第六章 光敏傳感器

1、LOGO第第6 6章章 光敏傳感器光敏傳感器傳感器與檢測技術傳感器與檢測技術主要內容主要內容v光相關的基本概念v外光電效應及器件v光電導效應及器件v光生伏特效應及器件v光敏傳感器的應用6.1 概述概述v什么是光敏傳感器？ 光敏傳感器是能將光信號轉換為電信號的一種器件，簡稱光電器件。它的物理基礎是光電效應。v光敏傳感器的工作原理 用光敏傳感器測量非電量時，首先要將非電量的變化轉換為光量的變化，然后通過光電器件的作用（利用光電效應），再將光量的變化轉換為電量的變化，從而實現(xiàn)光敏傳感器非電量電測的目的。6.1 概述概述v光敏傳感器又稱為光電式傳感器，有時又被稱為光電探測器v光敏傳感器可用于但不限于光

2、信號檢測，還可以用于溫度、壓力、速度、加速度、位移等多種物理量的測量v光敏傳感器常用于非接觸測量6.1.1 光譜光譜光波：波長為101060m的電磁波可見光：波長380780nm紫外線：波長10380nm， 波長300380nm稱為近紫外線 波長200300nm稱為遠紫外線 波長10200nm稱為極遠紫外線，紅外線：波長780106m 波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線 波長超過3m 的紅外線稱為遠紅外線。6.1.1 光譜光譜圖 6 2光譜分布圖6.1.2 光學傳感器的相關計量單位光學傳感器的相關計量單位v發(fā)光強度v發(fā)光強度是表征光源（物體）發(fā)光能力大小的物理量。光源在某一特定方向上單

3、位立體角內（每球面度）輻射的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強度（又稱光通的空間密度）v符號為I，單位為坎德拉（cd）。6.1.2 光學傳感器的相關計量單位光學傳感器的相關計量單位v光亮度v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)光強度與垂直且指定方向的發(fā)光面的面積之比v單位是坎德拉/平方米（cd/m）v以下是部分光源的亮度值： 日光燈：（510）*10；月光（滿月）：2.5*10；黑白電視機熒光屏：120左右；彩色電視機熒光屏：80左右。6.1.2 光學傳感器的相關計量單位光學傳感器的相關計量單位v光通量v單位時間里通過某一面積的光能，稱為通過這一面積的輻射能通量。v符號F ，

4、單位為流明（lm）v絕對黑體在鉑的凝固溫度下，從5.305 * 10 cm面積上輻射出來的光通量為1lm。 v為表明光強和光通量的關系，發(fā)光強度為1cd的點光源在單位立體角（1球面度）內發(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 光學傳感器的相關計量單位光學傳感器的相關計量單位v光照度v單位為勒克斯 (Lux)v被光均勻照射的物體，距離該光源1米處，在1m面積上得到的光通量是1lm時，它的照度是1lux。習稱“燭光米”。 黑夜：0.0010.02；月夜：0.020.3；陰天室內：550；陰天室外：50500；晴天室內：1001000；夏季中午太陽光下的照

5、度：約為10*9次方；閱讀書刊時所需的照度：5060；家用攝像機標準照度：1400。 6.1.3 光源光源v光敏傳感器通常對光源有一定的選擇性，一般需要與光源配套使用v光敏傳感器對光源的要求 光源必須具有足夠的照度 光源應保證均勻、無遮擋或陰影 光源的照射方式應符合傳感器的測量要求 光源的發(fā)熱應盡可能小 光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍v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 光源光源v電磁波譜圖光電效應光電效應v外光電效應 在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象 應用：光電管、光電倍增管等v光電導效應 在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象 應用：光敏電阻v阻

6、擋層光電效應（光生伏特效應） 在光線作用下能使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象 應用：光電池、光敏二極管、光敏晶體管等6.2.1 外光電效應及器件外光電效應及器件v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(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應 向外發(fā)射的電子叫做光電子v基于外光電效應的器件 光電管 光電倍增管v紅限頻率 物體發(fā)射光電子的閾值頻率6.2.1 外光電效應及器件外光電效應及器件v外光電效應檢測裝置及特性6.2.1 外光電效應及器件外光電效應及器件v光電發(fā)射二極管 光電陰極：在適當波長光線照射時發(fā)射電子 光電陽極：吸收光電子v真空光電二極管結構示意6.2.1 外光電效應及器件外光電效應

7、及器件v真空光電二極管的測量電路及I-V特性v光電陰極發(fā)射的電子數(shù)量與光照的強度有關v光電管的電極上需要加上適當?shù)碾妷翰拍鼙ＷC光電陰極逸出的電子完全被光電陽極吸收，從而在外電路中形成與光照有關的電流6.2.1 外光電效應及器件外光電效應及器件v 充氣光電二極管伏安特性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v光電倍增管通常由光電陰極、若干倍增極和陽極三部分組成 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” 陽極將這些電子收集起來形成電流 光電倍增管的性能參數(shù)光電倍增管的性能參數(shù)v靈敏度 陽極靈敏度SA：指一定工作電壓下陽極輸

8、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v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KAKASSiiG光電倍增管的性能參數(shù)光電倍增管的性能參數(shù)v暗電流 當光電倍增管在全暗條件下時，陽極上也會收集到一定的電流，其輸出電流的直流成分稱為該管的暗電流v光電特性 指在一定的工作電壓下，陽極電流隨光通量變化的特性光電倍增管的性能參數(shù)光電倍增管的性能參數(shù)6.2.2 內光電效應（光電導）及器件內光電效應（光電導）及器件v內光電效應根據(jù)工作原理的不同可分為光電導效應和光生伏特效應，它多發(fā)生于半導體內部v光電導

9、效應 當光照射在物體上時，會使物體的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做光電導效應 光照射半導體時，材料吸收光子而產生電子空穴對，使導電性能增加，電導率增加v利用光電導效應制成的光電器件就是光敏電阻6.2.2 內光電效應（光電導）及器件內光電效應（光電導）及器件v光電導效應圖 6 18光電導效應示意式中、分別為入射光的頻率和波長。gEchh24. 16.2.2.2 光敏電阻光敏電阻v光敏電阻又叫光導管，為半導體材料制成的光電器件v光敏電阻在無光照時，暗電阻很大，而在光照時，電阻急劇減小v光敏電阻對光源波長有選擇性v在應用中，光敏電阻可以當作一個電阻元件使用，通常利用光敏電阻在有光和無光的情況下電阻值的銳變

10、來實現(xiàn)特定電路的功能v光敏電阻很少被用于模擬量的測量，而常用于開關量的測量6.2.2 內光電效應（光電導）及器件內光電效應（光電導）及器件v內光電效應（光電導）器件-光敏電阻（a）原理圖； （b）外形圖； （c）圖形符號圖 6 19光敏電阻的原理結構光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)v暗電阻 光敏電阻在不受光照射時的電阻值 此時流過光敏電阻的電流稱為暗電流v亮電阻 光敏電阻在受光照射時的電阻值 此時流過光敏電阻的電流稱為亮電流v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光敏電阻的基本特性v伏安特性 在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性光

11、敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性v 光譜特性光譜特性光敏電阻的相對光靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性，也叫光譜響應光敏電阻對不同光波長有不同的響應光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性v 溫度特性溫度特性溫度會影響光敏電阻的光譜響應、靈敏度和暗電阻等特性光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性v 光照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系光敏電阻的光照特性呈非線性，不宜用作定量檢測元件，一般常用作光電開關光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性v 頻率特性頻率特性光敏電阻的頻率特性是指相對靈敏度與脈沖光的調制頻率之間的關系特性光電導的馳豫現(xiàn)象光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本

12、特性v 穩(wěn)定性穩(wěn)定性v 初制成的光敏電阻，由于其內部組織的不穩(wěn)定性以及其他原因，光電特性是不穩(wěn)定的。當受到光照和外接負載后，其靈敏度有明顯下降v 在人為地加溫、光照和加負載的情況下，經過一定時間的老化，光電性能逐漸趨向穩(wěn)定后就基本不變了6.2.2 內光電效應（光電導）及器件內光電效應（光電導）及器件v應用實例應用實例圖 6 26自動照明燈電路自動照明燈自動照明燈6.2.2 內光電效應（光電導）及器件內光電效應（光電導）及器件圖 6 27亮光報警電路亮光報警器亮光報警器6.2.2 內光電效應（光電導）及器件內光電效應（光電導）及器件圖 6 28標識燈電路標識燈標識燈6.3 光生伏特效應器件光生伏

13、特效應器件v在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應v光生伏特效應包括勢壘效應（結光電效應）和側向光電效應等 勢壘效應接觸半導體和PN結中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢 光電池、光敏二極管、光敏晶體管 側向光電效應當半導體受光照不均勻時，載流子濃度梯度將會產生側向光電效應 光電位置敏感器件（PSD）6.3.2 光電池光電池v光電池的應用主要有兩大類 作為光伏器件使用，將太陽能轉換為電能 作為光電轉換器件使用光電池應用實例光電池應用實例v太陽能電池電源系統(tǒng)6.4 光敏二極管光敏二極管v光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)v在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流

14、很小，此時的反向電流稱為暗電流v當PN結受到光照射時，PN結附近產生光生電子和光生空穴對，使少數(shù)載流子增加，因此通過PN結的反向電流也隨著增加6.5 光敏晶體管光敏晶體管圖 6 45NPN型光敏晶體管結構簡圖和基本電路（a）結構簡化模型；（b）基本電路 光敏晶體管光敏晶體管v光敏晶體管能在把光信號轉換為電信號的同時，又將信號電流加以放大v當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，基極集電極結就是反向偏壓v當光照在基集結上，就會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倍，實現(xiàn)放大v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

15、晶體管和光敏二極管基本特性光敏晶體管和光敏二極管基本特性v光譜特性光譜特性光敏二極管和晶體管的相對靈敏度與入射光波長之間的關系6.5.1 光敏晶體管和光敏二極管基本特性光敏晶體管和光敏二極管基本特性v伏安特性伏安特性圖 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光敏晶體管和光敏二極管基本特性v溫度特性溫度特性圖 6 48光敏晶體管的溫度特性6.5.2 光電二極管應用實例光電二極管應用實例v光照度測量器光照度測量器圖 6 41光照度測量電路(a)集電極輸出電路 (b)發(fā)射極輸出電路6.5.2 光電二極管應用實例光電二極管應用實例v心率測量儀心率測量儀圖 6 42手指光反射測量心率示意圖圖 6 43手指光反射心率電路組成6.5.2 光電二極管應用實例光電二極管應用實例v光電式數(shù)字轉速表 6.6.2 光電三極管應用