光电传感器[1].ppt

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1、第八章第八章 光电式传感器光电式传感器 光电传感器是各种光电检测系统中实现光光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。件。第一节第一节 概述概述 第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件 第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件 第四节第四节 新型光电传感器新型光电传感器 第五节第五节 光敏传感器的应用举例光敏传感器的应用举例一、光谱一、光谱光波光波：波长为：波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm紫外线：紫外

2、线：波长波长10380nm，波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线：红外线：波长波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。光谱分布如图所示。第一节第一节 概概 述述远远紫紫外外近近紫紫外外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0.010.11100.050.55波长波长/mm波数波数/cm m-1-1频率频率/Hz光子能量光子能量

3、/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018光光的的波波长长与与频频率率的的关关系系由由光光速速确确定定，真真空空中中的的光光速速c=2.997931010cm/s，通通常常c31010cm/s。光光的的波波长长和频率和频率的关系为的关系为 的单位为的单位为Hz，的单位为的单位为cm。=31010cm/s二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1 1、钨丝白炽灯、钨丝白炽灯 用用钨钨丝丝通通电电加加热热作作为为光光辐辐射射源源最最为为普普通通，一一般白炽灯的辐射光谱是般白炽灯的辐射光谱是连续的连续

4、的发发光光范范围围：可可见见光光外外、大大量量红红外外线线和和紫紫外外线线，所所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特特点点：寿寿命命短短而而且且发发热热大大、效效率率低低、动动态态特特性性差差，但但对对接接收收光光敏敏元元件件的的光光谱谱特特性性要要求求不不高高，是是可可取取之处。之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。2 2、气体放电灯、气体放电灯定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。定义：利用电流通过气体产生发

5、光现象制成的灯。气气体体放放电电灯灯的的光光谱谱是是不不连连续续的的，光光谱谱与与气气体体的的种种类类及及放放电电条条件件有有关关。改改变变气气体体的的成成分分、压压力力、阴阴极极材材料料和和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低低压压汞汞灯灯、氢氢灯灯、钠钠灯灯、镉镉灯灯、氦氦灯灯是是光光谱谱仪仪器器中中常常用用的的光光源源，统统称称为为光光谱谱灯灯。例例如如低低压压汞汞灯灯的的辐辐射射波波长长为为254nm，钠钠灯灯的的辐辐射射波波长长为为589nm，它它们们经经常常用用作作光光电电检检测测仪仪器器的的单单色色光光源源。如如果果光光谱

6、谱灯灯涂涂以以荧荧光光剂剂，由由于于光光线线与与涂涂层层材材料料的的作作用用，荧荧光光剂剂可可以以将将气气体体放放电电谱谱线线转转化化为为更更长长的的波波长长，目目前前荧荧光光剂剂的的选选择择范范围围很很广广，通通过过对对荧荧光光剂剂的的选选择择可可以以使使气气体体放放电电发发出出某某一一范范围围的的波长，如，照明日光灯。波长，如，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。3、发光二极管发光二极管LED（Light Emitting Diode）由由半半导导体体PN结结构构成成，其其工工作作电电压压低低、响响应应速速度度快快、寿命长、体积小、重量轻，

7、因此获得了广泛的应用。寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体在半导体PN结中，结中，P区的空穴由于扩散而移动区的空穴由于扩散而移动到到N区，区，N区的电子则扩散到区的电子则扩散到P区，在区，在PN结处形成势结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上结上加有正向电压时，势垒降低，电子由加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到区注入到P区，区，空穴则由空穴则由P区注入到区注入到N区，称为少数载流子注入。所区，称为少数载流子注入。所注入到注入到P区里的电子和区里的电子和P区里的空穴复合，注入到区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和区

8、里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。电电子子和和空空穴穴复复合合，所所释释放放的的能能量量Eg等等于于PN结结的的禁禁带带宽宽度度（即即能能量量间间隙隙）。所所放放出出的的光光子子能能量量用用h表表示示，h为普朗克常数，为普朗克常数，为光的频率。则为光的频率。则普朗克常数普朗克常数h=6.6 10-34J.s；光速光速c=3 108m/s；Eg的单位为电子伏（的单位为电子伏（eV），），1eV=1.6 10-19J。hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的

9、波长可见光的波长近似地认为在近似地认为在710-7m以下，所以制作以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于h c/=1.8eV普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度度Eg分别为分别为0.67eV和和1.12eV，显然不能使用。显然不能使用。通通常常用用的的砷砷化化镓镓和和磷磷化化镓镓两两种种材材料料固固溶溶体体，写写作作GaAs1-xPx，x代代表表磷磷化化镓镓的的比比例例，当当x0.35时时，可可得得到到Eg1.8eV的的材材料料。改改变变x值值还还可可以以决决定定发发光光波波长长，使使

10、在在550900nm间变化，它已经进入红外区。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。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。材料材料波长波长/nm材料材料波长波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350表表4.1-1 LED材料材料发发光光二二极极管管的的伏伏安安特特性性与与普普通通二二极极管管相相似似，但但随随材材料料禁禁带带宽宽度度的的不不同同，开开启启（点点燃燃）电

11、电压压略略有有差差异异。图图为为砷砷磷磷化化镓镓发发光光二二极极管管的的伏伏安安曲曲线线，红红色色约约为为1.7V开启，绿色约为开启，绿色约为2.2V。U/V I/mA注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全为了安全起见，使用时反向电压应在起见，使用时反向电压应在5V以下以下。-10 -5 0 12GaAsP(红)GaAsP(绿)发发光光二二极极管管的的光光谱谱特特性性如如图图所所示示。图图中中砷砷磷磷化化镓镓的的曲曲线线有有两两根根，这这是是因因为为其其材材质质成成分

12、分稍稍有有差差异异而而得得到到不不同同的的峰峰值值波波长长p。除除峰峰值值波波长长p决决定定发发光光颜颜色色之之外外，峰峰的的宽宽度度（用用描描述述）决决定定光光的的色色彩彩纯纯度度，越越小小，其其光光色色越纯。越纯。0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性/nm相对灵敏度4 4、激光器、激光器激光是激光是20世纪世纪60年代出现的最重大科技成就之年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激

13、光波长从要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频到远红外整个光频波段范围。波段范围。激光器种类激光器种类繁多，按工作物质分类：繁多，按工作物质分类：u固体固体激光器（如红宝石激光器）激光器（如红宝石激光器）u气气体体激激光光器器（如如氦氦-氖氖气气体体激激光光器器、二二氧氧化化碳碳激光器）激光器）u半导体半导体激光器（如砷化镓激光器）激光器（如砷化镓激光器）u液体液体激光器。激光器。（1）固体激光器固体激光器典型实例是典型实例是红宝石红宝石激光器，是激光器，是1960年人类发明年人类发明的的第一台激光器第一台激光器。它的工作物质是固体。它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石

14、激光器种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。激光器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。用。利用阿波罗登月留下的反射镜，利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。还曾成功地用于地球到月球的距离测量。（2）气体激光器气体激光器工作物质是气体。工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽

15、、气体种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。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它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。区域。（3）半导体激光器半导体激光器与与前前两两种种相相比比出出现现较较晚晚，其其成成熟熟产产品品是是砷砷化化镓镓激激光光器器。特特点点：效效率率高高、体体积积小小、重重量量轻轻、结结构构简简

16、单单，适适宜宜在在飞飞机机、军军舰舰、坦坦克克上上应应用用以以及及步步兵兵随随身身携携带带，如如在在飞飞机机上上作作测测距距仪仪来来瞄瞄准准敌敌机机。其其缺缺点点是是输输出出功功率率较较小小。目目前前半半导导体体激激光光器器可可选选择择的的波长主要局限在红光和红外区域。波长主要局限在红光和红外区域。（4）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内它的最大特点是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

17、能起着其他调节，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。激光器不能起的作用。三、光电效应三、光电效应是是指指物物体体吸吸收收了了光光能能后后转转换换为为该该物物体体中中某某些些电电子子的的能能量量，从从而而产产生生的的电电效效应应。光光电电传传感感器器的的工工作作原原理理基基于于光光电电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类1 1、外光电效应、外光电效应 在在光光线线的的作作用用下下，物物体体内内的的电电子子逸逸出出物物体体表表面面向向外外发发射射的的现现象象称称为为外外光光电电效效应应。向向外外发发射射的的电电子子叫叫做做

18、光光电电子子。基基于于外外光光电电效效应应的的光光电电器器件件有有光光电电管管、光光电电倍倍增增管管等。等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子根据爱因斯坦假设，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，超过须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电

19、效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理根据能量守恒定理 式中式中 m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。n光光电电子子能能否否产产生生，取取决决于于光光电电子子的的能能量量是是否否大大于于该该物物体体的的表表面面电电子子逸逸出出功功A0。不不同同的的物物质质具具有有不不同同的的逸逸出出功功，即即每每一一个个物物体体都都有有一一个个对对应应的的光光频频阈阈值值，称称为为红红限限频频率率或或波波长

20、长限限。光光线线频频率率低低于于红红限限频频率率，光光子子能能量量不不足足以以使使物物体体内内的的电电子子逸逸出出，因因而而小小于于红红限限频频率率的的入入射射光光，光光强强再再大大也也不不会会产产生生光光电电子子发发射射；反反之之，入入射射光光频频率率高高于于红红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。电子数也就越多。n光电子逸出物体表面具有初始动能

21、光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，光电子产生。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。而且截止电压与入射光的频率成正比。当光照射在物体上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象发生变化，或产生光生电动势的现象叫做叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为工作原理的不同，内光电效应分为光电导光

22、电导效应效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类：两类：（1）光电导效应光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应的变化，这种现象被称为光电导效应。基。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。于这种效应的光电器件有光敏电阻。2、内光电效应内光电效应过过程程：当当光光照照射射到到半半导导体体材材料料上上时时，价价带带中中的的电电子子受受到到能能量量大大于于或或等等于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子轰轰击击，并并使使其其由由价价带带越越过过禁禁带带跃跃入入导导带带，如如

23、图图，使使材材料料中中导导带带内内的的电电子子和和价价带带内内的的空空穴穴浓浓度度增增加加，从而使电导率变大。从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光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电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有只有波长小于波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生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电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。增加。式中式中、分别为入射光的频率和波长

24、。分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度材料的禁带宽度Eg，即即（2）光生伏特效应光生伏特效应 在在光光线线作作用用下下能能够够使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电动势的现象叫做光生伏特效应电动势的现象叫做光生伏特效应。基基于于该该效效应应的的光光电电器器件件有有光光电电池池和和光光敏敏二二极极管管、三极管。三极管。势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射其接结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，触区域时，便引起光电动势，这就是结光电

25、效应。这就是结光电效应。以以PN结为例，光线照射结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁结时，设光子能量大于禁带宽度带宽度Eg，使，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子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，被光激发的电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向移向N区外侧，被光激发的空穴移向区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而区外侧，从而使使P区带正电，区带正电，N区带负电，形成光电动势。区带负电，形成光电动势。侧向光电效应。侧向光电效应。当半导体光电器件受光照不均匀时，有载当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应流子浓度

26、梯度将会产生侧向光电效应。当光照。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子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，因而载流浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么子就要扩散。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部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光

27、电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（位置敏感器件（PSD）。）。利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图光电管的结构示意图光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗1.结构与工作原理结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光光电管或称电子光电管和离子光电

28、管两类。两者结构相似，如图。电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。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，置于玻属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。璃管的中央。第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件光光电电器器件件的的性性能能主主要要由由伏伏安安特特性性、光光照照特特性性、光光谱谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1 1）光电管的伏

29、安特性光电管的伏安特性2.2.主要性能主要性能在在一一定定的的光光照照射射下下，对对光光电电器器件件的的阴阴极极所所加加电电压压与与阳阳极极所所产产生生的的电电流流之之间间的的关关系系称称为为光光电电管管的的伏伏安安特特性性。光光电电管管的的伏伏安安特特性性如如图图所所示示。它它是是应应用用光光电电传传感感器器参参数数的主要依据。的主要依据。图图4.2-2 光电管的伏安特性光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压阳极与末级倍增极间的电压/VIA/A（2）光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加

30、电压一定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。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。曲线其特性曲线如图所示。曲线1表示表示氧铯阴极氧铯阴极光电光电管的光照特性，光电管的光照特性，光电流流I与光通量成线性关与光通量成线性关系。曲线系。曲线2为为锑铯阴极锑铯阴极的光电管光照特性，的光电管光照特性，它成非线性关系。光它成非线性关系。光照特性曲线的斜率照特性曲线的斜率（光电流与入射光光（光电流与入射光光通量之间比）称为光通量之间比）称为光电管的灵敏度。电管的灵敏度。光电管的光照特性光电管的光照特性255075100200

31、.51.5 2.0/1mIA/A1.02.51（3）光电管光谱特性光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管由于光阴极对光谱有选择性，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变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，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它们有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频谱范围。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率高

32、于红限频率0，并且强度相同，随着入射光频率并且强度相同，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。选用不同材料的光电阴极。国产国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：高，转换效率：

33、25%30%。它适用于。它适用于白光光源白光光源，因而，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光红外光源源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉灵敏度也较高，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特性有很大差异，因而电管的光谱特性和人的

34、视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能在测量和控制技术中，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。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频率大于一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。二、光电倍增管及其基本特性光电倍增管及其基本特性当当入入射射光光很很微微弱弱时时，普普通通光光电电管管产产生生的的光光电电流流很很小小，只只有有零零点点几几A，很很不不容容易易探探测测。这这时时常常用用光光电电倍倍增增管管对对电流进行放

35、大，下图为其内部结构示意图。电流进行放大，下图为其内部结构示意图。1.1.结构和工作原理结构和工作原理由由光光阴阴极极、次次阴阴极极(倍倍增增电电极极)以以及及阳阳极极三三部部分分组组成成。光光阴阴极极是是由由半半导导体体光光电电材材料料锑锑铯铯做做成成；次次阴阴极极是是在在镍镍或或铜铜-铍铍的的衬衬底底上上涂涂上上锑锑铯材料而形成的，次阴极多的可达铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电级；阳极是最后用来收集电入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极子的，收集到的电子数是阴子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的极发射电子数的105106倍。倍。即光电倍增管的放大倍数可即光电倍

36、增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。就能产生很大的光电流。（1 1）倍倍增增系系数数MM 倍倍增增系系数数M等等于于n个个倍倍增增电电极极的的二二次次电电子子发发射射系系数数的的乘乘积积。如如果果n个个倍倍增增电电极极的的都都相相同同，则则M=因此，阳极电流因此，阳极电流 I为为I=i i i i 光电阴极的光电流光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数为为=I/i=M与所加电压

37、有关，与所加电压有关，M在在105108之间，稳定性为之间，稳定性为1左左右，加速电压稳定性要在右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍两个相邻的倍增电极的电位差为增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好，这对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。2.2.主要参数主要参数103104105106255075100125极间电压极间电压/V

38、放大倍数放大倍数光电倍增管的特性曲线光电倍增管的特性曲线（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度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叫做光电倍增管的阴极灵敏度阴极灵敏度。而一个光子在。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阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总总灵敏度灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能间电压越高，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。太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由

39、于光电倍增管的灵敏度很高，所另外，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。以不能受强光照射，否则将会损坏。（3）暗电流和本底脉冲暗电流和本底脉冲 一一般般在在使使用用光光电电倍倍增增管管时时，必必须须把把管管子子放放在在暗暗室室里里避避光光使使用用，使使其其只只对对入入射射光光起起作作用用；但但是是由由于于环环境境温温度度、热热辐辐射射和和其其它它因因素素的的影影响响，即即使使没没有有光光信信号号输输入入，加加上上电电压压后后阳阳极极仍仍有有电电流流，这这种种电电流流称称为为暗暗电电流流，这这是是热热发发射射所所致致或或场场致致发发射射造造成成的的，这这种种暗暗电电流流通

40、通常常可可以以用用补补偿偿电路消除。电路消除。如如果果光光电电倍倍增增管管与与闪闪烁烁体体放放在在一一处处，在在完完全全蔽蔽光光情情况况下下，出出现现的的电电流流称称为为本本底底电电流流，其其值值大大于于暗暗电电流流。增增加加的的部部分分是是宇宇宙宙射射线线对对闪闪烁烁体体的的照照射射而而使使其其激激发发，被被激激发发的的闪闪烁烁体体照照射射在在光光电电倍增管上而造成的，倍增管上而造成的，本底电流本底电流具有具有脉冲形式脉冲形式。光电光电倍增倍增管的管的光照光照特性特性与与直直线线最最大大偏离是偏离是3%10131010109107105103101在 45mA处饱和1014101010610

41、2光通量光通量/1m阳阳极极电电流流/A（4）光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射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，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。量大，开始出现非线性，如图所示。利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件势

42、的光电器件称称内光电效应器件，常见的有内光电效应器件，常见的有光敏光敏电阻光电池和光敏晶体管等。电阻光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工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作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重优点：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、抗过载能量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。不足：需要外部电源，有电流时会发热。第三节第

43、三节 内光电效应器件内光电效应器件1.1.光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构当当光光照照射射到到光光电电导导体体上上时时，若若光光电电导导体体为为本本征征半半导导体体材材料料，而而且且光光辐辐射射能能量量又又足足够够强强，光光导导材材料料价价带带上上的的电电子子将将激激发发到到导导带带上上去去，从从而而使使导导带带的的电电子子和和价价带带的的空空穴穴增增加加，致致使使光光导导体体的的电电导导率率变变大大。为为实实现现能能级级的的跃跃迁迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即，即 h h=Eg(eV)式中式中和和入射光的频率和波长

44、。入射光的频率和波长。一一种种光光电电导导体体，存存在在一一个个照照射射光光的的波波长长限限C，只只有有波波长长小小于于C的的光光照照射射在在光光电电导导体体上上，才才能能产产生生电电子子在在能能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。光光敏敏电电阻阻的的结结构构如如图图所所示示。管管芯芯是是一一块块安安装装在在绝绝缘缘衬衬底底上上带带有有两两个个欧欧姆姆接接触触电电极极的的光光电电导导体体。光光导导体体吸吸收收光光子子而而产产生生的的光光电电效效应应，只只限限于于光光照照的的表表面面薄薄层层，虽虽然然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有产生的载流

45、子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体限限，因因此此光光电电导导体体一一般般都都做做成成薄薄层层。为为了了获获得得高高的的灵灵敏敏度度，光光敏敏电电阻阻的的电电极极一一般般采采用用梳梳状状图图案案，结结构构见见下图。下图。1-光导层光导层;2-玻璃窗口玻璃窗口;3-金属外壳金属外壳;4-电极电极;5-陶瓷基座陶瓷基座;6-黑黑色色绝绝缘缘玻玻璃璃;7-电阻引线。电阻引线。RG1234567(a)结构(b)电极(c)符号它它是是在在一一定定的的掩掩模模下下向向光光电电导导薄薄膜膜上上蒸蒸镀镀金金或或

46、铟铟等等金金属属形形成成的的。这这种种梳梳状状电电极极，由由于于在在间间距距很很近近的的电电极极之之间间有有可可能能采采用用大大的的灵灵敏敏面面积积，所所以以提提高高了了光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度。图图（c）是是光光敏敏电电阻的代表符号。阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度易易受受湿湿度度的的影影响响，因因此此要要将将导导光光电电导导体体严严密密封封装装在在玻玻璃璃壳壳体体中中。如如果果把把光光敏敏电电阻阻连连接接到到外外电电路路中中，在在外外加加电电压压的的作作用用下下，用用光光照照射射就就能能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。改变电路中电流

47、的大小，其连线电路如图所示。光光敏敏电电阻阻具具有有很很高高的的灵灵敏敏度度，很很好好的的光光谱谱特特性性，光光谱谱响响应应可可从从紫紫外外区区到到红红外外区区范范围围内内。而而且且体体积积小小、重量轻、性能稳定、价格便宜重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。，因此应用比较广泛。RGRLEI2.2.光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电阻、亮电阻、光电流）暗电阻、亮电阻、光电流暗暗电电流流：光光敏敏电电阻阻在在室室温温条条件件下下，全全暗暗（无无光光照照射射）后后经经过过一一定定时时间间测测量量的的电电阻阻值值，称称为为暗暗电电阻阻。此此时时在在给定电压

48、下流过的电流。给定电压下流过的电流。亮亮电电流流：光光敏敏电电阻阻在在某某一一光光照照下下的的阻阻值值，称称为为该该光光照照下的亮电阻。此时流过的电流。下的亮电阻。此时流过的电流。光电流：光电流：亮电流与暗电流之差。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。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达甚至高达100M，而亮电阻则在几而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之以下

49、，暗电阻与亮电阻之比在比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。（2 2）光照特性）光照特性下下图图表表示示CdS光光敏敏电电阻阻的的光光照照特特性性。在在一一定定外外加加电电压压下下，光光敏敏电电阻阻的的光光电电流流和和光光通通量量之之间间的的关关系系。不不同同类类型型光光敏敏电电阻阻光光照照特特性性不不同同，但但光光照照特特性性曲曲线线均均呈呈非非线线性性。因因此此它它不不宜宜作作定定量量检检测测元元件件，这这是是光光敏敏电电阻阻的的不不足足之之处。一般在自动控制系统中用作光电开关处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx10

50、002000（3）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化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，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。值在红外区域；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。的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅（4）伏安特性在