第七章光電式傳感器講第1頁，課件共100頁，創作于2023年2月第2頁，課件共100頁，創作于2023年2月第3頁，課件共100頁，創作于2023年2月第4頁，課件共100頁，創作于2023年2月第5頁，課件共100頁，創作于2023年2月第6頁，課件共100頁，創作于2023年2月第7頁，課件共100頁，創作于2023年2月第8頁，課件共100頁，創作于2023年2月光電傳感器的構成：光源、光學通路、光電元件。應用：1、光量變化的非電量；

2、能轉換成光量變化的其他非電量。特點：非接觸、響應快、性能可靠。被測量的變化光信號的變化電信號的變化第9頁，課件共100頁，創作于2023年2月光電式傳感器的應用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、。第10頁，課件共100頁，創作于2023年2月第11頁，課件共100頁，創作于2023年2月第12頁，課件共100頁，創作于2023年2月第13頁，課件共100頁，創作于2023年2月7.1概述1光的特性光波是波長為10~106nm的電磁波。1000,000nm10nm780nm380nm可見光紅外光紫外光性質：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質。第14頁，課件共100頁，創作于2023年2月1905年，愛因斯坦提出了光子假設：光在空間傳播時，是不連續的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運動的粒子流，愛因斯坦把這些不連續的量子稱為“光量子”。1926年，美國物理學家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”，并沿用至今。每個光子的能量為E=hν可見，光的頻率愈高，光子的能量愈大。第15頁，課件共100頁，創作于2023年2月2光源（發光器件）1）.白熾光源最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈的輻射光譜是連續的。發光范圍：320nm~2500nm,

所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點：壽命短而且發熱大、效率低、動態特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。第16頁，課件共100頁，創作于2023年2月2）.氣體放電光源利用電流通過氣體產生發光現象制成的燈即氣體放電燈。它的光譜是不連續的，光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。第17頁，課件共100頁，創作于2023年2月汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發出某一范圍的波長，如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3。第18頁，課件共100頁，創作于2023年2月構成：由半導體PN結構成。特點：工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。

3）.發光二極管（LED——LightEmittingDiode）第19頁，課件共100頁，創作于2023年2月RUNP++++++++++++++++----------------UiD++__原理：當加正向電壓時，勢壘降低，電子由N區注入到P區，和P區里的空穴復合；空穴則由P區注入到N區，和N區里的電子復合，這種電子空穴對的復合同時伴隨著光子的放出，因而發光。第20頁，課件共100頁，創作于2023年2月第21頁，課件共100頁，創作于2023年2月

電子和空穴復合，所釋放的能量等于PN結的禁帶寬度（即能量間隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，有普朗克常數h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV第22頁，課件共100頁，創作于2023年2月Eg的單位為eV，1eV=1.6╳10-19J。可見光的波長

近似地認為在7×10-7m以下，所以制作可見光區的發光二極管，其材料的禁帶寬度至少應大于hc/

=1.8eV普通二極管是用硅或鍺制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為1.12eV和0.67

eV，顯然不能使用。第23頁，課件共100頁，創作于2023年2月通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當x＞0.35時，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發光波長，使

在550～900nm間變化。第24頁，課件共100頁，創作于2023年2月與此相似的可供制作發光二極管的材料見下表：材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料第25頁，課件共100頁，創作于2023年2月發光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵曲線有兩根，這是因為其材質成分稍有差異而得到不同的峰值波長

p。除峰值波長

p決定發光顏色之外，峰的寬度（用Δ

描述）決定光的色彩純度，Δ

越小，其光色越純。第26頁，課件共100頁，創作于2023年2月發光二極管的光譜特性0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度Δ

第27頁，課件共100頁，創作于2023年2月U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(紅)GaAsP(綠)反向電壓應在5V以下!發光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。砷磷化鎵發光二極管的伏安曲線第28頁，課件共100頁，創作于2023年2月4）、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世紀60年代出現的最重大科技成就之一。具有高方向性、高單色性、高亮度和高的相干性四個重要特性。激光波長一般從0.15μm到遠紅外整個光頻波段范圍。X-射線激光器。第29頁，課件共100頁，創作于2023年2月激光器種類繁多，按工作物質分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）液體激光器（染料激光器）。半導體激光器（如砷化鎵激光器）第30頁，課件共100頁，創作于2023年2月（1）固體激光器典型實例是紅寶石激光器，是1960年人類發明的第一臺激光器（T.Maiman）。工作物質為紅寶石---摻0.05%Cr+3的Al2O3棒。第31頁，課件共100頁，創作于2023年2月Nd:YAG激光器

摻Nd+3

離子的激光器有三種:

?玻璃釔鋁石榴石氟化釔鋰（

YLF：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活離子基質釔鋁石榴石第32頁，課件共100頁，創作于2023年2月（2）氣體激光器工作物質是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續工作，單色性好。波長覆蓋了從紫外到遠紅外的頻譜區域。第33頁，課件共100頁，創作于2023年2月第34頁，課件共100頁，創作于2023年2月（3）液體激光器種類：螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器，其中較為重要的是有機染料激光器。它的最大特點是發出的激光波長可在一段范圍內調節，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。第35頁，課件共100頁，創作于2023年2月（4）半導體激光器與前幾種相比出現較晚，其成熟產品是砷化鎵激光器。特點：效率高、體積小、重量輕、結構簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應用以及步兵隨身攜帶。其缺點是輸出功率較小。目前半導體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區域。第36頁，課件共100頁，創作于2023年2月兩類：外光電效應和內光電效應。1外光電效應在光的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象叫做外光電效應。6.2光電效應第37頁，課件共100頁，創作于2023年2月1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實驗中首次發現的；1902年，勒納（Lenard)也對其進行了研究，指出光電效應是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現象。但無法根據當時的理論加以解釋；1905年，愛因斯坦提出了光子假設。第38頁，課件共100頁，創作于2023年2月第39頁，課件共100頁，創作于2023年2月愛因斯坦光電效應方程：1.光電子能否產生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A。

2.

一定時，產生的光電流和光強成正比。3.逸出的光電子具有動能。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管。第40頁，課件共100頁，創作于2023年2月2內光電效應當光照在物體上，使物體的電導率發生變化，或產生光生電動勢的現象。分為光電導效應和光生伏特效應（光伏效應）。1）．光電導效應

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過度到自由狀態，而引起材料電導率的變化。第41頁，課件共100頁，創作于2023年2月自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶禁帶導帶價帶

Eg電子能量Eh

≧Eg當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，且光輻射能量又足夠強,光電材料價帶上的電子將被激發到導帶上去，使光導體的電導率變大第42頁，課件共100頁，創作于2023年2月第43頁，課件共100頁，創作于2023年2月基于這種效應的光電器件有光敏電阻。第44頁，課件共100頁，創作于2023年2月①勢壘效應（結光電效應）

光照射PN結時，若h

≧Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下，電子偏向N區外側，空穴偏向P區外側，使P區帶正電，N區帶負電，形成光生電動勢。２）．光生伏特效應：在光作用下能使物體產生一定方向電動勢的現象。基于該效應的器件有光電池和光敏二極管、三極管。PN第45頁，課件共100頁，創作于2023年2月②側向光電效應

當半導體光電器件受光照不均勻時，光照部分產生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現了載流子濃度梯度，引起載流子擴散，如果電子比空穴擴散得快，導致光照部分帶正電，未照部分帶負電，從而產生電動勢，即為側向光電效應。第46頁，課件共100頁，創作于2023年2月1

光電管及其基本特性１）．結構與工作原理6.3

外光電效應器件第47頁，課件共100頁，創作于2023年2月第48頁，課件共100頁，創作于2023年2月第49頁，課件共100頁，創作于2023年2月２）．主要性能（1）光電管的伏安特性

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性真空光電管充氣光電管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA2010050弱光強光1504681012陰極電壓/VIA/μA第50頁，課件共100頁，創作于2023年2月（2）光電管的光照特性當光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。圖8-5光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.511-氧銫陰極2-銻銫陰極第51頁，課件共100頁，創作于2023年2月(3)光電管的光譜特性一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。另外，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限λc=700nm，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應用于各種光電式自動檢測儀表中。第52頁，課件共100頁，創作于2023年2月對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。國產光電管的技術參數第53頁，課件共100頁，創作于2023年2月

6.4內光電效應器件1.光敏電阻

(1)工作原理光敏電阻是采用半導體材料制做，利用內光電效應工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現象稱為光導效應，因此，光敏電阻又稱光導管。

第54頁，課件共100頁，創作于2023年2月(a)(b)圖7-9光敏電阻的結構和原理第55頁，課件共100頁，創作于2023年2月

光敏電阻的原理結構如圖所示。在黑暗環境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子—空穴對增加了半導體材料中載流子的數目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發產生的電子—空穴對將逐漸復合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。

第56頁，課件共100頁，創作于2023年2月第57頁，課件共100頁，創作于2023年2月

在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻。電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。

第58頁，課件共100頁，創作于2023年2月（2）基本特性和參數

a)暗電阻、亮電阻

光敏電阻在室溫和全暗條件下測得的穩定電阻值稱為暗電阻，或暗阻。此時流過的電流稱為暗電流。例如MG41-21型光敏電阻暗阻大于等于0.1M。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩定電阻值稱為亮電阻或亮阻。此時流過的電流稱為亮電流。MG41—21型光敏電阻亮阻小于等于1k。

亮電流與暗電流之差稱為光電流。顯然，光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大。這樣光敏電阻的靈敏度就高。

第59頁，課件共100頁，創作于2023年2月b)伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻的電流之間的關系，稱為伏安特性。

第60頁，課件共100頁，創作于2023年2月

第61頁，課件共100頁，創作于2023年2月c)光電特性光敏電阻的光電流與光照度之間的關系稱為光電特性。如圖6-1-7所示，光敏電阻的光電特性呈非線性。因此不適宜做檢測元件，這是光敏電阻的缺點之一，在自動控制中它常用做開關式光電傳感器。

d)光譜特性對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。各種材料的光譜特性如圖6-1-8所示。從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見光區域，而硫化鉛的峰值在紅外區域，因此在選用光敏電阻時應當把元件和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的結果。

e)頻率特性

當光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經過一段時間才能達到穩態值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。圖6-1-9給出相對靈敏度Kr，與光強變化頻率f之間的關系曲線，可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高的多。但多數光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應的場合，這是光敏電阻的一個缺陷。

第62頁，課件共100頁，創作于2023年2月f)溫度特性

光敏電阻和其他半導體器件一樣，受溫度影響較大，當溫度升高時，它的暗電阻會下降。溫度的變化對光譜特性也有很大影響。圖6-1-10是硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。從圖中可以看出，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此，有時為了提高靈敏度，或為了能接受遠紅外光而采取降溫措施。

第63頁，課件共100頁，創作于2023年2月2.光敏晶體管

光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理也是基于內光電效應，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導體PN結上，PN結參與了光電轉換過程。

第64頁，課件共100頁，創作于2023年2月(1)工作原理光敏二極管的結構和普通二極管相似，只是它的PN結裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結上，圖6-1-11a是其結構示意圖。光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態，如下圖所示。

第65頁，課件共100頁，創作于2023年2月第66頁，課件共100頁，創作于2023年2月第67頁，課件共100頁，創作于2023年2月

我們知道，PN結加反向電壓時，反向電流的大小取決于P區和N區中少數載流子的濃度，無光照時P區中少數載流子(電子)和N區中的少數載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當光照PN結時，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會在PN結及其附近產生光生電子—空穴對，從而使P區和N區少數載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和PN結內電場作用下定向運動，分別在兩個方向上渡越PN結，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子—空穴對的濃度將相應變動，通過外電路的光電流強度也會隨之變動，光敏二極管就把光信號轉換成了電信號。

光敏三極管有兩個PN結，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。其結構如圖6-1-12a所示。

第68頁，課件共100頁，創作于2023年2月第69頁，課件共100頁，創作于2023年2月

由曲線可以看出，當入射光波長增加時，相對靈敏度要下降，這是因為光子能量太小，不足以激發電子—空穴對。當人射光波長太短時，光波穿透能力下降，光子只在半導體表面附近激發電子—空穴對，卻不能達到PN結，因此相對靈敏度也下降。從曲線還可以看出，不同材料的光敏晶體管，光譜峰值波長不同。硅管的峰值波長為0.8m左右，鍺管的峰值波長為1.5左右。第70頁，課件共100頁，創作于2023年2月

光敏二極管的光電流比光敏晶體管的光電流小;光敏二極管的輸出特性線性度好，響應時間快，而光敏晶體管輸出特性線性度差;光敏晶體管的負載電阻小，一般為光敏二極管負載的1/10。第71頁，課件共100頁，創作于2023年2月第72頁，課件共100頁，創作于2023年2月

(3)光電池光電池是一種自發電式的光電元件，它受到光照時自身能產生一定方向的電動勢，在不加電源的情況下，只要接通外電路，便有電流通過。光電池的種類很多，有硒、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅、砷化鎵光電池等，其中應用最廣泛的是硅光電池，因為它有一系列優點，例如性能穩定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高，能耐高慍輻射等。另外，由于硒光電池的光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以很多分析儀器、測量儀表也常用到它。目前在數碼攝像、光通信、航天器、太陽能電池等領域得到了廣泛應用。第73頁，課件共100頁，創作于2023年2月(1)工作原理硅光電池的工作原理基于光生伏特效應，它是在一塊N型硅片上用擴散的方法摻人一些P型雜質而形成的一個大面積PN結，見圖6-1-17a。當光照射P區表面時，若光子能量加大于硅的禁帶寬度，則在P型區內每吸收一個光子便產生一個電子-空穴對，P區表面吸收的光子最多，激發的電子空穴最多，越向內部越少。這種濃度差便形成從表面向體內擴散的自然趨勢。由于PN結內電場的方向是由N區指向P區的，它使擴散到PN結附近的電子—空穴對分離，光生電子被推向N區，光生空穴被留在P區。從而使N區帶負電，P區帶正電，形成光生電動勢。若用導線連接P區和N區，電路中就有光電流流過。第74頁，課件共100頁，創作于2023年2月

(2)基本特性

1)光譜特性

光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的。圖6-1-18是硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，不同材料的光電池適用的人射光波長范圍也不相同。硅光電池的適用范圍寬，對應的入射光波長可在0.45~1.1A之間，而硒光電池只能在0.34～0.57A波長范圍，因此硒光電池適用于可見光，比如用于照度計測定光的強度。第75頁，課件共100頁，創作于2023年2月

在實際使用中應根據光源的性質來選擇光電池，當然也可根據現有的光電池來選擇光源，但是要注意光電池的光譜峰值位置不僅和制造光電池的材料有關，同時，也和制造工藝有關，而且隨著使用溫度的不同會有所移動。第76頁，課件共100頁，創作于2023年2月2)光電特性光電池在不同的光照度下，光生電動勢和光電流是不相同的。硅光電池的光電特性如圖6-1-19所示。其中曲線1是負載電阻無窮大時的開路電壓特性曲線，曲線2是負載電阻相對于光電池內阻很小時的短路電流特性曲線。開路電壓與光照度的關系是非線性的，而且在光照度為20001x時就趨于飽和，而短路電流在很大范圍內與光照度成線性關系，負載電阻越小，這種線性關系越好，而且線性范圍越寬。因此檢測連續變化的光照度時，應當盡量減小負載電阻，使光電池在接近短路的狀態工作，也就是把光電池作為電流源來使用。在光信號斷續變化的場合，也可以把光電池作為電壓源使用。第77頁，課件共100頁，創作于2023年2月第78頁，課件共100頁，創作于2023年2月3)溫度特性光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響測量精度或控制精度等重要指標，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。從圖6-1-20中可以看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降，溫度上升，開路電壓約降低3mV。短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。因此，光電池作為檢測元件時，應考慮溫度漂移的影響，并采用相應的措施進行補償。

4)頻率特性光電池的頻率特性是指輸出電流與入射光調制頻率的關系。當入射光照度變化時，由于光生電子—空穴對的產生和復合都需要一定時間，因此入射光。調制頻率太高時，光電池輸出電流的變化幅度將下降。硅光電池的頻率特性較好，工作頻率的上限約為數萬赫茲，而硒光電池的頻率特性較差。在調制頻率較高的場合，應采用硅光電池，并選擇面積較小的硅光電池和較小的負載電阻，進一步減小響應時間，改善頻率特性。第79頁，課件共100頁，創作于2023年2月6.5光電傳感器應用1.光電物位傳感器按結構分，可分為遮光式和反射式。第80頁，課件共100頁，創作于2023年2月第81頁，課件共100頁，創作于2023年2月第82頁，課件共100頁，創作于2023年2月2.光電轉換電路由光源、光學通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當的測量電路。測量電路能夠把光電效應造成的光電元件電性能的變化轉換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同。下面介紹幾種半導體光電元件常用的測量電路。半導體光敏電阻