第8章半导体光敏传感器基础
光敏传感器的原理及应用
光敏传感器的原理及应用概述光敏传感器是一种能够感知、测量光线强度的设备，通过光敏元件将光信号转化为电信号，从而实现对光的检测和测量。
本文将介绍光敏传感器的原理、分类以及其在不同领域的应用。
光敏传感器的原理光敏传感器的原理是基于光敏效应，即某些材料在受到光照射时会产生电信号。
以下是常见的光敏传感器原理：1.光电效应：基于光子将电子从固体材料中解离出来的现象。
光电效应包括外光电效应和内光电效应两种形式，分别应用于光电导、光电二极管等光敏传感器中。
2.光致电导效应：当光照射到某些半导体材料中时，会产生电导率变化。
此原理常应用于光致电导传感器中。
3.光敏材料的电阻变化：某些光敏材料在受到光照射时，其电阻值会发生变化。
基于该原理的光敏传感器常被用于光敏电阻或光敏电阻器件。
4.光伏效应：某些半导体材料在光照射下会产生电压或电流变化。
光伏效应广泛应用于太阳能电池等光伏元件。
光敏传感器的分类根据不同的原理和应用，光敏传感器可以分为以下几类：1.光敏电阻（Photoresistor）：光照射导致电阻值变化，常用于光控开关、光敏灯等设备。
2.光敏二极管（Photodiode）：光照射产生电流，用于光通信、遥控等应用。
3.光敏三极管（Phototransistor）：光照射产生电流放大效应，常用于光电传感器、光电开关等设备。
4.光敏电容（Photo Capacitor）：光照射改变电容值，常用于光敏触摸屏、光敏开关等。
5.光敏电阻器（Photoconductive Cell）：光照射降低电阻值，常用于曝光控制、自动调光等应用。
6.光敏四极管（Photo Quad）：光照射引发正向信号，常用于光电传感器、图像捕捉等。
光敏传感器的应用领域光敏传感器广泛应用于以下领域：自动化控制•工业自动化：用于光电开关、光电传感器等设备，实现对物体的检测、计数、位置判断等。
•家居自动化：用于照明控制、智能窗帘、安防系统等，实现对环境的感知和控制。
半导体敏感元件(光敏)-PPT精品文档
有光照时PN结能带图
2.光电效应
外光电效应
沈 阳 工 业 大 学
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
1 2 hv mv 0 A 0 2
真空光电管的伏安特性
光电管
光电倍增管
3.光电管
（1）光照特性
光电管的基本特性
沈 阳 工 业 大 学
通常指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。
有光照时
( n n ) q ( p p ) q
0 n 0 p 0
pn
本征光电导
h Eg
0
hc 1240 (nm ) E E g g
光敏电阻器及其测量电路
杂质吸收系数小于本征吸收系数，杂质中激发的光生载流子浓度较小
4.光电导效应器件-光敏电阻器
（4）响应时间和频率特性
E 基本特性
沈 阳 工 业 大 学
光电导的弛豫现象： 光电流的变化对于光的变化，在
时间上有一个滞后。通常用响应时间
t表示。 当光突然照到光电二极管上时，输
出信号从峰值的10%上升到90%的时间，
表示响应速度
tr 2 .2 C jR L
频率特性差是光敏电阻的一个缺点。
4.光电导效应器件-光敏电阻器
沈 阳 工 业 大 学
农作物日照时数测定。输出接 单片机的I/O口，每2分钟对此口查 询1次，为高电平，计数一次，为 低电平，不计数。1天查询720次。 无光照V0=VL，有光照V0=VH。光照
Rw
A
RC
V0
RG
时间 H。
N H 24 (h ) 720
4.光电导效应器件-光敏电阻器
光敏传感器概要PPT课件
6.1.1 光谱
图 6-2光谱分布图
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6.1.3 光源
• 对光源的要求： 6.1.2 光学传感器的相关计量单位
光源应保证均匀、无遮挡或阴影 光源的照射方式应符合传感器的测量要求 光源的发热量应尽可能小 光源发出的光必须具有合适的光谱范围 光源必须具有足够的照度
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图18
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（4）光照特性
图19表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下， 光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光 敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。 因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之 处。一般在自动控制系统中用作光电开关。
I/mA
图 6-15光电倍增管阳极灵敏度和放大倍数随工作电压变化曲线
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6.2.1.3 光电倍增管
图 6-16光电倍增管的光电特性
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6.2.1.3 光电倍增管
• 光电倍增管的应用领域 • 光电倍增管和半导体光电器件应用举例
图 6-17 Super-Kamiokanden内部的PMT阵列
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表1
图17
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（3） 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时, 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区 的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 图18 为硫化铅光敏电 阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的 方向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下 使用。 对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些。
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图16
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光敏传感器(教学用)
阳极A
阴极K
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→第一倍增极有多个二次光电子发出→这些电子又轰击第 二倍增极→产生更多的二次电子发出→经过n个倍增极后，电 子数目得到倍增→光电倍增管的放大倍数是很高的。
阳极A
阴极K
ns np
定义：二次电子发射系数——
极面上光通量的比值。
SA iA
充气光电二极管伏安特性曲线
IA/μA
IA
UA
0
20
40
60
80
UA/V
真空光电二极管 充气光电二极管
充气光电二极管伏安特性曲线
但充气光电二极管两端所加的电压UA不能过高。 原因: ①阳极电压过大，管子会因自激放电而损坏。
②为了降低阴极受正离子的轰击而产生的损耗，阴 极电流也不能过大，所以阳极电压不能过高。
按照光电发射二极管的原理可以分为真空光电二极管 和充气光电二极管两类。
（1）真空光电二极管
玻璃壳内抽成真空。 真空光电二极管的伏安特性曲线
IA/ μA
4 3 2 1 0 20 40 0.11lm
IA UA
当入射光γ>γ0时，可以看出:
0.05lm
0.02lm 60
光通量 /lm
阳极与阴极间的电压UA/V
电能
用光照射光电材料（感应光信号的材料）后，材料本身 的电学性质发生变化。人们可以通过对电信号的测量来了解 光信号的信息。
三、光敏传感器的分类（4类）
1．光电效应传感器
应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物 体上使物体电学性质改变（发射电子或电导率发生变化）的 现象。
传感器原理与应用习题第8章光电式传感器
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。
8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：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。
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。
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。
8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。
当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。
答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。
8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。
8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。
8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。
8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。
答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。
8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。
《传感器与检测技术》课后习题：第八章(含答案)
第八章习题答案1．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以解释。
解：光电效应首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号,光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：a)在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应;b)受光照的物体导电率1R发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。
2．分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。
解：外光电效应，如光电管、光电倍增管等。
内光电效应，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。
3．简述CCD 的工作原理。
解：CCD 的工作原理如下：首先构成CCD 的基本单元是MOS 电容器，如果MOS 电容器中的半导体是P 型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，成为蓄积电荷的场所。
CCD 的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS 电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化层，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。
CCD 的基本功能是存储与转移信息电荷，为了实现信号电荷的转换：必须使MOS 电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合；控制相邻MOC 电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处；在CCD 中电荷的转移必须按照确定的方向。
4．说明光纤传输的原理。
解：光在空间是直线传播的。
在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。
当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。
设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。
当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi 角时，根据斯涅耳（Snell ）光的折射定律，在光纤内折射成θj ，然后以θk 角入射至纤芯与包层的界面。
若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角θk 应大于临界角φc （处于临界状态时，θr =90º），即:21arcsin k c n n θϕ≥=且在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。
8[1].2光敏传感器
![8[1].2光敏传感器](https://img.taocdn.com/s3/m/3fb6166327d3240c8447efcf.png)
E I I RL RG RG
32
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 二、光敏电阻 (三)光敏电阻与负载的匹配
E I RL RG
E I I RL RG RG
- E RG E E I RL RG RG RL RG ( RL RG ) 2
h
式中
hc
1.24
Eg
eV
ν和λ—入射光的频率和波长。
16
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 二、光敏电阻 (一)光敏电阻的原理和结构
也就是说，一种光电导体，存在一个照射光 的临界波长λ0 ，只有波长小于λ0的光照射在光电 导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使 光电导体电导率增加。
IU≤Pmax 或
Pmax I U
(8-39)
I 和 U分别为通过光敏电阻的电流和它两端的电压。 因Pmax数值一定，满足(8-39)式的图形为双曲线。
2光敏传感器 二、光敏电阻 (三)光敏电阻与负载的匹配
Pmax双曲线在左下部分为允许的工作区域。
图8-43 光敏电阻的测量电路及伏—安特性
光电效应的实验装置示意图
光电效应的伏安曲线
5
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 一、光电效应 （一）外光电效应
E h
光子的能量： E
h
(8-36) 为普朗克常数；
式中： h =6.626×10-34(J· s) v =光的频率(s-1)。
6
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 一、光电效应 （一）外光电效应
20
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 二、光敏电阻 (三)光敏电阻的主要参数和基本特性 1.暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温条件下，全暗后经过一定时间测量的 电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。 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。 亮电流与暗电流之差，称为光电流。
半导体传感器物理基础
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响应速度
传感器应能快速响应外部变化。
设计原则与流程
1. 确定应用需求
明确传感器需要检测的物理量。
2. 选择敏感材料
根据需求选择合适的半导体材料。
设计原则与流程
3. 设计结构
确定传感器的结构、尺寸和形状。
4. 优化设计
通过仿真和实验验证，对设计进行 优化。
5. 制造与测试
将设计转化为实际产品，并进行性 能测试。
线性范围
传感器输入与输出之间保持线 性关系的范围。
稳定性
传感器在长时间内保持性能不 变的能力。
灵敏度
传感器输出变化量与输入变化 量的比值，表示传感器对外部 变化的响应程度。
分辨率
传感器能够检测到的最小输入 变化量。
响应速度
传感器对外部变化的响应速度， 即从静态到动态所需的时间。
05
半导体传感器应用实例
制造工艺与材料
薄膜沉积
通过物理或化学方法在衬底上沉积敏感材 料。
常用材料
硅、锗、硫化铅等半导体材料常用于制造 半导体传感器。
光刻与刻蚀
将设计好的图案转移到衬底上，形成传感 器的结构。
封装与测试
将传感器封装在适当的壳体中，并进行性 能测试。
掺杂与退火
对材料进行掺杂和热处理，以改变其电学 性质。
传感器性能参数
分类
根据工作原理和应用领域，半导体传 感器可分为温度传感器、压力传感器 、磁场传感器等。
工作原理与特点
工作原理
半导体传感器的工作原理主要基于半导体的电阻随物理量变 化的特性。例如，温度传感器利用半导体的电阻随温度变化 的特性，压力传感器利用半导体的压阻效应等。
特点
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第8章半导体光敏传感器基础
8.2 光电器件
图8-3 光电倍增管 第8章半导体光敏传感器基(础a)结构图；(b)原理图；(c)供电电路
8.2 光电器件
8.2.2.2 光电倍增管的主要参数
1.倍增系数M
当各倍增极二次电子发射系数 i=σ时，M=n，则阳 极电流为
第8章半导体光敏传感器基础
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射时发射光电 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。
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。
第8章半导体光敏传感器基础
8.1 光电效应
8.1.2 内光电效应
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。
第8章半导体光敏传感器基础
8.1 光电效应
8.1.2.2 光生伏特效应
在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象称 为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件有光电池和 光敏晶体管。
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，若 光子能量大于其禁带宽度Eg，使价带电子跃迁到导带，产生 电子—空穴对，由于阻挡层内电场的作用，形成光电动势的 现象称为结光电效应。 2．侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光照 产生的电子—空穴对）浓度梯度的存在将会产生侧向光电效 应。光照强的部分带正电，光照弱的部分带负电。
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
第8章半导体光敏传感器基础
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
第8章 光敏传感器
光 电信号
8．1 光电效应 8．2 光电器件 8．3 光源及光学元件
第8章半导体光敏传感器基础
光学术语名词：
流明，光通量的单位。发光强度为1坎德拉(cd) 的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的 光通量为“1流明”，英文缩写(lm)。
照度：从同一方向看，在给定方向上的任何表面 的每单位投影面积上的光照强度（光度）。单位 为英尺朗伯。照度(Luminosity)指物体被照亮 的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示， 表示单位为勒克斯(Lux,lx) ，即 lm/m2 。 1 勒克斯等于 1 流明(lumen,lm)的光通量均匀分 布于 1m2 面积上的光照度。照度是以垂直面所 接受的光通量为标准，若倾斜照射则照度下降。
第8章半导体光敏传感器基础
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。
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
第8章半导体光敏传感器基础
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。
图8-1 光电管的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ构和工作原理
第8章半导体光敏传感器基础
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。
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）。
第8章半导体光敏传感器基础
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）