第三節(jié)光電傳感器

第三節(jié)光電傳感器本節(jié)學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應(yīng)用，掌握熱釋電型紅外傳感器的工作原理及應(yīng)用。1905年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

光電傳感器一、主要光電元件二、光電傳感器三、熱釋電型紅外傳感器光電傳感器是目前產(chǎn)量最多應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，其在交通檢測(cè)中的應(yīng)用也較多，如電光式車輛檢測(cè)器用來(lái)對(duì)交通參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。光電傳感器以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。1.概述光波是電磁波，是能量輻射的一種形式。通常定義光波的光譜范圍是10~10^6mm，但只有在380~760mm范圍內(nèi)的電磁輻射才能對(duì)人眼產(chǎn)生視覺(jué)刺激，該范圍的光波稱作可見(jiàn)光。對(duì)光學(xué)波段的入射電磁輻射產(chǎn)生電輸出的傳感器，稱為光學(xué)傳感器，或稱光探測(cè)器。在光學(xué)傳感器中，其換能原件通常起敏感元件作用的。

光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。2.光電效應(yīng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)（1）外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。AKD1D2光電倍增管AK光電管（2）內(nèi)光電效應(yīng)光激發(fā)的載流子（電子或空穴）仍保留在物質(zhì)內(nèi)部稱內(nèi)光電效應(yīng)a、光導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體物質(zhì)上時(shí)，該物質(zhì)導(dǎo)電率增大，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)?；诠鈱?dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻和光導(dǎo)管。b、光伏效應(yīng)。物體受光照射產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)?；诠夥?yīng)的光電元件有光電池、光敏晶體管等（半導(dǎo)體光電器件）μAEV-+IΦ結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)基本電路光敏晶體管一、主要光電元件新型的硅光電池是在P型襯底上制造一薄層N型層作為光照敏感面，效率更高。N型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子-空穴對(duì)?？昭ㄍㄟ^(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到P型區(qū)，帶正電；電子留在N區(qū)，帶負(fù)電。1.硅光電池

工作原理：硅光電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng)，它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻人一些P型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積PN結(jié)。當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí)，若光子能量大于硅的禁帶寬度，則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子.空穴對(duì)，P區(qū)表面吸收的光子最多，激發(fā)的電子空穴最多，越向內(nèi)部越少。這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢(shì)。由于PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的，它使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子-空穴對(duì)分離，光生電子被推向N區(qū)，光生空穴被留在P區(qū)。從而使N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)勢(shì)。若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就有光電流流過(guò)。光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng)，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過(guò)透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上，光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)。2、光敏晶體管（1）光敏二極管

光敏二極管原理：光敏二極管在無(wú)光照射時(shí)反向電阻很大，反向電流很小，此反向電流也叫暗電流。將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。光電池外形光敏面光敏二極管外形

光敏二極管陣列包含1024個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。光敏二極管有兩種工作狀態(tài)：①當(dāng)光電二極管加有反向電壓時(shí)，管子中的反向電流將隨光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大。②光電二極管上不加電壓，利用PN結(jié)在受光照射時(shí)，產(chǎn)生正向電壓的原理，即作為光電池。這種工作狀態(tài)一般作光電檢測(cè)器。光電二極管由四種類型：P—N型，使用多，價(jià)格便宜，用作光電開(kāi)關(guān)；PIN結(jié)型、雪崩型（APD）、肖特基結(jié)型這三種響應(yīng)速度高，主要用于光纖通信及計(jì)算機(jī)信息傳輸。PIN光電二極管

PIN光電二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號(hào)開(kāi)關(guān)、中波頻帶到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開(kāi)關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開(kāi)關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管還可用于測(cè)量紫外線或射線等。光電二極管的基本特性和參數(shù)①伏安特性。如圖2-9所示。在一定光照條件下，光電二極管的輸出光電流與偏壓的關(guān)系稱為伏安特性。光電二極管的伏安特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：I=I0[1－exp(qV/kT)]＋I(xiàn)L，其中I0是無(wú)光照的反向飽和電流，V是二極管的端電壓（正向電壓為正，反向電壓為負(fù)），q為電子電荷，k為波耳茲常數(shù)，T為PN結(jié)的溫度，單位為K，IL為無(wú)偏壓狀態(tài)下光照時(shí)的短路電流，它與光照時(shí)的光功率成正比。此特性表明：a.反向電流隨入射光照度的增加而增加，在一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流的大小幾乎與反向電壓大小無(wú)關(guān)b.在入射光照度一定時(shí)，光敏二極管相當(dāng)于一個(gè)恒流源，其輸出電壓隨電壓負(fù)載電阻增大而升高。特性曲線在第四象限時(shí)，它呈現(xiàn)光電池特性，光照強(qiáng)度越大，負(fù)載電阻越小，電流越大。如R1>R2時(shí)，光照強(qiáng)度相同，則I2>I1.APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）硅雪崩光電二極管是采用n+p-πp+型結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光和近紅外探測(cè)器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測(cè)、長(zhǎng)距離光纖通信、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對(duì)抗系統(tǒng)。②反向工作電壓UR。在無(wú)光照射時(shí)，發(fā)光二極管中反向電流≤0.2μA.反向工作電壓一般不大于10V，最高也僅為50V。③暗電流ID。光電二極管在一定偏壓，當(dāng)沒(méi)有光照的情況下，即黑暗環(huán)境中，所測(cè)得的電流值即為光電二極管的暗電流。通常在50v反壓下的暗電流小于100mA④光電流。光電二極管在一定偏壓，當(dāng)有光電照的情況下，所測(cè)得的電流值即為光電二極管在某特定光照下的光電流。一般光電流為幾十微安培，并且與光照度呈線性關(guān)系⑤光譜特性。一般光電二極管的光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電二極管在一定偏壓下所產(chǎn)生光電流與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系。一般用相對(duì)響應(yīng)表示，實(shí)驗(yàn)中光電二極管的響應(yīng)范圍為400~1100nm，峰值波長(zhǎng)為800~900nm，如圖2-10所示。圖2-10光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。當(dāng)光敏三極管的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)。無(wú)光照時(shí)僅有很小的穿透電流流過(guò)，當(dāng)光線通過(guò)透明窗口照射集電結(jié)時(shí)，和光敏二極管的情況相似，將使流過(guò)集電結(jié)的反向電流增大，EU0ceIcRLNNP結(jié)構(gòu)示意圖基本電路這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子(電子)將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，而大部分電子將穿過(guò)基區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流IC。這個(gè)過(guò)程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流IC是原始光電流的(l+β)倍。這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。

①光敏三極管的基本特性。光敏三極管的特性包括光敏二極管的伏安特性、光照特性、溫度特性等。

②光敏三極管的主要參數(shù)a.光敏三極管的響應(yīng)速度b.暗電流

二、光電傳感器1.光電傳感器的基本組成光電傳感器是以光為媒介、以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器，主要由光源、光學(xué)通路、光電器件及測(cè)量電路等組成，如圖2-11所示。（1）光源。能發(fā)射可見(jiàn)光譜、紫外線光譜和紅外線光譜的其他器件。（2）光學(xué)通路。常用的光學(xué)元件有透鏡、濾光片、棱鏡、反射鏡、光柵及光纖等。（3）光電器件的作用是檢測(cè)照射其上的光通量。

2.光電傳感器的分類

按照被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電器件的入射光通量變化的形式，光電傳感器可分為以下幾類：（2）輻射式。光源本身就是被測(cè)對(duì)象，被測(cè)對(duì)象發(fā)出的光通量強(qiáng)弱與被測(cè)參量的高低有關(guān)。（3）反射式。光源發(fā)出一定的光通量到被測(cè)對(duì)象，由于物體性質(zhì)或狀態(tài)損失了一部分光通量，余下部分反射到光敏元件上。（4）遮擋式。光源發(fā)出一定的光通量，射到光敏器件上，光路途中遇到了被測(cè)對(duì)象遮擋了一部分光，由此改變了光敏器件的光通量。（5）開(kāi)關(guān)式。光源與光敏元件間的光路上有物體時(shí)，光路被遮斷，沒(méi)有物體時(shí)光路暢通。其用途形式有三種：開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)、編碼。（1）吸收式。光源發(fā)出一定的光通量，穿過(guò)被測(cè)對(duì)象，部分被吸收，其余達(dá)到光敏元件，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。

光源發(fā)出一定的光通量被測(cè)對(duì)象A所吸收的光通量光敏元件接受的光通量所以：三、熱釋電型紅外傳感器（1）熱釋電效應(yīng)某些具有自發(fā)極化的熱電晶體，若其表面的溫度上升或下降，則該表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。產(chǎn)生的電荷與溫度的關(guān)系為：熱電系數(shù)，大小取決于材料晶體受熱表面積在鈦酸鋇一類的晶體上，上下表面設(shè)置電極，在上表面加以黑膜，使其有良好吸熱性。2.熱釋電紅外光敏元件材料（壓電陶瓷及陶瓷氧化物）熱釋電型傳感器的性能主要決定于熱釋電材料的性能。這種傳感器對(duì)熱釋電材料的要求有：①吸收紅外光的能力極強(qiáng)；②接受能量后能產(chǎn)生較大的溫升；③溫度變化引起的自發(fā)極化變化大；④介電常數(shù)小，以得到大的輸出電壓；⑤介電損耗小。常用的熱釋電材料有單晶、陶瓷、高