光电式传感器及其应用精品

100 80
20 0C
60
40
20
20 0C
0 10000 20000 30000 40000
波长/
。
A
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线的峰值随着 温度上升向波长短的方向移动。
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第8章 光电式传感器及其应用
常用材料光敏电阻的典型参数
常见光敏电阻
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第8章 光电式传感器及其应用
四、光电二极管和光电三极管
响应时间长短与照度有关
相对光电流/%
0 0.5 1 1.5
100 500lx 100lx 10lx
80
60
40
20
500lx 100lx 10lx
0 4 8 32 光入射后的时间/S
(a)
不同材料的
Sr/%
1 100
80
60
40
2
20
0 10 100 1000 10000
光敏电阻具 有不同的时 间常数及频 率特性 1-硫化铅 2-硫化铊。
大于该物体的表面电子逸出功A0；2逸出的光电子 具有动能； 3、 一定时，产生的光电流和光强成
正比
基于外光电效应的光电器件：
光电管、光电倍增管、光电摄像
管等
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第8章 光电式传感器及其应用
二、内光电效应
当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电 动势的现象。
1. 光电导效应 当光照射在物体上，电子吸收光子能量从键合状态过度到 自由状态而使物体的电导率发生变化的现象 常见器件：光敏电阻 原理：光→半导体→电子吸收能量（ hγ E g）→跃迁
1-氧铯阴极 2-锑铯阴极
光照特性曲线的斜率称为光电管的 灵敏度。
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第8章 光电式传感器及其应用
2、光电管的特性 光电管的光谱特性 同一光电管对于不同频率的光，具有不同的灵敏度 例：对GD-4型光电管，阴极采用锑铯材料，对可见光范 围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于 各种光电式自动检测仪表中。 对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。 对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。
基极电极
输入光
发射极 电极
发射极E 保护膜
(SiO2)
基极B 集电极C
P
ICO
N
N＋
N ·ICO＝IC
集电极电极
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(a)
＋
C ICO
B E
ICO (1 ＋)ICO
－
(b)
第8章 光电式传感器及其应用
2.光敏管的特性
1)光谱特性
光电三极管的光谱特性曲线与光电二极管的相似。由图
可见,当入射光的波长增加时,相对灵敏度要下降,这是因为
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第8章 光电式传感器及其应用
5.2 光电器件(光电传感器)
光电管: 光电倍增管： 光敏电阻: 光电二极管： 光电三极管 : 光电池:
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第8章 光电式传感器及其应用
一、光电管 1. 光电管结构和工作原理
结构：在真空玻璃管内装有光电阴极(逸出功小的光敏材料涂敷 在玻璃管内壁)和阳极，感光面对准光的照射孔。当光线照射到 光敏材料，便有电子逸出，并被正电位的阳极吸引，在光电管 内形成空间电子流，在外电路就产生电流。
第8章 光电式传感器及其应用
几种光电倍增管的外形
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第8章 光电式传感器及其应用
2. 光电倍增管的基本特性 光电特性
光电倍增管的阳极输出电 流与照射在光电阴极上的 光通量之间关系
阳极电 流 / A
10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11
与直线最大 偏离是3%
在 45mA 处饱和
→电子-空穴对→阻值降低，导电性能增强，电导率增 大
Eg
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第8章 光电式传感器及其应用
2、光生伏特效应
光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势 的现象。 常见器件：光敏二极管、三极管、光电池等。
原理：光→PN结→电子→N, 空穴→P→电动势
光
光线照射PN结时，设光 子能量大于禁带宽度Eg，
应根据光源的性质， 选择合适的光电元件 （匹配）使光电元件 得到较高得相对灵敏 度。
光敏电阻的光谱灵敏度
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第8章 光电式传感器及其应用
6) 伏安特性
在一定照度下,光敏电阻两端所加的电压与光电流 之间的关系,称为伏安特性。
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①一定光照，R一定，
10 00lx 25
10 0lx
I正比于U。 ②一定电压，I随着光 照E增强而增大。
原理：基于外光电效应； 光→阴极→光电子→阳极→空间
电子流→外接电阻→压降U=f(I)
（实现光电转换） 特点：简单，灵敏度低
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第8章 光电式传感器及其应用
2、光电管的特性 光电管的伏安特性曲线
当入射光的频率和通量确定时，阳极电压与电流之间的 关系称为伏安特性
IA/μA
12
10 8 6 4 2
120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm 20μlm
0.01
波长/μ m
3
0.05 0.1
1 0.5
10 5
极远紫外
远 近可见光 近红外 紫紫 外外
远红外
对于不同波长 的光有不同的 光学传感器
第8章 光电式传感器及其应用
5.1 光电效应和热释电效应
光电效应：光照射某一物体，可以看作是一连串能量为E 的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子， 电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使 受光照射的物体产生相应的电效应，称这种物理效应为光 电效应。 光子能量正比于光的频率。
电极
金属壳
黑色绝缘玻璃
光导体
引线
光敏电阻的电极构造与封装
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第8章 光电式传感器及其应用
原理：基于光电导效应
I
无光照：光敏电阻阻值很大;
RL
有光照：光子能量大于材料禁带宽度,
RG
价带中的电子吸收光子能量后跃迁到 E
导带,激发出电子-空穴对,使电阻降低;
光线愈强,激发出的电子-空穴对越多,电
阻值越低;
－＋
使价带中的电子跃迁到
＋
P
－＋
N
－
导带，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
光 生 电 子 —空 穴 对
带负电，形成光电动势。
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第8章 光电式传感器及其应用
三、 热释电效应（红外检测） 热释电效应：当一些晶体温度变化时，其原子排列将 发生变化，晶体自然极化，在晶体两表面产生电荷的 现象。包含光-热、热-电两个阶段的变换过程。 热释电材料:热释电晶体(铌酸锂、钽酸锂)、热释电 陶瓷(钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PZT）)和热释 电塑料(聚偏二氟乙烯（PVDF）)等。 应用：红外探测器、温度传感器、热成像器件等
第8章 光电式传感器及其应用
二、 光电倍增管 1.结构与原理
光电管缺点：灵敏度 较低
倍增极
入射光 E1 E3
改进：光电倍增管
A
阳极
原理：利用二次电子释
K E2 E4
光电阴极
放效应,将光电流在管内
部进行放大。 二次电子释放效应：高
设第一倍增极有δ个二次电子发出，经过 n次加速和轰击加速后，产生的电子数为
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第8章 光电式传感器及其应用
4) 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。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。
光电流 / mA
0.2 5 0.2 0 0.1 5 0.1 0 0.0 5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 光通量 / l m
光敏电阻的光照特性
多数是非线性的。不宜 做线性测量元件，一般 用做开关式的光电转换 器。
阳极电压增高：光电流随之 增大。当阴极发射的电子能 全部到达阳极时，阳极电流 便很稳定，称为饱和状态。
0
50 100 150 阴极电压/V
真空光电管
阳极电压较低：阴极发射的电子部分到 达阳极，其余受光电子在真空中运动时 所11 形成的负电场作用，回到阴极。
第8章 光电式传感器及其应用
2、光电管的特性 光电管的光，阳极电流I与入射光在阴极上的光通量之间 的关系。
速电子撞击固体表面,再 δn
发射出二次电子的现象。
δ称为二次电子发射比
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几种常见的光电倍增管结构：
聚焦 光栅
玻璃真空管 阳极 (a)
光 光电 层 云母 屏蔽板
阳极 倍增极 聚焦 电极
光阴 极 聚焦 环
端窗 导电 层
入射 光
(b)
阴极 倍增极
阳极
阴极 倍增极
阳极
(d) (c)
几种常见光电倍增管的结构
外光电效应 内光电效应
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第8章 光电式传感器及其应用
一、 外光电效应
外光电效应：在光线作用下，物体内的电子获得光子的能量
从而脱离正电荷的束缚，逸出物体表面向外发射的现象。
条件：光子能量大于该物体的表面逸出功
光电效应方程： h

1 2
m02

A0
克服逸出功；转 化为电子的动能
结论：1光电子能否产生，取决于光子的能量是否
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第8章 光电式传感器及其应用
5)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。
10 0
80
60
硫化铅
40
硫化铊
20
硫化镉
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3