传感器技术8-光电式传感器-中英对照.ppt

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1、第8章 光电式传感器Photoelectric sensors,第8章 光电式传感器,光电器件和特性(photoelectric devices and features),第8章 光电式传感器,概述(overview),8.1,新型光电器件（自学）(new photoelectric devices),8.4,光电式传感器应用(applications of photoelectric sensors),光 源(light sources),光电式传感器通常由四部分组成，如图8-1 X1 表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；X2 表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。,光电传感器是

2、各种光电检测(photoelectric inspection)系统中实现光电转换(photoelectric conversion)的关键元件，它是把光信号转变成为电信号的器件。,图8-1 光电传感器的组成形式,8.1 概述,一、光谱（spectrum of light）光波：波长为10106nm的电磁波(electromagnetic wave)可见光(visible lights)：波长380780nm紫外线(Ultraviolet rays)：波长10380nm 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线红外线(Infrared

3、 rays)：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。,第二节 光源(light sources),8.2 光源,光是电磁波谱(Electromagnetic wave spectrum)中的一员;这些光的频率(波长)各不相同;都具有反射(reflection)、折射(refraction)、散射(dispersion)、衍射(diffraction)、干涉(interference)和吸收(absorption)等性质。,不同波长光的分布,8.2 光源,远紫外,近紫外,可见光,近红外,远红外,极远紫外,0.01,0.1,1,10,

4、0.05,0.5,5,波长/m,波数/cm-1,频率/Hz,光子能量/eV,106,105,104,103,5105,5104,5103,1015,51014,1014,51013,100,10,1,50,5,0.5,51015,1016,31018,=31010cm/s,光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz，的单位为cm。,8.2 光源,不同波长光的分布,8.2 光源,二、光源（发光器件）1、热辐射光源(钨丝白炽灯 Tungsten lamp)热辐射(heat radiation)光源是

5、通过将物体加热后产生热辐射来实现照明的，温度越高光越亮。用钨丝(Tungsten filament)通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯(incandescent lamp)的辐射光谱是连续的发光范围：可见光、大量红外线(infrared)和紫外线(ultraviolet-UV)，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有卤素灯(Halide lamp)，例如溴Bromine钨灯和碘Iodine钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。热辐射光源特点：（1）光源谱线丰富，主要涵盖可见光和红外光，适用于大部分光电传感器；（2）发光效率低；（3）发热大，超过80%

6、的能量转化为热量；（4）寿命短，一般为1000小时左右；（5）动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处；（6）易碎，电压高。,8.2 光源,2、气体放电灯(Gas electric discharge lamps)定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料(Cathode material)和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯(Mercury lamp)、氢灯(Hydrogen lamp)、钠灯(Sodium lamp)、镉灯(Cadmium lamp)、氦灯(He

7、lium lamp)是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯(Spectrum lamps)。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源(Monochromic light source)。如果光谱灯涂以荧光剂(fluorescent agent)，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如：照明日光灯(fluorescent lamp)。气体放电光源的特点是：效率高，省电，功率大，消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。,8.2 光源,3、发光二极管LED（Light

8、 Emitting Diode）由半导体PN结(PN junction)构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中，P区的空穴(hole)由于扩散而移动到N区，N区的电子(electron)则扩散到P区，在PN结处形成势垒(barrier)，从而抑制了空穴和电子的继续扩散(diffuse)。当PN结上加有正向(forward)电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子(photon)形式放出能量，因而有发光现象。,8.2

9、 光源,与热辐射光源和气体放电光源相比，LED具有突出的特点：体积小，可以平面封装，属于固体光源，耐震动；无辐射，无污染，是真正的绿色光源；功耗低，仅为白炽灯的1/8，荧光灯的1/2，发热少，是典型的冷光源；寿命长，一般可达10万小时，是荧光灯的数十倍；相应快，一般点亮只需1毫秒，适于快速通断和光开关；供电电压低，易于数字控制，与电路和计算机系统连接方便；在达到相同照度的条件下，LED价格比较贵。目前，LED的应用越来越广泛，特别随着白色LED的出现和价格的下跌，LED将替代现有的照明光源得到普遍推广。,8.2 光源,电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度。所放出的光子能量用h表

10、示，h为普朗克常数，为光的频率。则,普朗克Planck常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。,hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度(Energy gap)至少应大于,h c/=1.8 eV,普通二极管是用锗Germanium或硅Silicon制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。,8.2 光源,常用的砷化镓(Gallium Arsenide)和磷化镓(Gallium Phosphid

11、e)两种材料固溶体(Solid solution)，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550900nm间变化，它已经进入红外区。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。,表8-1 LED材料和波长,8.2 光源,发光二极管的伏安特性(Volt-Ampere characteristic)与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。,注意，图上的横坐标(Abscissa)正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的

12、反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。,8.2 光源,发光二极管的光谱特性(Spectral characteristic)如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰Ridge的宽度（）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。,8.2 光源,4、激光器 LASER 激光(LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性(Directivity)、高单色性(Monoch

13、romaticity)和高亮度(Brightness)三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。,激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器Solid State laser(如红宝石激光器Ruby Laser)气体激光器Gas Laser(如氦-氖气体激光器He-Ne Laser、二氧化碳激光器CO2 Laser)半导体激光器(如砷化镓激光器GaAs Laser)液体激光器Liquid Laser。化学激光器Chemical Laser。,8.2 光源,（1）固体激光器 Solid State Laser 典型实例是1960年人类发明的第一台激光器：红宝石(Ruby)激光器

14、，它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器(Neodymium glass Laser)是目前脉冲输出功率(Impulse output power)最高的器件，已达到几十太瓦(Trillion Watt 1,000,000,000,000)。,8.2 光源,（2）气体激光器 Gas Laser 工作物质是气体。种类：各种原子(Atom)、离子(Ion)、金属蒸汽(Metal steam)、气体分子(Gas molecule)激光器。常用的有氦氖(He-Ne)激光器、氩离子(Argon Ion)激光器

15、、氪(Krypton)离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器(Excimer Laser)等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。,8.2 光源,（3）半导体激光器 Semiconductor Laser与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。,（4）液体激光器 Liquid Laser种类：螯合物液体激光器(Chelate liquid

16、 laser)、无机液体激光器和有机染料激光器(Organic dye laser)，其中较为重要的是有机染料激光器。特点：发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。,8.2 光源,光电效应 Photoelectric effect是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应(External photoelectric effect)和内光电效应(Internal photoelectric effect)两大类。1、外光电效应(External photoelec

17、tric effect)在光线的作用下，物体内的电子逸出escape物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,光子是具有能量的粒子，每个光子(Photon)的能量：,E=h,h普朗克Planck常数，6.62610-34Js；光的频率(s-1),8.3 光电器件及特性,根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功(surface escaping work)，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物(Metal oxi

18、de)，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0电子逸出速度。,该方程称为爱因斯坦光电效应方程。,8.3 光电器件及特性,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。,当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强(light intensity)成正比。即光强愈

19、大，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。,8.3 光电器件及特性,当光照射在物体上，使物体的电阻率(Resistivity)发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应(Photoconductivity effect)和光生伏特效应(Photovoltaic effect)两类：（1）光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡

20、到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(Photoresistance)。,2、内光电效应(Internal photoelectric effect),8.3 光电器件及特性,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(valence band)越过禁带(forbidden band)跃入导带(Conduction band)，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(conductivity)变大。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,价电子所占能带,Eg,8.

21、3 光电器件及特性,材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加，电阻下降。,式中、分别为入射光的频率和波长。,为了实现能级的跃迁(Transition)，入射光子(Incidence photon)的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即,8.3 光电器件及特性,（2）光生伏特效应(Photovoltaic effect)在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池(Photoelectric battery)和光敏二极管

22、(Photodiode)、三极管(Phototransistor)。势垒效应(Barrier effect)（结Junction光电效应）。接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。,8.3 光电器件及特性,侧向光电效应(lateral photoelectric effect)。当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子(char

23、ge carrier)浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对(electron hole pair)时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度(gradient)，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。,8.3 光电器件及特性,外光电效应器件 利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管

24、(Photo cell)和光电倍增管(Photomultiplier tube)。,光电倍增管,光电管,8.3 光电器件及特性,一、光电管及其基本特性,1.结构与工作原理,光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极(Cathode)和一个阳极(Anode)构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。,8.3 光电器件及特性,光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。,2.主要性能,（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极

25、所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。,光电管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,阳极与末级倍增极间的电压/V,IA/A,8.3 光电器件及特性,（2）光电管的光照特性(illumination characteristic)通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。,其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极

26、的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。,光电管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/A,1.0,2.5,1,8.3 光电器件及特性,（3）光电管(Photo cell)光谱特性(Spectral characteristic)由于光阴极(cathode)对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率(Red-limit frequency)0，因此它们可用于不同的

27、光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。,8.3 光电器件及特性,国产GD-4型的光电管，阴极是用锑(Stibium)铯(Caesium)材料制成的。其红限波长0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑

28、钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱有很大差异，因而在测量技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气光电管当入射光强度频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。,8.3 光电器件及特性,二、光电倍增管(Photomultiplier tube)及其基本特性,当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。1.光电倍增管结构和工作原理,由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳

29、极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑,铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。,8.3 光电器件及特性,（1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相同，则M=因此，阳极电流 I 为 I=i i 光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为=I/i=M与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍

30、增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。,2.主要参数,8.3 光电器件及特性,103,104,105,106,25,50,75,100,125,极间电压/V,放大倍数,光电倍增管的特性曲线,8.3 光电器件及特性,（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度(Cathode Sensitivity)。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度(Overall Sensit

31、ivity)。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,8.3 光电器件及特性,（3）暗电流(Dark current)和本底脉冲(Background impulse)一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体(scintill

32、ator)放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。,8.3 光电器件及特性,光电倍增管的光照特性,与直线最大偏离是3%,1013,1010,109,107,105,103,101,在45mA处饱和,1014,1010,106,102,光通量/1m,阳极电流/A,（4）光电倍增管的光照特性 光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的

33、线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。,8.3 光电器件及特性,利用物质在光的照射下电导(Electric conductivity)性能改变或产生电动势(Electric potential)的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻(Photo-resistor)光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强 度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。,内光电效应器件,8.3 光电器件及特性,photo-cond

34、uctive effect,光电导效应,光敏电阻,(photo resistors),光敏二极管,(photodiode),光敏三极管,(photo transistors),8.3 光电器件及特性,1.光敏电阻的工作原理和结构 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体(Intrinsic Semiconductor)材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h=Eg(eV)式中和入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限C

35、，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。,8.3 光电器件及特性,光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。,光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状Comb图案，结构见图。,8.3 光电器件及特性,1-光导层;2-玻璃窗口;3-金属外壳;4-电极;5-陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。,RG,1,2,3,4,5,6,7,(a)结构,(b)电极,(c)符号

36、,它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀(Steam coat)金(Aurum)或铟(Indium)等金属形成的。这种梳状电极(Comb shape electrode)，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。,CdS光敏电阻的结构和符号,8.3 光电器件及特性,光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻

37、、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。,RG,RL,E,I,8.3 光电器件及特性,2.光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。,光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光

38、敏电阻的灵敏度很高。,8.3 光电器件及特性,（2）光照特性(illumination characteristic),下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,0,1,2,3,4,5,I/mA,L/lx,1000,2000,8.3 光电器件及特性,（3）光谱特性(Spectral characteristic)光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在

39、红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,20,40,60,80,100,40,80,120,160,200,240,/m,3,1,2,相对灵敏度,1硫化镉2硒化镉3硫化铅,8.3 光电器件及特性,（4）伏安特性(V-A Characteristic)在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。,50,100,150,200,1,2,U/V,0,20,40,在一定的光照度下，

40、所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,I/A,8.3 光电器件及特性,（5）频率特性(Frequency characteristic),20,40,60,80,100,I/%,f/Hz,0,10,102,103,104,当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多

41、，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,硫化铅,硫化镉,8.3 光电器件及特性,（6）稳定性（Stability）图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。,I/%,40,80,120,160,2,1,T/h,0,400,800,1200,1600,光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏

42、电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。,8.3 光电器件及特性,（7）温度特性(temperature characteristic)其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,I/A,100,150,200,-50,-10,30,50,10,-30,T/C,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,4.0,/m,I/mA,+20 C,

43、-20 C,8.3 光电器件及特性,二、光电池(Photoelectric battery/Photo cell),光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。又称为太阳能电池(Solar battery)。它是基于光生伏特效应制成的。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。

44、砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它主要用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源。,8.3 光电器件及特性,光电池的示意图,硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,1.光电池的结构和工作原理,+,光,P,N,SiO2,

45、RL,(a)光电池的结构图,I,光,(b)光电池的工作原理示意图,P,N,8.3 光电器件及特性,光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。,I,U,Id,U,I,RL,I,(a),(b),(c),光电池符号和基本工作电路,8.3 光电器件及特性,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,2,4,6,8,10,开路电压,Uoc/V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,3,4,5,Uoc/V,Isc/mA,Isc/mA,(a)硅光电池,(b)硒光电池,（1）光照特性(illumination characteris

46、tic)开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和(Saturation)。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线,2.基本特性,开路电压,短路电流,短路电流,8.3 光电器件及特性,短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I/mA,L/klx,50,100,1000,5000,R

47、L=0,8.3 光电器件及特性,20,40,60,80,100,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0.2,I/%,1,2,/m,(2)光谱特性(Spectral characteristic)光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,1硒光电池2硅光电池,8.3 光电器件及特性,(3)频率特性(Frequency characteristic)光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响

48、应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。,20,40,60,80,100,0,I/%,1,2,3,4,5,1,2,f/kHz,1硒光电池2硅光电池,8.3 光电器件及特性,（4）温度特性(Temperature characteristic)光电池的温度特性是指开路电压(Open circuit voltage)和短路电流(Short circuit current)随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到

49、应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,8.3 光电器件及特性,三、光敏二极管(Photodiode)和光敏三极管(Phototransistor)光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2

50、CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。,8.3 光电器件及特性,1.光敏二极管(Photodiode)光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。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结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,P,N,光,光敏二极管符号,RL,光,P,N,光敏二极管接线,8.3 光电器件及特性,光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。