第8.1章 光电传感器

传感器原理及应用第8章光电式传感器传感器原理及应用第8章光电式传感器主要内容：8.1光电效应8.2光电器件光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光电池、光电耦合器、光电开关传感器原理及应用第8章光电式传感器概述光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电耦合器、光纤等等。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。传感器原理及应用第8章光电式传感器概述光电鼠标传感器原理及应用第8章光电式传感器概述料位自动控制光电开关传感器原理及应用第8章光电式传感器概述光栅光纤光电管光敏电阻8.1概述8.1.1光的特性光波是波长为10~106nm的电磁波。1000,000nm10nm780nm380nm可见光红外光紫外光性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。每个光子的能量为E=hν可见，光的频率愈高，光子的能量愈大。8.1光电效应传感器原理及应用第8章光电式传感器传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应传感器原理及应用第8章光电式传感器8.1光电效应8.1.1工作原理(1)外光电效应在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：EhhJS——普朗克常数()——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大传感器原理及应用第8章光电式传感器8.1光电效应8.1.1工作原理如果光子的能量E大于电子的逸出功A，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。2012EhmvA由能量守恒定律有：传感器原理及应用第8章光电式传感器光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。8.1光电效应8.1.1工作原理(2)内光电效应过程：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。导带价带禁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传感器原理及应用第8章光电式传感器8.1光电效应8.1.1工作原理(2)内光电效应光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：•不加偏压的PN结•处于反偏的PN结传感器原理及应用第8章光电传感器•不加偏压的PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0＞Eg）,可激发出电子——空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有光电池8.1光电效应8.1.1工作原理(2)内光电效应传感器原理及应用第8章光电式传感器•处于反偏的PN结（P接电源负极，N接电源正极）：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管.8.1光电效应8.1.1工作原理(2)内光电效应传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件1、光电管RUI光强当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。因此传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件1、光电管传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件1、光电管传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件2、光电倍增管光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件3、光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻结构及符号传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器3、光敏电阻传感器原理及应用第8章光电式传感器光敏电阻光照特性•无光照时，内部电子被原子束缚具有很高的电阻值；•有光照时，电阻值随光强增加而降低；•光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。•光敏电阻主要参数•暗电阻——无光照时的电阻；•暗电流——无光照时的电流；•亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流；•光电流——亮电流与暗电流之差称光电流。8.2光电器件3、光敏电阻传感器原理及应用第8章光电式传感器伏安特性•给定偏压光照越大光电流越大；•给定光照度电压越大光电流越大；•光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。8.2光电器件3、光敏电阻——基本特性光敏电阻伏安特性传感器原理及应用第8章光电式传感器光谱特性•光敏电阻灵敏度与入射波长有关;•光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，材料与相对灵敏度峰位波长例图：硫化镉（CdS）0.3～0.8(μm)硫化铅（PbS）1.0～3.5(μm)锑化铟（InSb）1.0～7.3(μm)8.2光电器件3、光敏电阻——基本特性传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件3、光敏电阻——基本特性光敏电阻的光谱特性传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件3、光敏电阻——基本特性温度特性温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。光敏电阻温度特性传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管（1）光敏二极管光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个P—N结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。硅光敏二极管结构传感器原理及应用第8章光电式传感器工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，•无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；•有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；•在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；•光电流方向与反向电流一致。8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管基本电路传感器原理及应用第8章光电式传感器基本特性：光照特性，图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。光敏二极管光照特性8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管传感器原理及应用第8章光电式传感器光谱特性，当入射波长＞900nm时，响应下降，因波长长，光子能量小于禁带宽度，不产生电子——空穴对；当入射波长＜900nm时，响应也逐渐下降，波长短的光穿透深度小，使光电流减小。8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管硅光敏二极管光谱响应光敏晶极管光谱响应传感器原理及应用第8章光电式传感器光敏二极管伏—安特性伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管传感器原理及应用第8章光电式传感器温度特性，由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管暗电流与温度关系传感器原理及应用第8章光电式传感器频率响应:光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。光敏二极管频率响应曲线8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管传感器原理及应用第8章光电式传感器与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极—集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管②光敏三极管光敏晶极管结构传感器原理及应用第8章光电式传感器硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。在负载电阻RL上的输出电压为：8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管②光敏三极管0pLViR——晶体管电流放大系数传感器原理及应用第8章光电式传感器光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线如图所示8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管等效电路光敏晶体管伏安特性传感器原理及应用第8章光电式传感器光敏晶体管的光谱特性•硅材料的光敏管峰值波长在0.9μm附近（可见光）灵敏度最大；•可见光或探测赤热状物体时一般都用硅管•锗管的峰值波长约为1.5μm（红外光）•对红外进行探测时用锗管较适宜。8.2光电器件4、光敏二极管和光敏三极管②光敏三极管光敏晶体管光谱特性传感器原理及应用第8章光电式传感器光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。8.2光电器件5、光电池（有源器件）光电池符号传感器原理及应用第8章光电式传感器8.2光电器件5、光电池（有源器件）太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池传感器原理及应用第8章光电式传感器结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子——空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。8.2光电器件5、光电池（有源器件）光电池结构光电池工作原理图传感器原理及应用第8章光电式传感器①光照特性•开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度2000lx下趋于饱和。•短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线曲线，短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流。8.2光电器件5、光电池（有源器件）传感器原理及应用第8章光电式传感器光电池光照特性光电池光照与负载的关系光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，而作为电流源的形式应用。8.2光电器件5、光电池（有源器件）传感器原理及应用第8章光电式传感器②光谱特性光电池对不同波长的光灵敏度不同，•硅光电池的光谱响应峰值在0.8μm附近，波长范围0.4～1.2μm。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。•硒光电池光谱响应峰值在0.5μm附近,波长范围0.38～0.75μm。8.2光电器件5、光电池（有源器件）传感器原理及应用第8章光电式传感器②光