光電式傳感器

第8章光電式傳感器8.1光電效應(yīng)及光電器件8.2光纖傳感器8.3電荷耦合器件8.1光電效應(yīng)及光電器件8.1.1光電效應(yīng)1.光電效應(yīng)的類型

根據(jù)愛因斯坦的光子假說(shuō):光是一粒一粒運(yùn)動(dòng)著的粒子流，這些光粒子稱為光子。每個(gè)光子具有一定能量，它的能量由下式確定，即E=hν(8一1)式中:h—普朗克常數(shù)，h=6.626x10-3J·s，;ν—光子頻率。

光子以光速c傳播，頻率為ν，相鄰兩峰間的距離即為波長(zhǎng)λ，它們之間的關(guān)系為λ=c/ν(8一2)

光照射在物體上可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊這些物體。根據(jù)愛因斯坦假說(shuō):一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子，因此電子增加的能量為hν。電子獲得能量后釋放出來(lái)，參加導(dǎo)電。這種物體吸收光的能量后產(chǎn)生電效應(yīng)的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。光電效應(yīng)可以分為以下三種類型。1)外光電效應(yīng)

在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面、向外發(fā)射的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。

物體中的電子吸收的入射光子能量若足以克服逸出功，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電發(fā)射。2)光電導(dǎo)效應(yīng)

在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，引起物體電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。由于這里沒(méi)有電子從物體向外發(fā)射，僅改變物體內(nèi)部的電阻或電導(dǎo)，與外光電效應(yīng)對(duì)照，有時(shí)也稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)是由于在光線的照射下，半導(dǎo)體中的原子受激發(fā)成為自由電子或空穴，它們參加導(dǎo)電使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加了。與外光電效應(yīng)一樣，要產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，一也要受到紅限頻率限制。利用光電導(dǎo)效應(yīng)可制成半導(dǎo)體光敏電阻。3)光生伏特效應(yīng)

在光的作用下，能夠使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是由于在光線照射下，PN結(jié)附近被束縛的價(jià)電子吸收光子能量，受激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，于是在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。利用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有光敏二極管、光敏三極管和光電池等。2.光電器件的基本特性

各種光電器件的基本特性包括以下幾方面。1)光電流

光敏元件的兩端加上一定偏置電壓后，在某種光源的特定照度下產(chǎn)生或增加的電流稱為光電流。2)暗電流

光敏元件在無(wú)光照時(shí)，兩端加電壓后產(chǎn)生的電流稱為暗電流。暗電流在電路設(shè)計(jì)中被認(rèn)為是一種噪聲電流。在高照度情況下，由于光電流與暗電流的比值大，還不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題;但在低照度時(shí)，因光電流與暗電流的比值較小，如果電路各級(jí)間沒(méi)有藕合電容隔斷直流電流，則容易使線路產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此，暗電流對(duì)測(cè)量微弱光強(qiáng)及精密測(cè)量的影響很大。在選擇時(shí)，應(yīng)選擇暗電流小的光電器件。3)光照特性

當(dāng)光敏元件加一定電壓時(shí)，光電流I與光敏元件上光照度E之間的關(guān)系，稱為光照特性。4)光譜特性

當(dāng)光敏元件加一定電壓時(shí)，如果照射在光敏元件上的是一單色光，且人射光功率不變，光電流隨人射光波長(zhǎng)變化而變化的關(guān)系，稱為光譜特性。

光譜特性對(duì)選擇光電器件和光源有重要意義。當(dāng)光電器件的光譜特性與光源的光譜分布協(xié)調(diào)一致時(shí)，光電傳感器的性能較好，效率一也高。在檢測(cè)中，應(yīng)選擇最大靈敏度在需要測(cè)量的光譜范圍內(nèi)的光敏元件，才有可能獲得最高靈敏度。5)伏安特性

在一定照度下，光電流I與光敏元件兩端的電壓U的關(guān)系I=f(U)稱為伏安特性。同晶體管的伏安特性一樣，光敏元件的伏安特性可以用來(lái)確定光敏元件的負(fù)載電阻，設(shè)計(jì)應(yīng)用電路。6)頻率特性

在相同的電壓和相同幅值的光強(qiáng)度下，當(dāng)人射光受不同的正弦交變頻率調(diào)制時(shí)，光敏元件輸出的光電流I和靈敏度K隨調(diào)制頻率f變化的關(guān)系I=f1(f),k=f2(f)稱為頻率特性。7)溫度特性

環(huán)境溫度變化后，光敏元件的光學(xué)性質(zhì)一也將隨之改變，這種現(xiàn)象稱為溫度特性。溫度升高時(shí)，電子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，引起光敏元件的光電流及光譜特性等變化。溫度超過(guò)一定值時(shí)，光電器件的性質(zhì)會(huì)有顯著地改變。8.1.2外光電型光電器件1.光電管光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電器件，其包括真空光電管和充氣光電管。1)結(jié)構(gòu)與工作原理2光電倍增管8.1.3光電導(dǎo)型光電器件1.光敏電阻光敏電阻是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電器件，也稱光導(dǎo)管。

1)工作原理和結(jié)構(gòu)光敏電阻是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的。當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，光敏電阻的阻值(暗電阻)很大;當(dāng)它受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，其阻值(亮電阻)急劇減小。因此，將光電阻接人電路中，就可使電路中的電流在光照前后有很大變化，根據(jù)電流變化量，就可知道光強(qiáng)的大小。

2)主要參數(shù)和基本特征(1)暗電流、亮電流、光電流(2)伏安特性(3)光照特性(4)光譜特性(5)響應(yīng)時(shí)間和頻率特性(6)溫度特性8.1.4光伏型光電器件1.光敏二極管和光敏三極管1)工作原理和結(jié)構(gòu)

光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般的二極管相似，其PN結(jié)對(duì)光敏感。將其PN結(jié)裝在管的頂部，上面有一個(gè)透鏡制成的窗日，以便使光線集中在PN結(jié)上。光敏二極管在電路中通常工作在反向偏壓狀態(tài)，如圖8一13所示。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，與一般二極管一樣，電路中僅有很小的反向飽和漏電流，稱暗電流，當(dāng)有光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使PN結(jié)內(nèi)的載流子大大增加。在反向電壓的作用下，反向飽和漏電流增大，稱為光電流。光敏三極管的結(jié)構(gòu)類似于光敏二極管，只不過(guò)內(nèi)部有兩個(gè)PN結(jié)。光敏三極管與一般三極管的不同之處是，它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光照面積，通常基極無(wú)引出線。光敏三極管的基本特性：(1)暗電流、亮電流、光電流(1)伏安特性(2)光譜特性(3)光照特性(4)頻響特性(5)溫度特性2.光電池

光電池一也稱為硅太陽(yáng)能電池，是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電元件。它的種類很多，有硅、硒、氧化亞銅、硫化佗、硫化鎬、砷化稼光電池等，其中硅光電池用得較多。1)工作原理2)基本特性8.1.5光電傳感器的應(yīng)用用光電器件作為敏感元件的光電傳感器種類很多，用途廣泛。按其接收狀態(tài)可分為模擬式和數(shù)字式兩種。

模擬式光電傳感器能夠把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，光電器件產(chǎn)生的光電流為被測(cè)量的函數(shù)。它可以用來(lái)測(cè)量光的強(qiáng)度，以及物體的溫度、透光能力、位移、表面狀態(tài)等

數(shù)字式光電傳感器是利用光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)(“導(dǎo)通”和“關(guān)斷”)的特性制成的各種光電自動(dòng)裝置。在這類應(yīng)用中，光電元件用作開關(guān)式光電轉(zhuǎn)換元件。8.2光纖傳感器8.2.1光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，它的結(jié)構(gòu)如圖8-28所示。它是由折射率(n1)較大(光密介質(zhì))的纖芯和折射率(n2)較小(光疏介質(zhì))的包層組成的雙層同心圓結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)可以保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在纖芯內(nèi)傳播。其最外層為保護(hù)層，該層是為了增加機(jī)械強(qiáng)度。2.光纖的傳光原理光纖工作的基礎(chǔ)是光的全反射。由物理光學(xué)可知，當(dāng)光線以各種不同角度入射到光纖面時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后，又入射到光密介質(zhì)纖芯與光疏介質(zhì)包層交界面，光線在該處有一部分透射到光疏介質(zhì)，一部分反射回光密介質(zhì)。但當(dāng)光線在光纖端面中心的入射角θ減小到某一角度θc時(shí)，光線全部被反射回光密介質(zhì)，即光被全反射，此時(shí)的入射角θc稱為臨界角。只要θ<θc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)過(guò)若干次全反射，呈鋸齒形狀路線在芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端面射出。由斯乃爾(Snell)定律可導(dǎo)出光線由折射率為n0的外界介質(zhì)射入纖芯時(shí)，實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為外界介質(zhì)一般為空氣，空氣的n0=1，所以8.2.2光纖的性能1.數(shù)值孔徑(NA)臨界入射角θc的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑，即數(shù)值孔徑是光纖的一個(gè)重要性能參數(shù)，它表示光纖的集光能力，即在光纖端面，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多大，只有2θc張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這個(gè)范圍，進(jìn)入光纖的光線便會(huì)進(jìn)入包層而散失。2.光纖模式光纖模式是指光波沿著光纖傳播的途徑和方式。對(duì)于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。在光纖中傳播的模式很多，對(duì)信息的傳播是不利的，因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式就會(huì)使這一部分光信號(hào)分為不同時(shí)間到達(dá)接收端的多個(gè)小信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此，希望光纖信號(hào)模式數(shù)量越少越好。纖芯直徑很小((3一10μm)、只能傳播一種模式的光纖稱為單模光纖。這類光纖的傳輸性能好、信號(hào)畸變小、信息容量大、線性大、靈敏度高，但由于纖芯尺寸小，所以制造、連接和耦合都很困難。

纖芯直徑較大(50~100μm)、傳播模式較多的光纖稱多模光纖。這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的畸變，但纖芯截面積大、容易制造、連接和耦合比較方便。

單模和多模光纖都是當(dāng)前光纖通信技術(shù)上最常用的，一般統(tǒng)稱為普通光纖。用于測(cè)試技術(shù)的光纖往往有特殊要求，稱其為特殊光纖。3.色散

當(dāng)光信號(hào)以光脈沖形式輸入到光纖，經(jīng)過(guò)光纖傳輸后脈沖變寬，這種現(xiàn)象稱為色散。光的色散是由于光在介質(zhì)中的速度以及介質(zhì)的折射率與光的波長(zhǎng)有關(guān)。光纖色散使傳播的信號(hào)脈沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬，所以在光纖通信中，它關(guān)系到通信信息的容量和品質(zhì)。光纖的色散分為材料色散、波導(dǎo)色散和多模色散3種。對(duì)于多模光纖中的色散主要是由多模色散引起的，單模光纖的色散主要由材料色散引起。4.傳輸損耗

光信號(hào)在光纖中傳播，隨著傳播距離的增長(zhǎng)，能量逐漸損耗，信號(hào)逐漸減弱，不可能將光信號(hào)全部傳輸?shù)侥康牡?，因而這種傳輸損耗的大小是評(píng)定光纖優(yōu)劣的重要指標(biāo)。反映傳輸損耗大小用衰減率ξ來(lái)表示，其表達(dá)式為光纖的傳輸損耗原因有3個(gè)：一是材料的吸收，它將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮埽斐晒饽艿膿p失；二是彎曲損耗，這是由于光纖邊界條件的變化，使光在光纖中無(wú)法進(jìn)行全反射傳輸，彎曲半徑越小，造成的損耗越大；第3個(gè)原因是光在光纖中傳播產(chǎn)生散射，這是由光纖的材料及其不均勻性，或其幾何尺寸的缺陷所引起的。8.2.3光纖傳感器及應(yīng)用按照光纖在傳感器中的作用，通?？蓪⒐饫w傳感器分為兩種類型：功能型(或稱傳感型)和非功能型(或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型)。功能型光纖傳感器主要使用單模光纖。光纖不僅起傳光作用，而且是敏感元件。它是利用光纖本身的傳輸特性受被測(cè)物理量作用而發(fā)生變化，使光纖中波導(dǎo)光的屬性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等)被調(diào)制這一特點(diǎn)。因此這一類光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等數(shù)種。功能型光纖傳感器的特點(diǎn)是由于光纖本身是敏感元件，因此加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度可以得到很高的靈敏度。尤其是對(duì)光的相位變化利用種種干涉技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感器，具有極高的靈敏度。這一類光纖傳感器技術(shù)上難度較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。非功能型光纖傳感器中，光纖不是敏感元件。它是利用在光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料，機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件感受被測(cè)物理量的變化，使透射光或反射光強(qiáng)度隨之發(fā)生變化。這種情況光纖只是作為光的傳輸回路，所以這種傳感器也稱為傳輸回路型光纖傳感器。為了得到較大受光量和傳輸?shù)墓夤β?，非功能型光纖傳感器使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑大的階躍型多模光纖。非功能型光纖傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，便于推廣應(yīng)用，但靈敏度一般比功能型光纖傳感器低，測(cè)量精度也差些。1.功能型光纖傳感器1）光相位調(diào)制型光纖傳感器(1)光纖壓力和溫度傳感器8.3電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevices)圖像傳感器是一種大規(guī)模集成電路光電器件，又稱為電荷藕合器件，簡(jiǎn)稱CCD器件。CCD是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型半導(dǎo)體傳感器。由于CCD具有光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等一系列功能，而且具有尺寸小、工作電壓低(DC：7一12V)、壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐沖擊以及電子自掃描等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化。日前的應(yīng)用已遍及航天、遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文、通訊等軍用及民用領(lǐng)域。8.3.1CCD的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.基本結(jié)構(gòu)2.電荷存儲(chǔ)的原理所有電容器都能存儲(chǔ)電荷，MOS光敏元也不例外，但其方式不同。現(xiàn)以其結(jié)構(gòu)中的P型硅半導(dǎo)體為例。當(dāng)在其金屬電極(或稱柵極)上加正偏壓時(shí)(襯底接地)，正電壓隊(duì)超過(guò)MOS晶體管的開啟電壓，由此形成的電場(chǎng)穿過(guò)氧化物(SiOz)薄層，在Si一SiOz界面處的表面勢(shì)能發(fā)生相應(yīng)地變化，半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸引到界面處來(lái)，從而在表面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，也稱為表面勢(shì)阱。對(duì)帶負(fù)電的電子來(lái)說(shuō)，耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域如果此時(shí)有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子一空穴對(duì)，由此產(chǎn)生的光生電子就被附近的勢(shì)阱所吸收，勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與人射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比，存儲(chǔ)了電荷的勢(shì)阱被稱為電荷包，而同時(shí)產(chǎn)生的空穴被電場(chǎng)排斥出耗盡區(qū)。圖8–50（b）為已存儲(chǔ)信號(hào)電荷一光生電子的示意圖。在一定條件下，所加電壓越大，耗盡區(qū)就越深。這時(shí)，Si表面吸收少數(shù)載流子的表面勢(shì)(半導(dǎo)體表面對(duì)于襯底的電勢(shì)差)也就越大，同時(shí)MOS光敏元所能容納的少數(shù)載流子電荷量一也就越大。3.電荷轉(zhuǎn)移將CCD與其他半導(dǎo)體器件相比較，它是以電荷為信號(hào)的，不像其他器件是以電流或電壓為信號(hào)的，故掌握CCD工作原理的關(guān)鍵在于了解電荷怎樣轉(zhuǎn)移或傳輸。CCD的基本結(jié)構(gòu)是彼此非?？拷囊幌盗蠱OS光敏元，這些光敏元用統(tǒng)一的半導(dǎo)體襯底制成，其上面的氧化層一也是均勻、連續(xù)的，在氧化層上排列互相絕緣且數(shù)目不等的金屬電極。相鄰電極之間僅隔極小的距離，以保證相鄰勢(shì)阱藕合及電荷轉(zhuǎn)移。任何可移動(dòng)的電荷信號(hào)都將力圖向表面勢(shì)大的位置移動(dòng)。8.3.2電荷的注入和輸出

1.電荷的注入方法

CCD電荷的注人方法有電注入和光注入兩種。圖8-52(a)為背面光注入方法，圖8-52(b)是用輸人二極管進(jìn)行電注入，該二極管是在輸人柵襯底上擴(kuò)散形成的。2.電荷的輸出方法(1)利用二極管的輸出結(jié)構(gòu)。圖8一53在陣列末端襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，當(dāng)輸出二極管加上反相偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生耗盡區(qū)。當(dāng)信號(hào)電荷在時(shí)鐘脈沖作用下移向輸出二極管，并通過(guò)輸出柵轉(zhuǎn)移到輸出二極管耗盡區(qū)內(nèi)時(shí)，信號(hào)電荷將作為二極管的少數(shù)載流子而形成反向電流。輸出電流的大小與信號(hào)電荷大小成正比，并通過(guò)負(fù)載電阻R.變?yōu)樾盘?hào)電壓輸出。8.3.3CCD圖像傳感器1.線型CCD圖像傳感器

線型CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列CCD移位寄存器并列而構(gòu)成的。光敏元和CCD移位寄存器之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵.轉(zhuǎn)移柵控制光生信號(hào)電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移，一般使信號(hào)轉(zhuǎn)移時(shí)間遠(yuǎn)小于光積分時(shí)間。光敏元由MOS電容器構(gòu)成，受光照射產(chǎn)生電荷后進(jìn)行電荷積累。各個(gè)光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強(qiáng)度成正比，也與光積分的時(shí)間成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵開啟時(shí)，各光敏單元收集的信號(hào)電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器的相應(yīng)單元。當(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵關(guān)閉時(shí)，MOS光敏元陣列又立即開始下一行的光電荷積