4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章課件

第四章物理傳感器的基本原理4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章上章內(nèi)容回顧2、傳感器的靜態(tài)特性定義，傳感器的靜態(tài)特性方程，靜態(tài)特性指標(biāo)(線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、測量范圍等)的定義、意義和分析。1、傳感器的基本特性：傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

3、傳感器動態(tài)特性定義，傳感器的基本動態(tài)特性方程：零階系統(tǒng)、一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)。

4、傳感器動態(tài)特性：傳遞函數(shù)、動態(tài)響應(yīng)、頻率特性。

重點掌握?。?！4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章按被測量分類（一種宏觀分類方法）物理傳感器:用于測量血壓、體溫、血流量、生物磁場等，被測量都是物理量。設(shè)計時多這些非電量的利用物理性質(zhì)和物理效應(yīng)。

化學(xué)傳感器:用于測量人體內(nèi)某些化學(xué)成分、濃度、PH值等，被測量都屬于化學(xué)量（被測物質(zhì)分子量較?。?。設(shè)計時多利用電化學(xué)原理或物理效應(yīng)。生物傳感器：用于測量酶、抗原、抗體、激素、DNA、RNA等物質(zhì)，被測量都屬于化學(xué)量（被測物質(zhì)分子量較大）。利用生物活性物質(zhì)具有的選擇識別待測生物化學(xué)物質(zhì)的能力而制成傳感器。生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章物理傳感器（PhysicalSensor

）

物理傳感器是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)（如光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電磁效應(yīng)、熱電效應(yīng)等)，把被測量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量能形式的信號（通常是電信號）的裝置。其輸出的信號和輸人的信號有確定的函數(shù)關(guān)系。物理傳感器是目前應(yīng)用該范圍最廣，使用量最大的傳感器。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章按工作原理分類：

光電式傳感器壓電式傳感器應(yīng)變式傳感器電容式傳感器電感式傳感器磁電式傳感器熱電式傳感器

………..從被測對象分類：

心音傳感器

壓力傳感器

血流傳感器

呼吸傳感器

溫度傳感器

………..物理傳感器分類4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章§4-1

光電式傳感器光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。什么是光電式傳感器？

主要用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。

4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章特點及應(yīng)用光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠、精度高等特點。因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電式傳感器的進一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛：

光電脈搏傳感器、熱成像、核醫(yī)學(xué)檢測器、光導(dǎo)纖維血壓計等。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

光電傳感器由光電器件組成，包括光電管、光電倍增管、光電導(dǎo)元件、光電勢元件和光敏管等工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。什么是光電效應(yīng)?光照射在某些物質(zhì)上時,物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生電效應(yīng)現(xiàn)象，如導(dǎo)電率變化、釋放電子和產(chǎn)生電動勢等。釋放的電子叫光電子，能產(chǎn)生光效應(yīng)的物質(zhì)叫光電材料。光電效應(yīng)按其作用原理分為以下兩大類型：外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

1.外光電效應(yīng)—在光照的作用下，物體表面和內(nèi)部電子吸收光能后逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電發(fā)射效應(yīng)。如光電管、光電倍增管等。一、外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)遵循以下兩個定律：

（1）斯托列夫定律—當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目的飽和值）與入射光的強度成正比。此定律是光電管、光電倍增管的檢測基礎(chǔ)。

（2）愛因斯坦定律—光電子的最大動能與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光的強度無關(guān)。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理：

該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度；Ao—金屬的逸出功4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

2.二次電子發(fā)射和電子倍增現(xiàn)象

具有足夠動能的電子轟擊任何物體使該物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象，稱為二次電子發(fā)射現(xiàn)象。轟擊物體的電子稱為一次電子，受轟擊物體發(fā)射的電子稱為二次電子。

用二次發(fā)射系數(shù)δ來表示物體二次電子發(fā)射能力：式中：ns、is分別是二次電子數(shù)和二次電流

np、ip分別是一次電子數(shù)和一次電流若δ>1時,則會發(fā)生空間電子數(shù)成倍增加的現(xiàn)象，即電子倍增效應(yīng)。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。(一)光電管1.結(jié)構(gòu)與工作原理

光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個光電陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。3.外光電效應(yīng)器件光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光光電陰極陽極4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探測率和溫度特性來描述。（1）光電管的伏安特性2.主要性能

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。光電管的伏安特性電壓/V5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012IA/μA4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章（2）

光電管的光照特性通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。

光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.514.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章（3）光電管光譜特性保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率υ0，因此它們可用于不同的光譜范圍。即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率υ0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章(二)光電倍增管

當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾μA，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進行放大，下圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。1.結(jié)構(gòu)和工作原理：由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料如銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達30級；入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105-106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產(chǎn)生很大的光電流。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章（1）倍增系數(shù)M

倍增系數(shù)M等于n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。如果n個倍增電極的δ都相同，則M=因此，陽極電流I為

I=i·

i—光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)β為

β=I/i=M與所加電壓有關(guān)，M在105~108之間，穩(wěn)定性為1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以內(nèi)。如果有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計漲落，從而減小測量誤差。

2.主要參數(shù)4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

103

104

105

106255075100125極間電壓/V放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章（3）暗電流和本底脈沖一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除。

如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章光電倍增管的光照特性與直線最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽極電流/A（4）光電倍增管的光照特性

光照特性反映了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：二、內(nèi)光電效應(yīng)及器件1光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，在外場的作用下形成光電流。如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

2光生伏特效應(yīng)

在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。

①結(jié)型光電效應(yīng)

接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)型光電效應(yīng)。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光電動勢。

4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章結(jié)型光電器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別：（1）產(chǎn)生光電變換的部位不同；（2）光電導(dǎo)器件沒有極性，而結(jié)型光電器件有確定的正負極性；（3）光電導(dǎo)器件馳豫時間較大，結(jié)型器件馳豫時間相應(yīng)較小，因此響應(yīng)速度較快；（4）有些結(jié)型光電器件靈敏較高，可以通過較大的電流。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。②側(cè)向光電效應(yīng)4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強而減小。

優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。

不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。

3內(nèi)光電效應(yīng)器件4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章(一)光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

(二)光敏電阻的主要參數(shù)

1．暗電阻

光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。2．亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。3．光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

(三)光敏電阻的基本特性

1．伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。

4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章2．光譜特性

光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。0.65um1.05um2.3um4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章3．溫度特性

溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，同時，光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變，尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。

4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章二、光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。

按光電池的用途可分為兩類：即太陽能光電池和測量光電池。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章1、硒光電池2、氧化亞銅光電池3、硫化鉈光電池4、硫化鎘光電池5、鍺光電池6、硅光電池7、砷化鎵光電池光電池的種類：能用可見光作光源能用可見光作光源光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個PN結(jié)，根據(jù)制作PN結(jié)的材料不同：4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。光電池的示意圖+光PN－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b)光電池的工作原理示意圖

P

N4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章（1）光照特性

開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時趨向飽和。

短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線2.基本特性L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

短路電流，指外接負載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂撦d近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=04.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性

光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1——硒光電池2——硅光電池4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章(3)頻率特性光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硅光電池2——硒光電池4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章（4）溫度特性光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

光敏二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。三、光敏晶體管4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

1.光敏二極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。光敏二極管符號光敏二極管接線

RL

光PNPN光4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章工作原理光敏二極管工作在光電導(dǎo)工作模式。在無光照時，若給PN結(jié)加上一個適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，流過PN結(jié)的電流稱反向飽和電流或暗電流。當(dāng)光敏二極管被光照時，則在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被內(nèi)建電場拉開，在外加電場的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移運動為主的光電流。光照越強，光電流就越大。

光電流與照度之間呈線性關(guān)系，即光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章2.光敏三極管

光敏三極管與普通晶體三極管相似——具有電流放大作用，只是它的集電極電流不只受基極電流控制，還受光的控制。所以光敏三極管的外型有光窗。管型分為NPN型和PNP型兩種。

PPNNNPe

b

bc

RL

Eec4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章工作時要保證集電極反偏，發(fā)射極正偏。

RL

E光敏三極管的工作原理分為兩個過程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換部分是在集-基結(jié)區(qū)內(nèi)進行，而集電極、基極、發(fā)射極構(gòu)成了一個有放大作用的晶體管。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章光敏三極管的主要特性：

光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。（1）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?40008000120001600010080604020

0硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章光敏三極管的伏安特性（2）伏安特性

光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080U/V

一般硅光敏三極管的光電流在毫安量級，硅光敏二極管的光電流在微安量級4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0

光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。

（3）光照特性4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC25

050100

02003004001020304050607080T/oC光敏晶體管的溫度特性光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大．所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。（4）溫度特性4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。入射光調(diào)制頻率/HZ0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ相對靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性（5）頻率特性4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

1、PIN光電二極管幾種特殊光電二極管

PIN光電二極管又稱快速光電二極管。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層很厚的本征半導(dǎo)體。（1）有較厚的I層，因此內(nèi)電場就基本上全集中于I層，使PN結(jié)間距離拉大，結(jié)電容變小，從而提高了PIN光電二極管的頻率響應(yīng)。（2）由于I層較厚，又工作在反偏，使結(jié)區(qū)耗盡層厚度增加，提高了對光的吸收和光電變化區(qū)域，使量子效率提高。（3）同時還增加了對長波的吸收，提高了長波靈敏度。（4）由于I層較厚，在反偏下工作可承受較高的反向偏壓，這使線性輸出范圍變寬。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

2、雪崩光電二極管（APD）

APD是借助強電場作用產(chǎn)生載流子雪崩倍增效應(yīng)的一種高速、高靈敏度的光電器件。它廣泛應(yīng)用于光纖通信、弱信號檢測、激光測距等領(lǐng)域。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章工作原理

APD工作過程：在光電二極管的PN結(jié)加一相當(dāng)高的反向偏壓，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很強的電場。當(dāng)光激發(fā)的光生載流子進入結(jié)區(qū)后，在強電場的加速下獲得很大的能量，與晶格原子碰撞而使晶格原子發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對，新產(chǎn)生的電子-空穴對在向電極運動過程中，又獲得足夠能量，再次與晶格原子碰撞，又產(chǎn)生新的電子-空穴對，這一過程不斷重復(fù)，使p-n結(jié)內(nèi)電流成倍急劇增加，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增。

APD利用這種效應(yīng)而具有電流的放大作用。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章

3、色敏光電器件

當(dāng)光照射時，紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被吸收完畢；因此，淺結(jié)對紫外光有較高靈敏度。而紅外光部分吸收系數(shù)小，光子主要在深結(jié)處被吸收；因此，深結(jié)對紅外光有較高的靈敏度。

雙結(jié)型色敏器件實際上是光電傳感器的一種特殊類型。它是兩只結(jié)深不同的的光電二極管組合體，其結(jié)構(gòu)和工作原理的等效電路如圖所示。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章用雙結(jié)光電二極管測量顏色時，通常測量兩個光電二極管的短路電流比（ISC2/ISC1）與入射波長的關(guān)系，每一種波長的光都對應(yīng)于一個短路電流比值，根據(jù)短路電流比值判別入射光的波長，達到識別顏色的目的。4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章（一）光電式傳感器的基本組成和類型光源光學(xué)通路光電器件測量電路φ1φ2IX1被測量X2被測量把光電器件輸出電信號轉(zhuǎn)換成電路的可用信號1、基本組成光電式傳感器的應(yīng)用4.生物醫(yī)學(xué)傳感-第4章2、基本類型（1）透射式φp＝φ0－φA

φA－被測對象A所吸收的光通量

φP－光敏元件所接