《光電式傳感器》課件

第九章光學傳感器第一節(jié)光電傳感器的基本理論第二節(jié)光電器件的基本特性第三節(jié)光電管及其應用光學傳感器光電傳感器是將光信號轉化為電信號的器件，它具有反應速度快、檢測靈敏度高、可靠性好、抗干擾能力強、結構簡單等特點光電傳感器光纖傳感器第一節(jié)光電傳感器光波是波長為10～106nm的電磁波。可見光：380～780nm紫外線：10～380nm紅外線：780～106nm光的量子說可知，光可以看成是以光速C運動著的、具有一定能量粒子流 每個光子的能量為E=hv

每個光子的質量為m=hv/C2光照射到物體上時，可以看成是具有一連串能量為E的粒子轟擊在物體上光電效應可以看成是由于物體吸收了能量為E的光子的能量后而產(chǎn)生的電效應一、光電效應外光電效應金屬表面受光照射后，金屬內(nèi)或表面的電子逸出金屬表面向外發(fā)射的現(xiàn)象內(nèi)光電效應光電導效應當光照在半導體材料上，使半導體材料的電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象本征光電導效應非本征光電導效應光生伏特效應在光作用下能使PN結產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象91．光電導效應在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻。當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，且光輻射能量又足夠強,光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導帶上去，使光導體的電導率變大。10光照射PN結時，若hυ≧Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在空間電荷區(qū)內(nèi)電場的作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光生電動勢。２．光生伏特效應：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔钠骷泄怆姵睾凸饷舳O管、三極管。二、光電器件的特性參數(shù)靈敏度K：表征光電器件輸出信號能力的特征量 光電器件的輸出信號電壓VS與入射光功率PS之比，即單位入射光功率作用下器件的輸出信號電壓：光譜特性：描述光電器件的工作范圍 某一種光電器件的靈敏度與入射波長的關系，稱為該光電器件的光譜特性 用不同輻射波長

對某一器件的靈敏度描繪的曲線，就是該器件的光譜特性曲線等效噪聲功率：描述光電器件品質 若輻射到光電器件光敏感面上的輻射功率所產(chǎn)生的響應電壓，恰好等于該器件的噪聲電壓值，那么這個輻射功率稱為噪聲等效功率（NEP）（單位W）探測度D：衡量光電器件的探測能力 將NEP的倒數(shù)稱為光電器件的探測度D

時間常數(shù)：描述光電器件對入射光響應快慢性能

在階躍輸入光功率的條件下，光電器件輸出電流

is(t)上升到穩(wěn)態(tài)值(i∞)的0.63倍的時間當輻射的交變信號頻率f上升時，光敏器件的靈敏度k下降，從峰值處下降到3dB時所對應的頻率稱為截止頻率f0，截止頻率f0對應的時間即為時間常數(shù)線性度 線性度是指光電器件的輸出光電流（或電壓）與輸入光功率成比例的程度和范圍。 一般來說，在弱光照射時光電器件輸出光電流都能在較大范圍內(nèi)與輸入光功率（光輻射強度）成線性關系。強光時就趨于平方根關系

三、光電管和光電倍增管及其應用（一）光電管1.結構和原理16２．主要性能（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。真空光電管充氣光電管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA2010050弱光強光1504681012陰極電壓/VIA/μA17（2）光電管的光照特性當光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。25507510000.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.5118(3)光電管的光譜特性單位輻射通量，不同波長的光照射光電管時，產(chǎn)生的飽和光電流與光波波長的關系曲線。同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應用于各種光電式自動檢測儀表中。19對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。還有些光電管的光譜特性與人的視覺光譜特性有很大差異，可以擔負人眼不能勝任的工作，如夜視鏡等。由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成陰極由半導體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達30級。通常為12~14級。使用時在各個倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場。（二）

光電倍增管1.光電倍增管的結構與原理21IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT22入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極A23光電倍增管的電流放大倍數(shù)為如果n個倍增電極二次發(fā)射電子的數(shù)目相同,則Ｍ＝δin因此陽極電流為Ｉ＝i·δin,M與所加的電壓有關。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。2.光電倍增管的特性參數(shù)：（1）倍增系數(shù)M：等于各個倍增電極的2次發(fā)射電子數(shù)δi的乘積。一個光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度.（2）

光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度（3）暗電流和本底電流由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。在其受人眼看不到的宇宙射線的照射后，光電倍增管就會有電流信號輸出—即本底脈沖。（4）光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的相似。25國產(chǎn)光電倍增管的技術參數(shù)（三）光電管和光電倍增管的應用1.光電管、光電倍增管在分光光度計中的應用2.光電倍增管在γ射線探測器中的應用四、光敏電阻1.光敏電阻的結構和工作原理AE電極半導體玻璃底板RLEIRG29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?。汗饷綦娮杈哂泻芨叩撵`敏度、很好的光譜特性、很長的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、小的體積及工藝簡單，故應用廣泛。當光照射到光電導體上時，若光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導材料價帶上的電子將激發(fā)到導帶上去，從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導體的電導率變大。312.光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、光電流光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流為暗電流。在受到光照時的電阻稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差為光電流。(1)伏安特性所加的電壓越高，電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。0102030405050100150200250I/μAU/V2.光敏電阻的基本參數(shù)（2）光譜特性硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時要把元件和光源結合起來考慮。0500100015002000250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長/nm相對靈敏度/%(3)溫度特性硫化鉛光敏電阻光譜特性峰值隨溫度上升向波長短的方向移動。2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm相對靈敏度（%）+20oC-20oC五、光電池、光電二極管及光電三極管1.光電池光電池（Photocell）是一種光生伏特效應元件當它受到光照時不需再外加其他任何形式的能量就會產(chǎn)生電流輸出。其輸出電流與接受的光照有一定的關系用它可以反映光照的強度361.光電池的工作原理下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN硅光電池的結構如圖。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。37RLI---mAV+++

PN當光照到PN結區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結兩端用導線連起來，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。383.光電池基本特性（１）光譜特性故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測量儀表。如用照度計測定光的強度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波長λ/nm040060080010001200相對靈敏度/%39(2)光照特性①不同光照射下有不同光電流和光生電動勢。②短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關系。開路電壓0.10.30.2照度/lx020004000光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短路電流③開路電壓與光強是非線性的，且在2000lx時趨于飽和。④光電池作為測量元件時，應把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負載電阻越小越好。40(3)頻率特性硅光電池有很高的頻率響應，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面。光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關系。20406080100硒光電池硅光電池015003000450060007500相對光電流/%入射光調制頻率/Hz41(4)溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。短路電流隨溫度升高而緩慢增加。因此作測量元件時應考慮進行溫補。開路電壓溫度/℃光生電流/mA1.82.22.0光生電壓/V短路電流1002003004005000204060801004.3光電池的應用第五節(jié)光敏二極管及其應用光敏二極管(photodiode)的基本工作原理是當光照射半導體的PN結時，在反向電壓的作用下，其反向電流隨光照強度變化而變化，由此來實現(xiàn)將光信號轉換成電信號的功能

光敏二極管的結面積較大，安裝在管子頂部以接受光的照射，結的深度較淺

5.1光敏二極管結構原理與等效電路

PNRE-+Is在無光照時，外加反向工作電壓使光敏二極管的PN結電荷區(qū)增寬。電路中由于少數(shù)載流子的運動而形成了很小的反向漏電流，稱為光敏二極管的暗電流IPNRE-+光照射光敏二極管時，光子打在PN結附近，使空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子一空穴對，它們在外電場的作用下與P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子作定向運動而形成電流，此時的電流要比無光照時的漏電流大的多48PNRE+-If偏壓價帶導帶信號光信號光電極電極輸出端PIN偏壓輸出端價帶導帶信號光信號光電極電極P+INPIN光電二極管雪崩式二極管光譜特性0.9μm5.2光敏二極管特性

光照特性溫度特性伏安特性5.3光敏二極管的典型應用電路

第六節(jié)光敏三極管及其應用6.1光敏三極管的結構和原理PPNNNPeb

bcRLEec當集電極加上正電壓，基極開路時，集電結處于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在基區(qū)時，產(chǎn)生電子、空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，相當于給發(fā)射結加了正向偏壓，使電子大量流向集電極，形成輸出電流cbeRL6.2光敏三極管的特性2040608010040080012001600入射光波長/nm鍺硅相對靈敏度（%）0光譜特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(μA)光照特性——光電流012345外加電壓（V）20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx伏安特性暗電流（mA)1030507002550oC200400100300500光電流（μ

A)103050700oC溫度變化對光電流的影響很小，對暗電流的影響很大。故電子線路中應對暗電流進行溫度補償6.3光敏三極管典型應用電路光敏三極管在生物醫(yī)學測量中的應用典型應用——血氧飽和度測量血氧飽和度：指血液中單位體積內(nèi)氧合血紅蛋白（HbO2）的數(shù)量與血紅蛋白（Hb+HbO2）的總數(shù)之比血紅蛋白（Hb）和氧合血紅蛋白（HbO2）對不同波長的光有著不同的吸收系數(shù)。對波長為805nm左右的光，兩者吸收率相等，對波長為660nm左右的光，兩者吸收率相差最大第八節(jié)光電耦合器件發(fā)光器件一般選用發(fā)光二極管，光敏器件可用光敏二極管、光敏三極管

8.1光電耦合器件的結構原理

輸入特性參數(shù)光電耦合器件的輸入元件是發(fā)光二極管，因此其輸入特性參數(shù)有：最大工作電流IFM、正向壓降VF、反向漏電流IR輸出特性參數(shù)輸出電流io（光電流）：向光電耦合器的輸入端注入一定的工作電流（一般10mA），使發(fā)光二極管發(fā)光，在此情況下，接有一定的負載（約500

），并加一定電壓（通常為10伏）的光電耦合器輸出端所產(chǎn)生的電流

飽和壓降Vces：在輸入端加一定電流，輸出側加一定電壓，接入負載電阻后，光耦合器兩輸出端之間的壓降8.1光電耦合器件的結構原理

傳輸特性電流傳輸比CTR：在直流工作狀態(tài)下，光耦合器的輸出電流io與輸入電流iF之比，稱為其電流傳輸比CTR（或稱轉換效率）傳輸線性傳輸特性傳輸速度：光耦合器的傳輸速度是指信號由輸入至輸出所需要的傳輸時間，有時也用響應時間來描述，包括：延遲時間to，上升時間tr和下降