第七章光电式传感器

第七章光电式传感器 7.1 光电效应 7.2 光电元件 7.3 光电传感器的应用

第七章光电式传感器 光电传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的装置。使用它测量非电量时，首先将这些非电物理量的变化转换成光信号的变化，再由光电传感器将光信号的变化转变为电信号的变化。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。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。

7.1 光电效应 光电元件的理论基础是光电效应。自然界的一切物质在环境温度高于0K以上时，都会产生光波辐射，光是波长约在100～0.01μm之间的电磁辐射，其光谱如图7-1所示。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。所以，用光照射某一物体时，就可以看作这物体受到一连串能量为的光子所轰击，而光电效应就是由于这物体吸收光子能量为的光后产生的电效应。通常把光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，即外光电效应和内光电效应。

7.1 光电效应 . 图7-1 光谱范围

7.1 光电效应 7.1.1 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束缚，使电子逸出物体表面，这种效应称为外光电效应，这种现象称为光电发射。已知每个光子具有的能量为：式中 h——普朗克常数 γ——光的频率 ( )

7.1 光电效应 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所作的逸出功，另一部分则转化为逸出电子的动能。根据能量守恒定律，可得式中 A0 ——电子逸出物体表面所需的功 m ——电子的质量， v0——电子逸出物体表面时的初速度 (7.2)

7.1 光电效应 式（7.2）即为著名的爱因斯坦光电方程式，它阐明了光电效应的基本规律。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，而只与光的频率有关，因此电子能否逸出物体表面取决于光的频率，与光强无关，光强再大也不会产生光电发射。（2）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。光强愈强意味着入射的光子数目愈多，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光电管、光电倍增管等。

7.1 光电效应 7.1.2 内光电效应物体受光照射后，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。 1．光电导效应在光线的作用下，半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应，简称光导效应。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。

7.1 光电效应 通常半导体原子中的价电子是处于稳定（束缚）状态的，当价电子从外界获得足够能量后，就能从束缚状态变成自由状态，成为一个自由电子，同时在原来的位置上形成一个空穴，自由电子和空穴都能够参与导电，这样就增加了半导体材料的电导率。用光照射半导体时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则禁带中的电子吸收一个光子就足以跃迁到导带，使被激发出来的电子成为一个自由电子，同时也产生一个空穴，从而增强了材料的导电性能，使材料的电阻值降低。一般来说，照射的光线愈强，阻值变得愈低，半导体材料的导电能力愈强。光照停止后，自由电子与空穴逐渐复合，电阻值又恢复到原值。

7.1 光电效应 具有光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。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻，以及由光敏电阻制成的光导管等。 2．光生伏特效应在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应可分为两类：

7.1 光电效应 （1）结光电效应。以PN结为例，当光照射PN结时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则使价带的电子跃迁到导带，产生自由电子—空穴对。在PN结阻挡层内电场的作用下，被激发的电子移向N区的外侧，被激发的空穴移向P区的外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。基于结光电效应的光电元件有光电池和光电晶体管等。

7.1 光电效应 （2）侧向光电效应。当光照射半导体光电器件的灵敏面时，光照部分吸收了能量便产生自由电子—空穴对，光照部分的载流子浓度比未被光照部分的载流子浓度高，因此在半导体材料中就产生了浓度梯度，这样由光照部分和未被光照部分的载流子浓度的不同而产生了电动势，这种效应被称为侧向光电效应。基于侧向光电效应的光电元件有位置光敏元件等。

7.2光电元件 7.2.1光电管 1．光电管的结构及工作原理光电管有真空光电管和充气光电管两类，二者结构相似，它们由一个涂有光电材料的阴极K和一个阳极A封装在玻璃壳内，如图7-2（a）所示。当入射光照射在阴极上时，阴极就会发射电子，由于阳极的电位高于阴极，在电场力的作用下，阳极便收集到由阴极发射出来的电子，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RL上输出电压UO。如图7-2（b）所示。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 UO与入射光通量成正比。

7.2光电元件 . 图7-2 光电管的结构及工作原理

7.2光电元件 2．光电管的主要性能指标光电管的性能指标主要有伏安特性、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。下面仅对其中的主要性能指标作一简单介绍。（1）光电管的伏安特性光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，其阳极与阴极之间的电压UA与光电流I之间的关系。

7.2光电元件 在一定光通量照射下，光电管阴极在单位时间内发射一定数量的光电子，这些光电子分散在阳极与阴极之间的空间，若在阳极上施加电压，则光电子被阳极吸引而收集，形成回路中的光电流。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。

7.2光电元件 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I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光电子全部被阳极收集，这种状态称为饱和状态，当达到饱和时，阳极电压再升高，光电流I也不会增加。图7-3绘出了光电管在不同光通量下的伏安特性曲线。

7.2光电元件 . 图7-3 光电管的伏安特性

7.2光电元件 （2）光电管的光谱特性光电管的光谱特性通常是指阳极和阴极之间所加电压不变时，入射光的波长（或频率）与其绝对灵敏度的关系。它主要取决于阴极材料，不同阴极材料的光电管适用于不同的光谱范围，另一方面，不同光电管对于不同频率（即使光强度相同）的入射光，其灵敏度也不同，常用的光电阴极有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极等。

7.2光电元件 （3）光电管的光照（电）特性光照（电）特性是指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，其特性曲线如图7-4所示。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。图7-4中曲线1表示银氧铯光电管的光照特性，曲线2为锑铯阴极光电管的光照特性。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光电管的灵敏度。

7.2光电元件 . 图7-4 光电管的光照特性

7.2光电元件 7.2.2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，只有零点几个微安，造成的测量误差将很大，甚至无法检测。为了提高光电管的灵敏度，在光电管的阴极和阳极之间安装一些倍增极，就构成了光电倍增管。光电倍增管实际上是光电阴极和二次电子倍增器的结合。当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使内部的电子逸出金属表面时，这种逸出金属表面的电子叫做二次电子。二次电子的数目不仅取决于入射光粒子的数目，还与入射光粒子的速度、金属的性质等有关。

7.2光电元件 1．光电倍增管的结构和工作原理光电倍增管由光阴极、次阴极（倍电极）以及阳极三部分组成，其结构如图7-5（a）所示。光阴极由半导体材料锑铯制成；次阴极是在镍或铜-铍衬底上涂锑铯材料而形成的，通常为12～14级，多者达30级；阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。

7.2光电元件 . 图7-5光电倍增管的结构及电路

7.2光电元件 使用光电倍增管时，在各个倍增电极上均加电压，阴极电位最低，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此，存在加速电场，对电子加速。从阴极发出的电子，在电场的加速下，打在电位比阴极高的第一倍增电极上，产生3～6倍的二次电子，被打出来的二次电子再经过加速电场的加速，又打在比第一倍增电极电位高的第二倍增电极上，电子数目又增加3～6倍，如此不断连续倍增，直到最后一级的

7.2光电元件 倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，其电子数将到达阴极发射电子数的105~106倍.从而在整个回路里形成光电流IA，见图7-5（b）所示。光电倍增管的放大倍数很高，一般可达106，它的灵敏度比普通光电管高几万到几百万倍，因此，在很微弱的光照时，它能够产生很大的光电流。

7.2光电元件 2．光电倍增管的主要参数和特性（1）光电倍增管的倍增系数与工作电压的关系光电倍增管若倍增极的二次电子发射系数为，则具有n个相同倍增极的光电倍增管的倍增系数为

7.2光电元件 因此阳极电流为式中， ——光阴极的光电流此光电倍增管的电流放大倍数为

7.2光电元件 光电倍增系数与工作电压的关系是光电倍增管的重要特性。随着工作电压的增加，倍增系数也相应增加，如图7-6所示。一般在 105～106之间，如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此，M具有一定的统计涨落。

7.2光电元件 . 图7-6 倍增系数与工作电压的关系

7.2光电元件 （2）光电倍增管的伏安特性光电倍增管的伏安特性也叫阳极特性，它是指阴极与各倍增极之间电压保持恒定条件下，阳极电流IA（光电流）与最后一级倍增极和阳极间电压UAD的关系，典型光电倍增管伏安特性如图7-7所示。它是在不同光通量下的一组曲线族。象光电管一样，光电倍增管的伏安特性曲线也有饱和区，照射在光电阴极上的光通量越大，饱和阳极电压越高，当阳极电压非常大时，由于阳极电位过高，使倒数第二级倍增极发出的电子直接奔向阳极，造成最后一级倍增极的入射电子数减少，影响了光电倍增管的倍增系数，因此，伏安特性曲线过饱和区段后略有降。

7.2光电元件 . 图7-7 光电倍增管的伏安特性

7.2光电元件 （3）光电倍增管的光电特性光电倍增管的光电特性是指阳极电流（光电流）与光电阴极接收到的光通量之间的关系. 典型光电倍增管的光电特性如图7-8所示。图中当光通量φ在10-13～10-4lm（流明）之间，光电特性曲线具有较好的线性关系，当光通量超过10-4lm时曲线就明显向下弯曲，其主要原因是强光照射下，较大的光电流使后几级倍增极疲劳，灵敏度下降，因此，使用时光电流不要超过1毫安。

7.2光电元件 . 图7-8 光电倍增管的光电特性

7.2光电元件 （4）光电倍增管的暗电流光电倍增管暗电流的定义和产生的原因与光电管一样，只是多了倍增极二次发射的影响。光电倍增管中光电阴极和各倍增极都有热电子发射，由于光电倍增管中电流是逐级倍增的，所以在热电子发射中，光电阴极和第一倍增极的热电子发射是主要的。为了减少由管座各极之间漏电流形成的暗电流，有时将阳极单独引出来，此外，管内电子将残余气体和铯原子电离，正离子将奔向阴极并轰击产生二次电子发射，这些电子再经倍增极放大输出，增加了暗电流。总之，影响暗电流的因素很多。在实际应用中要具体问题，分别处理，以达到实用要求。

7.2光电元件 7.2.3光敏电阻 1．光敏电阻的结构和工作原理光敏电阻是利用光导材料的内光电效应制成的没有极性的电阻器件。结构: 光敏电阻的结构比较简单，如图7-9（a）所示。它是在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后将它们压入塑料封装体内.为了防止周围介质的污染，

7.2光电元件 . (a) (b) 图7-9 光敏电阻的结构和原理

7.2光电元件 在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，光照就能改变电路中电流的大小。工作原理: 光敏电阻既可在直流电压下工作，也可在交流电压下工作。如图7-9（b）所示为光敏电阻在直流电路中的工作情况，具体如下:

7.2光电元件 (1)当无光照时，虽然不同的材料光敏电阻的数据不大相同，但它们的阻值一般可在1～100MΩ之间，由于其阻值太大，使得流过电路中的电流很小； (2)当有光照射时，光敏电阻的阻值变小，电路中的电流增大。根据电路中电流的变化值，便可测出照射光线的强弱。当光照停止时，光电效应自动消失，电阻又恢复到原值

7.2光电元件 说明: 光敏电阻灵敏度高、光谱特性好、使用寿命长、稳定性能高、体积小以及制造工艺简单，所以，被广泛地应用于照相机、防盗报警器、火灾报警器以及自动化控制技术中。 2．光敏电阻的技术特性和主要参数（1）暗电阻、暗电流将光敏电阻置于室温、无光照射的全暗条件下，经过一定稳定时间之后，测得的阻值称为暗电阻。此时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流称为暗电流。

7.2光电元件 （2）亮电阻、光电流光敏电阻在受到光照射时，测得的电阻值称为亮电阻。这时在给定工作电下测得光敏电阻中的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光敏电阻的光电流。实用中光敏电阻的暗电阻值一般在1～100MΩ之间，而亮电阻通常在几kΩ以下。暗电阻与亮电阻之差越大，光敏电阻性能越好，灵敏度也越高。

7.2光电元件 （3）光敏电阻的光电特性在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I（μA）与照射光通量φ的关系，称为光电特性，如图7-10所示。不同材料的光敏电阻其光电特性是不同的，绝大多数光敏电阻的光电特性是非线性的，当光照强度较大时有饱和趋向，因此，光敏电阻不宜作测量元件，只能作光电导开关元件使用。

7.2光电元件 （4）光谱特性每种半导体材料的内光电效应对入射光的光谱都具有选择作用，因此，不同材料制成的光敏电阻都有自己的光谱特性，即每种光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度，而且对应最大灵敏度的光波长也不同，图7-11给出了硫化镉等材料的光敏电阻的光谱特性。

7.2光电元件 . 图7.10 硒光敏电阻的光电特性图7.11光敏电阻的光谱特性

7.2光电元件 （5）伏安特性伏安特性是指在恒定光通量照射下，光敏电阻的电压与光电流之间的关系，如图7-12所示是硫化镉光敏电阻的伏安特性。由图看出，光敏电阻的电压与电流之间的关系服从欧姆定律，但在不同照度下，曲线的斜率是不同的，这表明光敏电阻的阻值是随光照度的变化而变化的。同一般电阻一样，光敏电阻两端的电压有个限制，电压过高会失去线性关系，此外，光敏电阻也有最大额定功率（耗散功率）的限制，超过最高工作电压和最大工作电流都能导致光敏电阻永久性的破坏。

7.2光电元件 . 图7-12 硫化镉光敏电阻的伏安特性图7-13 光敏电阻的频率特性

7.2光电元件 6）频率特性这里所说的频率不是入射光的频率，而是指入射光强度变化的频率。当光敏电阻受到脉冲光的作用时，光电流并不立即上升到稳态值，这个上升过程要经历一段时间，同样，光照停止后光电流也不立刻从稳态值下降到暗电流，也需要一段时间。这表明，光敏电阻中光电流随光强度的变化具有一定的惯性，通常用时间常数τ表示。

7.2光电元件 若入射光照射时间较短，光电流还未上升到稳态值，入射光就消失了，光敏电阻来不及作出应有的反映，光电流就降低了，灵敏度当然也要降低，所以，随着入射光强度变化的加快，即频率的增加，光敏电阻灵敏度随着降低。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数，即响应的快慢不同，图7-13给出了几种光敏电阻的频率特性。其中硫化铅光敏电阻有较好的频率特性，即它对光强的变化反应快，动态特性好。光敏电阻的响应时间还与光强有关，光强越大，响应时间越短。

7.2光电元件 总之，光敏电阻的惯性比较大，如铊氧硫光敏电阻的灵敏度在100HZ时已经比恒光通量下的灵敏度下降了1/2～2/3，硫化铅光敏电阻的灵敏度一直到5000HZ几乎不变，但与光电管相比还是比较差的，因此，尽管光敏电阻灵敏度比光电管高得多，但在许多地方仍然选用光电管。

7.2光电元件 （7）温度特性光敏电阻与其它半导体器件一样，它的特性受温度的影响较大。温度升高将导致光敏电阻的暗电阻值变小，灵敏度下降。其光谱特性也向短波方向移动，硫化铅光敏电阻光谱温度特性曲线如图7-14所示。温度特性可用温度系数来表示，温度系数越小越好。表7-1列出了几种国产光敏电阻的参数，使用时，仅供参考。

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