敏傳感器可用于但不限于光信號(hào)檢測(cè)，還可以用于溫度、壓力、速度、加速度、位移等多種物理量的測(cè)量光敏傳感器常用于非接觸測(cè)量6.1.1光譜光波：波長(zhǎng)為10—1060μm的電磁波可見(jiàn)光：波長(zhǎng)380—780nm紫外線：波長(zhǎng)10—380nm，波長(zhǎng)300—380nm稱為近紫外線波長(zhǎng)200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長(zhǎng)10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長(zhǎng)780—106μm

波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長(zhǎng)超過(guò)3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。6.1.1光譜圖6?2光譜分布圖6.1.2光學(xué)傳感器的相關(guān)計(jì)量單位發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度是表征光源（物體）發(fā)光能力大小的物理量。光源在某一特定方向上單位立體角內(nèi)（每球面度）輻射的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度（又稱光通的空間密度）符號(hào)為I，單位為坎德拉（cd）。6.1.2光學(xué)傳感器的相關(guān)計(jì)量單位光亮度光亮度是表示發(fā)光面明亮程度的，指發(fā)光表面在指定方向的發(fā)光強(qiáng)度與垂直且指定方向的發(fā)光面的面積之比單位是坎德拉/平方米（cd/m2）以下是部分光源的亮度值：日光燈：（5—10）*103；月光（滿月）：2.5*103；黑白電視機(jī)熒光屏：120左右；彩色電視機(jī)熒光屏：80左右。6.1.2光學(xué)傳感器的相關(guān)計(jì)量單位光通量單位時(shí)間里通過(guò)某一面積的光能，稱為通過(guò)這一面積的輻射能通量。符號(hào)F，單位為流明（lm）絕對(duì)黑體在鉑的凝固溫度下，從5.305*103cm2面積上輻射出來(lái)的光通量為1lm。為表明光強(qiáng)和光通量的關(guān)系，發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在單位立體角（1球面度）內(nèi)發(fā)出的光通量為1lm。一只40W的日光燈輸出的光通量大約是2100流明6.1.2光學(xué)傳感器的相關(guān)計(jì)量單位光照度單位為勒克斯(Lux)被光均勻照射的物體，距離該光源1米處，在1m2面積上得到的光通量是1lm時(shí)，它的照度是1lux。習(xí)稱“燭光米”。黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3；陰天室內(nèi)：5—50；陰天室外：50—500；晴天室內(nèi)：100—1000；夏季中午太陽(yáng)光下的照度：約為10*9次方；閱讀書刊時(shí)所需的照度：50—60；家用攝像機(jī)標(biāo)準(zhǔn)照度：1400。6.1.3光源光敏傳感器通常對(duì)光源有一定的選擇性，一般需要與光源配套使用光敏傳感器對(duì)光源的要求光源必須具有足夠的照度光源應(yīng)保證均勻、無(wú)遮擋或陰影光源的照射方式應(yīng)符合傳感器的測(cè)量要求光源的發(fā)熱應(yīng)盡可能小光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍常用光源的類型熱輻射光源、氣體放電光源、發(fā)光二極管和激光器6.1.3光源電磁波譜圖光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象應(yīng)用：光電管、光電倍增管等光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象應(yīng)用：光敏電阻阻擋層光電效應(yīng)（光生伏特效應(yīng)）在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象應(yīng)用：光電池、光敏二極管、光敏晶體管等6.2.1外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)向外發(fā)射的電子叫做光電子基于外光電效應(yīng)的器件光電管光電倍增管紅限頻率物體發(fā)射光電子的閾值頻率6.2.1外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)檢測(cè)裝置及特性6.2.1外光電效應(yīng)及器件光電發(fā)射二極管光電陰極：在適當(dāng)波長(zhǎng)光線照射時(shí)發(fā)射電子光電陽(yáng)極：吸收光電子真空光電二極管結(jié)構(gòu)示意6.2.1外光電效應(yīng)及器件真空光電二極管的測(cè)量電路及I-V特性光電陰極發(fā)射的電子數(shù)量與光照的強(qiáng)度有關(guān)光電管的電極上需要加上適當(dāng)?shù)碾妷翰拍鼙ＷC光電陰極逸出的電子完全被光電陽(yáng)極吸收，從而在外電路中形成與光照有關(guān)的電流6.2.1外光電效應(yīng)及器件充氣光電二極管伏安特性6.2.1.3光電倍增管光電倍增管通常由光電陰極、若干倍增極和陽(yáng)極三部分組成入射光能在光電陰極激發(fā)電子倍增極在受到一定數(shù)量的電子轟擊后能釋放出更多的電子，稱為“二次電子”陽(yáng)極將這些電子收集起來(lái)形成電流

光電倍增管的性能參數(shù)靈敏度陽(yáng)極靈敏度SA：指一定工作電壓下陽(yáng)極輸出電流與照射到陰極面上光通量的比值陰極靈敏度SK：指光電陰極本身的積分靈敏度放大倍數(shù)（電流增益G）在一定工作電壓下，光電倍增管的陽(yáng)極電流和陰極電流的比值稱為該管的放大倍數(shù)或電流增益光電倍增管的性能參數(shù)暗電流當(dāng)光電倍增管在全暗條件下時(shí)，陽(yáng)極上也會(huì)收集到一定的電流，其輸出電流的直流成分稱為該管的暗電流光電特性指在一定的工作電壓下，陽(yáng)極電流隨光通量變化的特性光電倍增管的性能參數(shù)6.2.2內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件內(nèi)光電效應(yīng)根據(jù)工作原理的不同可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)部光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上時(shí)，會(huì)使物體的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做光電導(dǎo)效應(yīng)光照射半導(dǎo)體時(shí)，材料吸收光子而產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，使導(dǎo)電性能增加，電導(dǎo)率增加利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件就是光敏電阻6.2.2內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件光電導(dǎo)效應(yīng)圖6?18光電導(dǎo)效應(yīng)示意式中γ、λ分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。6.2.2.2光敏電阻光敏電阻又叫光導(dǎo)管，為半導(dǎo)體材料制成的光電器件光敏電阻在無(wú)光照時(shí)，暗電阻很大，而在光照時(shí)，電阻急劇減小光敏電阻對(duì)光源波長(zhǎng)有選擇性在應(yīng)用中，光敏電阻可以當(dāng)作一個(gè)電阻元件使用，通常利用光敏電阻在有光和無(wú)光的情況下電阻值的銳變來(lái)實(shí)現(xiàn)特定電路的功能光敏電阻很少被用于模擬量的測(cè)量，而常用于開(kāi)關(guān)量的測(cè)量6.2.2內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）器件-光敏電阻（a）原理圖；（b）外形圖；（c）圖形符號(hào)圖6?19光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻光敏電阻在不受光照射時(shí)的電阻值此時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流稱為暗電流亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻值此時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流稱為亮電流光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流光敏電阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性光敏電阻的基本特性光譜特性光敏電阻的相對(duì)光靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光譜特性，也叫光譜響應(yīng)光敏電阻對(duì)不同光波長(zhǎng)有不同的響應(yīng)光敏電阻的基本特性溫度特性溫度會(huì)影響光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度和暗電阻等特性光敏電阻的基本特性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(guān)系光敏電阻的光照特性呈非線性，不宜用作定量檢測(cè)元件，一般常用作光電開(kāi)關(guān)光敏電阻的基本特性頻率特性光敏電阻的頻率特性是指相對(duì)靈敏度與脈沖光的調(diào)制頻率之間的關(guān)系特性光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象光敏電阻的基本特性穩(wěn)定性初制成的光敏電阻，由于其內(nèi)部組織的不穩(wěn)定性以及其他原因，光電特性是不穩(wěn)定的。當(dāng)受到光照和外接負(fù)載后，其靈敏度有明顯下降在人為地加溫、光照和加負(fù)載的情況下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的老化，光電性能逐漸趨向穩(wěn)定后就基本不變了6.2.2內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件應(yīng)用實(shí)例圖6?26自動(dòng)照明燈電路自動(dòng)照明燈6.2.2內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件圖6?27亮光報(bào)警電路亮光報(bào)警器6.2.2內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）及器件圖6?28標(biāo)識(shí)燈電路標(biāo)識(shí)燈6.3光生伏特效應(yīng)器件在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)包括勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）和側(cè)向光電效應(yīng)等勢(shì)壘效應(yīng)——接觸半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)光電池、光敏二極管、光敏晶體管側(cè)向光電效應(yīng)——當(dāng)半導(dǎo)體受光照不均勻時(shí)，載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)光電位置敏感器件（PSD）6.3.2光電池光電池的應(yīng)用主要有兩大類作為光伏器件使用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能作為光電轉(zhuǎn)換器件使用光電池應(yīng)用實(shí)例太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)6.4光敏二極管光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，此時(shí)的反向電流稱為暗電流當(dāng)PN結(jié)受到光照射時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，使少數(shù)載流子增加，因此通過(guò)PN結(jié)的反向電流也隨著增加6.5光敏晶體管圖6?45NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路（a）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型；（b）基本電路光敏晶體管光敏晶體管能在把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，基極－集電極結(jié)就是反向偏壓當(dāng)光照在基－集結(jié)上，就會(huì)形成光電流輸入到基極，由于基極電流增加，集電極電流是光生電流的β倍，實(shí)現(xiàn)放大光敏晶體管的基極一般不接引線，許多光敏晶體管只有集電極和發(fā)射極兩端有引線6.5.1光敏晶體管和光敏二極管基本特性光譜特性光敏二極管和晶體管的相對(duì)靈敏度與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系6.5.1光敏晶體管和光敏二極管基本特性伏安特性圖6?47硅光敏管的伏安特性（a）硅光敏二極管；（b）硅光敏晶體管6.5.1光敏晶體管和光敏二極管基本特性溫度特性圖6?48光敏晶體管的溫度特性6.5.2光電二極管應(yīng)用實(shí)例光照度測(cè)量器圖6?41光照度測(cè)量電路(a)集電極輸出電路(b)發(fā)射極輸出電路6.5.2光電二極管應(yīng)用實(shí)例心率測(cè)量?jī)x圖6?42手指光反射測(cè)量心率示意圖