電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)第十一章

第十一章光電式傳感器第十一章光電式傳感器

光電傳感器技術(shù)是先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再通過光電器件將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器。下圖是光電式傳感器的原理框圖。它一般由光源、光路、光電器件及其測(cè)量電路三部分組成。被測(cè)量作用于光源或者光學(xué)通路，從而引起光量的變化。光電式傳感器的原理框圖第十一章光電式傳感器

光電式傳感器具有頻譜寬、不易受電磁干擾的影響、非接觸式測(cè)量、響應(yīng)快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著激光、光纖、電荷耦合器件CCD技術(shù)的發(fā)展，光電式傳感器在自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。光電器件是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種器件，它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。－－11.1.1外光電效應(yīng)11.1外光電效應(yīng)與光電器件在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子稱為光電子。這是由德國(guó)科學(xué)家赫茲在1887年發(fā)現(xiàn)的。利用該效應(yīng)制成的光電器件主要有光電管、光電倍增管等。一束光是由一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有能量，每個(gè)光子具有的能量可定義為：因此，光的波長(zhǎng)越短，則頻率越高，其光子的能量也越大；反而言之，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其光子的能量也就越小。光照射物體，可以看作一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超出逸出功A時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的功能。根據(jù)能量守恒定理：11.1外光電效應(yīng)與光電器件上式即為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式。由該式可知：（1）光電效應(yīng)能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物質(zhì)表面的電子逸出功。這意味著每一種物質(zhì)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率（對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)稱為臨界波長(zhǎng)）。光的頻率小于紅限頻率，光子的能量不足以使物體的電子逸出，因而小于紅限頻率的光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電發(fā)射。反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光強(qiáng)微弱也會(huì)有電子發(fā)射出來。（2）若入射光的光頻為v，光功率為P，則每秒鐘到達(dá)的光子數(shù)為P/hv。假設(shè)這些光子中只有一部分（η）能激發(fā)電子，則入射光在光電面激發(fā)的光電流密度為：11.1外光電效應(yīng)與光電器件（3）光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能。因此外光電效應(yīng)器件即使未加初始陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。為使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而截止電壓與入射光的頻率成正比。11.1.2光電管光電管是一個(gè)裝有光電陰極和陽(yáng)極的真空玻璃管，種類繁多，如下圖所示。a圖中，光電陰極是在玻璃管內(nèi)壁涂上陰極涂料構(gòu)成的；b圖中，光電陰極是在玻璃管內(nèi)裝入涂有陰極涂料的柱面形極板構(gòu)成的。光電管示意圖當(dāng)光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電壓與陽(yáng)(陰)極電流的關(guān)系，叫做光電管的伏安特性曲線，如下圖所示。當(dāng)入射光比較弱時(shí)，由于光電子較少，只用較低的陽(yáng)極電壓就能收集到所有的光電子，而且輸出電流很快就能達(dá)到飽和；當(dāng)入射光較強(qiáng)時(shí)，要想使輸出電流達(dá)到飽和，則需要較高的陽(yáng)極電壓。光電管的工作點(diǎn)應(yīng)選在光電流與陽(yáng)極電壓無關(guān)的飽和區(qū)域內(nèi)。由于這一區(qū)域的動(dòng)態(tài)阻抗(dU／dI)非常大，可以近似看作是恒定電流源，接入較大的負(fù)載阻抗，可獲取輸出電壓。光電管的靈敏度較低，有一種充氣光電管，在管內(nèi)充以少量的惰性氣體，如氬氣或氖氣（或充氦氣，也有的充以混合氣體）。11.1.2光電管光電管的伏安特性曲線11.1.2光電管在光照作用下光電陰極能夠向外發(fā)射電子（光電子），光電子在趨向陽(yáng)極的途中撞擊惰性氣體的原子，使其電離（湯姆生放電），從而使陽(yáng)極電流急速增加（電子倍增作用），使光電管的靈敏度得到提高。充氣光電管的電壓-電流特性不具有真空光電管的那種飽和特性，而是在達(dá)到充氣離子化電壓附近時(shí)，陽(yáng)極電流急速上升，如下圖所示。急速上升部分體現(xiàn)氣體放大特性，放大系數(shù)為5～10。充氣光電管的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但其在靈敏度隨電壓顯著變化的穩(wěn)定性、頻率特性等方面都比真空光電管差。所以在實(shí)際測(cè)試中一般選用真空光電管。

11.1.2光電管真空光電管具有良好的時(shí)間響應(yīng)特性，從光子變換為光電子只需10-12s的時(shí)間，可以忽略不計(jì)。光電子從陰極到陽(yáng)極時(shí)間Δt占時(shí)間比較多。在外加電壓為U、平板電極間隔為d時(shí)，Δt值的粗略估算為：設(shè)U=100V，d=lcm，則Δt接近1ns。盡管一般的光電管的結(jié)構(gòu)各不相同，但響應(yīng)時(shí)間可大致估算為這一數(shù)值的幾倍。從上式可以看出，Δt與d／U成正比，所以如果d是幾毫米，U在1000V以上時(shí)，則響應(yīng)時(shí)間可以估算為0.2ns～0.3ns。

11.1.3光電倍增管采用光電管檢測(cè)微弱光時(shí)，光電管輸出的光電流很小，由于放大部分所產(chǎn)生的噪聲比決定光電管本身檢測(cè)能力的光電流散粒效應(yīng)噪聲大得多，檢測(cè)極其困難。因此通常在對(duì)微弱光進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，就要采用光電倍增管。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，將光電流在管內(nèi)部進(jìn)行放大。所謂二次電子釋放效應(yīng)是指高速電子撞擊固體表面，再發(fā)射出二次電子的現(xiàn)象。下圖為光電倍增管示意圖。它由光電陰極、若干個(gè)倍增極和陽(yáng)極3部分組成。光電倍增管示意圖11.1.3光電倍增管倍增極的形狀和位置的設(shè)計(jì)，恰好使前一級(jí)倍增極發(fā)射的電子能夠繼續(xù)轟擊后一級(jí)倍增極，并在每個(gè)倍增極間依次加上加速電壓。從陰極開始，設(shè)每級(jí)的光電流倍增率為δ，經(jīng)過N個(gè)倍增極后，則光電倍增管的光電流倍增率為δN。δ稱為二次電子發(fā)射比。δ不僅與物質(zhì)的種類和表面狀態(tài)有關(guān)，而且隨著一次電子能量以及光的入射角的不同有很大的差異。下表列出了幾種物質(zhì)的δmax值：管內(nèi)電流放大增益為：一般認(rèn)為，f為90%左右，g接近100％。倍增極間的外加電壓Ud與總增益G的關(guān)系可近似表示為：

11.1.3光電倍增管下圖表示倍增器電極間電壓與總放大倍數(shù)的關(guān)系（以931A型光電倍增管為例）。N是倍增極的極數(shù)。因此可以得到：下圖給出幾種常見的光電倍增管結(jié)構(gòu)。圖(a)是側(cè)窗聚焦型，該型很早就得到了應(yīng)用，它的光電面是不透明的，從光的入射側(cè)取出電子。圖(b)是直接定向線性聚焦型，圖(c)是直接定向百葉窗型，圖(d)是直接定向柵格型。圖(b)～圖(d)都是直接定向型，光電面是透明的。這幾種類型的電極構(gòu)造各有特點(diǎn)。在圖(a)、圖(b)中電極的配置起到光學(xué)透鏡的作用，為聚焦型，由于電子飛行的時(shí)間短，時(shí)間滯后也小，有很快的響應(yīng)速度。圖(c)是百葉窗型，圖(d)是柵格型，電子飛行時(shí)間都比較長(zhǎng)，但不需要細(xì)致地調(diào)整倍增器電極間的電壓分配就能獲得較大的增益。11.1.3光電倍增管

倍增極的電壓是由分壓電阻鏈R1，R2，…，RN+1提供，如下圖所示，由流經(jīng)負(fù)載電阻RL的放大電流輸出電壓，總的外加電壓通常在300V～700V范圍內(nèi)。

11.1.3光電倍增管光電倍增管倍增極的分壓電阻鏈在檢測(cè)脈沖式光源時(shí)，最好把電源負(fù)極接地，這樣有利于降低噪聲。這時(shí)的輸出可通過電容和下一級(jí)放大器耦合。通常用電容器C1、C2等來穩(wěn)定最后幾個(gè)倍增極在脈沖期間的電壓，這些電容器起到穩(wěn)定增益和防止飽和的作用，它們通過電源去耦電容C實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖電壓接地。－－11.2.1內(nèi)光電效應(yīng)11.2內(nèi)光電效應(yīng)與光電器件在光照作用下，使得物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為兩類：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光照射引起載流子增加，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象成為光電導(dǎo)效應(yīng)。幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有這種效應(yīng)。這時(shí)由于電子在入射光作用下，吸收光子能量，從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶過度，再到自由狀態(tài)，同時(shí)價(jià)帶也因此形成自由空穴，致使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴濃度增大，從而導(dǎo)致材料電阻率減小。為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量E0應(yīng)大于禁帶寬度Eg，如下圖所示，即光的波長(zhǎng)應(yīng)小于某一臨界波長(zhǎng)λ0。

11.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)不同的半導(dǎo)體材料具有不同的禁帶寬度，據(jù)此可得相應(yīng)的臨界波長(zhǎng)。光電導(dǎo)元件工作示意圖如下圖所示。圖中光電導(dǎo)元件與偏置電源及負(fù)載電阻RL串聯(lián)。在一定強(qiáng)度的光的連續(xù)照射下，光電導(dǎo)元件達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，輸出的短路電流密度為：可以看出，在波長(zhǎng)一定時(shí)i0與P成正比；在η、P一定時(shí)，i0與光波長(zhǎng)λ成正比。利用光導(dǎo)效應(yīng)制成的元件有光敏電阻。11.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)在光照作用下，能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照在PN結(jié)附近，就會(huì)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，電子向N區(qū)擴(kuò)散，空穴向P區(qū)擴(kuò)散，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。若在N型硅片摻入P型雜質(zhì)可形成一個(gè)PN結(jié)，如下圖所示。在P型半導(dǎo)體內(nèi)有很多多余的空穴，N型半導(dǎo)體內(nèi)有許多過剩的電子，當(dāng)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在熱運(yùn)動(dòng)作用下，N型半導(dǎo)體中的電子越過交界面填補(bǔ)了P型半導(dǎo)體中的空穴，也可以說P型半導(dǎo)體中的空穴越過交界面復(fù)合了N型半導(dǎo)體中的電子。

11.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)PN結(jié)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)PN結(jié)的電壓電流特性

PN結(jié)用于整流時(shí)，其電壓—電流特性如右上圖中的曲線(1)所示。這時(shí)外加電壓U（參考方向如圖所示）與電流Id的關(guān)系為：當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的短路電流I0與光電導(dǎo)效應(yīng)中表達(dá)光電導(dǎo)元件達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，輸出短路電流密度相類似，即：11.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)這個(gè)電流與上式所示電流方向相反，則流經(jīng)節(jié)點(diǎn)的電流是二者之差，即：由此可見，當(dāng)有光照射時(shí)，電壓—電流特性向下方平行移動(dòng)，如上圖中的曲線（2）所示。當(dāng)I=0時(shí)，對(duì)U求解，得開路電壓為：如果入射光較弱，I0<<Is，則有：利用光生伏特效應(yīng)制成的元件有光電池。此外，光敏二極管、光敏三極管也是基于內(nèi)光電效應(yīng)的。11.2.2光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)：在無光照時(shí)，光敏電阻具有很高的阻值；在有光照時(shí)，當(dāng)照射光中光子的能量大于材料的禁帶寬度，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出可以導(dǎo)電的電子-空穴對(duì)，使電阻迅速降低；光線愈強(qiáng)，激發(fā)出的電子-空穴對(duì)越多，電阻值越低；光照停止后，自由電子與空穴復(fù)合，導(dǎo)電性能下降，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的，其常用的材料有硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)、硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)和銻化銦(InSb)等。光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)如下圖(a)。由于光電導(dǎo)效應(yīng)只限于光照表面的薄層，一般將半導(dǎo)體材料制成薄膜，電極構(gòu)造則做成梳形，如下圖(b)。這樣，縮短了光敏電阻電極之間的距離，減少了載流子通過電極的時(shí)間Tc，而材料的載流子壽命τc又比較長(zhǎng)，于是光敏電阻就具有很高的內(nèi)部增益G，從而可獲得很高的靈敏度。為防止外來干擾，外殼的入射孔用能透過所需光譜光線的透明保護(hù)窗(如玻璃)，亦可在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。為解決光敏電阻管芯受潮問題，光電半導(dǎo)體必須被嚴(yán)密封裝在殼體中或在其表面涂防潮樹脂涂料。

11.2.2光敏電阻11.2.2光敏電阻光敏電阻具有靈敏度高，體積小，質(zhì)量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊，耗散功率大，抗過載能力強(qiáng)，以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。光敏電阻的主要參數(shù)有：（1）暗電阻與暗電流室溫條件下，光敏電阻在不受光照后經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)得的電阻值，稱為暗電阻，此時(shí)在給定工作電壓下流過光敏電阻的電流稱為暗電流。（2）亮電阻與亮電流光敏電阻在受光照射時(shí)的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。（3）光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。11.2.2光敏電阻（1）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所加電壓之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。下圖為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由曲線可知，在同一光照度下，光敏電阻在一定電壓范圍內(nèi)，I-U曲線為直線，且沒有飽和現(xiàn)象；在給定的外加電壓下，光照度越大，光電流也越大。說明在額定范圍內(nèi)，其阻值與入射光量有關(guān)，而與工作電壓、電流的大小無關(guān)。但不能無限制地提高光敏電阻的工作電壓，光敏電阻都有最大額定功率、最高工作電壓和最大額定電流。超過最大工作電壓和最大額定電流，將可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，而光敏電阻的耗散功率又與面積大小以及散熱條件等因素有關(guān)。11.2.2光敏電阻硫化鎘光敏電阻的伏安特性光敏電阻的光照特性（2）光照特性光敏電阻的光照特性描述的是光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，不同材料具有不同的光照特性，絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性是非線性的，類似右上圖種的曲線形狀。圖是硫化鎘光敏電阻的光照特性。（3）光譜特性光敏電阻對(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同11.2.2光敏電阻的靈敏度，不同種類光敏電阻峰值波長(zhǎng)也不同。光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。光敏電阻的光譜靈敏度和峰值波長(zhǎng)與所采用材料、摻雜濃度有關(guān)。光敏電阻的光譜特性光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間左上圖為硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈光敏電阻的光譜特性曲線。由圖可見，硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值在可見光區(qū)域，接近人的視覺特性，常用作光度量測(cè)量（照度計(jì)）11.2.2光敏電阻的探頭；而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)敏感區(qū)在近紅外和中紅外，常用作火焰探測(cè)器的探頭。在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)注意和光源的光譜特性相匹配，以獲得良好的效果。

4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性在階躍脈沖光照射下，光敏電阻的光電流要經(jīng)歷一段時(shí)間才能達(dá)到最大飽和值；光照停止后，光電流也要經(jīng)歷一段時(shí)間才能夠下降到暗電流水平。這是光電阻的弛豫現(xiàn)象，通常用響應(yīng)時(shí)間來描述。響應(yīng)時(shí)間可分為上升時(shí)間t1、t2和下降時(shí)間t1’、t2’，如右上圖所示。

響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短常用時(shí)間常數(shù)τ來描述。產(chǎn)品說明書中也會(huì)說明光敏電阻時(shí)間常數(shù)的值，大多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都在10-6s~1s數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)表明：光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間與前歷時(shí)間有關(guān)，在暗處放置時(shí)間越長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)；響應(yīng)時(shí)間也與照度有關(guān)，照度越大，響應(yīng)時(shí)間越短。11.2.2光敏電阻由于不同材料的光敏電阻響應(yīng)時(shí)間不同（典型值為毫秒數(shù)量級(jí)），因而它們具有不同的頻率特性。下圖表示不同材料光敏電阻的頻率特性，即相對(duì)光譜靈敏度與照度調(diào)制頻率的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯蚧U的有效使用頻率范圍較大。光敏電阻是光電器件中響應(yīng)速度最慢的，這是它的缺點(diǎn)之一。因此，利用其作開關(guān)元件僅適用于低速的情況。光敏電阻的頻率特性硫化鎘光敏電阻的溫度特性曲線

11.2.2光敏電阻（5）溫度特性和其它半導(dǎo)體器件一樣，光敏電阻受溫度的影響較大。溫度的變化，會(huì)影響到光敏電阻的光譜特性，同時(shí)光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改變，尤其是用于紅外區(qū)域的光敏電阻，通常受溫度的影響都十分明顯。當(dāng)溫度升高時(shí)，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都將下降，因而光電流隨溫度升高而減小。下圖為硫化鎘光敏電阻在光照一定時(shí)的溫度特性曲線。一般用溫度系數(shù)來表示光敏電阻的溫度特性，其定義為：在一定光照下，溫度每變化1℃，光敏電阻阻值的平均變化率。即：挑選光敏電阻時(shí)，溫度系數(shù)越小越好。溫度變化對(duì)光敏電阻的光譜特性也有很大影響，隨溫度升高，峰值波長(zhǎng)會(huì)向短波方向移動(dòng)。11.2.2光敏電阻（6）穩(wěn)定性初制成的光敏電阻，光電性能不穩(wěn)定，需進(jìn)行人工老化處理，即按照一定的工藝要求，人為地進(jìn)行加溫-降溫、光照-遮光和加減負(fù)載處理。經(jīng)過一至二星期的老化，可使其光電性能趨向穩(wěn)定。經(jīng)過人工老化后，光敏電阻的光電性能就基本穩(wěn)定了。光敏電阻具有光譜特性好，允許的光電流大，靈敏度高，體積小，質(zhì)量輕，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊，抗過載能力強(qiáng)，耗散功率大，以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)所以應(yīng)用廣泛。此外，許多光敏電阻對(duì)紅外信號(hào)敏感，適宜于紅外光譜區(qū)域的檢測(cè)工作。光敏電阻的缺點(diǎn)是型號(hào)相同的光敏電阻參數(shù)很不相同，并且其光照特性是非線性的，不適宜于要求線性測(cè)量的場(chǎng)合。常用于制作開關(guān)式光電信號(hào)的傳感元件。11.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏二極管是利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝載透明玻璃外殼中，其PN結(jié)安裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見下圖）。外殼上面有一透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上。PN結(jié)的面積比一般二極管要大，這樣可以獲得盡可能大的光生電流。為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，PN結(jié)的深度比一般二極管淺。光敏二極管電路原理如圖(a)所示。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖(b)），在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，該反向電流稱為暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN界附近產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，他們?cè)诙O管不受光照射時(shí)處于截至狀態(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。11.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理光敏二極管的響應(yīng)速度主要取決于PN結(jié)之間的結(jié)電容C和載流子通過耗盡層的時(shí)間τ。耗盡層的厚度對(duì)C和τ的影響正好起到相反效果，耗盡層越厚，C減小，但使τ增加。普通光敏二極管對(duì)靈敏度要求較高，一般PN結(jié)面積比較大，影響響應(yīng)速度的主導(dǎo)因素是C。高速光敏二極管的響應(yīng)速度主要取決于τ，耗盡層越薄，響應(yīng)速度越快，但是也不能太薄，否則會(huì)降低光子轉(zhuǎn)化為載流子的比率（量子效率）。硅光敏二極管當(dāng)耗盡層厚度為5μm時(shí)響應(yīng)速度可達(dá)0.1ns，帶寬也很高（>1GHz）。

11.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏二極管的響應(yīng)速度主要取決于PN結(jié)之間的結(jié)電容C和載流子通過耗盡層的時(shí)間τ。耗盡層的厚度對(duì)C和τ的影響正好起到相反效果，耗盡層越厚，C減小，但使τ增加。普通光敏二極管對(duì)靈敏度要求較高，一般PN結(jié)面積比較大，影響響應(yīng)速度的主導(dǎo)因素是C。高速光敏二極管的響應(yīng)速度主要取決于τ，耗盡層越薄，響應(yīng)速度越快，但是也不能太薄，否則會(huì)降低光子轉(zhuǎn)化為載流子的比率（量子效率）。硅光敏二極管當(dāng)耗盡層厚度為5μm時(shí)響應(yīng)速度可達(dá)0.1ns，帶寬也很高（>1GHz）。

光敏二極管的光譜帶寬與材料有關(guān)，硅光敏二極管為0.4μm～1.1μm，峰值出現(xiàn)在0.9μm，鍺光敏二極管的帶寬為0.6μm～1.89μm，峰值出現(xiàn)在1.5μm。光敏三極管與光敏二極管相似，不同的是內(nèi)部有兩個(gè)PN結(jié)，類似一般三極管也有PNP型和NPN型兩種。和一般三極管不同的是為了擴(kuò)大光照面積，它的發(fā)射極一邊11.2.3光敏二極管和光敏三極管做得很小，如圖(a)所示。它可以等效看作一個(gè)光電二極管和一只晶體三極管的結(jié)合，如圖(b)所示。當(dāng)基極開路時(shí)，基極—集電極處于反偏。當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，這相當(dāng)于由光生載流子注入到發(fā)射結(jié)控制發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散電流，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，因此光敏三極管通常沒有基極引線。最后，會(huì)有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏三極管有放大作用，其輸出的光電流比具有相同有效面積的光敏二極管的光電流要大幾十乃至幾百倍，但是響應(yīng)速度較二極管差。11.2.3光敏二極管和光敏三極管做得很小，如圖(a)所示。它可以等效看作一個(gè)光電二極管和一只晶體三極管的結(jié)合，如圖(b)所示。當(dāng)基極開路時(shí)，基極—集電極處于反偏。當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，這相當(dāng)于由光生載流子注入到發(fā)射結(jié)控制發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散電流，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，因此光敏三極管通常沒有基極引線。最后，會(huì)有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏三極管有放大作用，其輸出的光電流比具有相同有效面積的光敏二極管的光電流要大幾十乃至幾百倍，但是響應(yīng)速度較二極管慢。光敏三極管的光電靈敏度雖然比光敏二極管高很多，但在需要高增益或大電流輸出的應(yīng)用中，需要采用達(dá)林頓光敏三極管，它采用一個(gè)光敏三極管作為輸入極，一個(gè)普通三極管作為輸出極，二者在內(nèi)部采用共集電極連接方式（達(dá)林頓接線方式）構(gòu)成11.2.3光敏二極管和光敏三極管的集成器件，如下圖所示。達(dá)林頓管具有很大的增益，其電流放大系數(shù)近似為兩個(gè)管子分離時(shí)電流放大系數(shù)的乘積。能更可靠地使輸出為開關(guān)狀態(tài)，也更容易驅(qū)動(dòng)負(fù)載，甚至可以不必經(jīng)過進(jìn)一步放大，便可直接驅(qū)動(dòng)靈敏繼電器。達(dá)林頓管所需的入射光非常小，當(dāng)輸入為0.1mW／cm2時(shí)，可獲得2mA的集電極電流。其缺點(diǎn)是響應(yīng)速度低，當(dāng)負(fù)載電阻為幾千歐時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為毫秒量級(jí)。且由于無光照時(shí)的暗電流也相應(yīng)增大，因此更適合于開關(guān)狀態(tài)或位式信號(hào)的光電變換。達(dá)林頓光電三極管11.2.3光敏二極管和光敏三極管（1）光譜特性光敏二極管的光譜特性是指在一定照度時(shí)，輸出的光電流與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系，或以相對(duì)靈敏度與入射波長(zhǎng)之間的關(guān)系表示。硅和鍺光敏二極（三極）管的光譜特性曲線如下圖所示。可以看出，硅的峰值波長(zhǎng)約為0.9μm，鍺的峰值波長(zhǎng)約為1.5μm，此時(shí)靈敏度最大，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增長(zhǎng)或縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度都會(huì)下降。一般而言，鍺管的暗電流較硅管要大，性能較差，在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般采用硅管測(cè)量。但對(duì)紅外光的探圖下測(cè)，用鍺管更為合適。11.2.3光敏二極管和光敏三極管(2)伏安特性下圖(a)是硅光敏二極管的伏安特性，橫坐標(biāo)表示在其兩端施加的反向偏置電壓。當(dāng)光照時(shí)，反向電流隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒達(dá)到飽和值，它的輸出實(shí)際上不受偏置電壓大小的影響。下圖(b)是硅光敏三極管的伏安特性?？v坐標(biāo)是為光電流，橫坐標(biāo)為集電極—發(fā)射光敏二（三）極管的光譜特性曲線11.2.3光敏二極管和光敏三極管硅光敏管的伏安特性曲線極電壓。從圖中可見，由于光敏三極管的放大作用，在相同照度下，其光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍。11.2.3光敏二極管和光敏三極管(3)頻率特性光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流（或相對(duì)靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性在半導(dǎo)體光電器件中是最好的，普通光敏二極管頻率響應(yīng)時(shí)間可達(dá)10μs。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響較大，下圖為光敏晶體管頻率特性，可以通過減小負(fù)載電阻來提高頻率響應(yīng)范圍，但輸出電壓響應(yīng)也會(huì)相應(yīng)減小。光敏三極管的頻率特性曲線11.2.3光敏二極管和光敏三極管(4)溫度特性光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度之間的關(guān)系。光敏三極管的溫度特性曲線如右上圖所示。由曲線可以看出，相對(duì)而言溫度變化對(duì)光電流的影響很小（圖(b)），而對(duì)暗電流的影響很大（圖(a)），所以在電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。光敏三極管的溫度特性曲線11.2.4光電池光電池是一種電源器件，當(dāng)受到光照射時(shí)，它直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，可在電路中充當(dāng)電源。光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。其中硅光電池的性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，光電轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，耐高溫

，價(jià)格便宜，適合紅外波長(zhǎng)工作，因此最受人們的青睞。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”的。圖11-28是硅光電池原理圖。硅光電池實(shí)際上是在N型硅片中摻入P型雜質(zhì)形成一個(gè)大面積的PN結(jié)。當(dāng)光照射到PN結(jié)上的一個(gè)面，如P區(qū)時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則P區(qū)每吸收一個(gè)光子，就產(chǎn)生一對(duì)自由電子-空穴，電子-空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，將建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。如果將負(fù)載電阻接在兩電極間，則電路中便產(chǎn)生了電流，如圖下圖所示。11.2.4光電池硅光電池等效電路光電池基本特性有以下幾種：光電池在不同波長(zhǎng)入射光下的靈敏度是不同的。下圖為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，由于材料的不同，光電池的光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的，硅光電池的峰值波長(zhǎng)在0.8μm附近，其光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.4~1.2μm；而硒光電池的峰值波長(zhǎng)在0.5μm附近，其光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍只有11.2.4光電池0.38～0.75μm?？梢?，硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范內(nèi)得到應(yīng)用。光電池在不同的光照度下，具有不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)，它們之間的關(guān)系就是光照特性。下圖為硅光電池的開路電壓和短路電流與入射光照度的關(guān)系曲線。從圖中看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，開路電壓（即負(fù)載電阻RL無限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。因此用光電池作為測(cè)量元時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，不宜采用電壓源工作方式。硅光電池的光照特性下圖是硅光電池和硒光電池的頻率特性，即光電池的相對(duì)光電流與光調(diào)制頻率之間的關(guān)系。相對(duì)而言，硅光電池具有較好的頻率響應(yīng)。硅光電池和硒光電池的頻率特性11.2.4光電池光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。光電池都是半導(dǎo)體器件，溫度對(duì)其工作有很大的影響，它直接影響到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，從而會(huì)影響測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。硅光電池的溫度特性如下圖所示。從圖中看出，隨著溫度的升高，開路電壓下降的速度較快，而短路電流呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，因此把它作為測(cè)量元件使用時(shí)，最好能采用電流源工作模式，并保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。11.2.4光電池11.2.5光電閘流晶體管光電閘流晶體管是由入射光觸發(fā)而導(dǎo)通的晶閘管，簡(jiǎn)稱光控晶閘管，通常又稱光激晶閘管。其結(jié)構(gòu)如下圖(a)所示。在硅片上制作NPNP4個(gè)薄層，陽(yáng)極置于基片上（最下面的P區(qū)），從最上面的N區(qū)引出陰極，在緊接著陰極的P層引出控制極，在表面上加一層Si02作為保護(hù)膜，再密封在有透光窗口的管殼中。其內(nèi)部等效電路及工作原理電路如圖(b)

所示。當(dāng)P1接電源正極，N2接電源負(fù)極時(shí)，J1結(jié)和J3結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，J2結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。光電閘流晶體管結(jié)構(gòu)及原理電路11.2.5光電閘流晶體管光電閘流管的4層結(jié)構(gòu)可以看成P1N1P2和N2P2N1兩個(gè)晶體管在內(nèi)部連接在一起而構(gòu)成，如上圖(b)所示，且每個(gè)晶體管的基極均與另一個(gè)晶體管的集電極相連。等效電路中的二極管D用來表示J2的PN結(jié)的反向漏電流。如果設(shè)兩個(gè)三極管V1和V2的共基極（陽(yáng)-陰極短路）電流放大系數(shù)（小于1）分別為α1、α2，則有如下的關(guān)系：則：則光控晶閘管的導(dǎo)通電流IA為：

IP的產(chǎn)生及變化是由光照射引起的，所以控制端的IG可以為零。當(dāng)滿足α1+α2=1時(shí)，在光照射時(shí)隨著IP增加，IA將會(huì)急劇增大，晶閘管導(dǎo)通。11.2.6光電耦合器件光電耦合器件的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，它以光作為媒介把輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途的不同，光電耦合器件可分為兩類，一類是用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器（又稱光電隔離器），另一類是用于檢測(cè)物體位置或檢測(cè)有無物體的光電開關(guān)。光電耦合器件具有體積小、壽命長(zhǎng)、無觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸出和輸入之間絕緣、可單向傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)等特點(diǎn)。光電耦合器的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光器件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，其管芯由一個(gè)PN結(jié)組成，隨著正向電壓的增大，正向電流增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也增加。光電接收元件可以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達(dá)林頓光敏管。下圖為光敏三極管和達(dá)林頓光敏管輸出型的光電耦合器。為了保證光電耦合器有較高的靈敏度，應(yīng)使發(fā)光元件和接收元件的波長(zhǎng)匹配。

11.2.6光電耦合器件光電耦合器的組合形式光電耦合器件工作時(shí)，在輸入端接入電信號(hào)，使發(fā)光器件發(fā)光，在這一光源輻射的作用下受光器件輸出光電流，由此通過電-光-電的轉(zhuǎn)換過程完成了輸入端和輸出端時(shí)間的電的耦合。光電耦合器實(shí)際上是一個(gè)電量隔離轉(zhuǎn)換器，它具有抗干擾性能和11.2.6光電耦合器件單向信號(hào)傳輸?shù)裙δ?，有時(shí)可取代繼電器、變壓器、斬波器等，廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制等場(chǎng)合。為了提高其抗干擾能力，通常要求其輸入、輸出兩級(jí)分別采用獨(dú)立電源供電，以達(dá)到電路隔離的目的。

光電開關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號(hào)的器件。下圖為兩種典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖(a)是透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件在同一光軸上。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時(shí)，光路被阻斷，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，電平邏輯發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這樣就起到了檢測(cè)作用。圖(b)是反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度11.2.6光電耦合器件相交，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時(shí)，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時(shí)則接收不到。光電開關(guān)的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)范圍大，小型，高速，非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)用光電開關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有“高—低”（1-0）之分即可。下圖是光電開關(guān)的基本應(yīng)用電路。圖(a)、(b)表示負(fù)載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時(shí)的情況，圖(c)表示用晶體管放大光電流的情況。11.2.6光電耦合器件光電開關(guān)的基本應(yīng)用電路光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測(cè)裝置。可在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作物體檢測(cè)，產(chǎn)品計(jì)數(shù)，料位檢測(cè)，尺寸控制，安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等。

11.2.7位置敏感器件位置敏感器件(PositionSensitiveDetector，簡(jiǎn)稱PSD)是一種對(duì)其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的器件，也稱為坐標(biāo)光電池，其輸出信號(hào)與光點(diǎn)的能量中心在光敏面上的位置有關(guān)。其工作原理是橫向光電效應(yīng)。PSD具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快和配置電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在位置坐標(biāo)的精密測(cè)量、位置變化檢測(cè)、位置跟蹤、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

PSD的基本結(jié)構(gòu)為PN結(jié)，如下圖所示。上面為P層，下面為N層，在其間有一層高電阻率的本征半導(dǎo)體I層，它們制作在同一硅片上。P層是光敏層，也是一個(gè)均勻的電阻層，在P層表面電阻層的兩端各設(shè)置一個(gè)輸出電極。當(dāng)入射光照射到PSD的光敏層時(shí)，在入射位置上產(chǎn)生與入射輻射強(qiáng)度成正比的電荷信號(hào)，此電荷形成的光電流通過P型電阻層分別由電極①、②輸出。設(shè)電極①、②距光敏面中心點(diǎn)的距離均為L(zhǎng)，光束入射點(diǎn)的位置距中心點(diǎn)的距離為xA，流過電極的電流分別為I1和I2，則流過N型層上電極③的電流I0為I1與I2之和，即I0=I1+I2。電流I1、I2分別為：11.2.7位置敏感器件由上面兩式可得

：由此可以確定光斑能量中心相對(duì)于器件中心位置xA，它只與I1、I2電流的差值及總電流I0之間的比值有關(guān)，與入射光能的大小無關(guān)。同時(shí)，當(dāng)入射光點(diǎn)位置不變時(shí)，PSD的單個(gè)電極輸出電流與入射光強(qiáng)成正比。11.2.7位置敏感器件而當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，單個(gè)電極的輸出電流與入射光在PSD上的光點(diǎn)和PSD中心之間的距離xA成線性關(guān)系。當(dāng)入射光點(diǎn)落在器件感光面的不同位置時(shí)，將對(duì)應(yīng)輸出不同大小的光電信號(hào)，通過對(duì)此輸出電信號(hào)的識(shí)別和處理，即可確定入射光點(diǎn)在器件感光面上的位置。

PSD的位置輸出只與入射光點(diǎn)的質(zhì)心位置有關(guān)，而與光點(diǎn)尺寸大小無關(guān)。但當(dāng)光點(diǎn)位置接近有效感光面邊緣時(shí)，一部分光就要落到感光面之外，使落在有效感光面內(nèi)的光點(diǎn)的質(zhì)心位置與實(shí)際光點(diǎn)的質(zhì)心位置偏離，從而使輸出產(chǎn)生的誤差。光點(diǎn)越靠近邊緣，誤差也越大。為了減少邊緣效應(yīng)，應(yīng)盡量減小入射光點(diǎn)的直徑。當(dāng)入射光強(qiáng)增大時(shí)，信號(hào)電極的輸出光電流也增大，有利于信噪比的提高，從而提高器件的位置分辨力。但入射光強(qiáng)過大，易導(dǎo)致器件飽和。此外，在光源選擇11.2.7位置敏感器件時(shí)，應(yīng)盡量選用與PSD光譜響應(yīng)有良好匹配的光源，以充分利用光源發(fā)出的光能。背景光的存在對(duì)PSD的使用性能影響很大。消除背景光影響的方法有兩種：光學(xué)法和電學(xué)法。在PSD上施加反偏電壓后，其感光靈敏度略有提高，并且結(jié)電容降低，這有利于改善PSD的動(dòng)態(tài)性能。因此，通常在使用PSD時(shí)加上10V左右的反偏電壓。溫度上升會(huì)增大器件的暗電流，從而帶來誤差和噪聲，解決這一問題，可采用光源調(diào)制的方法。

PSD有兩種：一維PSD和二維PSD，分別用于測(cè)定光點(diǎn)的一維坐標(biāo)位置和二維坐標(biāo)位置，其工作原理相似。下圖為S1543型一維PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路圖，圖中，①、②是信號(hào)電極，11.2.7位置敏感器件③是公共電極，它的感光面通常為細(xì)長(zhǎng)的矩形條。圖(b)中，Rsb是并聯(lián)電阻，IP是電流源，代表光敏面的光生電流，VD是理想二極管，RD是定位電阻，Cj是結(jié)電容，它是決定器件響應(yīng)速度的主要因素。下圖為一維PSD的位置轉(zhuǎn)換電路原理圖。當(dāng)光電流I1經(jīng)反向放大器A1放大后，分別送給放大器A3與A4，而光電流I2經(jīng)反向放大器A2放大后也分別送給放大器A3與A4。放大器A3組成加法電路，計(jì)算光電流I1與I2的和；放大器A4為減法電路，11.2.7位置敏感器件計(jì)算光電流I1與I2的差；放大器A5用來進(jìn)行符號(hào)調(diào)整。圖中反饋電阻Rf的大小，由入射光點(diǎn)的光強(qiáng)和后續(xù)電路的最大輸出電壓決定。所有運(yùn)放均應(yīng)采用低漂移運(yùn)算放大器。一維PSD傳