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1、第八章 光电传感器 第一节 常用光电器件 一、光敏电阻 二、光电池 三、光敏二极管和光敏晶体管 四、常用光电器件的应用 第二节 光栅传感器 一、莫尔条纹 二、光栅传感器的组成 三、辨向原理 四、细分技术 第三节 固态图像传感器 一、CCD基本结构 二、CCD工作原理 三、CCD图像传感器的结构,第八章 光电传感器,光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器，它的物理基础是光电效应。具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点，在现代测量和自动控制系统中，应用非常广泛，是一种很有发展前途的新型传感器。 一般由光源、光学器件、光电元件三部分组成，光源发射出一定光通量的光线，由光电
2、元件接受，在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接受光通量的光电元件的输出电量也发生变化，实现将被测量转换成电量。输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。,光是一种电磁波，不同波长的光分布如图 这些光的频率（波长）虽然不相同，但都有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,光电传感器常用光源有： 白帜灯光源、气体放电光源（碳灯、低压高压水银灯、钠弧灯、汕弧灯）、气体激光器（氦氖、二氧化碳、氩离子激光器）、固态激光器、半导体激光器、发光二极管等。,第一节 常用光电器件 光是由具有一定能量的粒子组成，根据爱因斯坦光粒子学说，每个光子所具有的能量E 与其频率f 的大小成正比（即E =hf
3、，式中h =6.62610-34JS，为普朗克常数）。光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应。这是实现光电转换的物理基础。光电器件的作用原理是基于一些物质的光电效应。,光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。 光电导效应光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。 光生伏特效应光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，故又称PN结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。 光电发射效应某些物质（如金属丝）在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象，称之为光电发射
4、效应，利用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。 光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为外光电效应；相应地，光电导效应和光生伏特效应被称为内光电效应。本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。,从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压，设每极倍增率为 ，经过N次倍增极后，光电倍增管的光电流倍增到N。 称为二次电子反射比。因此，有非常小的光功率输入可得到相当大的电流。,半导体光电导效应内部机理如图81所示。,一、光敏电阻 1光敏电阻的光电效应 光敏电阻是典型的光电导效应器件。无光照时，其阻值很高；有光照时，其阻值大大下降，光照越强阻值越低；光照停止，又恢复高阻状态。,图81 光
5、电导效应能带图,半导体受光照时，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。图中Eg称为禁带宽度，价电子吸收的光子能量E Eg时，才能穿越禁带成为自由电子。光照越强、具有能量E的光子数越多，光生自由电子-空穴对越多，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。 每个光子所具有的能量E数学表达式： E=hf=hc/ 频率越高，或波长越短，光子所
6、具有的能量就越大。 产生自由光生电子的入射光临界波长0为 满足 EEg 有 0 1242/Eg (nm) Si的禁带宽度Eg为1.2ev,Ge0.75ev,硫化镉cds2.4ev,CdSe1.8ev,说明： 1、光照越强，表明具有hf能量的光子数越多， 价带电子吸收光子能量的机会越多，成为导 带电子机会越，电导率越大。 2、空穴在价带内运动参与导电；电子在导带内 运动参与导电； 紫外光光子能量大于红外光电子能量。,图82是光敏电阻光电效应实验电路，当偏压U 一定时，检流计指示电流I 的大小决定于光敏电阻上的光照强度。,图82 光敏电阻光电效应实验电路,无光照时，检流计指示的电流很小，此时的电流
7、称之为暗电流；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻，暗电阻通常为兆欧级。 有光照时，检流计指示的电流较大，此电流称之为亮电流；此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电 阻，亮电阻一般为千欧以内。 由光照所产生的自由电子空穴流称之为光电流，显然光电流是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。,2光敏电阻种类 光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，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，目前人类已开发应用的光波频谱范围为0.1HZ1021HZ，相应的波长为3109m0.3Pm。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其
8、最佳工作波长范围可分为三类。 （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（ZnO）、硫化锌（ZnS）、硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）等，这类敏感元件适于作、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（Se）、硅（Si）、锗（Ge）及硫化铊（TiS）、硫化镉（CdS）等，尤其是TiS光敏元件，它既适用于可见光，也适用于红外光。这类敏感元件适用了光电计数、光电耦合、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
9、）的内侧光波，波长约7606000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb）等，这类敏感元件主要用来探测不可见目标。,图83 部分光敏元件的光谱特性,3光敏电阻的基本特性 （1）光谱（响应）特性 光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。图83表示部分光敏元件的光谱特性，其中硫化锌对波长为300nm左右的紫外光最敏感；硫化镉光敏波长的峰值在670nm左右；硫化铊的敏感波长范围很宽，约3001400nm，其峰值波长为1000nm左右；硫化铅具有很宽的敏感波长范围，其峰值波长约2300nm。（0.7峰值左右为敏感波长峰值范围）,光照强度(照度
10、) 是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix(l勒克斯是1流明的光通量均匀照射在1平方米面积上所产生的照度) 光照强度的测量用照度计。,光照，产生自由电子空穴对；光照停止，电子空穴复合，需要一定时间，,灯光控制器安装在驾驶室仪表板上方。傍晚尾灯亮，光线更暗前灯亮。会车时，还具有自动变光功能。,当光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在PN结附近激发出大量的电子空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉 向P区，P区的光生电子 被拉向N区；其结果在P区 聚积正电荷，带正电，在 N区聚积负电荷，带负电， 即在P区和N区间形成一定 伏特数的电位差，称之 为光
11、生电势。,图88 光电池的光电效应,2光电池的基本特性 光电池的种类很多，如硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等。不同种类光电池性能差异很大，其中硅光电池性能最好，其光谱范围宽、频率特性好、换能效率高，且工作性能稳定。,（1）光谱特性 光电池对不同波长光的灵敏度是不同的，不同材料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的，图89为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。,从图中可知，硅光电池敏感波长范围是4501100nm，峰值波长为800nm；硒光电池敏感波长范围是380750nm，峰值波长在500附近。可见，硅光电池适应光波长的范围比硒光电池宽得很多。,图89 光电池的光谱特
12、性,图中短路电流是指光电流输出端短路时的电流，即光生电流。硅光电池短路电流密度约为1530mA/cm2，此电流在很宽的光照范围内都具有线性关系，因而光电池宜作电流源使用。,图中开路电压是指光电池输出端开路时的电压，即光生电势。单片硅光电池的开路电压约为0.450.6V，此电压在2000LX以内光照下趋于线性，在2000LX以上为非线性，因而光电池不宜作电压源使用。,图811是光电池开路电压和短路电流的实验电路。在此实验电路中，忽略了光电池PN结结电容及PN结漏电流的影响。,由图可知，硅光电池的开路电压随温度升高而迅速下降，温度每上升1，开路电压约降低3mV。硅光电池的短路电流随温度升高而缓慢上
13、升，温度每上升1，短路电流约增加2A。 由于温度变化对光电池的光电转换性能影响很大，因而光电池在作为测量元件使用时，一定要有恒温或温度补偿措施。同时，在强光照射时必须考虑光电池PN结的热容限及散热措施。通常，硅光电池使用温度不允许超过125。,光电池种类很多，但主要的是硅光电池。国产系列有方型和圆型。适用于光电检测，近红外探测，光电读出，光电耦合，光栅测距，光电开关，硅蓝光电池作色探测器，及太阳能电池等。,三、光敏二极管和光敏晶体管 1光敏管的光电效应 光敏二极管和光敏晶体管也是典型的光生伏特性效应器件。图814是光敏二极管的原理结构和基本电路。,图814 光敏二极管原理结构和基本电路,工作于
14、反向偏置状态下的光敏二极管具有典型的光生伏特效应。无光照射时，处于反偏状态下的光敏二极管呈高阻截止状态，只有少数载流子形成极小的暗电流。当有光照射时，光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共同作用下，形成光电流I。光照越强，光激发的光生电子和空穴越多，形成的光电流越大，光敏二极管呈低阻导通状态。,图815是光敏晶体管的原理结构和基本电路。,图815 光敏晶体管原理结构和基本电路,光敏晶体管是在光敏二极管的基础上，为了获得更大的电流增益，根据一般三极管的电流放大原理，利用硅或锗单晶制成的NPN或PNP结构。如图815所示，光敏晶体管亦有发射区、基区和集电区，基区是受光区，为了扩大光的照射面，
15、基区的面积比较大。光敏晶体管的基区通常无电极引线，工作时相当于基极开路，因而无光照射，只能形成很小的暗电流。当有光照射时，基区产生的光生电子和空穴形成基极电流，此电流在外加集电结反偏电压作用下，放大而成为集电极电流。由此可见光敏晶体管有光照时的输出电流是光生电流的倍，因而有比光敏二极管更高的灵敏度。,（2）光照特性 光敏二极管与光敏晶体管的光照特性有明显不同，以硅管为例如图817所示。光敏二极管的光照特性近似为线性关系；光敏晶体管的光照特性为非线性，照度较小时，光电流随光照度加强而缓慢增加，当光照度较大时，光电流又趋于饱和。放大倍数在小电流和大电流时都要下降的缘故，光敏晶体管不利于弱光和强光检
16、测。,（a ）光敏二极管 （b）光敏晶体管 图817 硅光敏管的光照特性,（3）伏安特性 图818为硅光敏管在不同照度下的伏安特性。由图可见光敏管的输出电流与所加的偏置电压关系不大，具有近似的恒流特性；光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍，因而具有更高的灵敏度；光敏二极管在零偏压下就有一定的电流输出，光敏晶体管有一段死区电压。,（a）光敏二极管 （b）光敏晶体管 图818 硅光敏管的伏安特性,（5）温度特性 无论是硅管还是锗管，对温度的变化都比较敏感，温度升高，热激发产生的电子空穴对增加，使暗电流上升。尤其是锗管，其暗电流较大，温度特性较差，如图820（a）所示。温度升高对光电流影响不大，如图820（b）所示。对于在高温低照度下工作的光敏晶体管，此时暗电流上升、亮电流下降，使信噪比减小；为了提高信噪比，应采取相应的温度补偿或降温措施。,图820
