傳感器與智能檢測技術(shù) 課件4.4.1 -2 光敏傳感器-光電效應(yīng) 光電元件

一、光電效應(yīng) 光譜

光波：波長為10—106nm的電磁波 紫外線：波長10—380nm，波長10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，波長200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長300—380nm稱為近紫外線 可見光：波長380—780nm 紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。§4.4光敏傳感器

1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)：光在空間傳播時，不僅是連續(xù)的（波動性），也具有粒子性，即一束光是一束以光速運動的粒子流，愛因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱為“光量子”。1926年，美國物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”，并沿用至今。

§4.4光敏傳感器

一、光電效應(yīng)

§4.4光敏傳感器一、光電效應(yīng)光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)：光照到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)變化。這類光致電變的現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)

§4.4光敏傳感器一、光電效應(yīng)（一）外光電效應(yīng)

光線作用下，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)。

基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光電效應(yīng)的實驗裝置示意圖光電效應(yīng)的伏安曲線

§4.4光敏傳感器

一、光電效應(yīng)

（一）外光電效應(yīng)光子的能量：(8-36)式中：h

=6.626×10-34(J·s)

為普朗克常數(shù)；

f=光的頻率(s-1)。

§4.4光敏傳感器一、光電效應(yīng)（一）外光電效應(yīng)

(8-37)式中m

—電子質(zhì)量；

v0

—電子逸出速度；

W—逸出功。愛因斯坦光電效應(yīng)方程

若物體中電子吸收的入射光子能量足以克服逸出功W

時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則光子能量hf必須超過逸出功W，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能，即

§4.4光敏傳感器一、光電效應(yīng)（二）內(nèi)光電效應(yīng)①光電導(dǎo)效應(yīng)：在光照作用下，半導(dǎo)體材料中電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。P型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

§4.4光敏傳感器一、光電效應(yīng)（二）內(nèi)光電效應(yīng)①光電導(dǎo)效應(yīng)臨界波長λ0

f0

=c/

λ0

當(dāng)λ≤λ0，即f≥f0時，才能發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)

§4.4光敏傳感器一、光電效應(yīng)（二）內(nèi)光電效應(yīng)②光生伏特效應(yīng)在光照作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏晶體管。

§4.4光敏傳感器4.4.2典型光敏元件及特性一、外光電效應(yīng)元件（光電管、光電倍增管）

光線作用下，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)。

基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光電效應(yīng)的實驗裝置示意圖光電效應(yīng)的伏安曲線國產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù)11

光電倍增管的優(yōu)點：靈敏度高，比光電管高出幾萬倍以上，輸出線性度好，頻率特性好；缺點：體積大、易破碎，工作電壓高達(dá)上千伏，使用不方便。因此它一般用于微光測量和要求響應(yīng)速度很快的場合。工作特點

§4.4光敏傳感器4.4.2典型光敏元件及特性二、光敏電阻

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電器件。它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬；體積小、質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等特點。

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻

(一)光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)

當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即

式中f和λ—入射光的頻率和波長。

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(一)光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)

也就是說，一種光電導(dǎo)體，存在一個照射光的臨界波長λ0

，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(一)光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)CdS硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號1—光導(dǎo)層2—玻璃窗口3—金屬外殼4—電極5—陶瓷基座6—黑色絕緣玻璃7—電極引線

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(二)光敏電阻的分類根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三類光敏電阻器：紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、光電計數(shù)器、煙霧報警器，紅外光譜，紅外通信等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(二)光敏電阻的分類可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機(jī)械上的自動保護(hù)裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機(jī)自動曝光裝置，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(三)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性1.暗電阻、亮電阻光敏電阻在室溫條件下，全暗后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗電流。光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差，稱為光電流。

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，暗電流要小，亮電流要大，這樣光電流就越大，說明光敏電阻靈敏度就高。實際上，大多數(shù)光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ，甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻即使在正常白晝條件下也可降到1kΩ以下，可見光敏電阻的靈敏度是相當(dāng)高的?！?.4光敏傳感器二、光敏電阻(三)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性1.暗電阻、亮電阻

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(三)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

2.光照特性RGRLEI光敏電阻電路連線光敏電阻的光照特性曲線G

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(三)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

3.光譜特性

光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)204060801004080120160200240λ×10-2/μm312相對靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(三)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

4.伏安特性RGRLEI光敏電阻電路連線光敏電阻的伏安特性曲線

1-照度=02-照度≠0G注：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。

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(三)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

5.頻率特性（調(diào)制光）20406080100I/%f/Hz010102103104硫化鉛硫化鎘光敏電阻的頻率特性隨所用材料的不同而有所區(qū)別

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(二)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

6.穩(wěn)定性I（uA）408012016021t/h040080012001600初始穩(wěn)定性不好需老化處理

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(二)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性7.溫度特性I/μA1001502003050-30T/oC2040608010001.02.03.04.0I/mA+20oC-20oCλ/μm-50-1010光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，性能受溫度影響較大硫化鎘硫化鎘當(dāng)光敏電阻的RG和ΔRG及電源電壓E為已知，則選擇最佳的負(fù)載電阻RL有可能獲得最大的信號電壓ΔU，這不難由(8-43)式求得。

令

解得

RL=RG

§4.4光敏傳感器二、光敏電阻(三)光敏電阻與負(fù)載的匹配特點優(yōu)點：靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬；體積小、質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等缺點：非線性明顯、溫漂大、初始穩(wěn)定性差、一致性不好適用場合：測光要求不高的場合，如燈光控制等

§4.4光敏傳感器4.4.2典型光敏元件及特性三、光電池復(fù)習(xí)：光生伏特效應(yīng)光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光能直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于光電池可把太陽能直接變成電能，因此又稱為太陽能電池。光電池是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。命名方式：把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。

§4.4光敏傳感器三、光電池硅光電池:價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接收紅外光。硒光電池:光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02％)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.56μm)，最適宜制造照度計。砷化鎵光電池:理論轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。(一)光電池的結(jié)構(gòu)原理——制造工藝

常用的硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。工藝：在電阻率約為0.1Ω·cm～1Ω·cm的N型硅片上，擴(kuò)散硼形成P型層；然后，分別用電極引線把P型和N型層引出，形成正、負(fù)電極。如果在兩電極間接上負(fù)載電阻RL，則受光照后就會有電流流過。為了提高效率，防止表面反射光，在器件的受光面上要進(jìn)行氧化，以形成SiO2保護(hù)膜。圖8-44硅光電池的構(gòu)造圖§4.4光敏傳感器三、光電池

(一)光電池的結(jié)構(gòu)原理硅光電池器件的價格與原材料消耗量密切相關(guān)。把光電池做成圓形(或六角形),

利用率最高，為了滿足電源電壓、容量的要求，必須把單個光電池串、并聯(lián)起來組成電池組使用。

§4.4光敏傳感器三、光電池

§4.4光敏傳感器三、光電池（一）光電池的結(jié)構(gòu)原理SiO2+光PN－RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖(b)光電池的工作原理示意圖I光

PN當(dāng)光子能量

hf>Eg

時，即λ≤λ0=1239/Eg

nm

產(chǎn)生光電流，外電路斷路時產(chǎn)生光生電動勢。光子能量足夠大，即

§4.4光敏傳感器三、光電池（一）光電池的結(jié)構(gòu)原理光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。RLIUIdUIIΦ(a)(b)(c)光電池符號和基本工作電路

§4.4光敏傳感器三、光電池（二）基本特性1.光照特性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0.5開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線.

說明：外接負(fù)載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。光電池的短路電流Isc與照度L成線性關(guān)系，而且受光面積越大，短路電流也越大。當(dāng)光電池作為測量元件時應(yīng)取短路電流的形式。應(yīng)用：照度計§4.4光敏傳感器三、光電池（二）基本特性1.光照特性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0.5

IUIU02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與光照強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬?！?.4光敏傳感器三、光電池（二）基本特性1.光照特性

§4.4光敏傳感器三、光電池（二）基本特性2.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(nèi)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(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm1——硒光電池2——硅光電池可見光：波長380—780nm

§4.4光敏傳感器三、光電池（二）基本特性3.頻率響應(yīng)光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)：指輸出電流I隨調(diào)制光頻率f變化的關(guān)系由于光電池PN結(jié)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(yīng)曲線。由圖可知，相對而言，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。20406080100硒光電池硅光電池015003000450060007500相對光電流/%入射光調(diào)制頻率/Hz

§4.4光敏傳感器三、光電池（二）基本特性

4.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(guān)系。溫度上升1℃時，Uoc開路電壓約降低3mV。溫度上升1℃時，Isc短路電流只增加2×10-6

A。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——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

§4.4光敏傳感器三、光電池（二）基本特性

4.溫度特性由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)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(bǔ)償措施。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——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

§4.4光敏傳感器4.4.2典型光敏元件及特性四、光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管是光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點。

§4.4光敏傳感器四、光敏二極管和光敏三極管(一)光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏二極管工作原理：PN結(jié)，單向?qū)щ娦?，結(jié)型光電器件，與一般半導(dǎo)體二極管類似，其PN結(jié)裝在管的頂部，以便接受光照，上面有一個透鏡制成的窗口，可使光線集中在敏感面上。光敏二極管在電路中通常工作在反向偏壓狀態(tài)。原理電路如圖所示。在無光照時

電壓反偏，工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)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（噪聲電流）。RL

光PNPN光

§4.4光敏傳感器四、光敏二極管和光敏三極管(一)光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏二極管工作原理光敏二極管工作原理：

當(dāng)受到光照時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加。因此在外加反偏電壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)少數(shù)載流子電子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子空穴渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。

§4.4光敏傳感器四、光敏二極管和光敏三極管(一)光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏三極管工作原理:

光敏三極管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似。不同之處是光敏三極管必須有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏三極管實質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通三極管。不同之處在于，光敏三極管光信號變成電信號的同時，還能放大了電信號，其結(jié)構(gòu)及符號如圖。

§4.4光敏傳感器四、光敏二極管和光敏三極管(一)光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏三極管工作原理:

當(dāng)基極開路時，基極—集電極處于反偏。當(dāng)光照射到PN結(jié)附近時，使PN結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對，它們在外加反偏電壓和內(nèi)電場作用下，定向運動形成增大了的反向電流即光電流。由于光照射集電結(jié)產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于一般三極管的基極電流β倍，說明光敏三極管具有比光敏二極管更高的靈敏度。

§4.4光敏傳感器四、光敏二極管和光敏三極管(一)光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏三極管工作原理:一般光敏三極管的基極已在管內(nèi)連接，只有C和E兩根引線（也有將基極引出的）型號：3CU和3DU硅三極管，使用光敏管時，不能從外型來區(qū)別是二極管還是三極管，只能有型號來判別。

硅的峰值波長為0.9μm，鍺的峰值波長為1.5μm。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時,則采用鍺管較合適。可見光：波長380—780nm紅外線：波長780—1060nm§4.4光敏傳感器四、光敏二極管和光敏三極管(二)光敏管的基本特性1.光譜特性：照度一定，輸出的光電流（或相對靈敏度）隨光波波長的變化而變化，這就是光敏管的光譜特性。

§4.4光敏傳感器四、光敏二極管和光敏三極管(二)光敏管的基本特性2.