传感器原理_孟立凡-蓝金辉 Ch10

10.2光电式传器中的敏感元件
当光照射在某些物体上时，光能量作用于实 测物而释放出电子，这种现象称为光电效应，所 放出的电子叫光电子。光电效应一般分为外光电 效应和内光电效应两大类。根据这些效应可以做 出相应的光电转换元件，简称光电元件或光敏器 件。
10.2.1
外光电效应型光电器件
光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量 传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得 足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面 而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。 爱因斯坦的光子假设：光子是具有能量的粒子，每一光子 的能量:
光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光 谱特性很相似。
思考题
1. 什么是外光电效应？
2. 说明爱因斯坦光电效应方程的含义。 3.什么是红限频率？ 4.简述光电倍增管的工作原理。
10.2.2
内光电效应型光电器件
内光电效应是指某些半导体材料在入射光能量的激发下 产生电子－空穴对，致使材料电性能改变的现象。 这种效应可分为因光照引起半导体电阻值变化的光导 效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。
光电倍增管的优点是放大倍数很高,可达106, 线性好,频 率特性好；缺点是体积大,需数百伏至1 kV的直流电压供电。 光电倍增管一般用于微弱光输入、要求反映速度很快的场合。
2）主要参数 （1）倍增系数M 倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数δi 的乘积。 如果n个倍增电极的δi都一样，则阳极电流I为
光生伏特效应原理 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫 做光生伏特效应。 势垒效应（结光电效应）。 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便 引起光电动势，这就是结光电效应。
以PN结为例，主要光电转换过程如下:当用光子能量 hν≥Eg（ Eg为禁带宽度）的入射光照射半导体PN结时,半导 体内的电子吸收能量,可激发出电子——空穴对。这些非平衡 载流子如果运动到PN结附近,就会在PN结内建电场E内的作用 下分离。电子逆着E内的方向向N区运动,而空穴沿着E内的方 向向P区移动,如图(a)所示。结果在N区边界积累了电子,在P 区边界积累了空穴,如图(b)所示。这样就产生了一个与平衡 态PN结内建场方向(由N区指向P区)相反的光生电场(由P区指 向N区),即在P区与N区间建立了光生电动势。这样就把光能 转化成了电能。若在两极间接上负载,则会有光生电流通过负 载。
被测 光量 （ a） 光学元件 光电元件 测量电路
光 学 元 件
调制件 或 被测件
光 学 元 件
光 电 元 件
测 量 电 路
（ b）
常用的光电转换元件有真空光电管、充气光 电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二 极管及光敏三极管等，它们的作用是检测照射其 上的光通量。选用何种形式的光电转换元件取决 于被测参数所需的灵敏度、响应的速度、光源的 特性及测量环境和条件等。
第10章
10.1
光电式传感器
光电式传感器的工作原理及基本组成
10.2
10.3 10.4
光电式传感器中的敏感元件
光电式传感器的类型及设计 光电式传感器的应用
光电式传感器是利用光电器件把光信号 转换成电信号的装置，光电式传感器工作 时，先将被测量转换为光量的变化，然后 通过光电器件再把光量的变化转换为相应 的电量变化，从而实现非电量的测量。其 核心（敏感元件）是光电器件，基础是光 电效应。
基于光导效应的光电器件有光敏电阻；基于光生伏特效 应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光电 位置敏感器件（PSD）。
光导效应原理：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受 到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁 带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓 度增加，从而使电导率变大。
sc 4 3 2 1 5 4 3 2 1
如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子,这 个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极。 设这时第一倍增极有δ个二次电子发出,这δ个电子又轰击第 二倍增极。而其产生的二次电子又增加δ倍。经过n个倍增极 后,原先一个电子将变为δn个电子。这些电子最后被阳极所收 集而在光电阴极与阳极之间形成电流i,则 i=iΦδn 式中： n为二次发射极数；δ为二次电子发射系数。故 输出电压 Usc=iR= iΦδn R
国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红 限λ0=7000Å，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换 效率：25%~30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于 各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极， 构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另 外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度 也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极； 但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异， 因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜 任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。 一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将 有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。
20
光通量
强光 12
16 12
I/ A
I / A
8 4 2 弱光
8 4 0 20 40 U /V 60 80
0
20
40 U /V
60
80
图（a）真空光电管
图（b）充气光电管
2)光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与 光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如下图 所示。
h 1 2 mv
2 0
A
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度； A —表面电子逸出功
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
1
从光子假设中可看到: 2 某一金属（或某一物质）产生光电效应时，有一定的光频 阈值存在。 h 0＝ A 光电子初动能决定于光的频率，而和入射光的强度无关。 不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对 应的极限频率，称为红限频率（ν ０），相应的极限波长称 为阈波长（λ ０）。光线频率低于红限频率，光子能量不足 以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强 再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频 率（波长小于阈波长），即使光线微弱，也会有光电子射出。
光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比） 称为光电管的灵敏度。
锑铯阴极光电管
16 12 2 1
I/ A
8 4
氧铯阴极光电管
0
0.2
0 .4 0.6 /l m
0.8
3)光电管的光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也 有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光 波长之间的关系叫光电管的光谱特性。 一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同 的红限频率0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之 外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率 0， 并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光 电子的数量也会不同，即同一光电管对于不同频率的光 的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各 种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。
0
c
mv
2 0
h A
0

hc A

1 . 24 A
(m )
一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收，无需 积累能量的时间. 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成 的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电 管和光电倍增管。 光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光 电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光 电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而 且截止电压与入射光的频率成正比。
光 电阴 极 A I RL
阳 极
K
E
(2)主要性能 图（a）中，同一光强下，在0～20V范围内，阳极电压增大，光 1)光电管的伏安特性 电子到达阳极的数目也增大，阳极电流急剧增大，当阳极电压大 在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳极所产生 于20V后，随着电压的增大，电流几乎不变，这部分称为饱和区。 的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电传感器 另外，随着光强的增加，光电流增大，即光电流与光强成正比。 参数的主要依据。
I iM i
n i
光电倍增管的电流放大倍数β 为
I
i

n i
（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴 极的灵敏度。入射一个光子在阴极上，最后在阳极上能收 集到的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。
（3）暗电流 一般在使用光电倍增管时，必须把管放在暗室里 避光使用，使其只对入射光起作用。但是，由于环境 温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输 入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。 暗电流主要是热电子发射引起，它随温度增加而增加。 不过暗电流通常可以用补偿电路加以消除。 （4）光电倍增管的光谱特性
导带
自由电子所占能带
不存在电子所占能带 价电子所占能带
Eg
禁带
价带
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁 带宽度Eg，即
h hc


1 . 24

Eg
式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。 材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材 料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射 在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电 导体的电导率增加。电导率的变化体现了电阻率的变化。
2.光电倍增管及其基本特性 1）结构与工作原理 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小， 只有零点几个微安，很不容易探测，这时常用光电倍增管对 电流进行放大，下图是光电倍增管的外形和工作原理图。光 电倍增管由光阴极、倍增电极以及阳极三部分组成。光阴极 是由半导体光电材料锑铯做成。次阴极是在镍或钢－铍的衬 底上涂上锑铯材料而形成的。阳极是最后用来收集电子的。