第一節(jié)光電式傳感器第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.1光電式傳感器

光電式傳感器是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。光電式傳感器由于反應(yīng)速度快，能實現(xiàn)非接觸測量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于軍事、宇航、通信、檢測與工業(yè)自動控制等各個領(lǐng)域中。工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)實生活中光電傳感器的應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)舉幾個常見的實例。

第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月照相機自動測光工業(yè)測光亮度傳感器通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.1光電效應(yīng)及器件

根據(jù)愛因斯坦的光子假說：光是一粒一粒運動著的粒子流，這些光粒子稱為光子。每一個光子具有一定的能量．其大小等于普朗克常數(shù)h乘以光的頻率ν。所以不同頻率的光子具有不同的能量。光的頻率越高，其光子能量就越大。當(dāng)具有一定能量的光子作用到某些物體上轉(zhuǎn)化為該物體中一些電子的能量而產(chǎn)生電效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三類。后兩類又稱為內(nèi)光電效應(yīng)，根據(jù)這些效應(yīng)可制成不同的光電轉(zhuǎn)換器件(或稱光敏元件)。

一、外光電效應(yīng)

光線照射在某些物體上，而使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電子發(fā)射，逸出的電子稱為光電子。光照射在物體上可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊這些物體。根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：一個光子的能量只能傳遞給一個第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一個電子，因此單個光子把全部能量傳給物體中的一個自由電子。使自由電子的能量增加hν。這些能量一部分用作電子逸出物體表面的逸出功A，另一部分變電子的初動能。即

1．當(dāng)光子能量大于逸出功時，才會有光電子發(fā)射出來，才會產(chǎn)生外光電效應(yīng)；當(dāng)光了能量小于逸出功時，不能產(chǎn)生外光電效應(yīng)；當(dāng)光子的能量恰好等于逸出功時，光電子的初速度υ＝0，可以產(chǎn)生此光電子的單色光頻率為ν0，則式中ν0為該物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率，稱其為紅限頻率。顯然，如果入射光的頻率低與于紅限頻率，不論入射光的強度有多大，也不會使物質(zhì)發(fā)射光電子。而對于高于紅限頻率入射光，即使是光線很弱也會產(chǎn)生光電子。第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、外光電效應(yīng)器件

1．光電管及其結(jié)構(gòu)根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光電管類型很多，最典型的是真空光電管。也有充氣光電管，但由于線性不好在傳感器中用得較少。真空光電管的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，共同封裝在一個真空玻璃泡內(nèi)，陰極和電源負(fù)極相聯(lián)，一個陽極通過負(fù)載電阻同電源正極相接，因此管內(nèi)形成電場。當(dāng)光照射陰極時、電子便從陰極逸出，在電場作用下被陽極收集，形成電流I，該電流及負(fù)載RL上的電壓將隨光照強弱而變化，從而實現(xiàn)了光信號轉(zhuǎn)換為電信號的目的。

2．當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，光電流與入射光的強度成正比。3．由于電子逸出時具有一定的初動能可以形成光電流，為使光電流為零需加反向電壓才能使其截止。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．真空光電管的伏安特性真空光電管的伏安特性曲線如右下圖所示，其飽和光電流與入射光的強度成正比。

3．光電倍增管當(dāng)入射光很微弱時，光電管產(chǎn)生的光電流很小，不易檢測，這時常用光電倍增管對光電流放大以提高靈敏度。如下圖所示。在光電管的陰極與陽極之間安裝若干個倍增極D1、D2、…Dn，就構(gòu)成了光電倍增管。光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ)之上。工作時倍增極電位是逐級增高的，當(dāng)入射光照射光電陰極K時，立刻有電子逸出，逸出的電子受到第一倍增極D1正電位作用，使之加速打在D1倍增極上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

同理D1發(fā)射的電子在D2更高正電位作用下，再次被加速打在D2極上，D2又會產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級前進(jìn)，直到電子被陽極A收集為止。通常光電倍增管的陽極與陰極間的電壓為1000

2500V，兩個相鄰倍增電極的電位差為50

100V，其靈敏度比普通真空光電管高幾萬到幾百萬倍，因此在很微弱的光照下也能產(chǎn)生很大的光電流。第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)(內(nèi)光電效應(yīng))

物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放出電子并不逸出物體表面，而仍留在內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。前者稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，后者稱為光生伏特效應(yīng)。半導(dǎo)體材料在光線作用下電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象就是光電導(dǎo)效應(yīng)。

1．光敏電阻

光敏電阻是一種用光電導(dǎo)材料制成的沒有極性的光電元件，也稱光導(dǎo)管。它基于半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)工作。由于光敏電阻沒有極性，工作時可加直流偏壓或交流電壓。當(dāng)無光照時，光敏電阻的阻值(暗電阻)很大。電路中電流很小。當(dāng)它受到一定波長范圍的光照射時，其阻值(亮電阻)急劇減小，電路中電流迅速增加，用電流表可以測量出電流。根據(jù)電流值的變化，即可推算出照射光強的大小。⑴暗電阻、亮電阻光敏電阻未受光照時的阻值稱為暗電阻，受強光照射時的阻值稱為亮電阻。暗電阻越大亮電阻越小靈敏度越高。第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑵光敏電阻的伏安特性在一定光照下，所加的電壓越高，電流越大；在一定的電壓作用下，入射光的照度越強，電流越大，但并不一定是線性關(guān)系。⑶光敏電阻的光譜特性對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時必須充分考慮到這種特性。第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

(4)光敏電阻的響應(yīng)時間和頻率特性光電器件的響應(yīng)時間反映它的動態(tài)特性。響應(yīng)時間越短，表示動態(tài)特性越好。對于采用調(diào)制光的光電器件，調(diào)制頻率的上限受響應(yīng)時間的限制。光敏電阻的響應(yīng)時間一般為10-1

10-3s，光敏二級管的響應(yīng)時間約2

10-5s。⑸光敏電阻的溫度特性隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會影響光譜特性曲線。硫化鉛光敏電阻等光電器件隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動，所以紅外探測器往往采取制冷措施。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2．光敏二極管和光敏三極管⑴光敏二極管

半導(dǎo)體光敏二極管與普通二極管相比，有許多共同之處，它們都有一個PN結(jié)，均屬單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用，它的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流(暗電流)很小(處于載止?fàn)顟B(tài))。受光照射時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子—空穴對，在結(jié)電場的作用下，電子向N區(qū)運動、空穴向P區(qū)運動而形成光電流,光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑵光敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理

光敏三極管是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光電二極管的普通三極管。在正常工作情況下，此二極管應(yīng)反向偏置。因此，不管是P-N-P還是N-P-N型光敏三極管，一般用基極—集電極結(jié)作為受光結(jié)。當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正電壓且基極開路時，基極—集電極結(jié)處于反向偏壓下，它的工作機理完全與反偏壓的光敏二極管相同。這里，入射光子在基區(qū)及收集區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對，形成光生電壓。由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了的信號電流。因此，從這點可以更明確地說，光敏三極管是一種相當(dāng)于將基極集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大器。第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑶光敏三極管的光譜特性與光敏電阻類似，光敏三極管也存在最佳靈敏度的峰值波長。硅管的峰值波長約為900nm，鍺管的峰值波長約為1500nm。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時，則采用鍺管較合適。⑷光敏三極管的伏安特性光敏三極管在不同的照度下的伏安特性與一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性類似。因此，只要將入射的強度看作是三極管的基極電流Ib，就可將光敏三極管看成一般的晶體管。光敏三極管不僅能把光信號變成電信號、而且輸出的電信號較大。第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑸光敏三極管的光照特性光敏三極管的光照特性如右圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾千勒克斯)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因而在大照度時，光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。⑹光敏三極管的溫度特性溫度特性反映了光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從曲線看，溫度變化對光電流和暗電流都有影響，對暗電流的影響更大。所以精密測量時，電子線路中應(yīng)采取溫度補償措施，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑺光敏三極管的（調(diào)制）頻率特性光敏三極管的頻率特性曲線如下圖所示。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說。光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。實驗證明，光敏三極管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關(guān)系。如果要求截比頻率高，那么基區(qū)就要??；但基區(qū)變薄，光電靈敏度將降低，在制造時要適當(dāng)兼顧兩者。第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.

光電池

光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種器件。其種類繁多，早期出現(xiàn)的有氧化亞銅光電池，因轉(zhuǎn)換效率低已很少使用。目前應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。硒光電池因光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表、照度計等分析、測量儀器。硅光電池與其它半導(dǎo)體光電池相比，不僅性能穩(wěn)定，還是目前轉(zhuǎn)換效率最高(達(dá)到17％)的幾乎接近理論極限的一種光電池。此外，還有薄膜光電池、紫光電池、異質(zhì)結(jié)光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材料制成薄膜結(jié)構(gòu)，以減輕重量、簡化陣列結(jié)構(gòu)，提高抗輻射能力和降低成本。紫光電池是把硅光電池的PN結(jié)減薄至結(jié)深為0.2

0.3μm，光譜響應(yīng)峰值移到600nm左右，來提高短波響應(yīng)，以適應(yīng)外層空間使用。+++---PN第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

異質(zhì)結(jié)光電池利用不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料做成異質(zhì)PN結(jié)，入射光幾乎全透過寬禁帶材料一側(cè)，而在結(jié)區(qū)窄禁帶材料中被吸收，產(chǎn)生電子—空穴對。利用這種“窗口”效應(yīng)提高入射光的收集效率，以獲得高于同質(zhì)結(jié)硅光電池的轉(zhuǎn)換效率，理論上最大可達(dá)30％，但目前因工藝尚未成熟，轉(zhuǎn)換效率仍低于硅光電池。光電池核心部分是一個PN結(jié)，一般做成面積較大的薄片狀，來接收更多的入射光。左下圖所示的是硒光電池的結(jié)構(gòu)。制造工藝是：先在鋁片上覆蓋一層P型硒，然后蒸發(fā)一層鎘，加熱后生成N型氧化鎘，與原來P型硒形成一個大面積PN結(jié)，最后涂上半透明保護(hù)層，焊上電極，鋁片為正極，氧化鎘為負(fù)極。第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

硅光電池是用單晶硅組成的（目前也有非晶硅的產(chǎn)品）。在一塊N型硅片上擴散P型雜質(zhì)(如硼)，形成一個擴散PN（P+N）結(jié)；或在P型硅片擴散N型雜質(zhì)(如磷)，形成N+P的PN結(jié)，然后焊上兩個電極。P端為光電池正極，N端為負(fù)極，一般在地面上應(yīng)用作光電探測器的多為P+N型。如國產(chǎn)2CR型。N+P型硅光電池具有較強的抗輻射能力，適合空間應(yīng)用，可作為航天的太陽能電池，如國產(chǎn)2DR型。

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(1)光電池的光譜特性硒光電池和硅光電他的光譜特性曲線如下圖所示。從曲線上可以看出，不同的光電池，光譜峰值的位置不同。例如硅光電池在800nm附近，硒光電池在540nm附近。硅光電池的光譜范圍廣，在450

1100nm之間，硒光電池的光譜范圍在340

750nm之間。因此硒光電池適用于可見光，常用于照度計測定光的強度。(2)光電池的光照持性光電池在不同的光強照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。從曲線可以看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系。開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時就趨于飽和了。因此把光電池作為測量元件時，應(yīng)把它當(dāng)做電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)光電池的頻率特性光電池在作為測量、計數(shù)、接收元件時，常用交變光照射。光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系，硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用在高速計數(shù)、有聲電影等方面。這是硅光電池在所有光電元件中最為突出的優(yōu)點。(4)光電池的溫度特性光電池的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。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等主要指標(biāo)，因此它是光電池的重要特性之一。開路電壓隨溫度升高而下降，而短路電流隨溫度升高而增加。因此當(dāng)光電池作測量元件