第三章 光電檢測(cè)技術(shù)常用器件及應(yīng)用3

第三章光電檢測(cè)技術(shù)常用器件及應(yīng)用1、光電器件的類型與特點(diǎn)2、光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)3、光電導(dǎo)器件---光敏電阻4、光生伏特效應(yīng)------光電池、光電二極管、光電三極管等5、光電發(fā)射效應(yīng)---光電管、光電倍增管等主要內(nèi)容6、光熱效應(yīng)----熱敏電阻、熱電偶硅光電二極管硅光電二極管的工作原理

光電二極管根據(jù)基底不同可分為以P型硅為襯底的2DU型與以N型硅為襯底的2CU型兩種結(jié)構(gòu)形式。如圖示為2DU型光電二極管的原理結(jié)構(gòu)圖。工作在反向電壓下光電二極管的伏安特性由光電二極管的全電流方程可以得到該圖大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會(huì)少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無限地加大反向偏壓，因?yàn)樗€受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。一些光敏二極管的特性參數(shù)

光電二極管的光譜響應(yīng)定義為以等功率的不同單色輻射波長(zhǎng)的光作用于光電二極管時(shí)，其電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系稱為其光譜響應(yīng)。

典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長(zhǎng)波限為1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.9μm左右。

光譜響應(yīng)

其他類型的光生伏特器件

為了提高PN結(jié)硅光電二極管的時(shí)間響應(yīng)，消除在PN結(jié)外光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，常采用在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層。在反向電壓作用下，i層的存在，提高了擊穿電壓。耗盡層較無i層時(shí)要大得多，從而使結(jié)電容下降，則RC延遲時(shí)間τRC減小，在ns左右。提高了響應(yīng)速度；PIN型光電二極管

由于耗盡層變寬，增加了吸收層厚度，改善了對(duì)長(zhǎng)波光的吸收，提高了靈敏度，增大了長(zhǎng)波響應(yīng)率。

APD是利用雪崩倍增效應(yīng)使光生電流達(dá)到很高的數(shù)值，電流增益可達(dá)106。為了實(shí)現(xiàn)雪崩過程，基片雜質(zhì)濃度很高，使之容易碰撞電離；片子厚度較薄，保證較高的電場(chǎng)強(qiáng)度雪崩光電二極管

（APDAvalanchePhotodiode）市場(chǎng)上的型雪崩光電二極管基本上都是PIN型雪崩光電二極管。

PIN型光電二極管在較高的反向偏置電壓的作用下耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)PN結(jié)結(jié)區(qū)，形成自身保護(hù)（具有很強(qiáng)的抗擊穿功能）不必設(shè)置保護(hù)環(huán)。初始的載流子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下獲得很大的動(dòng)能，其在高速運(yùn)動(dòng)過程總與晶體的晶格碰撞，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，稱為碰撞電離過程。此過程多次重復(fù)。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，形成雪崩倍增效應(yīng)。電流倍增系數(shù)M定義：I為倍增輸出的電流I0為倍增前輸出的電流雪崩光電二極管的

倍增電流與偏壓的關(guān)系曲線擊穿最佳工作區(qū)雪崩光敏二極管的工作偏壓必須適當(dāng)。過小時(shí)，增益太??；過大時(shí)，噪聲大，而且電壓過高可能使管子被擊穿燒毀。由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。由于材料本身(特別是表面部分)具有一定的缺陷，使PN結(jié)的各區(qū)域電場(chǎng)分布不均勻，局部的高電場(chǎng)區(qū)首先發(fā)生擊穿，使漏電流變大，這相當(dāng)于增強(qiáng)了噪聲。為避免這一情況發(fā)生，在選擇材料和工藝上應(yīng)加以注意。光敏二極管典型應(yīng)用----光電轉(zhuǎn)速計(jì)接收頻率孔數(shù)光電式轉(zhuǎn)速表

n=60(f/z)

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測(cè)物數(shù)十毫米外非接觸地測(cè)量其轉(zhuǎn)速。

光電開關(guān)遮斷型光電開關(guān)示意圖遮斷報(bào)警遮斷式光電開關(guān)原理ObjectReceiver遮斷式光電開關(guān)由相互分離且相對(duì)安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測(cè)物體位于發(fā)射器和接受器之間時(shí)，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。被檢測(cè)物體光發(fā)射器光接收器光電開關(guān)在流水線上的應(yīng)用送料器定區(qū)域式光電開關(guān)咖啡罐流水線運(yùn)行方向罐裝高度檢測(cè)儲(chǔ)料倉(cāng)落料口遮斷式光電開關(guān)（計(jì)數(shù)）光幕

兩個(gè)柱形結(jié)構(gòu)相對(duì)而立，每隔數(shù)十毫米安裝一對(duì)發(fā)光二極管和光敏接收管，形成光幕，當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。接收器光幕應(yīng)用

當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起保護(hù)、預(yù)警等作用。光線被遮斷（報(bào)警）光幕應(yīng)用（續(xù)）產(chǎn)品高度測(cè)量光幕應(yīng)用（續(xù)）

三維尺寸檢測(cè)寬度測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量高度測(cè)量光幕應(yīng)用（續(xù)）木材外形截面積檢測(cè)光幕應(yīng)用（續(xù)）糾偏光幕可檢測(cè)出帶材在卷曲過程中的偏移，經(jīng)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)使帶材向正確的方向運(yùn)動(dòng)（糾偏）。光幕應(yīng)用（續(xù)）光幕用于

自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛檢測(cè)光幕應(yīng)用（續(xù)）鍛壓機(jī)床的安全區(qū)域設(shè)置及入侵報(bào)警光幕應(yīng)用（續(xù)）安全區(qū)示警定區(qū)域反射式光電開關(guān)原理

定區(qū)域式光電開關(guān)有一個(gè)非常確定的檢測(cè)區(qū)域，不經(jīng)過該區(qū)域的被測(cè)物體不會(huì)引起光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。檢測(cè)距離檢測(cè)距離反射型光電開關(guān)及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身反射鏡反射型光電開關(guān)工作原理反射板反射鏡被測(cè)物體偏振光發(fā)射光被測(cè)物漫反射型光電開關(guān)原理漫反射光線反射光線被檢測(cè)物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線

漫反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測(cè)物體經(jīng)過該光電開關(guān)時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測(cè)物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。額定距離反射型光電開關(guān)外形電源指示信號(hào)指示反射型光電開關(guān)外形（續(xù)）靈敏度調(diào)節(jié)電位器光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）透明度測(cè)量、控制質(zhì)量檢測(cè)光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）加工控制光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）機(jī)械手定位光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）商標(biāo)方向檢測(cè)

當(dāng)工件經(jīng)過光電斷續(xù)器時(shí)，接收器即產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。光電斷續(xù)器的應(yīng)用（續(xù)）光電傳感器的其他用途（續(xù)）電梯自動(dòng)運(yùn)行條件判斷光電計(jì)數(shù)電路舉例光電三極管與普通半導(dǎo)體三極管一樣有兩種基本結(jié)構(gòu)，NPN結(jié)構(gòu)與PNP結(jié)構(gòu)。用N型硅材料為襯底制作的

NPN結(jié)構(gòu)，稱為

3DU型；用P型硅材料為襯底制作的稱為PNP結(jié)構(gòu)，稱為3CU型。光電三極管光電三極管的工作分為兩過程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。

集電極輸出的電流為

光電三極管的電流靈敏度是光電二極管的β倍。電流達(dá)mA量級(jí)。相當(dāng)于將光電二極管與三極管接成如圖3-12(c)所示的電路形式。

光電三極管放大的外部條件

發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏1.工作原理

(a)具有更大的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)楣怆姸O管的反向偏置電壓不受三極管集電結(jié)電壓的控制。(b)電路為(c)所示的光電三極管與三極管集成構(gòu)成的集成光電器件，它具有更高的電流增益（靈敏度更高）。為提高增益，減小體積，常將光電二極管或光電三極管及三極管制作到一個(gè)硅片上構(gòu)成集成光電器件。1）伏安特性

2.光電三極管特性

光電三極管的伏安特性曲線向上偏斜，間距增大。這是因?yàn)殡娏髟鲆姒?，隨光電流的增大而增大。①光生載流子對(duì)發(fā)射結(jié)電容Cbe和集電結(jié)電容Cbc的充放電時(shí)間；②光生載流子渡越基區(qū)所需要的時(shí)間；③光生載流子被收集到集電極的時(shí)間；④

輸出電路的等效負(fù)載電阻RL與等效電容Cce所構(gòu)成的RC時(shí)間；2）時(shí)間響應(yīng)（頻率特性）

總時(shí)間常數(shù)為上述四項(xiàng)和。由于硅光電三極管具有電流放大功能，所以硅光電三極管的暗電流Id和亮電流IL受溫度的影響要比硅光電二極管大得多。3）溫度特性

集電結(jié)反向飽和電流Iceo與放大系數(shù)隨溫度最敏感，溫度升高時(shí)，Iceo變化遠(yuǎn)大于光電流的變化，嚴(yán)重時(shí)無法工作。硅典型的硅光電三極管3DU3的光譜響應(yīng)特性曲線與硅光電二極管相似，它的響應(yīng)范圍為0.4~1.0μm，峰值波長(zhǎng)為0.85μm。4）光譜響應(yīng)

光電三極管應(yīng)用光電三極管主要應(yīng)用于光電控制、光開關(guān).

光電二極管相比較，頻率響應(yīng)較低，不宜使用于高速，寬帶的光電探測(cè)系統(tǒng)中，但由于其響應(yīng)率高，具有電流內(nèi)增益，故在一般光電探測(cè)系統(tǒng)中仍得到廣泛應(yīng)用。煙霧報(bào)警器外形

（參考南京千里通公司無線煙霧報(bào)警器資料）

煙霧報(bào)警無煙霧時(shí)，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧進(jìn)入檢測(cè)室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號(hào)減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。無線煙霧報(bào)警器工作在警戒狀態(tài)時(shí)，工作電流僅為15微安，報(bào)警發(fā)射時(shí)工作電流為20毫安。當(dāng)探測(cè)到初期明火或者煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)，傳感器的報(bào)警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報(bào)警，發(fā)出無線報(bào)警信號(hào)，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)。報(bào)警距離在空曠地可以達(dá)到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達(dá)到20米。在沒有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個(gè)微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。反射式煙霧報(bào)警器

1、象限陣列光生伏特器件組合件

象限式光生伏特器件組合件可以用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。光生伏特器件組合件光斑偏向P2,P2的電流就大于P1,可見可以用兩個(gè)區(qū)的電壓大小來描述光斑的位置.具有一維位置的檢測(cè)功能，在薄板材料的生產(chǎn)中常被用來檢測(cè)和控制邊沿的位置，以便卷制成整齊的卷。具有兩維位置的檢測(cè)功能缺陷：光刻分割區(qū)將產(chǎn)生盲區(qū)，限制微小光斑的測(cè)量；若被測(cè)光斑全部落入某一象限，輸出信號(hào)將無法測(cè)出；測(cè)量精度與光源的光強(qiáng)及其漂移密切相關(guān)。Quadrant（orFoursegmented）photodiode2、線陣列光生伏特器件組合件線陣列光生伏特器件組合件是一種能夠進(jìn)行并行傳輸?shù)墓怆妭鞲衅?用