第10章+光电式传感器

光 电 流/ m A
0 .2 0 0 .1 5 0 .1 0 0 .0 5 0 0 .2 0 .4 0 .6 光 通 量 / lm 0 .8
光敏电阻的光照特性
第十章 光电式传感器
3、光谱特性 光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且 不同种类光敏电阻峰值波长也不同。光敏电阻的光 谱灵敏度和峰值波长与所采用材料、掺杂浓度有关。
第十章 光电式传感器
第十章 光电式传感器
10.1 光电管 10.2 光电倍增管 10.3 光敏电阻
10.4 光敏二极管和光敏晶体管
10.5 光电池 10.6 光电式传感器的应用
第十章 光电式传感器
光电效应
一、光电效应的类型 光电器件工作的物理基础是光电效应，光电效应 分为外光电效应和内光电效应。 二、外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向 外发射的现 象称为外光电效应。 1、光电子 物体向外发射的电子叫做光电子。
电极
光导 体
光敏电阻的电极构造
第十章 光电式传感器
三、光敏电阻的主要参数 1、暗电阻和暗电流 室温条件下,光敏电阻在全暗后经过一定时间测 得的电阻值,称为暗电阻。此时在给定工作电压下流 过光敏电阻的电流称为暗电流。 2、亮电阻和光电流 光敏电阻在某一光照下的阻值,称为该光照下的亮 电阻 , 此时流过的电流称为亮电流。
第十章 光电式传感器
h
hc


1 . 24Leabharlann Eg ——入射光的频率；
——入射光的波长 。
电子能级示意图
对于一种光电导体材料，总存在一个照射光波 长限λc，只有波长小于λc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。
第十章 光电式传感器
3、光生伏特效应 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。基于该效应的光电器件有光电 池和光敏二极管、三极管。 ① 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。
35 1 00 0 lx 25 1 00 lx
电 流/ m A
15 耗 散 功 率 00 m W 5 5 0 40 80 1 20 1 60 2 00 1 0 lx
电压 / V
光敏电阻的伏安特性
第十章 光电式传感器
2、光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光 敏电阻的光照特性。
0 .2 5
10.3 光敏电阻
一、光敏电阻的工作原理 光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制 成的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器 件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。无光 照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电 流）很小。
第十章 光电式传感器
二、 光敏电阻的结构
第十章 光电式传感器
光阴 极
聚焦 光栅
聚焦 环 阳极 倍增 极 入射 光
端窗 导电 层
光 光电 层 玻璃 真空 管 阳极 (a ) 云母 屏蔽 板
聚焦 电极
(b )
阴极 倍增 极 阴极 倍增 极 (c ) 阳极 (d )
阳极
几种常见光电倍增管的结构
第十章 光电式传感器
几种光电倍增管的外形
第十章 光电式传感器
第十章 光电式传感器
10.1 光电管
光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃 管,图中左边的一种,光电阴极是在玻璃管内壁涂上阴 极涂料构成的;右边的一种,光电阴极是在玻璃管内装 入涂有阴极涂料的柱面形极板构成的。
光 电 阴 极
阳 极
等效电路图 光电管示意图
第十章 光电式传感器
光电管的灵敏度较低,有一种充气光电管,在管内 充以少量的惰性气体,如氩或氖(或充氦,也有充混合气 体的)。 负载 线
1 00 80 60 40 20 0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3 硫化 铊 硫化 镉 硫化 铅
光敏电阻的光谱灵敏度
第十章 光电式传感器
图为硫化镉、硫化铅、硫化铊光敏电阻的光谱特 性曲线。由图可见,硫化镉光敏电阻的光谱响应峰值在 可见光区域,接近人的视觉特性;而硫化铅在红外区域。 在选用光敏电阻时,应和光源的光谱特性相匹配,以取得 好的效果。
度 相 对 灵 敏 /
80 60 40 20 0
tt11,,tt12 ： 上 升 时 间 : 上升时间 t2 , t2
t′ , t2 ： 下 降 时 间 ′ 1
: 下降时间
t1
t 1
t2
光敏电阻的响应时间
t2
t1 ′
2 tt 2′
t
第十章 光电式传感器
由于不同材料的光敏电阻有不同的响应时间,因 而它们的频率特性也不相同。图表示不同材料光敏 电阻的频率特性,即相对光谱灵敏度与照度调制频率 的关系曲线。
第十章 光电式传感器
以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于 禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电 子－空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的 电子移向N区外侧 ，被光激发的空穴移向P区外侧，从 而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势
光 P － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － 光生 电子 — 空穴 对 N
1 00 80 60 40 20 0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3 硫化 铊 硫化 镉 硫化 铅
第十章 光电式传感器
4、响应时间和频率特性 在阶跃脉冲光照射下,光敏电阻的光电流要经历 一段时间才达到最大饱和值,光照停止后,光电流也要 经历一段时间才下降到零。这是光电导的驰豫现象, 通常用响应时间来描述。响应时间又分为上升时间t1、 t1′ 和下降时间t2 、t2′。
第十章 光电式传感器
2、光子 ①光子的能量 每个光子具有的能量可由下式确定：
E h
② 逸出功A0
h ——普朗克常数，6.626×10-34J· s

——光的频率（s-1）。
物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服 逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。
第十章 光电式传感器
3、爱因斯坦光电效应方程
如果一个电子要想逸出，光子能量 必须超出逸 h 出功A0，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根 据能量守恒定理
爱因斯坦光电效应方程
h
1 2
mv 0 A 0
2
m ——电子质量；
v 0 ——电子逸出速度。
① 光电子产生的条件
若 h A0
h A0
那么对应的光的频率称为红限频率或波长限。
第十章 光电式传感器
常用时间常数τ来描述响应时间的长短。产品说明 中也往往给出时间常数的值,多数光敏电阻时间常数在 10-6 ～1s数量级。实验表明:光敏电阻的响应时间与前 历时间有关,在暗处放置时间越长,响应时间越长;响应 时间也与照度有关,照度越大,响应时间越短。
1 00 1 00 l x 1 lx
第十章 光电式传感器
②当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强 成正比。即光强愈大。意味着入射光子数目越多，逸 出的电子数也就越多。 ③光电子逸出物体表面具有初始动能，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 电流产生。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。
亮电流与暗电流之差称为光电流。
第十章 光电式传感器
四、光敏电阻的基本特性 1、伏安特性 在给定的偏压下,光照度越大,光电流也越大;在一 定的光照度下,电压越大,光电流越大,且没有饱和现象。 但是不能无限制地提高电压,任何光敏电阻都有最大额 定功率,最高工作电压和最大额定电流。
35 1 00 0 lx 25 1 00 lx
第十章 光电式传感器
倍增极的形状和位置设计得正好能使前一级倍增 极发射的电子继续轰击后一级倍增极。从阴极开始及 在每个倍增极间依次加上加速电压。 设每级的倍增率为,经过N个倍增极后,光电倍增 管的光电流倍增率将为 N。
入射 光 E 1倍增极E 3
A 阳极
阴极K
E 2倍增极 E 4
光电倍增管示意图
0 .1 lm 4
1 M 5 M
10 M
阳 极 电 流 A /
3 2 1 0 40
0 .0 5 lm
0 .0 2 lm
80 阳 极 电 压/ V
1 20
真空光电管的伏安特性曲线
当光通量一定时,阳极电压与阳极电流的关系,叫光 电管的伏安特性曲线。
第十章 光电式传感器
当入射光比较弱时,由于光电子较少,只用较低的阳 极电压就能收集到所有的光电子,而且输出电流很快就 可以达到饱和;当入射光比较强时,使输出电流达到饱和, 则需要较高的阳极电压。光电管的工作点应选在光电流 与阳极电压无关的饱和区域内。
Sr / % 1 00 80 60 硫化 铊 40 20 0 硫化 铅
10
1 00
1 00 0
1 00 00
f / Hz
光敏电阻的频率特性
第十章 光电式传感器
5、温度特性 当温度升高时,光敏电阻的暗电阻和灵敏度都下降,因 此光电流随温度升高而减小。
0 .2 0 0 .1 5
光 电 流mA /
光敏电阻的结构如图所示。由于光电效应只限于 光照表面的薄层,一般都把半导体材料制成薄膜,并赋予 适当的电阻值,电极构造通常做成梳形。
玻璃 光电 导层 电极 绝缘 衬底 金属 壳 黑色 绝缘玻 璃 引线
光敏电阻结构图
第十章 光电式传感器
光敏电阻具有灵敏度高,光谱响应范围宽,体积小, 重量轻,机械强度高,耐冲击,抗过载能力强,耗散功率大, 以及寿命长等特点。
电 流/ m A
15 耗 散 功 率 00 m W 5 5 0 40 80 1 20 1 60 2 00 1 0 lx