光电传感器.ppt
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1、,第5章 光电式传感器,5.1 常用光电器件 5.2 光栅传感器 5.3 固态图像传感器,上一页,下一页,返 回,光电式传感器,定义:是一种将光信号转换成电信号的装置。 以光电元件作为转化元件,可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。 物理基础:光电效应 优点:结构简单、性能可靠、精度高、反映快。 应用:现代测量和自动控制系统,应用广泛,前景广阔。,上一页,下一页,返 回,光电效应,下一页,返 回,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和内光
2、电效应两大类: 1)外光电效应 在光线的作用下,物体内的电子逸出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,每个光子的能量:,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,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,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,光电子能否产生,取决于光电子的能量是否大于该物
3、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成正比。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。,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。,下一页,返
4、回,2)内光电效应,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和光生伏特效应两类: (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。,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,并使其由价带越过禁带跃入导带,如图,使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,从而使电导率变大。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,
5、Eg,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。,式中、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材料的禁带宽度Eg,即,(2) 光生伏特效应 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和光敏二极管、三极管。 势垒效应(结光电效应)。 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
6、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。,侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时,载流子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,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)。,5.1
7、 常用光电器件,5.1.1 光敏电阻 5.1.2 光电池 5.1.3 光敏二极管和光敏晶体管 5.1.4 常用光电器件的应用,下一页,返 回,511 光敏电阻,1. 光敏电阻的光电效应 2光敏电阻种类 3光敏电阻的主要参数 4. 光敏电阻的基本特性,上一页,下一页,返 回,1. 光敏电阻的光电效应,光敏电阻特性: 当无光照时:光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流很小 当有光照时:光敏电阻值(亮电阻)急剧减少,电流迅速增加 光照停止时:恢复高阻状态 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。,上一
8、页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,接受光照时: 其共价键中的价电子吸收光子能量,由价带穿越禁带到达导带,成为光生自由电子,使得半导体中自由电子空穴对增加,导电率提高,电阻值下降。 光照停止时: 失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合,自由电子空穴对减少,导电率下降,电阻值提高。 Eg禁带宽度,价电子吸收光子能量EEg,才能穿越禁带成为自由电子。 光照越强、E越大,光生自由电子越多,电阻值越小。 光照停止或光强减小使EEg时,光生自由电子又迭回价带成为价电子,使电阻值增加或恢复高阻状态。,形成原因:,上一页,下一页,返 回,偏压U一定时,检流计指示电流I的大小决定于光敏电
9、阻上的光照强度: 无光照时:I很小,此电流称之为暗电流; 光敏电阻的阻值很高,相应称之为暗电阻(兆欧级) 有光照时:I较大,此电流称之为亮电流; 光敏电 阻的阻值显著减小,相应称之为亮电阻(千欧以内) 光电流:由光照所产生的自由电子空穴流,为亮电流与暗电流之差。 由于暗电流很小,在工程分析时可把亮电流看成光电流。,光敏电阻光电效应实验电路,光敏电阻的结构,1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响, 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。,上一页,下一页,返 回,2. 光敏电阻种类,光敏电阻是一个纯电阻性两端器件
10、,适用于交、直流电路,因而应用广泛,种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波,按其最佳工作波长范围分三类: (1)对紫外光敏感元件 紫外光是指紫外线(波长10380nm)的内侧光波,波长约300380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌、硫化锌等,适于作射线检测及光电控制电路。 (2)对可见光敏感元件 可见光波长范围约380760nm,对这类光敏感的材料有硒、硅、锗等,适用于光电计数、光电锅台、光电控制等场合。 (3)对红外光敏感元件 红外光是红外线(波长 7601106nm)的内侧光波,波长约7606000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅、硒化钳
11、等,主要用来探测不可见目标。,上一页,下一页,返 回,3 光敏电阻的主要参数,(1)暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下,在全暗后经过一定时间测量的电阻值,称为暗电阻。此时流过的电流,称为暗电流。 (2)亮电阻 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。 (3)光电流 亮电流与暗电流之差,称为光电流。,上一页,下一页,返 回,4光敏电阻的基本特性,(1)光谱特性 (2)光照特性 (3)伏安特性 (4)响应时间和频率特性 (5)温度特性 (6)稳定性,上一页,下一页,返 回,(1)光谱特性,定义:光电流对不同波长的单色光,灵敏度是不同的。,上一页,下一页,返 回
12、,光波: 波长为10106nm的电磁波 可见光:波长380780nm 紫外线: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:波长780106nm,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,峰值在红外区域;硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。 结论: 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。,上一页,下一页,返 回,(2)光照特性,定义:在一定电压下,光敏电阻的光电流I与光强E之间的关系。,上一页,下一页,返 回,右图表
13、示CdS硫化镉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。,(3)伏安特性,定义:在一定强度的光照下,光敏电阻的端电压与光电流的关系。,上一页,下一页,返 回,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。在一定的光照度下,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
14、损坏。,50,100,150,200,1,2,20,I/ A,0,40,U/V,(4)响应时间和频率特性,时延特性: 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。 通常用响应时间t表示。,上一页,下一页,返 回,光敏电阻的频率特性,不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间,所以它们的频率特性也就不尽相同。,上一页,下一页,返 回,20,40,60,80,100,I / %,f / Hz,0,10,102,103,104,硫化铅,硫化镉,如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多,但多数光敏电阻的时延都比较大,所以,它不能用
15、在要求快速响应的场合。,(5)温度特性,光敏电阻性能(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。,上一页,下一页,返 回,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,-20 C,(6)稳定性,上一页,下一页,返 回,图中曲线1、2分别表示两种型
16、号CdS硫化镉光敏电阻的稳定性。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。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。,5.1.2 光电池,上一页,下一页,返 回,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能,因此又称为太阳能电池。它是发电式有源元件,有较大面积的PN结,当光照射在
17、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(或太阳能电池)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。 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,它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,1 光电池的结构和工作原理,上一页,下一页,返 回,硅光电池的结构如图所示
18、。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。,上一页,下一页,返 回,光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。,2 基本特性,(1) 光谱特性 (2) 光照特性 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性,上一页,下一页,返 回,(1)光谱特性,上一页,下一页,返 回,光电池对不同波长光的灵敏度是不同的,不
19、同材料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的,因此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。,(2)光照特性,上一页,下一页,返 回,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。 短路电流曲线:光电流与照度之间的特性曲线,光电池的短路电流,上一页,下一页,返 回,定义: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“
20、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。,结论:负载RL越小,光电流与强度的线性关系越好,且线性范围越宽。,(3)频率特性,结论:硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换,上一页,下一页,返 回,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。,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,(4)温度特性,上一页,下一页,返 回,光电池的温度特性是指开路电压和短
21、路电流随温度变化的关系。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。,20,0,40,60,90,40,60,UOC/ mV,T / C,ISC,UOC,ISC / A,600,400,200,UOC开路电压,ISC 短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,(5)稳定性,当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素: 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件,上一页,
22、下一页,返 回,5.1.3 光敏二极管和光敏晶体管,1 工作原理 2 基本特性,上一页,下一页,返 回,1 工作原理,上一页,下一页,返 回,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。,1)光敏二极管,上一页,下一页,返 回,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
23、中一般是处于反向工作状态,如图所示。,上一页,下一页,返 回,光敏二极管在没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小。反向电流也叫做暗电流当光照射时,光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时,光敏二极管处于载止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下,渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流;受光照射时,PN结附近受光子轰击,吸收其能量而产生电子-空穴对,从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加,因此在外加反向偏压和内电场的作用下, P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区, N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区,从而使通过PN结的反向电流大为增加,这就形成了光电流。光敏二极管的光电流
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