8-光电式传感器

8.1 光电效应
基本规律：
红限频率0（又称光谱域值）：刚好从物体表面打 出光电子的入射光波频率，随物体表面束缚能的不同而 不同，与之对应的光波波长0（红限波长）为 0 =hc/ A0 （8-3） 式中，h=普朗克常数；c—光速；A0—物体的逸出功。 当入射光频谱成分不变时，产生的光电子（或光电 流）与光强成正比。 逸出光电子具有初始动能Ek=mv02/2，故外光电器件 即使没有加阳极电压，也会产生光电流，为了使光电流 为零，必须加负的截止电压。
图8-2 光电管的特性 （a）真空光电管伏安特性；（b）充气光电管伏安特性；（c）光电管的光电特性
8.2 光电器件
3．光谱特性 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。 锑铯（Cs3Sb）材料阴极，红限波长0=0.7 m ，对可 见光的灵敏度较高，转换效率可达20%~30%； 银-氧-铯光电阴极，构成红外探测器，其红限波长 0=1.2m，在近红外区（0.75~0.80m）的灵敏度有极大值， 灵敏度较低，但对红外较敏感； 锑钾钠铯阴极光谱范围较宽（0.3~0.85 m ）灵敏度也 较高，与人眼的光谱特性很接近，是一种新型光电阴极； 对紫外光源，常采用锑铯阴极和镁镉阴极。 光谱特性用量子效率表示。对一定波长入射光的光子 射到物体表面上，该表面所发射的光电子平均数，称为量 子效率，用百分数表示，它直接反映物体对这种波长的光 的光电效应的灵敏度。
8.1 光电效应
8.1.2 内光电效应
当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生 光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电 导效应和光生伏特效应。
8.1.2.1 光电导效应
在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态过 渡到自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导效 应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。 入射光能导出光电导效应的临界波长0为 0=hc/Eg (8-4) 式中，h=普朗克常数；c—光速；Eg—半导体材料禁带宽 度。
8.2 光电器件
当无光照时，管集电结因反偏，集电极与基极间有反向 饱和电流Icbo，该电流流入发射结放大，使集电极与发射极 之间有穿透电流Iceo=(1+)Icbo，此即光敏三极管的暗电 流。当有光照射光敏三极管集电结附近基区时，产生光生 电子-空穴对，使其集电结反向饱和电流大大增加，此即为 光敏三极管集电结的光电流；该电流流入发射结进行放大 成为集电极与发射极间电流，即为光敏三极管的光电流， 它将光敏二极管的光电流放大(1+)倍，所以它比光敏二极 管具有更高的光电转换灵敏度。 由于光敏三极管中对光敏感的部分是光敏二极管，所 以，它们的特性基本相同，只是反应程度即灵敏度差 (1+)倍。
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2．伏安特性 在一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流 之的关系，成为伏安特性。图8-6是CdS光敏电阻的伏安特 性曲线。它是线性电阻，服从欧姆定律，但不同照度下具 有不同的斜率。注意光敏电阻的功耗，使用时保持适当的 工作电压和工作电流。
图8-6 CdS光敏电阻的伏安特性
8.2 光电器件
8.2 光电器件
8.2.1 光电管
8.2.1.1 光电管的结构和工作原理
结构：真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴极 和阳极，阳极加正电位。如图8-1所示。 原理：当光电阴极受到适当波长的光线照社时发射光电 子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成 电子流，在外电路中便产生光电流I。
8.2 光电器件
8.2.2 光电倍增管
8.2.2.1 光电倍增管的结构和工作原理 结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成，如图8-3。 原理：光电倍增管工作时，各倍增极（D1、D2、D3…） 和阳极均加上电压，并依次升高，阴极K电位最低，阳极A 电位最高。入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加 速后，在各倍增极上打出更多的“二次电子”。如果一个电 子在一个倍增极上一次能打出个二次电子，那么一个光电 子经n个倍增极后，最后在阳极会收集到n个电子而在外电 路形成电流。一般=3~6，n为10左右，所以，光电倍增管 的放大倍数很高。 光电倍增管工作的直流电源电压在700~3000V之间，相 邻倍增极间电压为50~100V。
图8-1 光电管的结构和工作原理
8.2
光电器件
8.2.1.2 光电管的特性
1．伏—安特性 当入射光的频谱和光通量一定时，阳极电压与与阳极电流之间的关系 称为伏—安特性。如图8-2（a）、（b）所示。 2．光电特性 当光电管的阳极与阴极间所加电压和入射光谱一定时，阳极电流I与 入射光在光电阴极上的光通量Φ之间的关系。如图解8-2（c）所示。
8.2 光电器件
8.2.4 光敏二极管和光敏三极管
8.2.4.1 光敏管的结构和工作原理 1．光敏二极管 光敏二极管的基本结构就是具有光敏特性的PN结，如图 8-13（a）所示。光敏二极管在电路中处于反向工作状态， 如8-13（b）所示。
图8-13 光敏二极管结构模型和基本工作电路 （a）结构简化模型；（b）基本工作电路
光敏电阻是纯电阻器件，具有很高的光电灵敏度，常作为 光电控制用。
8.2 光电器件
8.2.3.2 光敏电阻的主要特性参数
1．暗电阻、亮电阻和光电流 暗电阻：光敏电阻在室条件下，无光照时具有的电阻 值，称为暗电阻（>1MΩ）。此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻：光敏电阻在一定光照下所具有的电阻称其为在该 光照下的亮电阻（<1kΩ）。此时流过的电流称为亮电流。 光电流=亮电流暗电流。

8.2 光电器件
2．光敏三极管 光敏三极管与光敏二极管的结构相似，内部具有两个PN 结，通常只有两个引出电极。光敏三极管在电路中与普通 三 极管接法相同，管基极开路，集电结反偏，发射结正偏。 如 图8-14所示。
图8-14 NPN型光敏二极管结构模型和基本工作电路 （a）结构简化模型；（b）基本工作电路
图8-11 CdS光敏电阻的温度 特性曲线（光敏度，而且还影响其光谱特性， 温度升高，光谱特性向短波方 向移动，如图8-12所示。
图8-12 PbS光敏电阻的光谱温度特性
7．稳定性 光敏电阻在制作时经加温、光照和加负载条件下一至二 周的老化处理后，其稳定性很好，使用寿命相当长，合理 使用，几乎无限。
8.2
光电器件
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称为光电阴极的 灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为光电倍 增管的总灵敏度。灵敏度曲线见图8-4。 注意:光电倍增管的灵敏度很高，切忌强光源照射。
图8-4 光电倍增管特性曲线
8.2 光电器件
3．暗电流和本底脉冲 在无光照射（暗室）情况下，光电倍增管加上工作电 压后形成的电流称为暗电流。 在光电倍增管阴极前面放一块闪烁体，便构成闪烁计 数器。当闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线照射后，光 电倍增管就有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器 的暗电流，一般称为本底脉冲。 4．光电倍增管的光谱特性 光电倍增管的光谱特性与同材料阴极的光电管的光谱 特性相似。
图8-9 光敏电阻的时间响应曲线
图8-10 光敏电阻的频率特性
8.2 光电器件
6．温度特性 在光照一定的条件下，光敏电阻的阻值随温度的升高而下 降，即温度特性，用温度系数来表示。

R2 R1 100% C T2 T1 R2
(8-7)
式中，R1—在一定光照下，温 度为T1时的阻值；R2—在一定 光照下，温度为T2时的阻值。
第8章 光电式传感器
光
8．1 8．2 8．3 8．4 8．5 8．6 8．7
电信号
光电效应 光电器件 光源及光学元件 光电式传感器的应用 光纤传感器 红外传感器 图像传感器简介
8.1 光电效应
8.1.1 外光电效应
外光电效应：当光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸 出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的 电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：光电管和光 电倍增管。 光子能量： E=h J∙s 式中，h=普朗克常数，h=6.62610-34 J∙s；—光的频率（s-1）。 Einstein光电方程： h=mv02/2+A0 式中，m—电子质量；v0—逸出电子的初速度；A0—物体的逸 出功（或物体表面束缚能）。
8.2 光电器件
无光照时，反向电阻很大，电路中仅有反向饱和漏电 流，一般为10-8~10-9A，称为暗电流，相当于光敏二极管截 止；当有光照射在PN结上时，由于内光电效应，产生光生 电子-空穴对，使少数载流子浓度大大增加，因此，通过 PN结的反向电流也随之增加，形成光电流，相当于光敏二 极管导通；入射光照度变化，光电流也变化。可见，光敏 二极管具有光电转换功能，故又称为光电二极管。

8.2 光电器件
8.2.4.2 光敏管(光敏二极管和光敏三极管)的基本特性
1．光谱特性 光敏管在恒定电压作用和恒定光通量照射下，光电流（用相对值 或相对灵敏度）与入射光波长的关系，称为光敏管的光谱特性，如 图8-15所示。图中可见：
Si光敏管，光谱响应波段400~1300nm，峰值响应波长约为900nm； Ge光敏管，光谱响应波段500~1800nm，峰值响应波长约为1500nm。
图8-15 硅和锗光敏管 的光谱特性
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2．伏安特性 光敏管在一定光照下，其端电压与器件中电流的关系， 称为光敏管的伏安特性。图8-16是Si光敏管在不同光照下的 伏安特性。
图8-16 硅光敏管的伏安特性 （a）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管
8.2 光电器件
3．光照特性 在端电压一定条件下，光敏管的光电流与光照度的关 系，称为光敏管的光照特性。Si光敏管的光照特性如图8-17 所示。
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8.2.3 光敏电阻
8.2.3.1 光敏电阻的结构和工作原理 光敏电阻由梳状电极和均质半导体材料制成，基于内光 电效应，其电阻值随光照而变化。图8-5示出其结构、原理。