第八章 光电传感器

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第8章 光电传感器8.1 8.3 8.4 8.5 8.6 光电传感器的基本效应 光电导效应及光电元件 光电伏特效应及光电元件 CCD图像传感器 应用光路

8.2 外光电效应光电器件

8.7 光电传感器应用思考题与习题

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8.18.1.1 光敏器件所探测的光包括可见光、紫外线和红外光，在 整个电磁辐射的频谱中只占很小一部分。光具有波粒二象性，

沿r方向传播的频率为ν的单色光可视为一束光子流，其中每个光子具有的能量Q和动能E分别为 (8.1) (8.2)

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这样，单色光的辐射功率就可写为P(ν)=A· F· hν (8.3) 量子力学指出，光的发射和吸收是与量子态间的跃迁过 程相联系的，在此过程中，光表现出其粒子性。在发射时， 光源系统由高能态E2向低能态E1跃迁，同时按能量守恒定律 发射光子，即 hν=E2-E1 (8.4) 在吸收时，介质吸收光子hν后就从低能态E1跃迁到高能 态E2。按能量守恒定律，介质系统跃迁前后的能量差应为 E2-E1=hν (8.5)

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即根据能量守恒定律，光源只能发出由式(8.4)描述的光子，只有符合式(8.5)的光子才能被介质吸收。吸收和发射只有在 计及光子动量并服从准动量守恒定则(选择定则)时才能发生。 光在半导体中传播时的衰减是半导体内电子吸收光子后 从低能态向高能态跃迁的结果。在其诸多吸收过程中，本征 吸收是光敏器件的工作基础。本征吸收又称基本吸收，其相 应的跃迁过程是：价带电子吸收了能量大于或等于禁带宽度 的光子后，跃至导带，产生自由电子，并在价带留下自由空 穴。因此，在本征吸收时，每吸收一个光子，就产生一个电 子-空穴对。由于在本征吸收过程中被吸收的光子要满足的 条件是

hν=Eg

(8.6)

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8.1.2半导体光电效应是半导体中束缚电子在吸收光子后所产 半导体光电效应可分为外光电效应和内光电效应两大类。 半导体内的电子在吸收光子后，如能克服表面势垒逸出 半导体表面，则会产生外光电效应。光电管、光电倍增管等 半导体内的电子在吸收光子后不能跃出半导体，所产生 的电学效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分 为光电导效应和光生伏特效应。内光电效应的种类很多，可

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8.28.2.1 光电管的结构如图8.1所示。在一个抽成真空的玻璃泡 内装有两个电极：阳极和光电阴极(简称阴极)。当阴极受到 适当波长的光线照射时便发射光电子，光电子被带正电位的

阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电子流，输出电压。光电流的大小与照射在光电阴极上 的光强度成正比，并与光电阴极的

材料有关。当光通量一定

时，真空光电管阳极电压与阳极电流的伏安特性曲线见图8.2

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图8.1 光电管的结构

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图8.2 真空光电管的伏安特性曲线

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光电管除真空光电管外，还有充气光电管。这两种光电管的结构基本相同，所不同的只是在充气光电管的玻璃泡内 充有少量的惰性气体，如氩或氖。当光电极被光照射而发射 电子时，光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子使其 电离，从而使阳极电流急速增加，提高了光电管的灵敏度。 但其稳定性、频率特性等都比真空光电管的差。图8.3给出

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图8.3 充气光电管的伏安特性曲线

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8.2.2光电倍增管的结构如图8.4所示。它在玻璃管4内由光电 阴极1(K)、若干个倍增极2(Dn,n=4~14)和阳极3(A)三部分 组成。由一定材料制成的光电阴极K受入射光Φ照射时，可 发射出光电子，形成光电流iΦ。因倍增极和阳极上加有一定 的电位(图中经分压电阻获得),故光电阴极发射的光电子被 第一倍增极D1的正电压所加速，而轰击第一倍增极D1,打 击出二次电子。同样，二次电子又被第二倍增极D2的正电 压所加速，而轰击第二倍增极D2,打击出更多的二次电子。 依次下去，最后全部二次电子被带正电位的阳极A所收集， 形成光电流i。如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出

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一个电子， 则这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极。设这时第一倍增极有σ个二次电子发出， 这σ个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加σ 倍。经过n个倍增极后，原先一个电子将变为 σn个电子。这 些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流 i,则 i=iΦσn 故输出电压 Usc=iR=iΦσnR (8.8) (8.7)

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图8.4 光电倍增管的结构

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8.38.3.1 光敏电阻的光谱特性是选择光敏电阻器的重要依据。根 据光敏电阻的光谱特性，目前常用的有三种光敏电阻器：紫

紫外光敏电阻器对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉红外光敏电阻器主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化

铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测

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可见光光敏电阻器包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等，主要用于各种光电 控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明 系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动 保护装置和位置检测，零件的厚度检测，照相机自动曝光装 置，光电码盘，光电计数器，

烟雾报警器，光电跟踪系统等。 图8.5为某光敏电阻的结构及电路符号。用来制作光敏 电阻的典型材料有硫化镉(CdS)及硒化镉(CdSe)等。

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图8.5 某光敏电阻的结构及电路符号

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8.3.21. 光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流 过的电流称为暗电流。光敏电阻受到光照射时的电阻称为亮 电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称 为光电流。一般暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵敏 光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级，亮电阻在 几千欧以下。暗电阻与亮电阻之比一般在102~106

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2.一般光敏电阻(如硫化铅、硫化铊)的伏安特性曲线如图 8.6所示。由该曲线可知，所加的电压越高，光电流越大， 而且没有饱和现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光

图8.6 光敏电阻的伏安特性曲线

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3.光敏电阻的光照特性用于描述光电流和光照强度之间的 关系。不同光敏电阻的光照特性是不相同的。绝大多数光敏 电阻的光照特性曲线是非线性的，如图8.7

图8.7 光敏电阻的光照特性曲线

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4.常用光敏电阻材料的光谱特性曲线如图8.8所示。

图8.8 常用光敏电阻材料的光谱特性曲线

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5.随着温度不断升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下 降，同时温度变化也影响它的光谱特性曲线。图8.9示出了 硫化铅的光敏温度特性曲线。从图中可以看出，它的峰值随 着温度上升向波长短的方向移动。因此，有时为了提高元件 的灵敏度，或为了能够接受较长波段的红外辐射，应采取一 光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫 外区域到红外区域，而且体积小，性能稳定，价格便宜，但 光照与产生的光电流之间呈非线性关系。所以，光敏电阻在 自动化技术中应用很多，在检测技术中很少使用。

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