第五章 光傳感器

第五章

光傳感器

第一節(jié)

概述第二節(jié)

外光電效應(yīng)器件第三節(jié)

內(nèi)光電效應(yīng)器件第四節(jié)

其他光傳感器第五節(jié)

光傳感器的應(yīng)用舉例第六節(jié)光纖傳感器光傳感器是將被測(cè)量的變化通過光信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。1一、光譜光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波可見光：波長(zhǎng)380—780nm紫外線：波長(zhǎng)10—380nm，

波長(zhǎng)300—380nm稱為近紫外線波長(zhǎng)200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長(zhǎng)10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長(zhǎng)780—106nm

波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長(zhǎng)超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。

光譜分布如圖所示。第一節(jié)概述2遠(yuǎn)紫外近紫外可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長(zhǎng)/μm波數(shù)/cm-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波長(zhǎng)λ和頻率ν的關(guān)系為

ν的單位為Hz，λ的單位為cm。νλ=3×1010cm/s3二、光源（發(fā)光器件）1、白熾燈2、氣體放電燈3、發(fā)光二極管4、激光器4三、光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類1、外光電效應(yīng)

在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個(gè)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）5根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)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(dòng)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(shí)間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。6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(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長(zhǎng)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(qiáng)再大也不會(huì)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(huì)有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)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(dòng)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(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。7

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(dòng)勢(shì)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。

（1）光電導(dǎo)效應(yīng)2、內(nèi)光電效應(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。8（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(dòng)勢(shì)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勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)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(shí)，產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)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(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。加偏壓的PN結(jié)不加偏壓的PN結(jié)9②側(cè)向光電效應(yīng)。

當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會(huì)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(duì)時(shí)，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(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)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(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。10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、光電管及其基本特性光電管的結(jié)構(gòu)示意圖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(gè)陰極和一個(gè)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。第二節(jié)外光電效應(yīng)器件1112

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(shí)間、峰值探測(cè)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(duì)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5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012IA/μA13（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(shí)，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（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.5114（3）光電管光譜特性由于光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對(duì)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。除此之外，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(qiáng)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(huì)不同，即同一光電管對(duì)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(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。15二、光電倍增管及其基本特性光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測(cè)器都使用的是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。1.結(jié)構(gòu)和工作原理16由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。次陰極多的可達(dá)30級(jí)；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(dá)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(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。17（1）倍增系數(shù)M

倍增系數(shù)M等于n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。如果n個(gè)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(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。對(duì)所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測(cè)量誤差。2.主要參數(shù)18103104105106255075100125極間電壓/V放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線19（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度

一個(gè)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(gè)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(dá)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(huì)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(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。（3）暗電流和本底脈沖暗電流：沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽極仍有電流本底電流：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，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對(duì)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，具有脈沖形式

20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

光照特性反應(yīng)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(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時(shí)，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。光譜特性21利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)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(qiáng)而減小。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等。不足：需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。

第三節(jié)內(nèi)光電效應(yīng)器件221.光敏電阻的工作原理當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，即

hν==≥Eg(eV)

式中ν和λ—入射光的頻率和波長(zhǎng)。一種光電導(dǎo)體，存在一個(gè)照射光的波長(zhǎng)限λC，只有波長(zhǎng)小于λC的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級(jí)間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。23在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。24光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。

RGRLEI252.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。26（2）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mAL/lx1000200027（3）光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240λ/μm312相對(duì)靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛28（4）伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時(shí)的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)5010015020012U/V02040象。但是電壓不能無限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。I/μA29（5）頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。20406080100I/%f/Hz010102103104由于不同材料的光敏，電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。硫化鉛硫化鎘30（6）穩(wěn)定性

圖中曲線1、2分別表示兩種型號(hào)CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時(shí)間的老化過程中，有些樣品阻值上I/%408012016021t/h040080012001600升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長(zhǎng)的。31（7）溫度特性其性能(靈敏度、暗電阻和光譜響應(yīng))受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長(zhǎng)波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I/μA100150200-50-10305010-30T/oC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC32二、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，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(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，有光線作用時(shí)就是電源。應(yīng)用:用于宇航電源、檢測(cè)和自動(dòng)控制等。種類：硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接收紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02％)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長(zhǎng)0.56μm)，最適宜制造照度計(jì)。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合,且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。33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(kuò)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(shí)，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(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般可產(chǎn)生0.2V～0.6V電壓50mA電流。1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理+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PN34光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光電池符號(hào)和基本工作電路35太陽能手機(jī)充電器太陽能供LED電警示太陽能電池36L/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（1）光照特性開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，開路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。2.基本特性開路電壓短路電流短路電流37短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)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?fù)載近似地滿足“短路”條件。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性可見，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。38204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性光電池的光譜特性決定于材料。1——硒光電池2——硅光電池可見，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在540nm附近，適宜測(cè)可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長(zhǎng)在850nm附近，因此硅光電池可在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。39(3)頻率特性

光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)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。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池從光電池的頻率響應(yīng)曲線可知，硅、硒光電池的頻率特性不同，硅光電池頻率響應(yīng)較好硒光電池較差。所以高速計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換一般采用硅光電池作為傳感器元件。40（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?？梢?，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(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)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41三、光敏二極管和光敏三極管1.光敏二極管光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此頻率特性好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。按材料：硅、砷化鎵、銻化錮光電二極管等多種。按結(jié)構(gòu)：同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型：2CU和2DU兩種系列。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。421.光敏二極管鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管都有一個(gè)P—N結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，PN結(jié)面積比一般二極管大，它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接收到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。PN光光敏二極管符號(hào)RL

光PN光敏二極管接線43在無光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，稱為暗電流。此時(shí)光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，只有少數(shù)載流子在反向偏壓作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流。當(dāng)有光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。44紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管45（1）PIN管結(jié)光電二極管在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十MHz，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號(hào)開關(guān)、中波頻帶到1000MHz之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管還可用于測(cè)量紫外線或射線等。46最大特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個(gè)特點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會(huì)使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。

47（2）雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。其工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。

噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。48光敏二極管的反向偏置接線及光電特性演示

在沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照492.光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開路時(shí),集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在內(nèi)電場(chǎng)的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。PPNNNPeb

bcRLEec50光敏三極管的主要特性：光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮短時(shí)，相對(duì)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(duì)不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對(duì)靈敏度下降。（1）光譜特性相對(duì)靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200硅的峰值波長(zhǎng)為9000?，鍺的峰值波長(zhǎng)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(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí),則采用鍺管較合適。510500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性（2）伏安特性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(shí)的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大。U/V52光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性光敏三極管的光照特性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(shí)，會(huì)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。53暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC25050100

02003004001020304050607080T/oC光敏晶體管的溫度特性（4）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?？梢?，溫度變化對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大。所以電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。54（5）光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)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(duì)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。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調(diào)制頻率/HZ相對(duì)靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性55

第四節(jié)其它光傳感器一、色敏光電傳感器P+NPSiO2電極1電極2電極3123色敏光電傳感器和等效電路

色敏光電傳感器實(shí)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?？芍苯訙y(cè)量從可見光到紅外波段的單色輻射波長(zhǎng)。P+-N結(jié)為淺結(jié)N-P結(jié)為深結(jié)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(duì)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(duì)紅外光有較高的靈敏度。56二、光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD(ChargeTransferDevice),最常用的是電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，CCD圖象傳感器廣泛的被應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。57當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢(shì)阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)，形成電荷包（勢(shì)阱）。對(duì)于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。1．CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO258

如何實(shí)現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30592．線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出,從而讀出電荷圖形。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出60目前，實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號(hào)電荷的順序。光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵61面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出

行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3感光區(qū)存儲(chǔ)區(qū)析像單元視頻輸出輸出柵串行讀出(a)(b)3．面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。62光柵報(bào)時(shí)鐘二相驅(qū)動(dòng)輸出寄存器檢波二極管視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動(dòng)(c)63三、光電耦合器由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹脂1.光電耦合器的結(jié)構(gòu)采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對(duì)接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對(duì)準(zhǔn)，以此來提高靈敏度。(a)金屬密封型(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。642.光電耦合器的組合形式光電耦合器的組合形式有多種。

(a)(b)(c)(d)光電耦合器的組合形式該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。65指紋鎖門禁光電鼠標(biāo)第五節(jié)光傳感器的應(yīng)用舉例66料位自動(dòng)控制電動(dòng)扶梯自動(dòng)啟停光電開關(guān)光電開關(guān)結(jié)構(gòu)與外形67光電器件的測(cè)量方法

68一、煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀

平行光源光電探測(cè)放大顯示刻度校正 報(bào)警器吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖煙道69二、光電轉(zhuǎn)速傳感器2312

31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖(a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上