第三節(jié) 光電傳感器

1、1 第三節(jié) 光電傳感器 本節(jié)學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原 理、特性以及光電傳感器的各種應(yīng)用，掌握熱 釋電型紅外傳感器的工作原理及應(yīng)用。 1905年德國物年德國物 理學(xué)家愛因斯坦用理學(xué)家愛因斯坦用 光量子學(xué)說解釋了光量子學(xué)說解釋了 光電發(fā)射效應(yīng)，并光電發(fā)射效應(yīng)，并 為此而獲得為此而獲得1921年年 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 光電傳感器 一、主要光電元件 二、光電傳感器 三、熱釋電型紅外傳感器 光電傳感器是目前產(chǎn)量最多應(yīng)用最廣泛的傳感器之一光電傳感器是目前產(chǎn)量最多應(yīng)用最廣泛的傳感器之一 ，其在交通檢測中的應(yīng)用也較多，如電光式車輛檢測器用，其在交通檢測中的應(yīng)用也較多，如電光式車輛檢測

2、器用 來對交通參數(shù)進(jìn)行檢測。來對交通參數(shù)進(jìn)行檢測。 光電傳感器以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換光電傳感器以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)的傳感器。光電傳感器是采用光電元件作為檢測為電信號(hào)的傳感器。光電傳感器是采用光電元件作為檢測 元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變 化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；?，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)， 而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因而且可測

3、參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因 此，光電式傳感器在檢測和控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。此，光電式傳感器在檢測和控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。 1. 概述概述 光波是電磁波，是能量輻射的一種形式。通常定義光波是電磁波，是能量輻射的一種形式。通常定義 光波的光譜范圍是光波的光譜范圍是10106mm，但只有在，但只有在380760mm 范圍內(nèi)的電磁輻射才能對人眼產(chǎn)生視覺刺激，該范圍的范圍內(nèi)的電磁輻射才能對人眼產(chǎn)生視覺刺激，該范圍的 光波稱作可見光。光波稱作可見光。 對光學(xué)波段的入射電磁輻射產(chǎn)生電輸出的傳感器，對光學(xué)波段的入射電磁輻射產(chǎn)生電輸出的傳感器， 稱為光學(xué)傳感器，或稱光探測器。在光學(xué)傳感器中，

4、其稱為光學(xué)傳感器，或稱光探測器。在光學(xué)傳感器中，其 換能原件通常起敏感元件作用的。換能原件通常起敏感元件作用的。 光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部 分組成。分組成。 2. 光電效應(yīng) 光電效 應(yīng) 外光電效 應(yīng) 內(nèi)光電效 應(yīng) 光導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng) 由于被光照射的物體 材料不同，所產(chǎn)生的 光電效應(yīng)也不同，通 常光照射到物體表面 后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分 為： 外光電效應(yīng) 光導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) （1）外光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn) 象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光 電管、光電倍增管、光電攝像管等。 入射光

5、 第一倍增極 第 倍增極n 光電陰極 第二倍增極 陽極 A K D1 D2 光電倍增管光電倍增管 陽極 陰極 A K 光電管光電管 （2）內(nèi)光電效應(yīng) 光激發(fā)的載流子（電子或空穴）仍保留在物質(zhì)內(nèi)部稱內(nèi)光 電效應(yīng) a、光導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體物質(zhì)上時(shí)，該物質(zhì)導(dǎo)電率 增大，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)?；诠鈱?dǎo)效應(yīng)的光電元件 有光敏電阻和光導(dǎo)管。 b、光伏效應(yīng)。物體受光照射產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象 稱為光伏效應(yīng)。基于光伏效應(yīng)的光電元件有光電池、光敏 晶體管等（半導(dǎo)體光電器件） A E V -+ I 結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào) 基本電路 光敏晶體管 一、主要光電元件 新型的硅光電池 是在P型襯底上制 造一薄層N型

6、層作 為光照敏感面，效 率更高。N型區(qū)每吸 收一個(gè)光子就產(chǎn)生 一對光生電子-空穴 對?？昭ㄍㄟ^漂移 運(yùn)動(dòng)被拉到P型區(qū)， 帶正電；電子留在 N區(qū)，帶負(fù)電。 1.硅光電池硅光電池 工作原理工作原理： 硅光電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng)，它是在一塊硅光電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng)，它是在一塊N 型硅片上用擴(kuò)散的方法摻人一些型硅片上用擴(kuò)散的方法摻人一些P型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積 PN結(jié)。當(dāng)光照射結(jié)。當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí)，若光子能量大于硅的禁帶寬度區(qū)表面時(shí)，若光子能量大于硅的禁帶寬度 ，則在，則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子.空穴對，空穴

7、對，P區(qū)區(qū) 表面吸收的光子最多，激發(fā)的電子空穴最多，越向內(nèi)部越少表面吸收的光子最多，激發(fā)的電子空穴最多，越向內(nèi)部越少 。這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢。由于。這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢。由于PN 結(jié)內(nèi)電場的方向是由結(jié)內(nèi)電場的方向是由N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)的，它使擴(kuò)散到區(qū)的，它使擴(kuò)散到PN結(jié)附近結(jié)附近 的電子的電子-空穴對分離，光生電子被推向空穴對分離，光生電子被推向N區(qū)，光生空穴被留在區(qū)，光生空穴被留在 P區(qū)。從而使區(qū)。從而使N區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)勢。若區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)勢。若 用導(dǎo)線連接用導(dǎo)線連接P區(qū)和區(qū)和N區(qū)，電路中就有光電流流過。區(qū)，電

8、路中就有光電流流過。 光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它 們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng)，和光敏電阻的差 別僅在于光線照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光 電轉(zhuǎn)換過程。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的 PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可 以集中照射在PN結(jié)上，光敏二極管在電路中通常處 于反向偏置狀態(tài)。 2、光敏晶體管、光敏晶體管 （1 1）光敏二極管）光敏二極管 光敏二極管原理：光敏二光敏二極管原理：光敏二 極管在無光照射時(shí)反向電阻極管在無光照射時(shí)反向電阻 很大，反向電流很小，此反很大，反向電流很小，此反 向電流也叫暗電流。將光敏向電流也叫暗電流。將光敏 二極管

9、的二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明結(jié)設(shè)置在透明 管殼頂部的正下方，光照射管殼頂部的正下方，光照射 到光敏二極管的到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電結(jié)時(shí)，電 子子-空穴對數(shù)量增加，光電流空穴對數(shù)量增加，光電流 與照度成正比。與照度成正比。 光電池光電池外形外形 光敏面光敏面 光敏二極管外形光敏二極管外形 光敏二極管陣列光敏二極管陣列 包含包含1024個(gè)個(gè)InGaAs元件的線性光元件的線性光 電二極管陣列，可用于分光鏡。電二極管陣列，可用于分光鏡。 光敏二極管有兩種工作狀態(tài)：當(dāng)光 電二極管加有反向電壓時(shí)，管子中的 反向電流將隨光照強(qiáng)度的改變而改變， 光照強(qiáng)度越大，反向電流越大。光 電二極管上不加電壓，利用PN結(jié)

10、在受 光照射時(shí)，產(chǎn)生正向電壓的原理，即 作為光電池。這種工作狀態(tài)一般作光 電檢測器。 光電二極管由四種類型：PN型， 使用多，價(jià)格便宜，用作光電開關(guān)； PIN結(jié)型、雪崩型（APD）、肖特 基結(jié)型這三種響應(yīng)速度高，主要用 于光纖通信及計(jì)算機(jī)信息傳輸。 PIN光電二極管光電二極管 PIN光電二極管是在光電二極管是在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻區(qū)之間插入一層電阻 率很大的率很大的I層，從而減小了層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作結(jié)的電容，提高了工作 頻率。頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）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，其靈敏度比普通的高，光電

11、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)十兆赫，可用作光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，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）、收管（紅外波段）、UHF 頻帶小信號(hào)開關(guān)頻帶小信號(hào)開關(guān)、中波頻帶中波頻帶 到到1000MHZ之間電流控制、可變之間電流控制、可變 衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的 高頻功率開關(guān)切換和高頻功率開關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高領(lǐng)域的高 速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極二極 管還可用于測量紫外線或射線等管還可用于測量紫外線

12、或射線等。 光電二極管的基本特性和參數(shù) 伏安特性。如圖2-9所示。在一定光照 條件下，光電二極管的輸出光電流與偏壓 的關(guān)系稱為伏安特性。光電二極管的伏安 特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：I=I01exp (qV/kT)IL，其中I0是無光照的反向飽和 電流，V是二極管的端電壓（正向電壓為正， 反向電壓為負(fù)），q為電子電荷，k為波耳 茲常數(shù)，T為PN結(jié)的溫度，單位為K，IL為 無偏壓狀態(tài)下光照時(shí)的短路電流，它與光 照時(shí)的光功率成正比。此特性表明： a.反向電流隨入射光照度的增加而增加，在 一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流的大小 幾乎與反向電壓大小無關(guān) b.在入射光照度一定時(shí)，光敏二極管相當(dāng)于 一個(gè)恒流源，其

13、輸出電壓隨電壓負(fù)載電阻 增大而升高。 特性曲線在第四象限時(shí)，它呈現(xiàn)光電池特 性，光照強(qiáng)度越大，負(fù)載電阻越小，電流 越大。如R1R2時(shí)，光照強(qiáng)度相同，則 I2I1. APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）光敏二極管（雪崩光敏二極管） 硅雪崩光電二極管是采用硅雪崩光電二極管是采用n+p-p+型結(jié)構(gòu)的可見光和近紅型結(jié)構(gòu)的可見光和近紅 外探測器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，外探測器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點(diǎn)， 可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測、長距離光纖通信、激光測距、可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測、長距離光纖通信、激光測距、 激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。激光制導(dǎo)等光電信息傳

14、輸和光電對抗系統(tǒng)。 反向工作電壓UR。在無光照射時(shí)，發(fā)光二極管 中反向電流0.2A.反向工作電壓一般不大于10V， 最高也僅為50V。 暗電流ID。光電二極管在一定偏壓，當(dāng)沒有光 照的情況下，即黑暗環(huán)境中，所測得的電流值即 為光電二極管的暗電流。通常在50v反壓下的暗電 流小于100mA 光電流。光電二極管在一定偏壓，當(dāng)有光電照 的情況下，所測得的電流值即為光電二極管在某 特定光照下的光電流。一般光電流為幾十微安培， 并且與光照度呈線性關(guān)系 光譜特性。一般光電二極管的光譜響應(yīng)特性表示在入射 光能量保持一定的條件下，光電二極管在一定偏壓下所產(chǎn) 生光電流與入射光波長之間的關(guān)系。一般用相對響應(yīng)表示，

15、 實(shí)驗(yàn)中光電二極管的響應(yīng)范圍為4001100nm，峰值波長 為800900nm，如圖2-10所示。 圖2-10 光敏三極管光敏三極管有兩個(gè)有兩個(gè)PN結(jié)，可以獲結(jié)，可以獲 得電流增益，它比光敏二極管具有更高得電流增益，它比光敏二極管具有更高 的靈敏度。當(dāng)光敏三極管的集電結(jié)反向的靈敏度。當(dāng)光敏三極管的集電結(jié)反向 偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)。無光照時(shí)僅偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)。無光照時(shí)僅 有很小的穿透電流流過，當(dāng)光線通過透有很小的穿透電流流過，當(dāng)光線通過透 明窗口照射集電結(jié)時(shí)，和光敏二極管的明窗口照射集電結(jié)時(shí)，和光敏二極管的 情況相似，將使流過集電結(jié)的反向電流情況相似，將使流過集電結(jié)的反向電流 增大，增大

16、， E U0 c e Ic RL N N P 結(jié)構(gòu)示意圖基本電路 這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載 流子流子(電子電子)將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小部分從將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小部分從 發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，而大部分電子將穿過基發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，而大部分電子將穿過基 區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流IC。這個(gè)過。這個(gè)過 程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流IC是

17、原是原 始光電流的始光電流的(l+)倍。這樣集電極電流倍。這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變將隨入射光照度的改變 而更加明顯地變化而更加明顯地變化。 光敏三極管的基本特性。 光敏三極管的特性包括光敏二極管的伏安 特性、光照特性、溫度特性等。 光敏三極管的主要參數(shù) a.光敏三極管的響應(yīng)速度 b.暗電流 二、光電傳感器 1.光電傳感器的基本組成 光電傳感器是以光為媒介、以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器， 主要由光源、光學(xué)通路、光電器件及測量電路等組成，如 圖2-11所示。 （1）光源。能發(fā)射可見光譜、紫外線光譜和紅外線光譜 的其他器件。 （2）光學(xué)通路。 常用的光學(xué)元件有透鏡、濾光片、棱鏡、 反射鏡、

18、光柵及光纖等。 （3）光電器件的作用是檢測照射其上的光通量。 2.光電傳感器的分類 按照被測信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電器件的入射光通量變化的形式， 光電傳感器可分為以下幾類： （2）輻射式。 光源本身就是被測對象，被測對象發(fā)出的光通量強(qiáng)弱與 被測參量的高低有關(guān)。 （3）反射式。光源發(fā)出一定的光通量到被測對象，由于物 體性質(zhì)或狀態(tài)損失了一部分光通量，余下部分反射到光敏 元件上。 0 0 P PFFI APAPFFI,0 （4）遮擋式。光源發(fā)出一定的光通量，射到光敏器件上， 光路途中遇到了被測對象遮擋了一部分光，由此改變了光 敏器件的光通量。 （5）開關(guān)式。光源與光敏元件間的光路上有物體時(shí)，光 路被遮斷，沒有物體時(shí)光路暢通。其用途形式有三種：開 關(guān)、計(jì)數(shù)、編碼。 AP0 （1）吸收式。光源發(fā)出一定的光通量，穿過被測對象， 部分被吸收，其余達(dá)