第8章光電式傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第8章光電效應(yīng)及普通光電器件傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器主要內(nèi)容：

8.1光電效應(yīng)

8.2光電器件

光電管、光電倍增管、光敏電阻、

光電晶體管、光電池、色敏、

其他光電器件

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器概述

光電傳感器是將被測量的變化通過光信號變化轉(zhuǎn)換成電信號，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。光敏器件種類很多，在計算機、自動檢測及控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。普通的光電器件包括：光電管、光敏二極管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電倍增管、光電耦合器等。光信號光電傳感器電信號傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器概述

料位自動控制電動扶梯自動啟停光電開關(guān)傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器概述

光柵光電開關(guān)光敏電阻光電鼠標(biāo)8.1光電效應(yīng)傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器光敏器件主要利用各種光電效應(yīng)光電效應(yīng)可分為：外光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器8.1光電效應(yīng)

外光電效應(yīng)在光線作用下電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)?！绽士顺?shù)()

——光的頻率（Hz）

每個光子具有能量

J.S波長短，頻率高，能量大。式中：

入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子與光強成正比。傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

光照射物體時電子吸收入射光子的能量，當(dāng)電子吸入的能量超出物體逸出功A時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。超出的能量就表現(xiàn)在電子逸出的動能上。能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。

由能量守恒定律可得出每個光子具有的能量為

為一個電子逸出的動能（能量）；A為電子的逸出功；

m為電子質(zhì)量，ν0電子逸出物體表面時的速度愛因斯坦光電效應(yīng)方程光照射光電子8.1光電效應(yīng)

外光電效應(yīng)傳感器原理及應(yīng)用入射光強改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。

這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有，在入射光作用下電子吸收光子能量，電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶過度到自由狀態(tài)，同時價帶也因此形成自由空穴，使導(dǎo)帶電子和價帶空穴濃度增大引起電阻率減小。8.1光電效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)

第8章

光電式傳感器

為使電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量應(yīng)大于禁帶寬度的能量E0＞Eg

基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。1）光電導(dǎo)效應(yīng)傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

為什么PN結(jié)會因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？PN電子空穴---+++-+光源8.1光電效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)

下面分兩種情況討論：不加偏壓時的PN結(jié)處于反偏時的PN結(jié)2）光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。傳感器原理及應(yīng)用

當(dāng)光照射在P-N結(jié)時，如果光子能量足夠大,可激發(fā)出電子——空穴對,在P-N結(jié)內(nèi)電場作用下空穴移向P區(qū)，而電子移向N區(qū),使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個電壓就是光生電動勢.8.1光電效應(yīng)

8.1.2內(nèi)光電效應(yīng)

基于這種效應(yīng)的器件有光電池。

不加偏壓時的P-N結(jié)第8章

光電式傳感器PN電子空穴---+++-+光源傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

無光照時，反向電阻很大，反向電流很小；有光照時，產(chǎn)生光生電子—空穴對，在外電場作用下，光生電子→N，空穴→P運動，形成光電流Ig。8.1光電效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)

-+

處于反偏時的P-N結(jié)

電流方向與反向電流一致，光照越強電流越大。具有這種性能的器件有：光敏二極管、光敏晶體管從原理上講，不加偏壓的光電二極管就是光電池。

光敏二極管通常加反向電壓。傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器8.2光電器件

光電管

光電管是一個抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內(nèi)部有光陰極K、陽極A，光陰極涂有光敏材料；當(dāng)光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（E＞A），會有電子逸出產(chǎn)生光電子發(fā)射；

電子被帶有正電的陽極吸引在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻RL上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器主要用于：分析儀器和各種自動控制裝置;如，分光光度計、光電比色計等8.2光電器件

光電管光電管電路符號光電管外殼不透明電子管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

光照很弱時，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。核儀器中閃爍探測器使用光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)成射線檢測儀器。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進行放大。8.2光電器件

光電倍增管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

光電倍增管與普通光電管不同,在光陰極和陽極之間加了許多倍增極（10級左右），在陽極和陰極之間加有幾百～上千伏的高壓，每個倍增極間分壓有100～200V；光電倍增管的電流增益很大在105～106之間。倍增極外加電壓Ud與增益G的關(guān)系近似為：8.2光電器件

光電倍增管光電倍增管的靈敏度很高,不能直接受強光照射,否則會損壞.通常密封使用。式中：——常數(shù)

——倍增極數(shù)

傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器上式可見，倍增級外加電壓Ud的變化將引起光電倍增管增益的變化，因此對供給光電倍增管的電源電壓要求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。射線儀器的電源穩(wěn)定性要求較高，為減少光電倍增管受溫度影響，也可以采用穩(wěn)譜裝置，在核探測技術(shù)中“穩(wěn)譜”是數(shù)據(jù)分析的一個重要內(nèi)容。

增益變化與外加電壓（電源）有關(guān)8.2光電器件

光電倍增管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。光敏電阻結(jié)構(gòu)8.2光電器件

光敏電阻光敏電阻符號光導(dǎo)體傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器光敏電阻光照特性無光照時，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；有光照時，電阻值隨光強增加而降低；光照停止時，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻主要參數(shù)暗電阻、暗電流,無光照時的電阻、電流；亮電阻、亮電流,受光照時的阻值、電流；亮電流與暗電流之差稱光電流。8.2光電器件

光敏電阻傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器1.伏安特性給定光照度，電壓越大光電流越大；給定偏壓，光照越大光電流越大；光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、無飽和，但受最大功耗限制。光敏電阻伏安特性8.2光電器件

光敏電阻

基本特性光照度為

Lx=lm（流明）/s

單位面積的光通量傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器2.光譜特性光敏電阻靈敏度與入射波長有關(guān);

靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)，圖例中材料與相對靈敏度峰位波長硫化鎘（CdS）0.3～0.8(μm)硫化鉛（PbS）1.0～3.5(μm)硫化鉈（TlS）1.0～7.3(μm)光敏電阻的光譜特性3.溫度特性溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)。溫度T上升，波長λ變短，曲線向左移動。光敏電阻溫度特性8.2光電器件

光敏電阻傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器幾種光敏電阻的特性參數(shù)傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

白天Rg小，VT2導(dǎo)通VT3截止VT4導(dǎo)通，晶閘管VS截止H滅；晚上Rg大，VT2截止失去對VT3控制，VT3由VT1控制，待機;

晚上壓電陶瓷片B接收聲音觸發(fā)信號，VT3導(dǎo)通VT4截止，晶閘管VS導(dǎo)通，燈亮；同時D整流壓降突然下降，VT3集電極保持低電壓，使VS處于導(dǎo)通狀態(tài);HVSB8.2光電器件

光敏電阻——應(yīng)用光敏電阻在聲光控開關(guān)中的應(yīng)用H點亮后，C3經(jīng)電阻緩慢放電，直到不再維持VT4截止。調(diào)節(jié)C3可調(diào)節(jié)燈亮?xí)r間.傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器光敏晶體管包括光敏二極管和光敏三極管，其工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏晶體管特點：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高;廣泛應(yīng)用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、自動報警、自動計數(shù)等領(lǐng)域和裝置。8.2光電器件

光敏晶體管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

結(jié)構(gòu)：與一般二極管相似，它們都有一個PN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率有大面積受光，P-N結(jié)面積比一般二極管大。硅光敏二極管結(jié)構(gòu)

-++-光敏二極管符號8.2光電器件

光敏晶體管1）光敏二極管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

光敏二極管工作原理：光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無光照時，反向電阻很大，反向電流很?。挥泄庹諘r，P-N結(jié)處產(chǎn)生光生電子-空穴對；在電場作用下形成光電流，光照越強光電流越大；光電流方向與反向電流一致。

光敏二極管基本電路

REDgI8.2光電器件

光敏晶體管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器發(fā)光二極管與光敏二極管工作原理不同，發(fā)光二極管是利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能→光能的器件；加正向電壓時，P-N結(jié)的電子、空穴在結(jié)合過程中發(fā)射一定頻率的光信號。+--+光敏二極管符號發(fā)光二極管符號8.2光電器件

光敏晶體管發(fā)光二極管與光敏二極管

發(fā)光二極管工作時加正向電壓。傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

光敏二極管基本特性：1.光照特性圖是硅光敏二極管在小負載電阻下的光照特性。光電流與照度成線性關(guān)系。

2.光譜特性（硅光敏管為例)當(dāng)入射波長＜0.9μm時，響應(yīng)逐漸下降，雖光波長短能量大，但光穿透深度小，使光電流減??；當(dāng)入射波長＞0.9μm時，響應(yīng)下降是因波長長光子能量小，當(dāng)小于禁帶寬度時不產(chǎn)生電子、空穴對。8.2光電器件

光敏晶體管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器3.伏安特性當(dāng)反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光照強度。4.溫度特性由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對溫度變化很敏感。8.2光電器件

光敏晶體管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器硅光敏二極管基本參數(shù)傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器結(jié)構(gòu)：與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極—集電極(集電結(jié))作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，另外集電極的尺寸做的很大，以擴大光照面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，無論NPN、PNP一般集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)。光敏三極管結(jié)構(gòu)

NNPcbe電路符號8.2光電器件

光敏晶體管2）光敏三極管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器硅（Si）光敏三極管光敏晶體管一般是NPN結(jié)構(gòu)，光照射在集電結(jié)的基區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，電場作用下，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流,使晶體管具有電流增益。在負載電阻上的輸出電壓為

—晶體管電流放大系數(shù)

NNPcbe+-光敏三極管等效電路

8.2光電器件

光敏晶體管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器由伏安特性曲線可見光敏晶體管對光信號具有放大作用光敏晶體管伏安特性曲線8.2光電器件

光敏晶體管光敏晶體管伏安特性傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器光敏晶體管的光譜特性硅材料的光敏管峰值波長在0.9μm附近（可見光）靈敏度最大；探測可見光或赤熱狀物體時波長短,一般都用硅管0.9μm；鍺管的峰值波長約為1.5μm（紅外光）對紅外進行探測時用鍺管較適宜。基本參數(shù)光敏晶體管光譜特性8.2光電器件

光敏晶體管傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器硅光敏三極管基本參數(shù)傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器

光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，是直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時就是電源(太陽能電池)所以廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動控制等。光電池符號8.2光電器件

光電池光信號光電池電信號傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器太陽能手機充電器LED太陽能供電警示牌太陽能電池8.2光電器件

光電池

光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。硒、硅光電池轉(zhuǎn)換效率高、價廉；砷化鎵材料的光譜響應(yīng)與太陽光譜吻合、耐高溫和宇宙射線。傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器光電池結(jié)構(gòu)光電池實質(zhì)是一個大面積PN結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁。原理：當(dāng)光照射PN結(jié)的一個面時，電子—空穴對迅速擴散，在結(jié)電場作用下建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。一般普通光電池可產(chǎn)生0.2V～0.6V電壓，50mA電流。

光電池結(jié)構(gòu)光電池工作原理示意圖

8.2光電器件

光電池傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器1.光照特性開路電壓—光生電動勢與照度之間關(guān)系；開路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，開路電壓在照度2000lx趨于飽和。短路電流—光電流與照度之間關(guān)系稱短路電流曲線，短路電流是指外接負載相對內(nèi)阻很小時的光電流。實驗證明，RL小線性范圍好，具體根據(jù)光照大小而定，通常RL≈100Ω光電池做電源時當(dāng)電壓源使用,用做控制元件時當(dāng)電流源使用。光電池光照與負載的關(guān)系

光電池光照特性

8.2光電器件

光電池傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器2.光譜特性

光電池對不同波長的光靈敏度不同硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在0.8μm附近，波長范圍0.4～1.2μm。硅光電池可在很寬的波長范圍應(yīng)用。硒光電池光譜響應(yīng)峰值在0.5μm附近,波長范圍0.38～0.75μm。8.2光電器件

光電池傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器硅光電池特性參數(shù)傳感器原理及應(yīng)用第8章

光電式傳感器8.2光電器件

色敏傳感器色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏器件，工作原理基于光電效應(yīng)，該器件可