第8章 光電式傳感器課件

第八章光電式傳感器第8章光電式傳感器光電傳感器的構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光電元件。應(yīng)用：1、光量變化的非電量；

2、能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。特點(diǎn)：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。被測量的變化光信號的變化電信號的變化第8章光電式傳感器光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、。第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器主要內(nèi)容8.1光基礎(chǔ)知識8.2光電效應(yīng)8.3外光電效應(yīng)器件8.4內(nèi)光電效應(yīng)器件8.5新型光電傳感器8.6光電傳感器的應(yīng)用舉例第8章光電式傳感器8.1光基礎(chǔ)知識8.1.1光的特性光波是波長為10~106nm的電磁波。1000,000nm10nm780nm380nm可見光紅外光紫外光性質(zhì)：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。第8章光電式傳感器1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)：光在空間傳播時，是不連續(xù)的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運(yùn)動的粒子流，愛因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱為“光量子”。1926年，美國物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”，并沿用至今。每個光子的能量為E=hν可見，光的頻率愈高，光子的能量愈大。第8章光電式傳感器8.2.2光源（發(fā)光器件）1.白熾光源最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：320nm~2500nm,

所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。第8章光電式傳感器2.氣體放電光源利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈即氣體放電燈。它的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。第8章光電式傳感器汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3。第8章光電式傳感器構(gòu)成：由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成。特點(diǎn)：工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。

3.發(fā)光二極管（LED——LightEmittingDiode）第8章光電式傳感器RUNP++++++++++++++++----------------UiD++__原理：當(dāng)加正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，和P區(qū)里的空穴復(fù)合；空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種電子空穴對的復(fù)合同時伴隨著光子的放出，因而發(fā)光。第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器

電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，有普朗克常數(shù)h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV第8章光電式傳感器Eg的單位為eV，1eV=1.6╳10-19J?？梢姽獾牟ㄩL

近似地認(rèn)為在7×10-7m以下，所以制作可見光區(qū)的發(fā)光二極管，其材料的禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/

=1.8eV普通二極管是用硅或鍺制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為1.12eV和0.67

eV，顯然不能使用。第8章光電式傳感器通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當(dāng)x＞0.35時，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使

在550～900nm間變化。第8章光電式傳感器與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見下表：材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料第8章光電式傳感器發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵曲線有兩根，這是因?yàn)槠洳馁|(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長

p。除峰值波長

p決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（用Δ

描述）決定光的色彩純度，Δ

越小，其光色越純。第8章光電式傳感器發(fā)光二極管的光譜特性0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度Δ

第8章光電式傳感器U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(紅)GaAsP(綠)反向電壓應(yīng)在5V以下!發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點(diǎn)燃）電壓略有差異。紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線第8章光電式傳感器4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一。具有高方向性、高單色性、高亮度和高的相干性四個重要特性。激光波長一般從0.15μm到遠(yuǎn)紅外整個光頻波段范圍。X-射線激光器。第8章光電式傳感器激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）液體激光器（染料激光器）。半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）第8章光電式傳感器（1）固體激光器典型實(shí)例是紅寶石激光器，是1960年人類發(fā)明的第一臺激光器（T.Maiman）。工作物質(zhì)為紅寶石---摻0.05%Cr+3的Al2O3棒。第8章光電式傳感器Nd:YAG激光器

摻Nd+3

離子的激光器有三種:

?玻璃釔鋁石榴石氟化釔鋰（

YLF：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活離子基質(zhì)釔鋁石榴石第8章光電式傳感器（2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器（3）液體激光器種類：螯合物激光器、無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中較為重要的是有機(jī)染料激光器。它的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。第8章光電式傳感器（4）半導(dǎo)體激光器與前幾種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。第8章光電式傳感器兩類：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。8.2.1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)象叫做外光電效應(yīng)。8.2光電效應(yīng)第8章光電式傳感器1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的；1902年，勒納（Lenard)也對其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時的理論加以解釋；1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)。第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器愛因斯坦光電效應(yīng)方程：1.光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功AO。

2.

一定時，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比。3.逸出的光電子具有動能?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。第8章光電式傳感器8.2.2內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。1．光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。第8章光電式傳感器自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶禁帶導(dǎo)帶價帶

Eg電子能量Eh

≧Eg當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。第8章光電式傳感器①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）

光照射PN結(jié)時，若h

≧Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，電子偏向N區(qū)外側(cè)，空穴偏向P區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動勢。２．光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。PN第8章光電式傳感器②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，光照部分產(chǎn)生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現(xiàn)了載流子濃度梯度，引起載流子擴(kuò)散，如果電子比空穴擴(kuò)散得快，導(dǎo)致光照部分帶正電，未照部分帶負(fù)電，從而產(chǎn)生電動勢，即為側(cè)向光電效應(yīng)。第8章光電式傳感器8.3.1

光電管及其基本特性１．結(jié)構(gòu)與工作原理8.3

外光電效應(yīng)器件第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器２．主要性能（1）光電管的伏安特性

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性真空光電管充氣光電管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA2010050弱光強(qiáng)光1504681012陰極電壓/VIA/μA第8章光電式傳感器（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。圖8-5光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.511-氧銫陰極2-銻銫陰極第8章光電式傳感器(3)光電管的光譜特性一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。另外，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限λc=700nm，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。第8章光電式傳感器對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。國產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù)第8章光電式傳感器由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達(dá)30級。通常為12~14級。使用時在各個倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場。8.3.2光電倍增管及其基本特性第8章光電式傳感器IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT第8章光電式傳感器入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極A第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器光電倍增管的電流放大倍數(shù)為如果n個倍增電極二次發(fā)射電子的數(shù)目相同,則Ｍ＝δin因此陽極電流為Ｉ＝i·δin,M與所加的電壓有關(guān)。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50~100V主要參數(shù)：（1）倍增系數(shù)M：等于各個倍增電極的2次發(fā)射電子數(shù)δi的乘積。第8章光電式傳感器一個光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度.(2)光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度最大靈敏度可達(dá)10A/lm不能受強(qiáng)光照射。圖8-7光電倍增管的特性曲線255075100125106極間電壓/V倍增系數(shù)M105104103第8章光電式傳感器（3）暗電流和本底脈沖由于環(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。在其受人眼看不到的宇宙射線的照射后，光電倍增管會有電流信號輸出—本底脈沖。（4）光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的相似。第8章光電式傳感器國產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)第8章光電式傳感器8.4內(nèi)光電效應(yīng)器件8.4.1光敏電阻1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理AE電極半導(dǎo)體玻璃底板RLEIRG圖8-8光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接第8章光電式傳感器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?。旱?章光電式傳感器光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、很長的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、小的體積及工藝簡單，故應(yīng)用廣泛。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。第8章光電式傳感器2.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、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為光電流。第8章光電式傳感器（2）光照特性用于描述光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。多數(shù)是非線性的。不宜做線性測量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光電流/mA圖8-9光敏電阻的光照特性第8章光電式傳感器（3）光譜特性硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時要把元件和光源結(jié)合起來考慮。圖8-10光敏電阻的光譜特性0500100015002000250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長/nm相對靈敏度/%第8章光電式傳感器(4)伏安特性所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。0102030405050100150200250I/μAU/V圖8-11光敏電阻的伏安特性第8章光電式傳感器（5）頻率特性時間常數(shù)：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。入射光調(diào)制頻率/Hz相對靈敏度/%01010210310420406080100硫化鎘硫化鉛圖8-12光敏電阻的頻率特性多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都很大。第8章光電式傳感器(6)溫度特性峰值隨溫度上升向波長短的方向移動。2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm相對靈敏度（%）+20oC-20oC圖8-13光敏電阻的光譜溫度特性第8章光電式傳感器初制成的光敏電阻，性能不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照及加負(fù)載情況下，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會有變化，但最后達(dá)到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下幾乎是無限長的。（7）穩(wěn)定性第8章光電式傳感器8.4.2光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。由于它可把太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此又稱為太陽能電池。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。故光電池是有源元件。第8章光電式傳感器光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。硅光電池的價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見光。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。適于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等方面應(yīng)用。第8章光電式傳感器1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖8-14光電池的結(jié)構(gòu)圖下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。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)。第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器圖8-15光電池的工作原理示意圖RLI---mAV+++

PN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，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。

第8章光電式傳感器2.基本特性（１）光譜特性故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測量儀表。如用照度計測定光的強(qiáng)度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波長λ/nm040060080010001200相對靈敏度/%圖8-16光電池的光譜特性第8章光電式傳感器(2)光照特性①不同光照射下有不同光電流和光生電動勢。②短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。圖8-17光電池的光照特性開路電壓0.10.30.2照度/lx020004000光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短路電流③開路電壓與光強(qiáng)是非線性的，且在2000lx時趨于飽和。④光電池作為測量元件時，應(yīng)把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好。第8章光電式傳感器(3)頻率特性硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系圖8-18光電池的頻率特性20406080100硒光電池硅光電池015003000450060007500相對光電流/%入射光調(diào)制頻率/Hz第8章光電式傳感器(4)溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。

短路電流隨溫度升高而緩慢增加。

因此作測量元件時應(yīng)考慮進(jìn)行溫補(bǔ)。圖8-19光電池的溫度特性開路電壓溫度/℃光生電流/mA1.82.22.0光生電壓/V短路電流100200300400500020406080100第8章光電式傳感器8.4.3光敏晶體管1.光敏二極管光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測等方面的應(yīng)用。RL

光PNPN光第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器PNRE+-If第8章光電式傳感器PNRE-+Is第8章光電式傳感器當(dāng)光照射時，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。RE-+IPN第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器2.光敏三極管集電結(jié)一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且基極一般不接引線。PPN

becNNPe

bc第8章光電式傳感器普通三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP第8章光電式傳感器光敏三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基區(qū)很薄，基極一般不接引線；集電極面積較大。第8章光電式傳感器ICeECIERCcNNPb第8章光電式傳感器當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時，產(chǎn)生電子、空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，相當(dāng)于給發(fā)射結(jié)加了正向偏壓，使電子大量流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的?倍?；竟ぷ骶€路：cbeRL第8章光電式傳感器3.光敏晶體管的主要特性(1)光譜特性

存在一個最佳靈敏度波長2040608010040080012001600入射光波長/nm鍺硅相對靈敏度（%）0第8章光電式傳感器(2)伏安特性01234

5外加電壓(V)20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx與一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。只需把光電流看作基極電流即可。第8章光電式傳感器(3)光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(μA)故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件，也可做開關(guān)元件近似線性關(guān)系。但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。第8章光電式傳感器(4)溫度特性暗電流（mA)1030507002550oC200400100300

500光電流（μA)103050700oC溫度變化對光電流的影響很小，對暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償。第8章光電式傳感器(5)頻率特性減小負(fù)載電阻可以提高響應(yīng)頻率，但將使輸出降低。故使用時要根據(jù)頻率選擇最佳的負(fù)載電阻。硅管的響應(yīng)頻率比鍺管的好。20

406080100相對靈敏度（%）f(kHZ)

110

1000RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ第8章光電式傳感器8.5新型光電傳感器8.5.1高速光電二極管1.PIN結(jié)光電二極管PIN

P、N間加了層很厚的高電阻率的本征半導(dǎo)體I。P層做的很薄。比普通的光電二極管施加較高的反偏壓。第8章光電式傳感器入射光照射在P層上，因P層很薄，大量的光被較厚的I層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電流；又PIN結(jié)光電二極管比PN結(jié)光電二極管施加較高的反偏置電壓，使其耗盡層加寬。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在交界處形成電子和空穴的濃度差別，因此N區(qū)的電子要向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散圖8-28PIN光電二極管偏壓價帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極輸出端PIN第8章光電式傳感器P區(qū)一邊失去空穴，留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子，在PN交界面形成空間電荷，即在交界處形成了很薄的空間電荷區(qū)，在該區(qū)域中，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對方而復(fù)合掉，即消耗盡了，耗盡層的電阻率很高。擴(kuò)散越強(qiáng)，耗盡層越寬，PN結(jié)內(nèi)電場越強(qiáng)，加速了光電子的定向運(yùn)動，大大減小了漂移時間，因而提高了響應(yīng)速度。PIN結(jié)光電二極管仍然具有一般PN結(jié)光電二極管的線性特性。第8章光電式傳感器

2.雪崩式光電二極管（APD）在PN結(jié)的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P+層，且在其上加上高反偏壓。偏壓輸出端價帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極P+PN圖8-29雪崩式二極管第8章光電式傳感器當(dāng)光入射到PN結(jié)時，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達(dá)到200kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動。高速運(yùn)動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，第8章光電式傳感器8.5.2色敏光電傳感器不同區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL分別具有不同靈敏度，淺結(jié)對紫外光靈敏度高。NP123P+123第8章光電式傳感器根據(jù)光學(xué)性能，不同顏色的光在不同的介質(zhì)中的穿透能力不同。利用不同介質(zhì)對某一色光的吸收，用這種色光去投射液體管道，根據(jù)接收到的光強(qiáng)來判斷管道中的液流介質(zhì)。第8章光電式傳感器8.5.3光固態(tài)圖象傳感器光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD（ChargeTransferDevice），最常用的是電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）。由于它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能，以及集成度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用。第8章光電式傳感器1．CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理CCD是一種半導(dǎo)體器件，由若干個電荷耦合單元組成。CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚約120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅電極而構(gòu)成金屬-氧化物-半導(dǎo)體的電容式轉(zhuǎn)移器。其中，“金屬”為SiO2層上沉積的金屬或摻雜多晶硅電極，稱為“柵極”；半導(dǎo)體硅作為底電極，俗稱“襯底”；“氧化物”為兩電極之間夾的絕緣體SiO2。第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器

CCD的MOS結(jié)構(gòu)P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管

SiO2第8章光電式傳感器當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖中Ф1極下），形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為空穴。第8章光電式傳感器電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下圖以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

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P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30第8章光電式傳感器三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖Φ1，Φ2，Φ3，見圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；第8章光電式傳感器當(dāng)P1回到低電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中（t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動。第8章光電式傳感器2．線型CCD圖像傳感器

線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵,如圖所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時間成正比。第8章光電式傳感器在光積分時間結(jié)束時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時低電壓),與CCD對應(yīng)的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個過程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。第8章光電式傳感器實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，就形成了原來光敏信號電荷的順序。(a)(b)線型CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵第8章光電式傳感器3．面型CCD圖像傳感器

面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種形式。圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊第8章光電式傳感器面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)(a)(b)二相驅(qū)動視頻輸出

行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動感光區(qū)溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3感光區(qū)存儲區(qū)析像單元視頻輸出輸出柵串行讀出第8章光電式傳感器圖（b）增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出。當(dāng)整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一幀信號的形成。第8章光電式傳感器光柵報時鐘二相驅(qū)動輸出寄存器檢波二極管視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動(c)第8章光電式傳感器圖(c)是將圖(b)中感光元件與存儲元件相隔排列，即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號進(jìn)入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期內(nèi)，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。第8章光電式傳感器這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡單，但單元設(shè)計復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多，最多已達(dá)1024×1024像元。我國也能生產(chǎn)512×320像元的面型CCD圖像傳感器。第8章光電式傳感器8.6光電傳感器的應(yīng)用舉例由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。第8章光電式傳感器光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。下圖表明了四種形式的工作方式。第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器例1：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器它由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上，光敏元件將其轉(zhuǎn)為電信號輸出。通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得被測轉(zhuǎn)速

n=f/Nn—轉(zhuǎn)速；f—脈沖頻率；N—圓盤孔數(shù)。第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器測速也可以采用反射式：只要用白紙畫上黑道的圓紙貼在旋轉(zhuǎn)體上即可。其測量電路與透射式相同第8章光電式傳感器例2：光電液位檢測在液體未升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線不會被光電三極管接收；當(dāng)液位上升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時，出于液體的折射，光電三極管接收到紅外信號由此獲得液位信號。第8章光電式傳感器例3：感煙傳感器(火災(zāi)報警器的一部分)由紅外發(fā)光二極管及光電三極管組成，但二者不在同一平面上(有一定角度)。在無煙時，光電三極管接收不到紅外線；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子進(jìn)入感煙傳感器時，由于紅外線受煙霧粒于折射作用，光電三極管接收到紅外線，給出煙霧報警信號。第8章光電式傳感器例4：光電開關(guān)的應(yīng)用下圖為檢測生產(chǎn)流水線上瓶蓋及商標(biāo)的實(shí)例。除記數(shù)外，還可進(jìn)行位置檢測(如裝配體有沒有到位)、質(zhì)量檢查(如瓶蓋是否壓上，標(biāo)簽是否漏貼等)。第8章光電式傳感器下圖為為自動切斷控制的實(shí)例?？梢愿鶕?jù)被測物的特定標(biāo)記進(jìn)行自動控制(如根據(jù)特定的標(biāo)記檢測后進(jìn)行自動切斷、封口等)。光電開關(guān)主要用于自動包裝機(jī)、自動灌裝機(jī)、自動封裝機(jī)、自動或半自動裝配流水線等自動化機(jī)械裝置。第8章光電式傳感器例5：防盜報警電路將光電斷路器安裝于抽屜的背后，并設(shè)一電源開關(guān)于隱蔽的地方，當(dāng)需要防盜時將開關(guān)合上。平時由于擋板插入槽口，光電三極管僅有暗電流，BG不導(dǎo)通，繼電器J不吸合。當(dāng)小偷撬開抽屜時，一拉開抽屜則擋板離開槽口，光電三極管的光電流使R2上產(chǎn)生接近電源的電壓，BG導(dǎo)通，繼電器吸合，發(fā)出報警信號。第8章光電式傳感器這種裝置同樣可以安裝在門窗上起防盜報警作用。第8章光電式傳感器例6：自動照明燈D1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約30v左右。在白天時，光敏電阻的阻值低，其分壓低于30v(A點(diǎn))，觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無觸發(fā)電流，T1、T2之間呈斷開狀態(tài)；天暗后，光敏電阻阻值增加，A點(diǎn)電壓大于30v，觸發(fā)二極管導(dǎo)通，雙向可控硅呈導(dǎo)通狀態(tài)，電燈亮。

R1

、C1為保護(hù)雙向可控硅的吸收電路。第8章光電式傳感器正常強(qiáng)度光照在光敏電阻上，因阻值較小，端壓小于0.5V，電路中三極管截止，即流過三極管T和小白熾燈泡的電流趨于零，燈暗，當(dāng)光照逐漸變暗，光敏電阻阻值變大，三極管逐漸導(dǎo)通，流過三極管和燈的電流逐漸變大，燈D逐漸變亮。入射光敏電阻的照度為零時，燈最亮。二極管D的作用是保護(hù)三極管，防止大反向電壓加在三極管的be兩極。第8章光電式傳感器例7：路障燈、航標(biāo)指示燈電路白天光敏電阻阻值低，BGl截止，BG2也截止，雙向可控硅處于斷的狀態(tài)，當(dāng)天黑時，光敏電阻阻值增加，BGl與BG2

相繼導(dǎo)通，雙向可控硅有觸發(fā)電流而處于導(dǎo)通狀態(tài)，燈亮。第8章光電式傳感器例8：路燈自動控制器220VCJD-10路燈8V

C1200u

C2200u

R1470k

R2