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1、第五章第五章 光电式传感器光电式传感器5.0 前言前言5.1 光电效应光电效应5.2 光电元件光电元件5.3 光电传感器的应用光电传感器的应用5.0 前前 言言 光电传感器是光电传感器是利用光敏元件的光电效应将光信号转换为可测利用光敏元件的光电效应将光信号转换为可测电信号的装置电信号的装置。光电传感器的这种测量方法具有结构简单、非接。光电传感器的这种测量方法具有结构简单、非接触、高可靠、高精度和反应速度快等特点。触、高可靠、高精度和反应速度快等特点。光电传感器是目前产量最多、应用最广的一种传感器，它在光电传感器是目前产量最多、应用最广的一种传感器，它在自动控制和非电量测试中占有非常重要的地位。
2、自动控制和非电量测试中占有非常重要的地位。5.1 光电效应光电效应 自然界的一切物质在环境温度高于自然界的一切物质在环境温度高于0K以上时，都会产生电磁以上时，都会产生电磁波辐射，其中光是波长约在波辐射，其中光是波长约在100.01m之间的电磁辐射，其光谱之间的电磁辐射，其光谱如图所示。如图所示。可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.010.10.11 110100.050.050.50.55 5波长波长/m/m波数波数/cm/cm-1-1频率频率/Hz/Hz光子能量光子能量/eV/eV10106 610105 510104 410103 35 510105 55 5
3、10104 45 510103 310010010101 150505 50.50.5101015155 510101414101014145 5101013135 510101515101016163 310101818电磁辐射波谱电磁辐射波谱 光也可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子（称光也可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子（称为光子）所构成，每个光子具有的能量正比于光的频率。为光子）所构成，每个光子具有的能量正比于光的频率。所以，用光照射某一物体时，就可以看作物体受到一连串所以，用光照射某一物体时，就可以看作物体受到一连串能量为的光子所轰击，而能量为的光子所轰击，而光电效应就是由于
4、物体吸收光子光电效应就是由于物体吸收光子能量为的光后产生的电效应能量为的光后产生的电效应，这也正是光电式传感器的物，这也正是光电式传感器的物理基础。理基础。通常把光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，通常把光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，即即外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应。2.光电效应光电效应v 外光电效应外光电效应 在光线作用下，电子获得光子的能量从而脱离正电荷的在光线作用下，电子获得光子的能量从而脱离正电荷的束缚，使电子逸出物体表面束缚，使电子逸出物体表面，这种效应称为外光电效应，这，这种效应称为外光电效应，这种现象称为种现象称为光电发射光电发射。已知每个光子具有的
5、能量为：。已知每个光子具有的能量为：式中，式中，h=6.62610-34 Js普朗克常数普朗克常数；光的频率。光的频率。Ehv(5.1)式中式中 A0 电子逸出物体表面所需的功（逸出功）；电子逸出物体表面所需的功（逸出功）；电子的质量；电子的质量；V0 电子逸出物体表面时的初速度。电子逸出物体表面时的初速度。当物体在光线照射作用下，一个电子吸收了一个光子的当物体在光线照射作用下，一个电子吸收了一个光子的能量后，其中的一部分能量消耗于电子由物体内逸出表面时能量后，其中的一部分能量消耗于电子由物体内逸出表面时所作的逸出功，另一部分则转化为逸出电子的动能。根据能所作的逸出功，另一部分则转化为逸出电子
6、的动能。根据能量守恒定律，可得量守恒定律，可得 20012hvAmVkg10109.931m(5.2)此即为著名的此即为著名的爱因斯坦光电方程式爱因斯坦光电方程式，它阐明了光电效应的基，它阐明了光电效应的基本规律。由上式可知：本规律。由上式可知：（1）电子能否逸出物体表面取决于光子具有的能量是否大于）电子能否逸出物体表面取决于光子具有的能量是否大于逸出功，而能量只与光的频率有关。因此逸出功，而能量只与光的频率有关。因此电子能否逸出物体表面电子能否逸出物体表面取决于光的频率，与光强无关取决于光的频率，与光强无关，低于阈值频率，光强再大也不会，低于阈值频率，光强再大也不会产生光电发射。产生光电发射
7、。（2）如果产生了光电发射，在入射光频率不变的情况下，逸）如果产生了光电发射，在入射光频率不变的情况下，逸出的电子数目与光强成正比。出的电子数目与光强成正比。光强愈强意味着入射的光子数目愈光强愈强意味着入射的光子数目愈多多，受轰击逸出的电子数目也愈多。，受轰击逸出的电子数目也愈多。基于外光电效应的光电元件有基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等光电管、光电倍增管等。v内光电效应内光电效应 物体受光照射后，其原子的外层电子脱离原子核的束缚成为物体受光照射后，其原子的外层电子脱离原子核的束缚成为自由电子，自由电子，这些自由电子仍留在物体内部，但会使物体的电阻率这些自由电子仍留在物体内部，但
8、会使物体的电阻率发生变化或产生光电动势发生变化或产生光电动势。这种现象称为内光电效应。内光电效。这种现象称为内光电效应。内光电效应又可分为应又可分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应。1光电导效应光电导效应 在光线的作用下，半导体的电导率增加，这种现象称为光电在光线的作用下，半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应导效应。从半导体物理学可知，半导体材料导电能力的大小取决。从半导体物理学可知，半导体材料导电能力的大小取决于半导体内载流子的数目，载流子数目愈多，导电愈容易，即半于半导体内载流子的数目，载流子数目愈多，导电愈容易，即半导体材料的电导率愈大。导体材料的电导率愈大。hEV
9、ECEVEC光激发光激发 电子电子空穴空穴EVECEVEC复合复合光电导效应示意图光电导效应示意图 具有光电导效应的材料称为光导体，除金属外，大多数半导具有光电导效应的材料称为光导体，除金属外，大多数半导体和绝缘体都具有光电导效应，但都很小。实际上只有少数几种体和绝缘体都具有光电导效应，但都很小。实际上只有少数几种材料能制造光敏元件。材料能制造光敏元件。基于光电导效应的光电元件有基于光电导效应的光电元件有光敏电阻，光电二极管以及光光敏电阻，光电二极管以及光电晶体管电晶体管。2光生伏特效应光生伏特效应 当用适当波长的光照射非均匀半导体（当用适当波长的光照射非均匀半导体（p-n结等）时，结等）时，
10、由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电结短路，则会出现电流（光生电流）。流）。这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应，这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应，简称光伏效应简称光伏效应。设入射光垂直照射设入射光垂直照射p-n结面。如结较浅，光子将进入结面。如结较浅，光子将进入p-n结结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子本征吸收在结的两边产生电子-空穴对
11、。空穴对。在光激发下在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。，因此应主要研究光生少数载流子的运动。如图所示，光生少数载流子在内建场的作用下各自向相如图所示，光生少数载流子在内建场的作用下各自向相反方向运动，即反方向运动，即p区电子进入区电子进入n区，区，n区空穴进入区空穴进入p区。其结果区。其结果使得结区使得结区p端电势升高（电子势能降低），端电势升高（电子势能降低），n端电势降低（电端电势降低（电子势能升高）。于是在子势能升高）。于是在p-n结两端形成了光生电动势。这就结两端形
12、成了光生电动势。这就是是p-n结的光生伏特效应。光电池、太阳能电池为其实例。结的光生伏特效应。光电池、太阳能电池为其实例。qVDqVD-qVqVp-np-n结的光生伏特效应示意图结的光生伏特效应示意图光激发光激发5.2 光电元件光电元件 5.2.1 光电管光电管 1.光电管的结构及工作原理光电管的结构及工作原理 光电管有光电管有真空光电管真空光电管和和充气光电管充气光电管两类，二者结构相似，两类，二者结构相似，它们由一个涂有光电材料的阴极它们由一个涂有光电材料的阴极K和一个阳极和一个阳极A封装在玻璃壳内，封装在玻璃壳内，如图所示。如图所示。当入射光照射在阴极上时，阴极就会发射电子，而阳极负当入
13、射光照射在阴极上时，阴极就会发射电子，而阳极负责收集由阴极发射出来的电子。责收集由阴极发射出来的电子。光电管的结构及工作原理光电管的结构及工作原理 因此，在光电管组成的回路中形成了光电流因此，在光电管组成的回路中形成了光电流I，并在负载电阻，并在负载电阻RL上输出电压上输出电压Uo。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压输出电压 Uo与入射与入射 光通量成正比。光通量成正比。常见的阴极材料有常见的阴极材料有银氧铯银氧铯、锑铯锑铯光电阴极。光电阴极。2.光电管的主要性能指标光电管的主要性能指标 光电管的性能指标主要有光电管的性能指标主要
14、有伏安特性、光照特性、光谱特性、伏安特性、光照特性、光谱特性、响应特性、响应时间、峰值探测率和温度特性等响应特性、响应时间、峰值探测率和温度特性等。下面仅对伏安。下面仅对伏安特性和光照特性作简单介绍。特性和光照特性作简单介绍。（1）光电管的伏安特性）光电管的伏安特性 光电管的伏安特性是指光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，其阳极与阴在一定的光通量照射下，其阳极与阴极之间的电压极之间的电压UA与光电流与光电流I之间的关系之间的关系。当阳极电压较小时，阴极发射的光电子只有一部分被阳极收当阳极电压较小时，阴极发射的光电子只有一部分被阳极收集，其余部分仍返回阴极。集，其余部分仍返回阴极。随着阳极
15、电压的升高，阳极在单位时随着阳极电压的升高，阳极在单位时间内收集到的光电子数目增多，光电流间内收集到的光电子数目增多，光电流I I也增加。也增加。如果阳极电压升高到一定数值时，阴极在单位时间内发射的如果阳极电压升高到一定数值时，阴极在单位时间内发射的光电子全部被阳极收集，这种状态称为光电子全部被阳极收集，这种状态称为饱和状态饱和状态。当达到饱和时，当达到饱和时，阳极电压再升高，光电流阳极电压再升高，光电流I I也不会增加。也不会增加。对于充气光电管，光电子在趋向样机的途中将撞击惰性气对于充气光电管，光电子在趋向样机的途中将撞击惰性气体的原子并使其电离，从而使回路电流急速增加，提高了光电管体的原
16、子并使其电离，从而使回路电流急速增加，提高了光电管的灵敏度。但其缺点是的灵敏度。但其缺点是稳定性和频率特性都较差稳定性和频率特性都较差。光电管的伏安特性光电管的伏安特性 （2）光电管的光照特性）光电管的光照特性 光照特性是指光照特性是指光电管阳极电压和入射光频谱不变的条件光电管阳极电压和入射光频谱不变的条件下，入射光的光通量与光电流之间的关系下，入射光的光通量与光电流之间的关系。在光电管阳极电压足够大，使光电管工作在饱和电流状在光电管阳极电压足够大，使光电管工作在饱和电流状态条件下，入射光通量和光电流呈线性关系。光照特性曲线态条件下，入射光通量和光电流呈线性关系。光照特性曲线的斜率，即光电流对入射光通量的变化率称为的斜率，即光电流对入射光通量的变化率称为光电管的灵敏光电管的灵敏度。度。曲线曲线1 1氧铯阴极氧铯阴极 曲线曲线2 2锑铯阴极锑铯阴极 光电管的光照特性光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.51 5.2.2 光电倍增管光电倍增管 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点
