傳感器原理孟立凡藍(lán)金輝cgq10課件

第10章光電式傳感器

10.1光電式傳感器的工作原理及基本組成10.2光電式傳感器中的敏感元件10.3光電式傳感器的類型及設(shè)計10.4光電式傳感器的應(yīng)用

光電式傳感器是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，光電式傳感器工作時，先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實現(xiàn)非電量的測量。其核心（敏感元件）是光電器件，基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電式傳感器可用來測量光學(xué)量或測量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其它被測量，然后輸出電信號。測量光學(xué)量時，光電器件是作為敏感元件使用；而測量其它物理量時，它作為變換元件使用。光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實現(xiàn)被測信號對光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。

10.1光電式傳感器的工作原理及基本組成10.2光電式傳感器中的敏感元件

當(dāng)光照射在某些物體上時，光能量作用于實測物而釋放出電子，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，所放出的電子叫光電子。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。根據(jù)這些效應(yīng)可以做出相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件，簡稱光電元件或光敏器件。

光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離金屬表面而進(jìn)入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。愛因斯坦的光子假設(shè)：光子是具有能量的粒子，每一光子的能量:h—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）不同頻率的光子，具有不同的能量。10.2.1外光電效應(yīng)型光電器件E=hν根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個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間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度；A—表面電子逸出功一個光子的全部能量是一次被一個電子所吸收，無需積累能量的時間.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。光電子逸出物體表面具有初始動能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。左圖為光電發(fā)射檢測裝置，右圖為測出的光電流隨光強(qiáng)的變化曲線，可以看出：在足夠的外加電壓下，當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，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。1.光電管及其基本特性(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，如圖所示。它們由一個陰極和一個陽極構(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。當(dāng)光照在陰極上時，中央陽極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流I。充氣光電管管殼內(nèi)充有低壓惰性氣體（通常是氬氣和氖氣），由于氣體被電離而形成的電子倍增效應(yīng)，使到達(dá)陽極的電子數(shù)目比真空光電管大10倍左右。與真空光電管相比，靈敏度高，但穩(wěn)定性和頻率特性差。2)光電管的光照特性當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如下圖所示。

光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。氧銫陰極光電管銻銫陰極光電管3)光電管的光譜特性由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率n0，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n0，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)量也會不同，即同一光電管對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，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。國產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限λ0=7000?，它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率：25%~30%。它適用于白光光源，因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為3000~8500?，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。一般充氣光電管當(dāng)入射光頻率大于8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。在玻璃管4內(nèi)由光電陰極1（K）、若干個倍增極2(Dn,n=4～14）和陽極3（A）三部分組成。由一定材料制成的光電陰極K受入射光Φ照射時,可發(fā)射出光電子,形成光電流iΦ。因倍增極和陽極上加有一定的電位（圖中經(jīng)分壓電阻獲得）,光電陰極發(fā)射的光電子被第一倍增極D1的正電壓所加速,而轟擊第一倍增極D1,打擊出二次電子；同樣,二次電子又被第二倍增極D2的正電壓所加速,而轟擊第二倍增極D2,打擊出更多的二次電子。依次下去,最后全部二次電子被帶正電位的陽極A所收集,形成光電流i。 如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個電子,這個電子將被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極。設(shè)這時第一倍增極有δ個二次電子發(fā)出,這δ個電子又轟擊第二倍增極。而其產(chǎn)生的二次電子又增加δ倍。經(jīng)過n個倍增極后,原先一個電子將變?yōu)棣膎個電子。這些電子最后被陽極所收集而在光電陰極與陽極之間形成電流i,則 i=iΦδn 式中：n為二次發(fā)射極數(shù)；δ為二次電子發(fā)射系數(shù)。故輸出電壓 Usc=iR=iΦδn

R 光電倍增管的優(yōu)點是放大倍數(shù)很高,可達(dá)106,線性好,頻率特性好；缺點是體積大,需數(shù)百伏至1kV的直流電壓供電。光電倍增管一般用于微弱光輸入、要求反映速度很快的場合。（3）暗電流一般在使用光電倍增管時，必須把管放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用。但是，由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。暗電流主要是熱電子發(fā)射引起，它隨溫度增加而增加。不過暗電流通常可以用補(bǔ)償電路加以消除。（4）光電倍增管的光譜特性光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性很相似。思考題

1.什么是外光電效應(yīng)？2.說明愛因斯坦光電效應(yīng)方程的含義。3.什么是紅限頻率？4.簡述光電倍增管的工作原理。

內(nèi)光電效應(yīng)是指某些半導(dǎo)體材料在入射光能量的激發(fā)下產(chǎn)生電子－空穴對，致使材料電性能改變的現(xiàn)象。這種效應(yīng)可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻值變化的光導(dǎo)效應(yīng)和因光照產(chǎn)生電動勢的光生伏特效應(yīng)兩種。基于光導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻；基于光生伏特效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管、光電位置敏感器件（PSD）。10.2.2內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。電導(dǎo)率的變化體現(xiàn)了電阻率的變化。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即光生伏特效應(yīng)原理在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。勢壘效應(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，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，主要光電轉(zhuǎn)換過程如下:當(dāng)用光子能量hν≥Eg（Eg為禁帶寬度）的入射光照射半導(dǎo)體PN結(jié)時,半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸收能量,可激發(fā)出電子——空穴對。這些非平衡載流子如果運(yùn)動到PN結(jié)附近,就會在PN結(jié)內(nèi)建電場E內(nèi)的作用下分離。電子逆著E內(nèi)的方向向N區(qū)運(yùn)動,而空穴沿著E內(nèi)的方向向P區(qū)移動,如圖(a)所示。結(jié)果在N區(qū)邊界積累了電子,在P區(qū)邊界積累了空穴,如圖(b)所示。這樣就產(chǎn)生了一個與平衡態(tài)PN結(jié)內(nèi)建場方向(由N區(qū)指向P區(qū))相反的光生電場(由P區(qū)指向N區(qū)),即在P區(qū)與N區(qū)間建立了光生電動勢。這樣就把光能轉(zhuǎn)化成了電能。若在兩極間接上負(fù)載,則會有光生電流通過負(fù)載。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，有載流子濃度梯度，將會產(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)生電子空穴對時，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)生光電動勢。基于該效應(yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。1.光敏電阻1）結(jié)構(gòu)和原理光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的。由于光的照射，使半導(dǎo)體的電阻變化，入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大，所以稱為光敏電阻。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，并非一切純半導(dǎo)體都能顯示出光電特性。對于不具備這一特性的物質(zhì)可以加入雜質(zhì)使之產(chǎn)生光電效應(yīng)。用來產(chǎn)生這種效應(yīng)的物質(zhì)由金屬的硫化物、硒化物、碲化物等組成。如圖所示，光敏電阻的管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電導(dǎo)效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用折線或梳狀圖案。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。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。(2)光敏電阻的特性1)暗電阻、亮電阻與光電流光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。在受到光照時的電阻稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般暗電阻越大,亮電阻越小,光敏電阻的靈敏度越高。 光敏電阻的暗電阻的阻值一般在兆歐數(shù)量級,亮電阻在幾千歐以下。暗電阻與亮電阻之比一般在102～106之間。

2)光敏電阻的伏安特性在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系：①一定光照，R一定，I正比于U。所加的電壓越高,光電流越大,而且沒有飽和現(xiàn)象。②一定電壓，I隨著光照E增強(qiáng)而增大。3)光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性用于描述光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的，光敏電阻一般用作開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器而不宜用作線性測量元件。4)光敏電阻的光譜特性對于不同波長的光，不同的光敏電阻的靈敏度是不同的。從圖中可以看出,硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域,而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。在選用光敏電阻時應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。

一、光譜光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：波長380—780nm紫外線：波長10—380nm，波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長780—106nm波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。5)光敏電阻的響應(yīng)時間和頻率特性光敏電阻的光電流不能隨著光照量的改變而立即改變，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這個惰性通常用時間常數(shù)t來描述。時間常數(shù)為光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63％所需要的時間，因此，時間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速。 6）光敏電阻的溫度特性 隨著溫度不斷升高,光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降,同時溫度變化也影響它的光譜特性曲線。下圖示出了硫化鉛的光敏溫度特性曲線。從圖中可以看出,它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此,有時為了提高元件的靈敏度,或為了能夠接受較長波段的紅外輻射,應(yīng)采取一些致冷措施。下圖示出了用光敏電阻構(gòu)成的簡單光控開關(guān)電路。圖１所示的光控電路為光亮?xí)r繼電器吸合控制：圖１圖２當(dāng)光線暗至一定程度時，VT1的基極電壓上升至使VT1、VT2導(dǎo)通，繼電器J吸合。R1用于動作靈敏度調(diào)節(jié)。無光照高阻值1截止VT1釋放有光照低阻值0導(dǎo)通吸合繼電器J吸合，其觸點可用來控制其它電路圖２則示出了光暗控制的光控電路。電阻R1、R2及光敏電阻R3構(gòu)成分壓電路，應(yīng)用舉例：思考題

1.什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？2.什么是光生伏特效應(yīng)？3.簡述光敏電阻的主要特性。

2．光敏二極管和光敏三極管1）結(jié)構(gòu)和原理

光敏二極管是一種PN結(jié)型半導(dǎo)體元件，其結(jié)構(gòu)和基本使用電路如圖所示。光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，光電二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，反向電流很小，反向電流也叫暗電流。受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，即使P型中的電子數(shù)增多，也使N型中的空穴增多，即產(chǎn)生了新的自由載流子。在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，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，這就形成了光電流。如果入射光的照度變動，則電子和空穴的濃度也跟著相應(yīng)地變動，因此通過外電路的電流也隨之變化，這樣就把光信號變成了電信號。光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，由于后者性能較優(yōu)，因此實用較多。光敏三極管的外型結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似，通常也只引出兩個電極(無基極引線)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通三極管很相似，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，光線由窗口對著集電極的PN結(jié)。采用N型單晶和硼擴(kuò)散工藝的光敏二極管稱為P+n結(jié)構(gòu)。采用P型單晶和磷擴(kuò)散工藝的稱為n+P結(jié)構(gòu)。按國內(nèi)半導(dǎo)體器件命名規(guī)定，硅P+n結(jié)構(gòu)為2CU型；n+P結(jié)構(gòu)為2DU型；硅nPn結(jié)構(gòu)為3DU型。

光敏三極管是兼有光敏二極管特性的器件，它在把光信號變?yōu)殡娦盘柕耐瑫r又將信號電流放大。下圖給出了它的結(jié)構(gòu)和基本使用電路。光敏三極管的電路連接也與普通三極管相同，基極開路，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。無光照時，集電極的PN結(jié)反偏，集電極與基極間有反向飽和電流Icbo，該電流流入發(fā)射結(jié)，放大成集電極與發(fā)射極之間的穿透電流，即Iceo=(l＋β)Icbo，此即光敏三極管的暗電流。當(dāng)光照集電極PN結(jié)附近時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對，其在PN結(jié)內(nèi)電場作用下，定向運(yùn)動形成大的光電流IL。該電流流入發(fā)射結(jié)放大成光敏三極管的光電流，即

所以光敏三極管比光電二極管具有更高的靈敏度。2）光敏三極管的特性（1）光譜特性光敏三極管的光譜特性是光電流隨入射光的波長而變化的關(guān)系。光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，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)的電子空穴對不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時,則采用鍺管較合適。（2）伏安特性光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。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的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在集電極c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變成電信號，而且輸出的電信號較大。光敏三極管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性光敏三極管的光照特性如圖所示。它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，會出現(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。三極管在弱光時電流增加緩慢，不利于弱光檢測。

暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC2505010002003004001020304050607080T/oC光敏三極管的溫度特性（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。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大．所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。（5）光敏三極管的頻率特性

光敏三極管的頻率特性是光電流與光強(qiáng)變化頻率的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性是很好的，其響應(yīng)時間可以達(dá)到10－7～10－8s，因此它適用于測量快速變化的光信號。光敏三極管由于存在發(fā)射結(jié)電容和基區(qū)渡越時間（發(fā)射極的載流子通過基區(qū)所需要的時間），所以，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差，而且和光敏二極管一樣，負(fù)載電阻越大，高頻響應(yīng)越差。綜上所述，可以把光敏二極管和三極管的主要差別歸納為：①光電流光敏二極管一般只有幾個到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過l微安。②響應(yīng)時間光敏二極管的響應(yīng)時間在100ns以下，而光敏三極管為5～10μs。因此，當(dāng)工作頻率較高時，應(yīng)選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時，才選用光敏三極管。③輸出特性光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。

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，實質(zhì)上就是電壓源。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。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，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。

命名方式：把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。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0.56μm)，最適宜制造照度計。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、太空探測器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。3.光電池光電池的示意圖硅光電池的結(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，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，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)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。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PN硒光電池是在鋁片上涂硒，再用濺射的工藝，在硒層上形成一層半透明的氧化鎘。在正反兩面噴上低融合金作為電極，如圖所示。在光線照射下，鎘材料帶負(fù)電，硒材料上帶正電，形成光電流或電動勢。光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光電池符號和基本工作電路0.10.20.30.4

（1）光照特性光照度定義為單位面積上所接收的光的輻射能通量，單位勒克斯Lx(W/m2)，光照特性反映短路電流、開路電壓與光照度的關(guān)系。短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系,光電池工作于短路電流狀態(tài)，可做檢測元件。開路電壓（負(fù)載電阻RL無限大時）與光照度的關(guān)系是非線性的,并且當(dāng)照度在2000lx時就趨于飽和了。光電池工作于開路電壓狀態(tài)，可做開關(guān)元件。2）基本特性(a)硅光電池(b)硒光電池L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA開路電壓短路電流短路電流短路電流，是指外接負(fù)載相對于光電池內(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。下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，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。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1——硒光電池2——硅光電池(3)頻率特性光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調(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。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池（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。由圖可見，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，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時，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4.光電位置敏感器件（PSD）半導(dǎo)體位置探測器（PositionSensitiveDetector）簡稱為PSD，它能連續(xù)準(zhǔn)確地給出入射光點在光敏面上的位置。PSD分為一維PSD和二維PSD，分別可確定光點的一維位置坐標(biāo)和二維位置坐標(biāo)。1）PSD的工作原理如圖所示，其PN結(jié)是由重?fù)诫s的P+型半導(dǎo)體和輕摻雜的N型半導(dǎo)體構(gòu)成，和一般的PN結(jié)一樣，由于載流子擴(kuò)散，在結(jié)區(qū)建立一個與結(jié)面垂直的由N指向P+的自建內(nèi)電場。但由于P+為重?fù)诫s，載流子密度大，故電導(dǎo)率比N區(qū)高。因此當(dāng)入射光照射A點時，光生載流電子和空穴集中在A點附近的結(jié)區(qū)，在自建場作用下，空穴進(jìn)入P+區(qū)，由于電導(dǎo)率高而很快擴(kuò)散到整個P+區(qū)，成為P+近位等電區(qū)位，而在A點附近N區(qū)的電子，由于其電導(dǎo)率低而不易擴(kuò)散，仍集中在A點附近，具有高的負(fù)電位，因此形成一個平行于結(jié)面的橫向電場，常稱為橫向光電效應(yīng)。實用的PSD不是簡單的P+N結(jié)，而是做成P+IN結(jié)構(gòu)，具有—般PIN光電二極管類似的優(yōu)點，即由于I區(qū)較厚而具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率、更高的靈敏度和響應(yīng)速度。其工作原理仍是基于橫向光電效應(yīng)。如圖所示，表面P+層為感光面，兩邊各有一信號輸出電極，中間為I層，底層的公共電極是用來加反偏電壓的。當(dāng)入射光照射到光敏面上某點，由于存在平行于結(jié)面的橫向電場作用，使光生載流子形成向兩端電極流動的電流I1和I2，它們之和等于總電流I0。如果PSD面電阻是均勻的，且其阻值R1和R2遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻RL，則R1和R2的值僅取決于光電的位置，即PIN管PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是：在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。由于I層吸收系數(shù)很小，入射光可以很容易地進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子—空穴對，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另外，I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。最大特點：頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個特點是，因為I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。若將兩個信號電極的輸出電流檢出后作如下處理，即L——PSD中點到信號電極間的距離；x——入射光點距PSD中點距離將I0=I1+I2代入，得Px只和光點位置有關(guān)，而和入射光強(qiáng)I0無關(guān)2）PSD的結(jié)構(gòu)與特性（1）一維PSD的結(jié)構(gòu)一維PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示，其中VDj為理想的二極管，Cj為結(jié)電容，Rsh為并聯(lián)電阻，Rp為感光層（P層）的等效電阻。一維PSD的輸出與入射光點位置之間的關(guān)系如圖所示，其中X1、X2分別表示信號電極的輸出信號（光電流）。（2）二維PSD的結(jié)構(gòu)二維PSD用于測定入射光點的二維坐標(biāo)，即在一方形結(jié)構(gòu)PSD上有兩對互相垂直的輸出電極。由于電極的引出方法不同，二維PSD可分為由同一面引出兩對電極的表面分流型二維PSD和由上下兩面分別引出一對電極的兩面分流型二維PSD。它們的結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示。Xl、X2、Yl、Y2分別為各電極的輸出信號光電流，x、y為入射光點的位置坐標(biāo)，表面分流型PSD暗電流小，但位置輸出非線性誤差大；兩面分流型PSD線性好，但暗電流大，且由于無法引出公共電極而較難加上反偏電壓。對于表面分流型和兩面分流型PSD，其輸出與入射光點位置的關(guān)系如圖所示，其關(guān)系式為（3）PSD的特性PSD與CCD都可以作為光點位置的探測，但PSD有自身的特點，在許多情況下，更適合于作專用的位置探測器，其突出的特點有：①入射光強(qiáng)度和光斑大小對位置探測影響小。PSD的位置輸出只與入射光點的“重心”位置有關(guān)，而與光點尺寸大小無關(guān)，這一顯著優(yōu)點給使用帶來很大的方便，但應(yīng)注意當(dāng)光點接近光敏面邊緣時，部分落在光敏面外，就會產(chǎn)生誤差，光點越靠近邊緣，誤差就越大。為了減小邊緣效應(yīng)，應(yīng)盡量將光斑縮小，且最好使用敏感面中央部分。②反偏壓對PSD的影響反偏壓有利于提高感光靈敏度和動態(tài)響應(yīng)，但會使暗電流有所增加。③背景光強(qiáng)影響背景光強(qiáng)度變化會影響位置輸出誤差。消除背景光影響的方法有兩種，即光學(xué)法和電學(xué)法。④環(huán)境溫度的影響使用環(huán)境溫度上升時，暗電流將增大。實驗表明，溫度上升1℃，暗電流增大1.15倍。這除采用溫度補(bǔ)償方法外，還可采用光源調(diào)制、鎖相放大解調(diào)的方式濾去暗電流的影響。思考題

1.簡述光敏二極管的工作原理。2.簡述光電池的工作原理。

5.光電耦合器

光電耦合器，簡稱光耦，它的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi),一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光元件為發(fā)光二極管，受光元件為光敏三極管或光敏可控硅。它以光為媒介，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)換器件。

原理：當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“0”。

光電耦合的主要特點如下：●輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于1010Ω，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上?！裼捎凇肮狻眰鬏?shù)膯蜗蛐?，所以信號從光源單向傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r不會出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號也不會影響輸入端?！窆怆婑詈掀鞯妮斎胱杩购苄。挥袔装贇W姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光。所以，光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音?！袢菀缀瓦壿嬰娐放浜?。●響應(yīng)速度快。光電耦合器件的時間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒極?！駸o觸點、壽命長、體積小、耐沖擊。1）光電耦合器的結(jié)構(gòu)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采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏三極管對準(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。2）光電耦合器的組合形式光電耦合器的組合形式有多種，如圖所示。

(a)(b)(c)(d)光電耦合器的組合形式該形式結(jié)構(gòu)簡單、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。應(yīng)用于自動控制電路中的強(qiáng)弱電隔離。3）光電耦合器的技術(shù)參數(shù)光電耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓VCEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數(shù)。最重要的參數(shù)是電流放大系數(shù)傳輸比CTR（Curremt-TrrasferRatio）。通常用直流電流傳輸比來表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比，通常用百分?jǐn)?shù)來表示。有公式：CTR=IC/IF×100%注意（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。

（2）當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號（包括數(shù)位量信號、控制量信號、狀態(tài)信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。10.3光電式傳感器的類型及設(shè)計

反射法測量原理 反射式應(yīng)用光路 圖示為反射式模擬光電傳感器用于檢測工件表面粗糙度或表面缺陷的原理圖。從光源1發(fā)出的光經(jīng)過被測工件3的表面反射,由光電元件5接收。當(dāng)被測工件表面有缺陷或粗糙度精度較低時,反射到光電元件上的光通量變小,轉(zhuǎn)換成的光電流就小。檢測時被測工件在工作臺上可左右、前后移動。 透射式 下圖所示為透射式光電傳感器用于檢測工件孔徑或狹縫寬度的原理圖。此法適用于檢測小直徑通孔。從光源1發(fā)出的光透過被測工件2的孔后,由光電元件3接收。被測孔徑尺寸變化時,照到光電元件上的光通量隨之變化。轉(zhuǎn)換成的光電流大小由被測孔徑大小決定。此方法也可用于外徑的檢測。透射法測量原理一、光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻是一種無結(jié)元器件，因此工作時無極性。選用光敏電阻器時，應(yīng)首先確定應(yīng)用電路中所需光敏電阻器的光譜特性類型。若是用于各種光電自動控制系統(tǒng)、電子照相機(jī)和光報警器等電子產(chǎn)品，則應(yīng)選取用可見光光敏電阻器；若是用于紅外信號檢測及天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動控制系統(tǒng)、則應(yīng)選用紅外光光敏電阻器；若是用于紫外線探測等儀器中，則應(yīng)選用紫外光光敏電阻器。選好光敏電阻器的光譜特性類型后，還應(yīng)看所選光敏電阻的主要參數(shù)（包括亮電阻、暗電阻、最高工作電壓、光電流、暗電流、額定功率、靈敏度等）是否符合應(yīng)用電路的要求。10.4光電式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用舉例：下圖示出了用光敏電阻構(gòu)成的簡單光控開關(guān)電路。圖１所示的光控電路為光亮?xí)r繼電器吸合控制：圖１圖２當(dāng)光線暗至一定程度時，VT1的基極電壓上升至使VT1、VT2導(dǎo)通，繼電器J吸合。R1用于動作靈敏度調(diào)節(jié)。無光照高阻值1截止VT1釋放有光照低阻值0導(dǎo)通吸合繼電器J吸合，其觸點可用來控制其它電路圖２則示出了光暗控制的光控電路。電阻R1、R2及光敏電阻R3構(gòu)成分壓電路，圖１和圖２所示的電路的光觸發(fā)電平受電源電壓及環(huán)境溫度的影響較大。精密光控電路如圖３、圖４所示，其工作不受電源電壓及環(huán)境溫度的影響。圖３為光亮控制：電阻R1、R2、R6及光敏電阻R5共同構(gòu)成惠斯頓電橋的兩個橋臂，運(yùn)放IC1用做高靈敏電壓比較器。常態(tài)時，調(diào)節(jié)R6使R5、R6的節(jié)點電壓V1略低于R1、R2的節(jié)點電壓V2，IC1則輸出高電平，VT1截止，J釋放；此后，若光亮稍有增加(甚至人眼都感覺不到)，則V1>V2，IC1翻轉(zhuǎn)輸出低電平，VT1導(dǎo)通，J吸合。圖３圖４為光暗控制電路：由于通過R5引入了少量正反饋，因而在光線變化時電路動作就會稍稍滯后，以避免光線亮度處于臨界狀態(tài)時繼電器頻繁抖動。圖４應(yīng)用：無觸點式路燈控制電路

在白天，電路中的光敏電阻Rp因受光照而呈現(xiàn)小電阻，從而使BG飽和導(dǎo)通，可控硅SCR截止，雙向可控硅TRIAC也截止，使路燈熄滅。天黑以后，Rp的阻值變大，從而使BG截止，可控硅SCR被觸發(fā)導(dǎo)通，進(jìn)而使雙向可控硅TRIAC也導(dǎo)通，路燈被點亮。二、光生伏特效應(yīng)器件的應(yīng)用1、光電晶體管的應(yīng)用１）光電控制電路在無光照時，光電二極管截止，電阻R1上的壓降很小，則晶體管T1截止，T2截止，繼電器J不動作，路燈保持亮。有光照時，光電二極管產(chǎn)生光電流，R1電壓上升，光強(qiáng)達(dá)到某一值時T1導(dǎo)通，T2導(dǎo)通，J動作，常閉端打開，使路燈滅。２）光強(qiáng)測量電路無光照時，光電二極管截止，A點為高電位，則場效應(yīng)管導(dǎo)通，調(diào)整RW，使電橋平衡，即指針為0。有光照時，光電二極管產(chǎn)生光電流，A點電位下降，R2上電流下降，VB減小，光照不同，光電流不同，VA不同,R2上壓降不同，光強(qiáng)可以通過電流計讀數(shù)顯示出來。231231(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)光敏器件組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定：在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。3）光電轉(zhuǎn)速傳感器頻率可用一般的頻率計測量。光敏器件多采用光電二極管、光敏三極管以提高壽命、減小體積、減小功耗和提高可靠性。有光照時，光敏三極管BG1產(chǎn)生光電流，使R1上壓降增大，導(dǎo)致BG2導(dǎo)通，觸發(fā)由BG3和BG4組成的射極耦合觸發(fā)器，使Uo為高電位。反之，Uo為低電位。該脈沖信號可送到計數(shù)電路計數(shù)。