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第刃k芜电式传感器第夕章先电式倍感器81光电器件纤传感器第刃k芜电式传感器8.1光屯器件1. 外光电效应一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=hv（8-1）式中：h普朗克常数=6.626X l（?34（js）。光的频率（S“）O第刃k芜电式传感器第诽芜电式传感器所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越人； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。在光线作用下，物体内的电子逸出物体表而向外发射的现 象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效 应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物 体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功4。时，电子就 会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸 出电子的动能。根据能量守恒定理第诽芜电式传感器第刃k芜电式传感器第刃k芜电式传感器加弓处：+ A)(8-2)式中：m一电子质量；v()电子逸出速度。式(8-2)为爱因斯坦光电效应方程式，由式可知：光子能量必须超过逸出功A。，才能产生光电子；入射光的 频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体 表面时具有初始动能丄加怎,因此对丁外光电效应器件，即使 不加初始阳极电压，屆会有光电流产生，为使光电流为零，必 须加负的截止电压。2. 内光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动 势的效应称为内光电效应。内光电效应乂可分为以下两类：（1）光电导效应#在光线作用下，对于半导体材料吸收了 入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度, 就激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增 加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基丁 这种效应的光电器件。（2 ）光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基丁该效应的光电器件有光电i也、第刃k芜电式传感器坯 第刑：芜电式传取器 _饰; 一BPJBB8.1.1光敏电阻1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻乂称光导管，它儿乎都是用半导体材料制成的光 电器件，其常用的材料有硫化鋼（CdS）、硫化铅（PbS）、锐 化钢（InSb）等。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使 用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电 阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电 阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小, 电路中电流迅速增大。一般希望喑电阻越大越好，亮电阻越小 越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一 般在兆欧量级，亮电阻值在儿千欧以下。第诽芜电式传感器光敏电阻的结构很简单，图&2 (a)为金属封装的硫化镉光 敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体 物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与 引出线端相连接，光敏屯阻就通过引出线端接入屯路。为了防 止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜 的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了 提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图81 (b) 所示。图82 (c)为光敏电阻的接线图。第诽芜电式传感器图&2光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图坯 第珮芜岂式烤冬器 2 光敏电阻的主要参数(1) 暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值 称为喑电阻，此时流过的电流成为喑电流。(2) 亮电阻与亮电流光敏电阻在受光照射时的屯阻称为 亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。坯 第躋芜电式传取器(3) 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻 的暗电阻越人，亮电阻越小，即暗电流要小，亮电流要人, 则光敏电阻的性能越好，灵敏度也高。光敏电阻暗电阻的 阻值一般为兆欧数量级，亮电阻在儿千欧以下。3. 光敏电阻的基本特性(1)伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏 电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图83为硫化 镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光墩电阻在一定的电 压范围内，其/曲线为直线。说明其阻值与入射光量有关，而 与电压电流无关。光照特性 光敏电阻的光腌特性是描述光电流I和光照强 度Z间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝人多数光敏 电阻光照特性是非线性的。图84为硫化镉光敏电阻的光照特性。U/N图8-3硫化镉光敏电阻的伏安特性第律芜电式传感器 _图84光敏电阻的光照特性第刃k芜电式传感器2/A图85光墩电阻的光谱特性第刃k芜电式传感器(2) 光谱特性光敏电阻对入射光的光谱具有选择作川，即光 敏电阻对不同波长的入射光自不同的灵敏度。光敏电阻的相对 光敏灵敏度与入射波反的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称 为光谱响应。图85为儿种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应 于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光 敏电阻光谱响应曲线也不同。从图中可见硫化镉光敏电阻的光 谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量(照度计) 的探头。而硫化铅光墩电阻响应于近红外和屮红外区，常用做 火焰探测器的探头。图8-6光敏电阻的频率特性第刃k芜电式传感器（4）频率特性 实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强 改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这 种惰性通常用时间常数表示。人多数的光敏电阻时间常数都较 大，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间 常数（毫秒数量级），因而它们的频率特性也就各不相同。图 86为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，相比较，硫化铅的 使用频率范围较人。瘁 第律芜电式传感器2 / mm_.图&7硫化铅光敏电阻的光谱温度特性忘务 =.-马三*坯.第了章芜电式怯取器_诵岸亦施蒋匝7诫五丽齐箕它半导体器件一样，受温度影响 较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的 灵敏度和暗电阻也随之改变，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87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。光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流犬、灵敏度高、使 用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对 红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号 相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测呈丿丹作开关式光电伫日血传感元件。珥 第殍宪岂式传感器 8.1.2光敏二极管和光敏晶体管1.结构原理光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳 中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图8-8） o 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-9）,在 没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称 为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附 近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作川下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。奘 第汗芜电式怯取器第了章芜电式传感器图89光敏二极管接线图餐 第汗芜电式传取器光敏晶休管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如图 8-10 (a)所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩人光的 照射面积。光敏晶体管接线如图&10 (b)所示，人多数光敏 晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的 电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电 结时，就会在结附近产生电子-空穴对，光生电子被拉到集电 极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便 会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流 为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。第诽芜电式传感器光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在 需要高增益或人电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图&11 是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体 管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流 放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步 放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的喑电流也 增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。哄 第汗芜电式传取器NPNb莎歹皆乡耕能乂多比礙疽(b)图8-10 NPN型光敏晶休管结构简图和基本电路第诽芜电式传感器图8-11达林顿光敏管的等效电路a）结构简彳第诽芜电式传感器翌；（b）基本电路第诽芜电式传感器第诽芜电式传感器2.基本特性（1）光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输 出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。 硅和错光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图812所示。 从曲线可以看岀，硅的峰值波长约为0.9/Z,错的峰值波长 约为1.5屮m 此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩 短时，相对灵敏度都会下降。一般来讲，错管的暗电流较大, 因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都 用硅管。但对红外光的探测，用错管较为适宜。图812光敏二极(晶体)管的光谱特性第刃k芜电式传感器(2) 伏安特性 图8-13 (a)为硅光敏二极管的伏安特性，横 朋标表示所加的反向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度 的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所 以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压人小的影响。图813 (b)为硅光敏晶体管的伏安特性。纵坐标为光电流, 横他标为集电极发射极电压。从图中可见，由于晶体管的放人 作用，在同样照度下，其光电流比相应的二极管大上百倍。第躋芜电式怯取器集电极一发射极电JR/v&龄豪瞰牡(b)图813硅光敏管的伏安特性(a)硅光敏二极管；(b)硅光敏晶体管二 土 -為 =.=第了章芜电式传感器 _仁第刃k芜电式传感器(3) 频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管输出的光 电流(或相对灵敏度)随频率变化的关系。光敏二极管的频 率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频 率响应时间达10砂。光敏晶体管的频率特性受负载电阻的影 响，图814为光敏晶体管频率特性，减小负载电阻可以提高 频率响应范围，但输出电压响应也减小。坯 第汗芜电式传取器/ kHz图&14光敏詁体管的温度特性第躋芜电式怯取器(4) 温度特性光敏管的温度特性是指光敏管的喑电流及光 电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图8-15所示。 从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小(图)，而 对暗电流影响很大(图)，所以在电子线路屮应该对暗电流进 行温度补偿，否则将会导致输出误差。-绛第歹章芜电式传取器400300200100温度/cS)温度/c孑迄&乡序尬兀疋然(b)图815光敏晶体管的温度特性曲线第了章芜电式传感器& 13光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件，光电池在 有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外 加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。图&16是硅 光电池原理图。它实际上是一个人面积的PN结，当光照射到PN 结的一个面，例如P型面时，若光子能量人于半导体材料的禁 带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建 立一个与光照强度有关的电动势。坯 第律芜电式传取器图816硅光电池原理图(a)结构示意图；(b)等效电路光电池基木特性有以下儿种：(1) 光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。 图816为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知， 不冋材料的光电池，光谱响应峰值所刘应的入射光波氏是不冋 的，硅光电池波长在0.8屮n附近，硒光电池在0.5ym附近。硅光 电池的光谱响应波长范围为0.41.2屮n,而硒光电池只能为 0.380.75屮n。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应 用。第了章芜电式传感器光照特性#光电池在不同光照度下，其光电流和光生电 动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图818为硅光 电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。从图中看出， 短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压(即 负载电阻心无限大时)与光照度的关系是非线性的，并且当照 度在2000 lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时， 应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。第汗芜电式怯取器2/nm图&17硅光电池的光谱特性第琲芜电式传感器O3 2 1 o o OAta却 9 来6 4 2 o o OO002O004照度/1X图818硅光电池的光照特性坯 第汗芜电式传取器(2) 频率特性 图819分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。/ Hz8-19硅光电池和硒电池的频率特性 坯 第汗芜电式传取器温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和 短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器 或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等币:要指标， 因此温度特性是光电池的重要特性2。硅光电池的温度特性 如图&19所示。从图中看出，开路电压随温度升高而下降的速度 较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由丁温度对光电池 的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保 证温度恒定或采取温度补偿措施。第刃k老电式传感器001001.8204060 謬烏/95温度/ C纟二O2.400003002图8-20硅光电池的温度特性_一 二5芜电式传感器 _128.1.4光电耦合器件1.光电耦合器光电耦合器的发光元件和接收元件都封装在一个外 壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。发光器件通常 采用側化镣发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着 正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通 量也增加。光电接收元件可以是光敏二极管和光敏三极管, 也可以是达林顿光敏管。图821为光敏三极管和达林顿光 敏管输出型的光电耦合器。为了保证光电耦合器有较高的 灵敏度，应使发光元件和接收元件的波长匹配。奘 第律芜电式传取器(b)图821光电耦合器纽合形式奘 第汗芜电式传取器2 光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收, 并进行光电转换，同时加以某种形式的放人和控制，从而获 得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。图822为典型的光电开关结构图。图(a)是一种透射式的 光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当 不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收 元件接收不到來自发光元件的光，这样就起到了检测作用。 图(b)是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的 光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所 在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射 的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高 速、一非接触，而且与TTL、_MOS等电路容易结合二 m- g 壬is用光电开关检测物体时，人部分只要求其输出信号有“高 低” (1-0)之分即可。图823是光电开关的基本电路示例。图 (a)、(b)表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的 情况，图(c)表示用晶体管放大光电流的情况。光电开关广泛应用于工业控制、口动化包装线及安全装置 中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检 测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入 接口等。哄 第汗芜电式传取器反射物莎/淳乡浮比爲职(b)图822光电开关的结构(a)透射式；(b)反射式:绛 第躋芜电式怯感器图823光电开关的基本电路:绛 第躋芜电式怯感器&15电荷耦合器件电荷耦合器件（Charge Couple Device,缩写为CCD）是一种 大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它以电 荷为信号，具有光电信号转换、存储、移位并读出信号电荷的 功能。CCD 01970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速, 广泛应用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民 用领域信息存储及信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图 像识别技术。
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