第8章光电式传感器2
概述
➢ 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转 换成电信号的一种传感器，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 等等。 光电器件响应快、结构简单、而且有较高的可靠 性, 因此在计算机、自动检测、控制系统应用非常广 泛。
概述
料
光
位
电
自
鼠
动
标
控 制
电 梯 自 动 启 停
概述 光敏电阻
光电管 光敏二极管
光电池
概述
光电耦合器 光栅
光电开关 光纤
8.1 光电效应
光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每一个粒 子具有的能量E与其频率大小成正比，光照射就可看成是一 连串具有能量E的粒子轰击在物体上，物体吸收了这些能量 为E的粒子后产生的效应为光电效应。
光敏电阻结构及符号
8.2 光电器件 3.光敏电阻
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——受光照时的阻光值敏、电电阻流具；有光谱特性好、 • 光电流——亮电流与暗电流之差允称许光的电光流电。流大、灵敏度高、
2.0 3.0 4.0
入 射 光 波 长 /m
8.2 光电器件 3.光敏电阻——应用(测试电路)
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
•频率特性
光电器件相对光谱灵敏度 (输出端电压(电流)的振幅) 随调制光频率的变化关系称 为光电器件的频率特性。由 于光电器件有一定的惰性,在 一定幅度的正弦调制光照射 下,当频率较低时,灵敏度与 频率无关;若频率增高,灵敏 度就会逐渐降低。
URI光强
8.2 光电器件 1.光电管
8.2 光电器件 2.光电倍增管
➢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。
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 璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有金属电极， 然后在半导体上覆盖一层漆膜。
• 处于反偏的PN结：
➢ 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， ➢ 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.
8.2 光电器件
光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。
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
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理(外光电效应) 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：
E h
h ——普朗克常数( J S )
• 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
光电器件工作的物理基础是光电效应：
➢ 光电管、光电倍增管 ➢ 光敏二极管、光敏三极管 ➢ 光敏电阻 ➢ 光电池 ➢ 光电耦合器、电荷耦合器
8.2 光电器件 1.光电管
➢ 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
使用寿命长、体积小的特点， 因此应用广泛。
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
➢ 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。
光敏电阻伏安特性
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
➢ 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，
Sr / %
100
1硫化铅
80
60
2硫化铊 40
20
0
10 100 1000 10000
f / Hz
光敏电阻的频率特性
8.2 光电器件 3.光敏电阻——基本特性
➢ 温度特性 光敏电阻的灵敏度、 暗电流与温度的关系。
相 对 灵 / 敏度 ＋ 2 0℃
－ 2 0℃
100 80 60 40 20
0
1.0
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
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应
倍增管等
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 2.内光电效应 在光线的作用下，物体的导电性能发生变化或 产生光生电势的效应称为内光电效应。 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 常见的有光敏电阻。
——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大
8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 1.外光电效应
➢ 如果光子的能量E大于电子的逸出功A，这时逸 出物体表面的电子就具有动能，产生光电子发射。
由能量守恒定律有： Eh 12mv02 A
➢能否产生外光电效应，取决于光子的能量是否
常见的器件有
大于物体表面的电子逸出功。光电管、光电