傳感器10概要

1、第第1010章章 光電式傳感器光電式傳感器 10.1 10.1 光電式傳感器的工作原理及基本組成光電式傳感器的工作原理及基本組成 10.2 10.2 光電式傳感器中的敏感元件光電式傳感器中的敏感元件 10.2.1 10.2.1 外光電效應(yīng)型光電器件外光電效應(yīng)型光電器件 10.2.2 10.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件 10.3 10.3 光電式傳感器的類型及設(shè)計光電式傳感器的類型及設(shè)計 10.4 10.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(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，先將成電信號的裝置，

2、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，從而再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測量。其核心（敏感元件）是光實(shí)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)。電器件，基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 10.1 10.1 光電式傳感器的工作原理及基本組成光電式傳感器的工作原理及基本組成 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。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

3、件使用；而測量其它物理測量光學(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。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(shí)現(xiàn)被測信號光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實(shí)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。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。 光 學(xué) 元 件 光 電 元 件測 量 電 路被 測光 量 光學(xué)元件 光電元件 光學(xué)元件測量電路調(diào) 制 件 或被 測 件（ a）（ b） 常用的光電轉(zhuǎn)換元件有真空光電管、充氣光電常用的光電轉(zhuǎn)換元件有真空光電管、充氣光電管、光電倍增管、光敏電

4、阻、光電池、光電二極管管、光電倍增管、光敏電阻、光電池、光電二極管及光電三極管等，它們的作用是檢測照射其上的光及光電三極管等，它們的作用是檢測照射其上的光通量。選用何種形式的光電轉(zhuǎn)換元件取決于被測參通量。選用何種形式的光電轉(zhuǎn)換元件取決于被測參數(shù)所需的靈敏度、響應(yīng)的速度、光源的特性及測量數(shù)所需的靈敏度、響應(yīng)的速度、光源的特性及測量環(huán)境和條件等。環(huán)境和條件等。 10.2 10.2光電式傳感器中的敏感元件光電式傳感器中的敏感元件 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。應(yīng)可以

5、做出相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件，簡稱光電元件或光敏器件。 10.2.1 10.2.1 外光電效應(yīng)型光電器件外光電效應(yīng)型光電器件 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)。種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 愛因斯坦的光子假設(shè)：每一光子的能量為愛因斯坦的光子假設(shè)：每一光子的能量為hv，不同

6、頻率的光子，不同頻率的光子，具有不同的能量。具有不同的能量。 愛因斯坦的光電效應(yīng)方程愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 Amh221 從光子假設(shè)中可看到從光子假設(shè)中可看到: 某一金屬（或某一物質(zhì)）產(chǎn)生光電效應(yīng)時，有一定的光頻閾值存某一金屬（或某一物質(zhì)）產(chǎn)生光電效應(yīng)時，有一定的光頻閾值存在。在。 光電子初動能決定于光的頻率，而和入射光的強(qiáng)度無關(guān)。光電子初動能決定于光的頻率，而和入射光的強(qiáng)度無關(guān)。 光電流或光電子數(shù)與光的強(qiáng)度之間成正比關(guān)系。光電流或光電子數(shù)與光的強(qiáng)度之間成正比關(guān)系。 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時間. 根據(jù)

7、此效應(yīng)做出的光電器件有光電管和光電倍增管。根據(jù)此效應(yīng)做出的光電器件有光電管和光電倍增管。 Ah0 1.光電管及其基本特性光電管及其基本特性 (1)結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。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)光照在陰極上用金屬絲彎曲成矩形或圓形，

8、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流I。 光電陰極 陽極 I RL E A K (2)主要性能主要性能 1)光電管的伏安特性光電管的伏安特性 在一定的光照射下，對光電器件的陽極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的在一定的光照射下，對光電器件的陽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。電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。 0 2 0 4 0 6 0 8 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 U /VU /V1 2 8 4 2 I /A 光通量2 01 61 2 8 4I/A

9、強(qiáng) 光弱 光 2)光電管的光照特性光電管的光照特性 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。間的關(guān)系為光電管的光照特性。 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。的靈敏度。0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8/lm1 61 2 8 4I/A2 1 3)光電管的光譜特性光電管的光譜特性 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率 0，因此，因此它

10、們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在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陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率率 0，并且強(qiáng)度相同，隨著入并且強(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。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。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。 2.光電倍增管及其基本特性光電倍增管及其基本特性 1）結(jié)構(gòu)

11、與工作原理）結(jié)構(gòu)與工作原理 當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾個微安，很不容易探測，這時常用光電倍增管對電流進(jìn)行放點(diǎn)幾個微安，很不容易探測，這時常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大，圖是光電倍增管的外形和工作原理圖。大，圖是光電倍增管的外形和工作原理圖。光電倍增管由光陰極、光電倍增管由光陰極、倍增電極以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫倍增電極以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成。次陰極是在鎳或鋼鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的。做成。次陰極是在鎳或鋼鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的。陽極是最后用來收集電

12、子的。陽極是最后用來收集電子的。 光 K 倍 增 極 D 陽 極 A 光 D1 D3 K D2 D4 A 2 2）主要參數(shù)）主要參數(shù) （1）倍增系數(shù)）倍增系數(shù)M 倍增系數(shù)倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)i 的乘積。的乘積。如果如果n個倍增電極的個倍增電極的i都一樣，則陽極電流都一樣，則陽極電流I為為光電倍增管的電流放大倍數(shù)光電倍增管的電流放大倍數(shù) 為為 niiiMIniiI 2)光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈

13、敏度。入射一個光子在陰極上，最后在陽極上能收集到的平均電子數(shù)度。入射一個光子在陰極上，最后在陽極上能收集到的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。叫做光電倍增管的總靈敏度。 3)暗電流暗電流 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。稱為暗電流

14、。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。不過暗電流通?？梢杂醚a(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 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。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。 10.2.2 10.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件 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?？昭▽Γ率共牧想娦阅芨淖兊默F(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

15、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。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（件有光電池、光敏二極管、光敏三極管、光電位置敏感器件（PSD）。）。 1.光敏電阻光敏電阻 1）結(jié)構(gòu)和原理）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，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，所以稱為光敏電阻。使半導(dǎo)體的電阻變化，所以稱為光敏電阻

16、。 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。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。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。 光 敏 材 料 電 極 RL E R0 I（ a）（ b） (2)光敏電阻的特性光敏電阻的特性 1)暗電阻、亮電阻與光電流暗電

17、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。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。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。亮電流與暗電流之差稱為光電流。 2)光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性 在一定照度下在一定照度下, 流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系：流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系： 一定光照，一定光照，R一定，一定，I正比于正比于U。 一定電壓，一定電壓，I隨著光照隨著光照E增強(qiáng)而增大。增強(qiáng)而增

18、大。硫化鉈硫化鉛 U / V I/mA0 5 01 0 0 6 5 4 3 2 1 3)光敏電阻的光照特性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，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)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。式的光電轉(zhuǎn)換器而不宜用作線性測量元件。 0 0.2 0.4 06 0.8 1.0/lm0.050.150.25I/mA 4)光敏電阻的光譜特性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

19、同的。對于不同波長的光，不同的光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用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。結(jié)果。 0 1 5 0 0 3 0 0 01 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 相對靈敏度100硫 化 鉛 硫 化 鉈硫 化 鎘 5)光敏電阻的響應(yīng)時間和頻率特性光敏電阻的響應(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)阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這個惰性通常用時間

20、常數(shù)t來描述。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所所需要的時間，因此，時間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速。需要的時間，因此，時間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速。 0 10 100 1000 10000100 80 60 40 20 入 射 光 調(diào) 制 頻 率 /H z硫 化 鉛硫 化 鎘 相對靈敏度100 2光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 1）結(jié)構(gòu)和原理）結(jié)構(gòu)和原理 光敏二極管是一種光敏二極管是一種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。我們知道，光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻

21、路如圖所示。我們知道，光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，反向電流也叫暗電流。當(dāng)光照射之后，光很大，反向電流很小，反向電流也叫暗電流。當(dāng)光照射之后，光子在半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，使子在半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，使P型中的電子數(shù)增多，也使型中的電子數(shù)增多，也使N型中的空穴型中的空穴增多，即產(chǎn)生新的自由載流子。這些載流子在結(jié)電場的作用下，增多，即產(chǎn)生新的自由載流子。這些載流子在結(jié)電場的作用下，空穴向空穴向P型區(qū)移動，電子向型區(qū)移動，電子向N型區(qū)移動，這個過程對外電路來說，型區(qū)移動，這個過程對外電路來說，就是形成電流的過程。如果入射光的照度變動，則電子和空穴的就是形成電流的過程。如果入射光的照度變動

22、，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。樣就把光信號變成了電信號。 光敏三極管的結(jié)構(gòu)與普通三極管很相似，只是它的發(fā)射極光敏三極管的結(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，且其基極往往不接引線。一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且其基極往往不接引線。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)楣饷羧龢O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。圖給出了它的結(jié)構(gòu)和基本使電信號的同時又將信號電流放大。圖給出了它的結(jié)

23、構(gòu)和基本使用電路。用電路。 采用采用N型單晶和硼擴(kuò)散工藝的光敏二極管稱為型單晶和硼擴(kuò)散工藝的光敏二極管稱為P+n結(jié)構(gòu)。采結(jié)構(gòu)。采用用P型單晶和磷擴(kuò)散工藝的稱為型單晶和磷擴(kuò)散工藝的稱為 n+P結(jié)構(gòu)。按國內(nèi)半導(dǎo)體器件命結(jié)構(gòu)。按國內(nèi)半導(dǎo)體器件命名規(guī)定，硅名規(guī)定，硅P+n結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)為2CU型；型；n+P結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)為2DU型；硅型；硅nPn結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)為3DU型。型。 2）光敏晶體管的特性）光敏晶體管的特性 （1）光譜特性）光譜特性 光敏晶體管的光譜特性是光電流隨入射光的波長而變化的光敏晶體管的光譜特性是光電流隨入射光的波長而變化的關(guān)系，由于鍺光敏晶體管的暗電流比硅光敏晶體管大，故在可關(guān)系，由于鍺光敏晶體

24、管的暗電流比硅光敏晶體管大，故在可見光作光源時，都采用硅管；但是，對紅外光源探測時，則鍺見光作光源時，都采用硅管；但是，對紅外光源探測時，則鍺管較為合適管較為合適 0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 2 .0硅鍺1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0相對靈敏度100波 長 / m（2）伏安特性）伏安特性 伏安特性是光敏晶體管在光強(qiáng)一定的條件下，光電流與外加電壓伏安特性是光敏晶體管在光強(qiáng)一定的條件下，光電流與外加電壓之間的關(guān)系。光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。之間的關(guān)系。光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。（3）光照特性）光照特性 光敏晶體管的光照特性如圖所示，它給出了光敏晶體管的輸

25、出電光敏晶體管的光照特性如圖所示，它給出了光敏晶體管的輸出電流流Io和照度和照度E之間的關(guān)系。從圖中可以看出它們的關(guān)系曲線可近似看之間的關(guān)系。從圖中可以看出它們的關(guān)系曲線可近似看作是線性關(guān)系。作是線性關(guān)系。E/lx 400 600 800 100020001.03.02.0IoA 0 20 40 60外加電壓/V 500 lx2000 lx2500 lx1500 lx1000 lx246 I /mA 光敏晶體管的頻率特性是光電流與光強(qiáng)變化頻率的關(guān)系。光敏二極光敏晶體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)到管的頻率特性是很好的，其響應(yīng)時間可以達(dá)到

26、107108s，因此它適用，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。頻響應(yīng)越差。 0 1 0 0 50 0 10 0 0 5 0 00 10 0 0 0 入 射 光 調(diào) 制 頻 率 /H zRL= 1 k RL= 1 0 k RL= 1 0 0

27、k 2 06 04 08 0 1 00相對靈敏度100 綜上所述，可以把光敏二極管和三極管的主要差別歸納為：綜上所述，可以把光敏二極管和三極管的主要差別歸納為： 光電流光電流 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，一般都不超過光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過l微安。微安。 響應(yīng)時間響應(yīng)時間 光敏二極管的響應(yīng)時間在光敏二極管的響應(yīng)時間在100ns以下，而光敏三極管為

28、以下，而光敏三極管為510s。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。時，才選用光敏三極管。 輸出特性輸出特性 光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。 3.光電池光電池 光電池實(shí)質(zhì)上就是電壓源，它是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能光電池實(shí)質(zhì)上就是電壓源，它是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電元件。的光電元件。 光電池的種類很多，但最被人們重視的是硅光電池。光電池的種類很多，但最被人們重視的是硅光電池。 硅光電池是在一塊硅光電池是在一塊N型硅

29、片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜型雜質(zhì)形成質(zhì)形成PN結(jié)，如圖所示。結(jié)，如圖所示。 入射光照射在入射光照射在PN結(jié)上時，若光子能量結(jié)上時，若光子能量h 大大于半導(dǎo)體材料的禁于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度帶寬度E，則在，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，在內(nèi)電場的作用下，結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向空穴移向P型區(qū)，電子移向型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，型區(qū)帶負(fù)電，因而因而PN結(jié)產(chǎn)生電勢。結(jié)產(chǎn)生電勢。 P 型電極 P-N 結(jié)電極N 型硅片硼擴(kuò)散層 硒光電池是在鋁片上涂硒，再用濺射的工藝，在硒層上硒光電池是在鋁片上涂硒，再用濺

30、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。正電，形成光電流或電動勢。電 極電 極 氧 化 鎘 鋁 硒I 4.光電位置敏感器件（光電位置敏感器件（PSD） 半導(dǎo)體位置探測器（半導(dǎo)體位置探測器（Position Sensitive Detector）簡稱為簡稱為PSD，它能連續(xù)準(zhǔn)確地給出入射光點(diǎn)在光敏面上的，它能連續(xù)準(zhǔn)確地給出入射光點(diǎn)在光敏面上的位置。位置。 PSD分為一維分為一維PSD和二

31、維和二維PSD，分別可確定光點(diǎn)的一，分別可確定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)和二維位置坐標(biāo)。維位置坐標(biāo)和二維位置坐標(biāo)。 1）PSD的工作原理的工作原理 如圖所示，其如圖所示，其PN結(jié)是由重?fù)诫s的結(jié)是由重?fù)诫s的P+ 型半導(dǎo)體和輕摻雜的型半導(dǎo)體和輕摻雜的N型半型半導(dǎo)體構(gòu)成，和一般的導(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)面垂直的由與結(jié)面垂直的由N指向指向P+的自建內(nèi)電場。但由于的自建內(nèi)電場。但由于P+ 為重?fù)诫s，載流子為重?fù)诫s，載流子密度大，故電導(dǎo)率比密度大，故電導(dǎo)率比N區(qū)高。因此當(dāng)入射光照射區(qū)高。因此當(dāng)入射光照射A點(diǎn)時，光生載流電點(diǎn)時，光生載流電

32、子和空穴集中在子和空穴集中在A點(diǎn)附近的結(jié)區(qū)，在自建場作用下，空穴進(jìn)入點(diǎn)附近的結(jié)區(qū)，在自建場作用下，空穴進(jìn)入P+區(qū)，區(qū)，由于電導(dǎo)率高而很快擴(kuò)散到整個由于電導(dǎo)率高而很快擴(kuò)散到整個P+ 區(qū)，成為區(qū)，成為P+ 近位等電區(qū)位，而在近位等電區(qū)位，而在A點(diǎn)附近點(diǎn)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(diǎn)附近，點(diǎn)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)。光電效應(yīng)。 P+ N A入 射 光點(diǎn) 實(shí)用的實(shí)用的PSD不是簡單的不是簡單的P+N結(jié)，而是做成結(jié)，而是做成P+

33、IN結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)，具有般般PIN光電二極管類似的優(yōu)點(diǎn)，即由于光電二極管類似的優(yōu)點(diǎn)，即由于I區(qū)較厚而具有更高的光電轉(zhuǎn)換效區(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)。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(diǎn)，由于存在平行于結(jié)面的橫向電場作用，便光生載流子形成向兩某點(diǎn)，由于存在平行于結(jié)面的橫向電場

34、作用，便光生載流子形成向兩端電極流動的電流端電極流動的電流I1和和I2，它們之和等于總電流，它們之和等于總電流I0。如果。如果PSD面電阻是面電阻是均勻的，且其阻值均勻的，且其阻值R1和和R2遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻RL，則，則R1和和R2的值僅取決于的值僅取決于光電的位置，即光電的位置，即L PSD中點(diǎn)到信號電極間的距離；中點(diǎn)到信號電極間的距離； x 入射光點(diǎn)距入射光點(diǎn)距PSD中點(diǎn)距離中點(diǎn)距離 將將I0=I1+I2代入，得代入，得若將兩個信號電極的輸出電流檢出后作如下處理，即若將兩個信號電極的輸出電流檢出后作如下處理，即Px只和光點(diǎn)位置有關(guān)，而和入射光強(qiáng)只和光點(diǎn)位置有關(guān)，而和入射光強(qiáng)I0

35、無關(guān)無關(guān) xLxLRRII1221LxLII201LxLII202LxIIIIPx1212 2）PSD的結(jié)構(gòu)與特性的結(jié)構(gòu)與特性 （1）一維）一維 PSD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 一維一維PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示，其中的結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示，其中VDj為理想的二極管，為理想的二極管，Cj為結(jié)電容，為結(jié)電容，Rsh為并聯(lián)電阻，為并聯(lián)電阻，Rp為感光層（為感光層（P層）的等效電阻。一維層）的等效電阻。一維PSD的輸出與入射光點(diǎn)位置之間的關(guān)系如圖所示，其中的輸出與入射光點(diǎn)位置之間的關(guān)系如圖所示，其中x1、x2分別表示分別表示信號電極的輸出信號（光電流）。信號電極的輸出信號（光電流）。LxXXXXpx121

36、2LLX1 光 敏 面X2x （2）二維）二維 PSD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 二維二維PSD用于測定入射光點(diǎn)的二維坐標(biāo)，即在一方形結(jié)構(gòu)用于測定入射光點(diǎn)的二維坐標(biāo)，即在一方形結(jié)構(gòu)PSD上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可可分為由同一面引出兩對電極的表面分流型二維分為由同一面引出兩對電極的表面分流型二維PSD和由上下兩面分別和由上下兩面分別引出一對電極的兩面分流型二維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。它們的結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示。示。 Xl、X2、Yl、Y2分別為各電極的輸出信號光電流，分別

37、為各電極的輸出信號光電流，x、y為入射光點(diǎn)為入射光點(diǎn)的位置坐標(biāo)，表面分流型的位置坐標(biāo)，表面分流型PSD暗電流小，但位置輸出非線性誤差大；暗電流小，但位置輸出非線性誤差大；兩面分流型兩面分流型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。難加上反偏電壓。 對于表面分流型和兩面分流型對于表面分流型和兩面分流型PSD，其輸出與入射光點(diǎn)位置的關(guān)系，其輸出與入射光點(diǎn)位置的關(guān)系如圖所示，其關(guān)系式為如圖所示，其關(guān)系式為 L L L L X1 X2Y1 Y2LxXXXXPx2112LyYYYYPy2112 （3）PSD的特性的特性 PSD與與

38、CCD都可以作為光點(diǎn)位置的探測，但都可以作為光點(diǎn)位置的探測，但PSD有自身的特點(diǎn)，在許有自身的特點(diǎn)，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(diǎn)有：多情況下，更適合于作專用的位置探測器，其突出的特點(diǎn)有： 入射光強(qiáng)度和光斑大小對位置探測影響小。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(diǎn)的的位置輸出只與入射光點(diǎn)的“重心重心”位置有關(guān)，而與光點(diǎn)尺寸大位置有關(guān)，而與光點(diǎn)尺寸大小無關(guān)，這一顯著優(yōu)點(diǎn)給使用帶來很大的方便，但應(yīng)注意當(dāng)光點(diǎn)接近光敏小無關(guān)，這一顯著優(yōu)點(diǎn)給使用帶來很大的方便，但應(yīng)注意當(dāng)光點(diǎn)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(diǎn)越靠近邊緣，誤差就面邊緣時，部分落在光敏面外，就會產(chǎn)生誤差，光點(diǎn)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。分。 反偏壓對反偏壓對PSD的影響的影響 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。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。 背景光強(qiáng)影響背景光強(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，背景光強(qiáng)度變化會影響位置輸出誤差