光電二極管與光電傳感器的特性與原理

光電二極管與光電傳感器的特性與原理作者：武漢搏盛科技-陳帥聯(lián)系電話(huà)Q：1371029437①光電傳感器介紹光電傳感器（光電開(kāi)關(guān)）是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化，通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)信號(hào)。在一般情況下，光電傳感器由三路。其結(jié)構(gòu)如圖1所示：的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電部分構(gòu)成：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電圖1光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。接收器包括光電二極管、光電三極管、光電池等。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等；在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)并應(yīng)用該信號(hào)。②光電傳感器分類(lèi)光電傳感器通?？煞譃閷?duì)射型和反射型兩類(lèi)。(1)對(duì)射型光電傳感器。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器式光電開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器產(chǎn)生響應(yīng)并輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。(2)反射型光電開(kāi)關(guān)。反射型光電完成光電用。一種情況下，發(fā)光器一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)；另發(fā)出的光并不被專(zhuān)門(mén)的反光板反射，但當(dāng)光路上有檢測(cè)物通過(guò)時(shí)，光在組成的光電開(kāi)關(guān)就稱(chēng)為對(duì)射分離和收光器開(kāi)關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，利用反射原理控制作發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到，一種情況下，發(fā)光器檢測(cè)物表面反射回來(lái)并被接收器接收從而產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。③光電元件光電元件是光電傳感器中最重要的部件，常見(jiàn)的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類(lèi)。它們的工作原理都基于不同形式的光電效應(yīng)：(1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管,光電倍增管等。(2)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)，基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻，光敏晶體管等。(3)在光線作用下物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。3.1外光電效應(yīng)器件3.1.1光電管(1)原理光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件。光電管有真空光電管和充氣光電管或稱(chēng)電子光電管和離子光電管兩類(lèi)。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖2。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)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(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。圖2光電管的結(jié)構(gòu)示意圖(2)主要性能光電管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、應(yīng)響時(shí)間、峰值探測(cè)率和溫度特性來(lái)描述。1.光電管的伏安特性在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱(chēng)為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如3圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。圖3a真空光電管的伏安特性圖3b充氣光電管的伏安特性2.光電管的光照特性通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，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4圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性I曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱(chēng)為光電管的靈敏度。圖4光電管的光照特性3.光電管光譜特性由于光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率，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，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)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)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(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。3.1.2光電倍增管(1)原理當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾μA，很不容易探測(cè)。這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大，圖5為光電倍增管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖5光電倍增管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖光電倍增管由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽(yáng)極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)；陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。(2)主要特性1.倍增系數(shù)M倍增系數(shù)M等于n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。M與所加電壓有關(guān)，在之間，穩(wěn)定性為1％左右，此時(shí)要求加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以?xún)?nèi)。2.光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽(yáng)極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。3.暗電流和本底脈沖一般在使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對(duì)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(méi)有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽(yáng)極仍有電流，這種電流稱(chēng)為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場(chǎng)致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱(chēng)為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。4.光電倍增管的光譜特性光譜特性反應(yīng)了光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線性的，即入射光通量小于lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開(kāi)始出現(xiàn)非線性，如圖6所示。圖6光電倍增管的光照特性3.2內(nèi)光電效應(yīng)器件利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱(chēng)內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見(jiàn)的有光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管等。3.2.1光敏電阻光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等。不足有需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。3.2.2光電池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。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱(chēng)為太陽(yáng)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(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。3.2.3光敏二極管和光敏三極管光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特特性別好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類(lèi)型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。④光電傳感器的應(yīng)用光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn),傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,體積小。近年來(lái),隨著光電技術(shù)的發(fā)展,光電傳感器已成為系列產(chǎn)品,其品種量日益增加,在各種輕工自動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。典型及產(chǎn)案例如下：(1)煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。

(2)光電轉(zhuǎn)速傳感器在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤(pán)，在調(diào)置盤(pán)一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過(guò)盤(pán)上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。(3)光電池光電池作為光電探測(cè)使用時(shí)，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓，光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。⑤光電傳感器應(yīng)用中的注意事項(xiàng)(1)模擬式光電傳感器的輸出量為連續(xù)變化的光電流，因此在應(yīng)用中要求光電器件的光照特性呈單值線性，光源的光照要求保持均勻穩(wěn)定。(2)開(kāi)關(guān)式光電傳感器的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于光電信號(hào)“有”、“無(wú)”受到光照兩種狀態(tài)，即輸出特性是斷續(xù)變化的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在應(yīng)用中這類(lèi)傳感器要求光電元件靈敏度高，而對(duì)元件的光照特性要求不高。(3)CCD傳感器在分時(shí)使用CCD器件時(shí)，應(yīng)注意在轉(zhuǎn)移電荷期間應(yīng)避免受到光照，