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新型传感器技术 第一章 新型固态光电传感器 本章内容提要 1 光电效应 定义： 物质由于光的作用而产生电流、电压，或电导率变化的现象 分类： 外光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应 1.1 外光电效应 1.1.1 原理与结构 光照?物质?电子获能?逸出表面?光电流 (光子) (光电子) 光电流正比于光强度 入射光的频率必须大于材料的红限 光电传感器对光具有选择性 光电材料:银氧铯\锑铯\镁化镉等 举例:光电管\光电倍增管 1.1.2 真空光电管 1. 组成：光电阴极＋阳极A＋透明外壳 2. 结构与测量电路： 真空光电管的特点 线性度好; 灵敏度低； 测量弱光时，光电流很小，测量误差大。 光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度 光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度 1.1.3 光电倍增管 组成：光电阴极K＋阳极A＋倍增极＋外壳 结构原理及测量电路 光电倍增管的特点 很高的放大倍数（可达106）； 适应弱光测量； 工作电压高,一般需冷却。 例如：0.1流明（lm）光通量时，光电管产生光电流为5μA; 0.0001流明光通量时，光电倍增管的光电流为1000 μA。 相差1000×200倍 1.2 内光电效应 ——光敏器件进行光电转换的物理基础 光电导效应—半导体材料在光的照射下，电导率发生变化的现象。 光生伏特效应—半导体材料在光的照射下，在一定方向产生电动势的现象。 1.2.1 光电导效应—光敏电组 光照?半导体材料?电子空穴对激发分裂 ?导电粒子增加?电导率增加?光电流 光的选择性 暗电阻:10~100MΩ 亮电阻:10kΩ 用途:测光/光导开关 材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅 光敏电阻的特性 光谱特性 硫化镉：可见光区域,λ=0.4~0.76μm 峰值0.7μm 硫化铊：可见光及近红外区,λ=0.5~1.7μm 峰值:1.2~1.3μm 硫化铅：可见光至中红外区,λ=0.5~3μm 峰值2.5μm 根据光谱范围选用！ 1.2.2 光电导效应—光敏晶体管 结构 与普通晶体管相似，但P-N结具有光敏特性。 二极管在电路中处于反向工作状态。 光敏二极管 无光照时：光电二极管反向截止，回路中只有很小的反向饱和漏电流——暗电流，一般为10-8~10-9A，相当于普通二极管反向截止； 续 有光照时：P-N结吸收光子能量，产生大量的电子/孔穴对，P区和N区的少数载流子浓度提高，在反向电压的作用下反向饱和电流显著增加，形成光电流。 性能与用途 光电流与光通量成线性关系，适应于光照检测方面的应用； 光电二极管动态性能好，响应速度快（10μs）； 但灵敏度低，温度稳定性差。 光电三极管可以克服这些缺点。 光敏三极管电路 集电结反向偏置 基极无引出线 原理 无光照时 有光照时 Icbo—反向饱和漏电流 Iceo—光敏三极管暗电流 Ic—集电结反向饱和电流 Ie—光敏三极管光电流 应用 —“电眼睛” 光电编码器 火灾报警器 光电控制 自动化产生 条形码读出器 机器安全设施等 光电晶体管特性—光谱、伏安特性 光电晶体管特性—温度、频率特性 1.2.3 光生伏特效应—光电池 物理基础—光生伏特效应 半导体材料在光的作用下产生电动势的现象 类型—硒光电池、硅光电池 硒光电池原理 无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止硒中空穴的进一步扩散，动平衡； 有光照时，硒中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡层，空穴留在硒中； 电荷积累的结果：硒半导体成为正极，金属成为负极。 连接＋—极，产生连续的光电流 光谱特性—光谱特性 硒光电池光谱响应范围：0.3~0.7μm 硅光电池光谱响应范围：0.5~1μm 光谱特性—光电、温度特性 1.3 普通光敏器件阵列 象限探测器 光敏器件阵列 1.3.1 象限探测器 作用 确定光点在平面上的位置坐标； 用于准直、定位、跟踪等。 结构 利用光刻技术，将一整块圆形或正方形光敏器件敏感面分割成若干区域； 各个区域各面积相等、形状相同、位置对称； 背面仍为一体。 划分形式： 原理 光点投射到探测器上； 各象限上光斑大小不同； 光生电动势也不同： U2U1U3U4； 可断定光心在第4象限； 标定后，可知光心在X、Y方向的坐标。 和差坐标换算 Y方向： X方向： 和差测量电路 直差坐标换算—器件旋转45° Y方向： X方向