《傳感器原理及應用技術(shù) 》課件第8章

第8章光電傳感器8.1光電傳感器的基本效應8.2外光電效應光電器件

8.3光電導效應及光電元件8.4光電伏特效應及光電元件8.5CCD圖像傳感器8.6應用光路

思考題與習題

8.1.1半導體的粒子特性

光敏器件所探測的光包括可見光、紫外線和紅外光,在整個電磁輻射的頻譜中只占很小一部分。光具有波粒二象性,光的粒子性可用光子的概念描述。 沿r方向傳播的頻率為ν的單色光,可視為一束光子流,其中每個光子具有的能量E和動能P分別為

E=hν (8.1) (8.2)8.1光電傳感器的基本效應

式中：h——普朗克常數(shù),其值為6.626×10-34J·s；

ν——光的頻率（s-1）;

λ——光的波長。 這樣,單色光的輻射功率就可寫為

P（ν）=A·F·hν (8.3)

式中：F——光子流密度（單位時間通過單位面積的光子數(shù)）；

A——光子流通過的面積。量子力學指出,光的發(fā)射和吸收是與量子態(tài)間的躍遷過程相聯(lián)系的,在此過程中,光表現(xiàn)出其粒子性。在發(fā)射時,光源系統(tǒng)由高能態(tài)E2向低能態(tài)E1躍遷,同時按能量守恒定律發(fā)射光子：hν=E2-E1

(8.4)在吸收時,介質(zhì)吸收光子hν后就從低能態(tài)E1躍遷到高能態(tài)E2

。按能量守恒定律,介質(zhì)系統(tǒng)躍遷前后的能量差應為

E2-E1=hν (8.5)

即根據(jù)能量守恒定律,光源只能發(fā)出由式（8.4)描述的光子,只有符合式（8.5）的光子才能被介質(zhì)吸收。吸收和發(fā)射只有在計及光子動量并服從準動量守恒定則（選擇定則）時才能發(fā)生。 光在半導體中傳播時的衰減,是半導體內(nèi)電子吸收光子后從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的結(jié)果。在其諸多吸收過程中,本征吸收是光敏器件的工作基礎。

本征吸收又稱基本吸收,其相應的躍遷過程是：價帶電子吸收了能量大于或等于禁帶寬度的光子后,躍至導帶,產(chǎn)生自由電子,并在價帶留下自由空穴。因此,在本征吸收時,每吸收一個光子,就產(chǎn)生一個電子-空穴對。由于在本征吸收過程中被吸收的光子要滿足的條件是

hν=Eg (8.6)

且導帶是由一系列能量間隔很小的能級組成的,所以本征吸收譜是連續(xù)譜。 8.1.2光電效應 半導體光電效應是半導體中束縛電子在吸收光子后所產(chǎn)生的電學效應,它是各類光敏器件工作的基本原理。 半導體光電效應可分為內(nèi)光電效應和外光電效應兩大類。半導體內(nèi)的電子在吸收光子后,如能克服表面勢壘逸出半導體表面,會產(chǎn)生外光電效應。電管、光電倍增管等就是基于外光電效應制成的光電器件。 半導體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出半導體,所產(chǎn)生的電學效應稱為內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應按其工作原理可分為光電導效應和光生伏特效應。內(nèi)光電效應的種類很多,可據(jù)此制成不同的光敏器件。8.2外光電效應光電器件

8.2.1光電管

光電管的結(jié)構(gòu)如圖8.1所示。在一個抽成真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極：陽極和光電陰極（簡稱陰極）。當陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā)射光電子,光電子被帶正電位的陽極所吸引,這樣在光電管內(nèi)就有電子流,在外電路中便產(chǎn)生了電子流,輸出電壓。光電流的大小與照射在光電陰極上的光強度成正比,并與光電陰極的材料有關。當光通量一定時,真空光電管陽極電壓與陽極電流的伏安特性曲線見圖8.2。圖8.1光電管的結(jié)構(gòu)

光電管除真空光電管外,還有充氣光電管。這兩種光電管的結(jié)構(gòu)基本相同,所不同的只是在充氣光電管玻璃泡內(nèi)充有少量的惰性氣體,如氬或氖。當光電極被光照射而發(fā)射電子時,光電子在趨向陽極的途中撞擊惰性氣體的原子,使其電離,從而使陽極電流急速增加,提高了光電管的靈敏度。但其穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管的差。圖8.3給出了充氣光電管的伏安特性曲線。圖8.2真空光電管的伏安特性曲線圖8.3充氣光電管的伏安特性曲線

8.2.2光電倍增管

光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖8.4所示。它在玻璃管4內(nèi)由光電陰極1（K）、若干個倍增極2(Dn,n=4～14）和陽極3（A）三部分組成。由一定材料制成的光電陰極K受入射光Φ照射時,可發(fā)射出光電子,形成光電流iΦ。因倍增極和陽極上加有一定的電位（圖中經(jīng)分壓電阻獲得）,故光電陰極發(fā)射的光電子被第一倍增極D1的正電壓所加速,而轟擊第一倍增極D1,打擊出二次電子；同樣,二次電子又被第二倍增極D2的正電壓所加速,而轟擊第二倍增極D2,打擊出更多的二次電子。依次下去,最后全部二次電子被帶正電位的陽極A所收集,形成光電流i。圖8.4光電倍增管的結(jié)構(gòu)

如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個電子,這個電子將被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極。設這時第一倍增極有σ個二次電子發(fā)出,這σ個電子又轟擊第二倍增極。而其產(chǎn)生的二次電子又增加σ倍。經(jīng)過n個倍增極后,原先一個電子將變?yōu)棣襫個電子。這些電子最后被陽極所收集而在光電陰極與陽極之間形成電流i,則

i=iΦσn (8.7)

式中：n次發(fā)射極數(shù)；σ二次電子發(fā)射系數(shù)。故輸出電壓

Usc=iR=iΦσn

R (8.8)

光電倍增管的優(yōu)點是放大倍數(shù)很高,可達106,線性好,頻率特性好；缺點是體積大,需數(shù)百伏至1kV的直流電壓供電。光電倍增管一般用于微弱光輸入、要求反映速度很快的場合。8.3光電導效應及光電元件8.3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的光譜特性是選擇光敏電阻器的重要依據(jù)。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，目前常用的有三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器、紅外光敏電阻器和可見光光敏電阻器。紫外光敏電阻器對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。紅外光敏電阻器主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體探測、紅外光譜、紅外通信等?？梢姽夤饷綦娮杵靼ㄎ⒘蚧k、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等，主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和位置檢測，零件的厚度檢測，照相機自動曝光裝置，光電碼盤，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。圖8.5為某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號。用來制作光敏電阻的典型材料有硫化鎘（CdS）及硒化鎘（CdSe）等。圖8.5中，CDS為硫化鎘。光敏半導體材料是純電阻性的。當無光照射時，其暗電阻值很大（大多數(shù)光敏材料的暗電阻值超過1MΩ），電路的暗電流很??；當受到一定波長范圍的光照射時，其電阻值急劇減小，電路電流隨之迅速增加。光敏半導體材料中，除常用的硅、鍺外，硫化鎘、硫化鉛、銻化銦、硒化鎘等的應用也日益廣泛。光敏電阻阻值的變化與光照波長有關，因此，應用時應根據(jù)光波波長合理選擇由不同材料做成的光敏電阻。光敏電阻無極性之分，使用時在兩電極間加上恒定的交流或直流電壓均可。圖8.5某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號8.3.2光敏電阻的特性

1.暗電阻、亮電阻與光電流光敏電阻在未受到光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。光敏電阻受到光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般暗電阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高。光敏電阻的暗電阻的阻值一般在兆歐數(shù)量級，亮電阻在幾千歐以下。暗電阻與亮電阻之比一般在102～106之間。

2.光敏電阻的伏安特性

一般光敏電阻（如硫化鉛、硫化鉈）的伏安特性曲線如圖8.6所示。由該曲線可知,所加的電壓越高,光電流越大,而且沒有飽和現(xiàn)象。在給定的電壓下,光電流的數(shù)值將隨光照增強而增大。

3.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和光照強度之間的關系。不同光敏電阻的光照特性是不相同的。絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性曲線是非線性的,如圖8.7所示。圖8.6光敏電阻的伏安特性曲線圖8.7光敏電阻的光照特性曲線

4.光敏電阻的光譜特性常用光敏電阻材料的光譜特性曲線如圖8.8所示。圖中，1=1×10-10m，為非法定計量單位，但為了表示方便，本書仍采用此單位，此后不再說明。對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不相同的。從圖8.8中可以看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時應當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。圖8.8幾種常用光敏電阻材料的光譜特性曲線

5.光敏電阻的溫度特性 隨著溫度不斷升高,光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降,同時溫度變化也影響它的光譜特性曲線。圖8.9示出了硫化鉛的光敏溫度特性曲線。從圖中可以看出,它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此,有時為了提高元件的靈敏度,或為了能夠接受較長波段的紅外輻射,應采取一些致冷措施。 光敏電阻具有很高的靈敏度,光譜響應的范圍可以從紫外區(qū)域到紅外區(qū)域,而且體積小,性能穩(wěn)定,價格便宜；但光照與產(chǎn)生的光電流之間呈非線性關系。所以,光敏電阻在自動化技術(shù)中應用很多,在檢測技術(shù)中很少使用。圖8.9硫化鉛的光敏溫度特性曲線8.4光電伏特效應及光電元件8.4.1光電導結(jié)型光電元件

圖8.10所示為光電二極管的結(jié)構(gòu)原理、外形及電路符號。為了便于受光,PN結(jié)裝在外殼的頂部,上面有一個用透鏡制成的窗口1,以便使光線集中在PN結(jié)上。2為封裝殼體,3為引出電極。光電二極管在電路中工作在反向偏置下,即在N區(qū)接高電位,在P區(qū)接低電位。無光照時,反向電阻高達4MΩ。在反向偏壓作用下,有一反向電流（稱為暗電流）。當有光照時,反向電阻下降到1kΩ左右,產(chǎn)生光電流,實現(xiàn)了將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的目的。光電二極管的主要特點是體積小,頻率特性好,但弱光下靈敏度低。

圖8.10光電二極管(a)結(jié)構(gòu)原理；（b）外形；(c)電路符號

圖8.11所示為光電三極管的結(jié)構(gòu)原理、外形及電路符號。圖中是三極管為PNP型,也可做成NPN型。光電三極管與光電二極管相似,但有兩個PN結(jié)。光照射在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近便產(chǎn)生光電流（幾微安,相當于三極管的基極電流）,于是在集電極c與基極基b之間的PN結(jié)能產(chǎn)生幾毫安電流（相當于三極管的集電極電流）。光電三極管的通頻帶較窄,不如光電二極管性能穩(wěn)定,但靈敏度高。

圖8.11光電三極管（a）結(jié)構(gòu)原理；（b）外形；(c)電路符號

8.4.2光電伏特型光電元件

1.光電池結(jié)構(gòu)原理

光電池是有源器件,這種器件受到光照時就產(chǎn)生一定方向的電動勢,不需要外部電源供電。光電池的種類很多,有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。用可見光作為光源的光電池的常用半導體材料有硒和硅等。 圖8.12所示為硅光電池的結(jié)構(gòu)原理、外形及電路符號。它是用單晶硅制成的,在一塊N型硅片上用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個大面積的PN結(jié),P層很薄,從而使光能穿透到PN結(jié)上。由于光線的照射,使P區(qū)帶正電荷,N區(qū)帶負電荷,從而在兩區(qū)之間形成電位差,即構(gòu)成光電池,若接于外電路中就可產(chǎn)生電流。在第7章中,我們已經(jīng)看到了光電池在光柵器件辨向及細分中的應用。

圖8.12硅光電池(a)結(jié)構(gòu)原理；(b)外形；(c)電路符號

2.光電池的特性

1）光電池的光譜特性 硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線如圖8.13所示。從圖示曲線可以看出,不同的光電池其光譜峰值的位置不同。硅光電池的在8000附近,硒光電池的在5400附近。硅光電池的光譜范圍很廣,在4500～11000之間,硒光電池的光譜范圍為3400～7500。因此,硒光電池適用于可見光,常用于照度計測定光的強度。圖8.13硒光電池與硅光電池的光譜特性曲線 2）光電池的光照特性 光電池在不同的光強照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。硅光電池的光照特性曲線如圖8.14所示。從該曲線中可以看出,短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關系。開路電壓隨光強變化是非線性的,并且當照度在2000lx時就趨于飽和。因此,把光電池作為測量元件時,應把它當作電流源來使用,不宜用作電壓源。

所謂光電池的短路電流,就是反映負載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時的光電流。光電池的內(nèi)阻是隨著照度增加而減小的,所以在不同照度下可將大小不同的負載電阻視為近似“短路”條件。從實驗中知道,負載電阻越小,光電流與照度之間的線性關系越好,且線性范圍越寬,對不同的負載電阻,可以在不同的照度范圍內(nèi),使光電流與光強保持線性關系。所以,應用光電池作測量元件時,所用負載電阻的大小,應根據(jù)光強的具體情況而定?？傊?負載電阻越小越好。

圖8.14硅光電池的光照特性曲線

3）光電池的頻率特性 光電池在作為測量、計數(shù)、接收元件時,常用交變光照。光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關系,如圖8.15所示。從該曲線可以看出,硅光電池有很高的頻率響應,可用在高速計數(shù)、有聲電影等方面。這是硅光電池在所有光電元件中最為突出的優(yōu)點。圖8.15光電池的頻率特性曲線 4)光電池的溫度特性 光電池的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。由于它關系到應用光電池設備的溫度漂移,影響到測量精度或控制精度等主要指標,因此是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性曲線如圖8.16所示。從該曲線可以看出,開路電壓隨溫度升高而快速下降的速度較快,而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。因此,當使用光電池作測量元件時,在系統(tǒng)設計中應考慮到溫度的漂移,并采取相應的措施進行補償。圖8.16光電池的溫度特性曲線

1.CCD的結(jié)構(gòu)

CCD是在P（或N）型硅基體上,生成一層SiO2絕緣層（厚度約1000）,再于絕緣層上淀積一系列間隙相隔很?。ㄐ∮?.3μm）的金屬電極（柵極）,每個金屬電極和它下面的絕緣層及半導體硅基體形成一個MOS電容器,故CCD實際上是由一系列MOS電容器構(gòu)成的MOS陣列。由于這些MOS電容器彼此靠得很近,因此它們之間能夠發(fā)生耦合,使被注入到MOS電容器中的電荷能夠有控制地從一個電容器移位到另一個電器容。這樣的電荷轉(zhuǎn)移過程是電荷耦合的過程,故這類器件被稱為電荷耦合器件。8.5CCD圖像傳感器

2.電荷存儲

圖8.17所示為在熱氧化P型硅襯底上淀積金屬而構(gòu)成的一只MOS電容器。若在某一時刻給它的金屬電極加上正向電壓U，則P型硅半導體中的多數(shù)載流子（空穴）便會受到排斥,在硅表面處就會形成一個耗盡區(qū)。這個耗盡區(qū)與普通的PN結(jié)一樣,同樣也是電離受主構(gòu)成的空間電荷區(qū)。在一定條件下,所加U越大,耗盡層就越深。這時,硅表面吸收少數(shù)載流子（電子）的勢也就越大,耗盡區(qū)越深。對于帶負電的電子來說,耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域,稱為電子“勢阱”,如圖8.18所示。勢阱具有存儲電子（電荷）的功能,每一個加正電壓的電極下就是一個勢阱。通常將表面勢阱中的自由電荷稱為電荷包。勢阱的深度取決于正電壓U的大小,勢阱的寬度取決于金屬電極的寬度。 CCD電荷（少數(shù)載流子）有電壓信號注入和光信號注入兩種產(chǎn)生方式。做為圖像傳感器,CCD接收的是光信號,即光信號注入法。當光信號照射到CCD硅片上時,在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對。這時在柵極電壓的作用下,多數(shù)載流子（空穴）將流入襯底,而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢阱中,形成信號電荷存儲起來。這樣,高于半導體禁帶寬度的那些光子就能建立起正比于光強的存儲電荷。圖8.17MOS基本單元圖8.18電子“勢阱”

圖8.19（a）所示是不存在信號電荷（少數(shù)載流子）的能帶圖情形,圖8.19(b)所示是已堆積一些信號電荷的能帶圖情形。由圖8.19可知,半導體硅內(nèi)的電位分布向著其表面以拋物線規(guī)律增加,至表面處時,其表面勢最大。同時,因信號電荷量的存在,表面勢減小。圖8.19中,x為極電壓,U為柵壓。圖8.19MOS能帶圖

3.電荷耦合

CCD器件有二相、三相、四相等幾種時鐘脈沖驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式。其中，最方便的是由三相時鐘脈沖驅(qū)動的CCD器件,如圖8.20所示。在三相結(jié)構(gòu)CCD中,三個電極組成一個單元,形成一個像素。三個不同的脈沖驅(qū)動電壓按圖8.20(b)所示的時序提供,以保證形成空間電荷區(qū)的相對時序。圖8.20三相時鐘脈沖驅(qū)動的電荷轉(zhuǎn)移

設在某時刻t1第一相處于高電壓,處于低電壓,則在t1時,形成較深的勢阱,如圖8.20(a)所示。若此時有光線入射到硅片上,在光子的激發(fā)下硅片上就會產(chǎn)生電子-空穴對。由于光擴散效應,其中的空穴被排斥到硅基體頂,光生電子則被勢阱所收集。勢阱所收集的光生電子數(shù)量和入射到勢阱附近的光強成正比。此時,在柵壓作用下,CCD器件上位于下若干互相獨立的MOS元就會形成眾多相互獨立的勢阱。若照射在這些光敏元上是一幅明暗不同的圖像,那么這些光敏元就會感生出一幅光照強度相應的光生電荷圖像,一幅光圖像就轉(zhuǎn)變成了電圖像。

為了讀出存放在CCD中的電圖像,在順序排列的電極上施加交替變化的三相時鐘脈沖驅(qū)動電壓。在t=t2時, 電壓下降, 跳變到最大,如圖8.21,電荷包便從電壓為的各電極下向電壓為的各電極下形成的勢阱轉(zhuǎn)移。到t3時刻,全部電荷包已轉(zhuǎn)移完畢。從t=t4開始,下降,跳變到最大,于是電荷包又從電極下轉(zhuǎn)移到電極下。當?shù)诙€重復周期開始時,重復上述轉(zhuǎn)移過程。這樣,交替升降的三相驅(qū)動時鐘脈沖便可以完成電荷包的定向轉(zhuǎn)移,在CCD末端就能依次接收到原先存儲在各個電極下的電荷包。圖8.21電荷耦合

4.電荷輸出

信號電荷電流輸出如圖8.22所示。輸出柵OG加直流偏置,用來使漏擴散和時鐘脈沖之間退耦。N+區(qū)與P型硅接觸處形成PN結(jié),通過施加UD構(gòu)成反向偏置二極管,它是電子電荷的深勢阱。轉(zhuǎn)移到電極下MOS元中的電荷包越過輸出柵流入到反向偏置二極管的深勢阱。若dt時間內(nèi)流入的信號電荷為Qs,則二極管輸出電流ID為(8.9)

則A點電壓為

UA=UD-IDR

（8.10） 若轉(zhuǎn)移到極下電荷包的電子增多,流入反向偏置二極管勢阱的電子電荷增多,則ID增大,A點電壓UA下降。故A點電壓變化受控于反向偏置二極管收集信號電荷的量。A點電壓UA的變化ΔUA經(jīng)C耦合至放大器放大后輸出。場效應管V為復位管, 電極下勢阱未形成前在柵極G加復位脈沖R,使A點電壓復位到UDD,而當信號電荷Qs來到時,復位管V截止。A點電壓UA由信號電荷Qs和反向電流ID來控制。圖8.22電荷電流輸出8.6應用光路

8.6.1反射式

圖8.23所示為反射式模擬光電傳感器用于檢測工件表面粗糙度或表面缺陷的原理圖。從光源1發(fā)出的光經(jīng)過被測工件3的表面反射,由光電元件5接收。當被測工件表面有缺陷或粗糙度精度較低時,反射到光電元件上的光通量變小,轉(zhuǎn)換成的光電流就小。檢測時被測工件在工作臺上可左右、前后移動。圖8.23反射法測量原理

8.6.2透射式 圖8.24所示為透射式光電傳感器用于檢測工件孔徑或狹縫寬度的原理圖。此法適用于檢測小直徑通孔。從光源1發(fā)出的光透過被測工件2的孔后,由光電元件3接收。被測孔徑尺寸變化時,照到光電元件上的光通量隨之變化。轉(zhuǎn)換成的光電流大小由被測孔徑大小決定。此方法也可用于外徑的檢測。圖8.24透射法測量原理

8.6.3線紋瞄準用光電傳感器 圖8.25所示為線紋瞄準用光電傳感器原理圖。圖8.25(a)為測量玻璃刻線尺的透射照明光學系統(tǒng)。被檢線紋尺2由光源1照明,經(jīng)分光鏡3形成兩個刻線像4和9,箭頭A、B、C分別表示刻線2和兩個刻線像4和9的移動方向。狹縫5和7的寬度相等,均被調(diào)節(jié)到等于刻線像的寬度。狹縫5和7的光學位置有一相位差,如圖8.25(b)所示。當被測線紋尺按箭頭A方向運動時,刻線像順次通過狹縫5和7。照射到光電倍增管6和8中的光通量Φ5和Φ7以及轉(zhuǎn)換成的電信號的U5和U7都呈倒三角形,并有一相位差,如圖8.25(b)中虛線所示。兩個電壓信號U5和U7

經(jīng)反相放大后送到一個差動放大器,其輸出將反映兩信號之差U7－U5