傳感技術(shù)光電式傳感器

第8章光電式傳感器光電效應(yīng)器件和特性1.2第8章光電式傳感器光源和光電效應(yīng)8.18.2新型光電傳感器8.3光敏傳感器的應(yīng)用舉例8.4第8章

光電式傳感器

光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。

一、光譜光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波可見(jiàn)光：波長(zhǎng)380—780nm紫外線(xiàn)：波長(zhǎng)10—380nm，

波長(zhǎng)300—380nm稱(chēng)為近紫外線(xiàn)波長(zhǎng)200—300nm稱(chēng)為遠(yuǎn)紫外線(xiàn)波長(zhǎng)10—200nm稱(chēng)為極遠(yuǎn)紫外線(xiàn)，紅外線(xiàn)：波長(zhǎng)780—106nm

波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱(chēng)近紅外線(xiàn)波長(zhǎng)超過(guò)3μm的紅外線(xiàn)稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外線(xiàn)。光譜分布如下圖所示。8.1光源和光電效應(yīng)遠(yuǎn)紫外近紫外可見(jiàn)光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.1110000.050.55波長(zhǎng)/μm波數(shù)/cm-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018c=vλ光的波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波長(zhǎng)λ和頻率ν的關(guān)系為

ν的單位為Hz，λ的單位為cm。

8.1光源和光電效應(yīng)二、光源（發(fā)光器件）1.鎢絲白熾燈用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的發(fā)光范圍：可見(jiàn)光外、大量紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差，但對(duì)接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。在普通白熾燈基礎(chǔ)上制作的發(fā)光器件有溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，光效高，壽命也較長(zhǎng)。8.1光源和光電效應(yīng)2.氣體放電燈定義：利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類(lèi)及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱(chēng)為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長(zhǎng)為254nm，鈉燈的輻射波長(zhǎng)為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測(cè)儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，稱(chēng)為熒光燈；由于光線(xiàn)與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線(xiàn)轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長(zhǎng)，如日光燈。節(jié)能燈的發(fā)光材料涂層采用了三基色稀土材料，發(fā)光效率非常高。8.1光源和光電效應(yīng)3.發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。在半導(dǎo)體PN結(jié)中，P區(qū)的空穴由于擴(kuò)散而移動(dòng)到N區(qū)，N區(qū)的電子則擴(kuò)散到P區(qū)，在PN結(jié)處形成勢(shì)壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時(shí)，勢(shì)壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱(chēng)為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。8.1光源和光電效應(yīng)

電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度。所放出的光子能量用hν表示，h為普朗克常數(shù)，ν為光的頻率。則普朗克常數(shù)h=6.6×10-34J.s；光速c=3×108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.6×10-19J。

hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)λ近似地認(rèn)為在7×10-7m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/λ=1.8eV

普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用。8.1光源和光電效應(yīng)通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫(xiě)作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當(dāng)x＞0.35時(shí)，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長(zhǎng)，使λ在550～900nm間變化，它已經(jīng)進(jìn)入紅外區(qū)。與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見(jiàn)下表。材料波長(zhǎng)/nm材料波長(zhǎng)/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350表8.1LED材料8.1光源和光電效應(yīng)4.激光器激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長(zhǎng)從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。激光器種類(lèi)繁多，按工作物質(zhì)分類(lèi)：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。8.1光源和光電效應(yīng)（1）固體激光器典型實(shí)例是1960年人類(lèi)發(fā)明的第一臺(tái)激光器：紅寶石激光器，它的工作物質(zhì)是固體。種類(lèi)：紅寶石激光器、摻釹的釔鋁榴石激光器（簡(jiǎn)稱(chēng)YAG激光器）和釹玻璃激光器等。特點(diǎn)：小而堅(jiān)固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到幾十太瓦。

8.1光源和光電效應(yīng)（2）氣體激光器

工作物質(zhì)是氣體。種類(lèi)：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。它們的波長(zhǎng)覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。8.1光源和光電效應(yīng)（3）半導(dǎo)體激光器與前兩種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機(jī)上作測(cè)距儀來(lái)瞄準(zhǔn)敵機(jī)。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長(zhǎng)主要局限在紅光和紅外區(qū)域。

（4）液體激光器種類(lèi)：螯合物激光器、無(wú)機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中較為重要的是有機(jī)染料激光器。特點(diǎn)：發(fā)出的激光波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會(huì)降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。

8.1光源和光電效應(yīng)三、光電效應(yīng)

物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)。8.1光源和光電效應(yīng)1.外光電效應(yīng)

定義：在光照射下,電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng),亦稱(chēng)光電發(fā)射效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。

1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的；

1902年，勒納（Lenard)也對(duì)其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量從表面逸出的現(xiàn)象。但無(wú)法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋?zhuān)?/p>

1905年，愛(ài)因斯坦提出了光子假設(shè)。8.1光源和光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦光子假設(shè)：光在空間傳播時(shí)，是不連續(xù)的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，愛(ài)因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱(chēng)為“光量子”。

1926年，美國(guó)物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱(chēng)為“光子”，沿用至今。光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）8.1光源和光電效應(yīng)根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功A0，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開(kāi)始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過(guò)10-9s。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。該方程稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。8.1光源和光電效應(yīng)8.1光源和光電效應(yīng)光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱(chēng)為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線(xiàn)頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線(xiàn)微弱，也會(huì)有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。8.1光源和光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類(lèi)：（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線(xiàn)作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。2.內(nèi)光電效應(yīng)8.1光源和光電效應(yīng)過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg8.1光源和光電效應(yīng)材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限λ0，只有波長(zhǎng)小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即8.1光源和光電效應(yīng)8.1光源和光電效應(yīng)（2）光生伏特效應(yīng)在光線(xiàn)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)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。8.1光源和光電效應(yīng)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)的元素(磷、砷、銻

)多余電子，成為自由電子+5+58.1光源和光電效應(yīng)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)的元素（硼）+3空穴空穴8.1光源和光電效應(yīng)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------在濃度差的作用下，電子從

N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散；空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散。在濃度差的作用下，兩邊多子互相擴(kuò)散。在P區(qū)和N區(qū)交界面上，留下了一層不能移動(dòng)的正、負(fù)離子。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------即PN結(jié)空間電荷層N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------內(nèi)電場(chǎng)方向①勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）

接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線(xiàn)照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線(xiàn)照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。

+++---+-PN8.1光源和光電效應(yīng)②側(cè)向光電效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。基于該效應(yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。8.1光源和光電效應(yīng)外光電效應(yīng)器件

利用物質(zhì)在光照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。8.2

光電效應(yīng)器件和特性?xún)?nèi)光電效應(yīng)器件

利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱(chēng)內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見(jiàn)的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。光電器件基于光電效應(yīng)工作的器件。

一、光電管及其基本特性光電管的結(jié)構(gòu)示意圖

光陽(yáng)極光電陰極光窗1.結(jié)構(gòu)與工作原理光電管有真空光電管和充氣光電管兩類(lèi)。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。8.2

光電效應(yīng)器件和特性光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線(xiàn)照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在外電路作用下形成電流。8.2

光電效應(yīng)器件和特性8.2

光電效應(yīng)器件和特性光電管外形圖8.2

光電效應(yīng)器件和特性（1）內(nèi)充有少量的惰性氣體，如氬、氖；（2）當(dāng)充氣光電管的陰極被光照射后，光電子在飛向陽(yáng)極的過(guò)程中，和氣體的原子發(fā)生碰撞使氣體電離；（3）增大了光電流，從而使靈敏度增加；（4）但導(dǎo)致充氣光電管的光電流與入射光強(qiáng)度不成比例，因而穩(wěn)定性較差。充氣光電管8.2

光電效應(yīng)器件和特性光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測(cè)率和溫度特性來(lái)描述。2.主要性能（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱(chēng)為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012極間電壓/VIA/μA8.2

光電效應(yīng)器件和特性光電管的工作點(diǎn)應(yīng)選在光電流與陽(yáng)極電壓無(wú)關(guān)的飽和區(qū)內(nèi)。由于這部分動(dòng)態(tài)阻抗非常大，以致可以看做恒流源。真空光電管當(dāng)入射光比較弱時(shí)，由于光電子較少，只要較低的陽(yáng)極電壓就能收集到所有的光電子，而且輸出電流很快就可以達(dá)到飽和；當(dāng)入射光比較強(qiáng)時(shí)，使輸出電流達(dá)到飽和，則需要較高的陽(yáng)極電壓。5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012極間電壓/VIA/μA8.2

光電效應(yīng)器件和特性2010050弱光強(qiáng)光1504681012陰極電壓/VIA/μA充氣光電管的伏安特性充氣光電管當(dāng)受光照射時(shí)，光電子在趨向陽(yáng)極的途中撞擊惰性氣體的原子，使其電離，從而使陽(yáng)極電流急速增加。因此，充氣光電管不具有真空光電管的那種飽和特性。當(dāng)達(dá)到充分離子化電壓附近時(shí)，陽(yáng)極電流急速上升。急速上升部分的特性就是氣體放大特性，放大系數(shù)為5-10。由此可見(jiàn)充氣光電管的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但穩(wěn)定性較真空光電管的差。8.2

光電效應(yīng)器件和特性（2）

光電管的光照特性

通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線(xiàn)如圖所示。曲線(xiàn)1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線(xiàn)性關(guān)系。曲線(xiàn)2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線(xiàn)性關(guān)系。光照特性曲線(xiàn)的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱(chēng)為光電管的靈敏度。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.518.2

光電效應(yīng)器件和特性（3）光電管光譜特性一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率v0，因此它們可用于不同的光譜范圍。即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測(cè)器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。8.2

光電效應(yīng)器件和特性二、光電倍增管及其基本特性當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾μA，不容易探測(cè)，需要用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大。1.光電倍增管結(jié)構(gòu)和工作原理由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽(yáng)極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻入射光光電陰極第一倍增極陽(yáng)極第五倍增極銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)；陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105~106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。8.2

光電效應(yīng)器件和特性（1）倍增系數(shù)M

倍增系數(shù)M等于n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。如果n個(gè)倍增電極的δ都相同，則M=因此，陽(yáng)極電流I為

I=i·

i—光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)β為

β=I/i=2.主要參數(shù)8.2

光電效應(yīng)器件和特性103104105106255075100125極間電壓/V

放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線(xiàn)8.2

光電效應(yīng)器件和特性（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽(yáng)極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。

8.2

光電效應(yīng)器件和特性（3）暗電流和本底脈沖一般在使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對(duì)入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒(méi)有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽(yáng)極仍有電流，這種電流稱(chēng)為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場(chǎng)致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱(chēng)為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線(xiàn)對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。8.2

光電效應(yīng)器件和特性與直線(xiàn)最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽(yáng)極電流/A（4）光電倍增管的光譜特性光譜特性反應(yīng)了光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于較好的管子，在很寬的范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線(xiàn)性的，即入射光通量小于10-4lm時(shí)，有較好的線(xiàn)性關(guān)系。光通量大，開(kāi)始出現(xiàn)非線(xiàn)性，如圖所示。8.2

光電效應(yīng)器件和特性利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱(chēng)內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見(jiàn)的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。內(nèi)光電效應(yīng)器件8.2

光電效應(yīng)器件和特性一、光敏電阻光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等。不足：需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。

AE電極半導(dǎo)體玻璃底板RLEIRG8.2

光電效應(yīng)器件和特性1.光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)

當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，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(jià)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(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，即

hν==≥Eg(eV)

式中ν和λ—入射光的頻率和波長(zhǎng)。一種光電導(dǎo)體，存在一個(gè)照射光的波長(zhǎng)限λC，只有波長(zhǎng)小于λC的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級(jí)間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。8.2

光電效應(yīng)器件和特性光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光電導(dǎo)材料絕緣襯低引線(xiàn)電極引線(xiàn)光電導(dǎo)體光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。8.2

光電效應(yīng)器件和特性8.2

光電效應(yīng)器件和特性光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。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小。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。

8.2

光電效應(yīng)器件和特性2.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無(wú)光照射）后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱(chēng)為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過(guò)的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱(chēng)為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。

光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過(guò)1MΩ,甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見(jiàn)光敏電阻的靈敏度很高。8.2

光電效應(yīng)器件和特性（2）光照特性下圖表示硫化鎘(CdS)光敏電阻的光照特性。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。不同類(lèi)型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線(xiàn)均呈非線(xiàn)性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān)。012345I/mAL/lx100020008.2

光電效應(yīng)器件和特性（3）光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類(lèi)結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得滿(mǎn)意的效果。204060801004080120160200240λ/μm312相對(duì)靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛8.2

光電效應(yīng)器件和特性（4）伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性。圖中曲線(xiàn)1、2分別表示照度為零及照度為某值時(shí)的伏安特性。由曲線(xiàn)可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。5010015020012U/V02040在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無(wú)飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無(wú)限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過(guò)最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。I/μA8.2

光電效應(yīng)器件和特性（5）頻率特性20406080100I/%f/Hz010102103104當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏，電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。硫化鉛硫化鎘8.2

光電效應(yīng)器件和特性（6）穩(wěn)定性圖中曲線(xiàn)1、2分別表示兩種型號(hào)CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒(méi)有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。I/%408012016021T/h040080012001600光敏電阻在開(kāi)始一段時(shí)間的老化過(guò)程中，有些樣品阻值上升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無(wú)限長(zhǎng)的。8.2

光電效應(yīng)器件和特性（7）溫度特性其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線(xiàn)的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長(zhǎng)波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I/μA100150200-50-10305010-30T/oC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC8.2

光電效應(yīng)器件和特性二、光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。又稱(chēng)為太陽(yáng)能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，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(jiàn)光(響應(yīng)峰值波長(zhǎng)0.56μm)，最適宜制造照度計(jì)。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽(yáng)光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線(xiàn)的輻射。因此，它主要用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等的電源。8.2

光電效應(yīng)器件和特性通信衛(wèi)星上的光電池8.2

光電效應(yīng)器件和特性光電池的示意圖硅光電池是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)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(jié)兩端用導(dǎo)線(xiàn)連起來(lái)，電路中有電流流過(guò)，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開(kāi)，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理I光PN8.2

光電效應(yīng)器件和特性8.2

光電效應(yīng)器件和特性光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光電池符號(hào)和基本工作電路8.2

光電效應(yīng)器件和特性L(fǎng)/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開(kāi)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（1）光照特性開(kāi)路電壓曲線(xiàn)：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線(xiàn)，當(dāng)照度為2000lx(勒克斯)時(shí)趨向飽和。短路電流曲線(xiàn)：光電流與照度之間的特性曲線(xiàn)2.基本特性開(kāi)路電壓短路電流短路電流8.2

光電效應(yīng)器件和特性短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)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(mǎn)足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線(xiàn)性關(guān)系越好，且線(xiàn)性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=08.2

光電效應(yīng)器件和特性204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性光電池的光譜特性決定于材料。從曲線(xiàn)可看出，硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在540nm附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長(zhǎng)在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1——硒光電池2——硅光電池8.2

光電效應(yīng)器件和特性(3)頻率特性光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(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(xiàn)。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線(xiàn)2，而硒光電池則較差，如曲線(xiàn)1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池8.2

光電效應(yīng)器件和特性（4）溫度特性光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，開(kāi)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(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開(kāi)路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線(xiàn)8.2

光電效應(yīng)器件和特性三、光敏二極管和光敏三極管光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類(lèi)型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線(xiàn)，而2DU系列光電二極管有三條引線(xiàn)。8.2

光電效應(yīng)器件和特性1.光敏二極管光敏二極管符號(hào)如左圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類(lèi)；硅光敏二極管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如右圖所示。PN光光敏二極管符號(hào)RL

光PN光敏二極管接線(xiàn)

8.2

光電效應(yīng)器件和特性

光敏二極管在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流．當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)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；受光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過(guò)PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線(xiàn)性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線(xiàn)性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。8.2

光電效應(yīng)器件和特性8.2

光電效應(yīng)器件和特性（1）PIN管結(jié)光電二極管（PIN－PD）

PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。

PIN－PD有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，響應(yīng)速度快、靈敏度高、線(xiàn)性度好等特點(diǎn)，適用于光通信和光測(cè)量技術(shù)。P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖8.2

光電效應(yīng)器件和特性（2）雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來(lái)工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無(wú)法使用。但由于APD的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。

8.2

光電效應(yīng)器件和特性2.光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是其基極不接引線(xiàn)。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開(kāi)路時(shí),集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線(xiàn)照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在內(nèi)電場(chǎng)的作用下,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,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。

RLE8.2

光電效應(yīng)器件和特性光敏三極管的主要特性：光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對(duì)靈敏度下降。（1）光譜特性相對(duì)靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200硅的峰值波長(zhǎng)為9000?，鍺的峰值波長(zhǎng)為15000?。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(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對(duì)紅外線(xiàn)進(jìn)行探測(cè)時(shí),則采用鍺管較合適。8.2

光電效應(yīng)器件和特性0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性（2）伏安特性光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大。U/V8.2

光電效應(yīng)器件和特性光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾klx)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線(xiàn)性轉(zhuǎn)換元件，也可作開(kāi)關(guān)元件。8.2

光電效應(yīng)器件和特性暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC25050100

02003004001020304050607080T/oC光敏晶體管的溫度特性（4）溫度特性光敏三極管的溫度特性曲線(xiàn)反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線(xiàn)可以看出，溫度變化對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大．所以電子線(xiàn)路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。8.2

光電效應(yīng)器件和特性（5）光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性曲線(xiàn)如圖所示。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(lái)說(shuō)，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調(diào)制頻率/HZ相對(duì)靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性8.2

光電效應(yīng)器件和特性一、色敏光電傳感器P+NPSiO2電極1電極2電極3123色敏光電傳感器和等效電路

色敏光電傳感器實(shí)際上是光電傳感器的一種特殊類(lèi)型。它是兩只結(jié)深不同的的光電二極管組合體，其結(jié)構(gòu)和工作原理的等效電路如圖所示。8.3

其它光電式傳感器雙結(jié)光電二極管的P+-N結(jié)為淺結(jié)，N-P結(jié)為深結(jié)。當(dāng)光照射時(shí)，P+，N，P三個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘區(qū)均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過(guò)很短距離就被吸收完畢；因此，淺結(jié)對(duì)紫外光有較高靈敏度。而紅外光部分8.3

其它光電式傳感器P+NPSiO2電極1電極2電極3吸收系數(shù)小，光子主要在深結(jié)處被吸收；因此，深結(jié)對(duì)紅外光有較高的靈敏度。即半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)分別具有不同靈敏度。這一特性為識(shí)別顏色提供了可能性。利用不同結(jié)深二極管的組合，即可構(gòu)成測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。具體使用時(shí)，首先對(duì)該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定，也就是測(cè)定在不同波長(zhǎng)光照射下，深結(jié)的短路電流ISD2與淺結(jié)的短路電流ISD1的比值ISD2/ISD1

。ISD2在長(zhǎng)波區(qū)較大，ISD1在短波區(qū)較大；因而ISD2/ISD1與入射單色光波長(zhǎng)的關(guān)系就可以確定。8.3

其它光電式傳感器光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD（ChargeTransferDevice)，最常用的是電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)。二、光固態(tài)圖象傳感器CCD是一種半導(dǎo)體裝置，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

CCD以電荷為信號(hào)，具有光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、移位并讀出信號(hào)電荷的功能。8.3

其它光電式傳感器

CCD的作用是將通過(guò)光學(xué)鏡頭投影到CCD表面上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為與之成比例的電荷包，在CCD像面上形成電荷圖像，將電荷圖像輸出成為電壓視頻圖像，以后再經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理，把圖像作為一個(gè)文件存儲(chǔ)起來(lái)。8.3

其它光電式傳感器基于CCD光電耦器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀等8.3

其它光電式傳感器8.3

其它光電式傳感器特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號(hào)電荷的產(chǎn)生信號(hào)電荷的存貯信號(hào)電荷的傳輸信號(hào)電荷的檢測(cè)8.3

其它光電式傳感器

CCD是由規(guī)則排列的金屬—氧化物—半導(dǎo)體（MetalOxideSemiconductor,MOS）電容陣列組成。MetalOxideSemiconductor

以P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成MOS電容轉(zhuǎn)移器件。這樣一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)稱(chēng)為一個(gè)光敏元或一個(gè)像素。1．CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理8.3

其它光電式傳感器CCD結(jié)構(gòu)示意圖顯微鏡下的MOS元表面電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱(chēng)一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線(xiàn)陣或面陣有規(guī)則地排列。8.3

其它光電式傳感器光敏元結(jié)構(gòu)示意圖8.3

其它光電式傳感器當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓VG時(shí)，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處來(lái)，從而在界面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，也稱(chēng)表面勢(shì)阱。對(duì)帶負(fù)電的電子來(lái)說(shuō)，耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域。8.3

其它光電式傳感器在一定的條件下，所加正電壓VG越大，耗盡層就越深，勢(shì)阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，光生電子被附近的勢(shì)阱所吸收，而空穴被排斥出耗盡區(qū)。勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。這樣一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元，叫做一個(gè)像素，存儲(chǔ)了電荷的勢(shì)阱被稱(chēng)為電荷包。8.3

其它光電式傳感器通常在半導(dǎo)體硅片上有幾百或幾千個(gè)相互獨(dú)立的MOS光敏元，若在金屬電極上施加一正電壓時(shí)，則在這半導(dǎo)體硅片上就形成幾百個(gè)或幾千個(gè)相互獨(dú)立的勢(shì)阱。如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就感生出一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光生電荷圖像。8.3

其它光電式傳感器P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2

CCD的MOS結(jié)構(gòu)將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。

8.3

其它光電式傳感器2.CCD信號(hào)電荷的傳輸

為保證信號(hào)電荷按確定方向和路線(xiàn)轉(zhuǎn)移，在各電極上所加的電壓嚴(yán)格滿(mǎn)足相位要求，下面以三相（也有二相和四相）時(shí)鐘脈沖控制方式為例說(shuō)明電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。把MOS光敏元電極分成三組，在其上面分別施加三個(gè)相位不同的控制電壓Φ1、Φ2、Φ3。

8.3

其它光電式傳感器以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程t=t0t=t1t=t2t=t308.3

其它光電式傳感器三相控制是在線(xiàn)陣列的每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個(gè)相位不同的控制脈沖Φ1，Φ2，Φ3，見(jiàn)圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時(shí)，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時(shí)，由于兩電勢(shì)下面勢(shì)阱間的耦合，原來(lái)在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當(dāng)P1回到低電位時(shí)，電荷包全部流入P2下的勢(shì)阱中（t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢(shì)阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。8.3

其它光電式傳感器123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5VTime-sliceshownindiagram123三相CCD電荷傳輸過(guò)程8.3

其它光電式傳感器123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V1238.3

其它光電式傳感器123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V1238.3

其它光電式傳感器123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V1238.3

其它光電式傳感器123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V1238.3

其它光電式傳感器123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電荷包從右邊移出時(shí)，下一個(gè)電荷包從左邊移入，如此周而復(fù)始，直到全部移出，完成電荷包的轉(zhuǎn)移過(guò)程。8.3

其它光電式傳感器3．線(xiàn)型CCD圖像傳感器線(xiàn)型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵,如圖(a)所示。在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極,由一個(gè)P型溝阻使其在電氣上隔開(kāi)。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來(lái)的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過(guò)程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。8.3

其它光電式傳感器目前，實(shí)用的線(xiàn)型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來(lái)光敏信號(hào)電荷的順序。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵(a)(b)線(xiàn)型CCD圖像傳感器輸出8.3

其它光電式傳感器4．面型CCD圖像傳感器面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。8.3

其它光電式傳感器二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出

行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3感光區(qū)存儲(chǔ)區(qū)析像單元視頻輸出輸出柵串行讀出面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)(a)(b)8.3

其它光電式傳感器圖（b）所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲(chǔ)區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲(chǔ)區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)移出后，就開(kāi)始下一幀信號(hào)的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。8.3

其它光電式傳感器光柵報(bào)時(shí)鐘二相驅(qū)動(dòng)輸出寄存器檢波二極管

視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動(dòng)(c)8.3

其它光電式傳感器

圖(c)所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖(b)中感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開(kāi)，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡(jiǎn)單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來(lái)越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來(lái)越多，最多已達(dá)1024×1024像元。我國(guó)也能生產(chǎn)512×320像元的面型CCD圖像傳感器。8.3

其它光電式傳感器線(xiàn)陣CCD外形

8.3

其它光電式傳感器

面陣CCD能在x、y兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自?huà)呙瑁梢垣@得二維圖像。

8.3

其它光電式傳感器采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對(duì)接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對(duì)準(zhǔn)，以此來(lái)提高靈敏度。采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹(shù)脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。三、光電耦合器（opticalcoupler，OC）光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。常見(jiàn)的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹(shù)脂1.光電耦合器的結(jié)構(gòu)(a)金屬密封型(b)塑料密封型8.3

其它光電式傳感器2.光電耦合器的組合形式

光電耦合器的組合形式有多種，如圖所示。

(a)(b)(c)(d)該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。8.3

其它光電式傳感器?實(shí)現(xiàn)以光為媒介的傳輸，輸入和輸出端的電阻很高。?具有傳輸單向性，即從發(fā)光光源至受光器件，不會(huì)反饋。?發(fā)光光源為砷化鎵發(fā)光二極管，具有低阻抗的特點(diǎn)。?響應(yīng)速度快，可用于高頻電路。?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，壽命長(zhǎng)。3.光電耦合器的特性：8.3

其它光電式傳感器光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式：8.4

光電式傳感器的應(yīng)用舉例一、光源本身是被測(cè)物的應(yīng)用實(shí)例光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計(jì)來(lái)測(cè)量。

光電池（外加柔光罩）8.4

光電式傳感器的應(yīng)用舉例1.紅外線(xiàn)輻射溫度計(jì)：紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測(cè)量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測(cè)量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個(gè)不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號(hào)。激光僅用于瞄準(zhǔn)8.4

光電式傳感器的應(yīng)用舉例8.4

光電式傳感器的應(yīng)用舉例2.熱釋電傳感器在人體檢測(cè)、報(bào)警中的應(yīng)用

熱釋電元件在紅外線(xiàn)檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的人體檢測(cè)，如防盜門(mén)、賓館大廳自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)燈的控制等。

8.4

光電式傳感器的應(yīng)用舉例熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線(xiàn)而輸出電信號(hào)的傳感器。早在1938年，有人提出過(guò)利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器。除了在樓道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)；電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機(jī)的電路；開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門(mén)鈴上的應(yīng)用；攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等等……8.4

光電式傳感器的應(yīng)用舉例熱釋電傳感器工作原理熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個(gè)不大的視場(chǎng)角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動(dòng)時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場(chǎng)，晶片上的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號(hào)。當(dāng)然，如果人體