第三節(jié) 光電傳感器

1、1第三節(jié) 光電傳感器本節(jié)學習光電效應、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用，掌握熱釋電型紅外傳感器的工作原理及應用。 1905年德國物年德國物理學家愛因斯坦用理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光量子學說解釋了光電發(fā)射效應，并光電發(fā)射效應，并為此而獲得為此而獲得1921年年諾貝爾物理學獎。諾貝爾物理學獎。 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)量最多應用最廣泛的傳感器之一光電傳感器是目前產(chǎn)量最多應用最廣泛的傳感器之一，其在交通檢測中的應用也較多，如電光式車輛檢測器用，其在交通檢測中的應用也較多，如電光式車輛檢測器用來對交通參數(shù)進行檢測。來

2、對交通參數(shù)進行檢測。光電傳感器以光電效應為基礎，是一種將光信號轉(zhuǎn)換光電傳感器以光電效應為基礎，是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。光電傳感器是采用光電元件作為檢測為電信號的傳感器。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號?；?，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因

3、此，光電式傳感器在檢測和控制系統(tǒng)中應用非常廣泛。此，光電式傳感器在檢測和控制系統(tǒng)中應用非常廣泛。1. 概述概述 光波是電磁波，是能量輻射的一種形式。通常定義光波是電磁波，是能量輻射的一種形式。通常定義光波的光譜范圍是光波的光譜范圍是10106mm，但只有在，但只有在380760mm范圍內(nèi)的電磁輻射才能對人眼產(chǎn)生視覺刺激，該范圍的范圍內(nèi)的電磁輻射才能對人眼產(chǎn)生視覺刺激，該范圍的光波稱作可見光。光波稱作可見光。 對光學波段的入射電磁輻射產(chǎn)生電輸出的傳感器，對光學波段的入射電磁輻射產(chǎn)生電輸出的傳感器，稱為光學傳感器，或稱光探測器。在光學傳感器中，其稱為光學傳感器，或稱光探測器。在光學傳感器中，其換能

4、原件通常起敏感元件作用的。換能原件通常起敏感元件作用的。 光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。分組成。2. 光電效應光電效應外光電效應內(nèi)光電效應光導效應光伏效應 由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應分為：外光電效應光導效應光生伏特效應（1）外光電效應 外光電效應：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，基于外光電效應的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。入射光第一倍增極第 倍增極n光電陰極第二倍增極陽極AKD1D2光電倍增管光電倍增管陽極陰極AK光電管光電

5、管（2）內(nèi)光電效應 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a、光導效應。當光照射到半導體物質(zhì)上時，該物質(zhì)導電率增大，這種現(xiàn)象稱為光導效應。基于光導效應的光電元件有光敏電阻和光導管。 b、光伏效應。物體受光照射產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光伏效應?；诠夥墓怆娫泄怆姵?、光敏晶體管等（半導體光電器件）AEV-+I結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號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)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對?？昭ㄍㄟ^漂移運動被拉到P型區(qū)，帶正電；電子留在N區(qū)，帶負電。1.硅光電池硅光電池 工作原理

6、工作原理：硅光電池的工作原理基于光生伏特效應，它是在一塊硅光電池的工作原理基于光生伏特效應，它是在一塊N型硅片上用擴散的方法摻人一些型硅片上用擴散的方法摻人一些P型雜質(zhì)而形成的一個大面積型雜質(zhì)而形成的一個大面積PN結(jié)。當光照射結(jié)。當光照射P區(qū)表面時，若光子能量大于硅的禁帶寬度區(qū)表面時，若光子能量大于硅的禁帶寬度，則在，則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子型區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子.空穴對，空穴對，P區(qū)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)擴散的自然趨勢。由于。這種濃度差便形成從表面向體

7、內(nèi)擴散的自然趨勢。由于PN結(jié)內(nèi)電場的方向是由結(jié)內(nèi)電場的方向是由N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)的，它使擴散到區(qū)的，它使擴散到PN結(jié)附近結(jié)附近的電子的電子-空穴對分離，光生電子被推向空穴對分離，光生電子被推向N區(qū)，光生空穴被留在區(qū)，光生空穴被留在P區(qū)。從而使區(qū)。從而使N區(qū)帶負電，區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電，形成光生電動勢。若區(qū)帶正電，形成光生電動勢。若用導線連接用導線連接P區(qū)和區(qū)和N區(qū)，電路中就有光電流流過。區(qū)，電路中就有光電流流過。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，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導體PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程。光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只

8、是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，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、光敏晶體管（1 1）光敏二極管）光敏二極管 光敏二極管原理：光敏二光敏二極管原理：光敏二極管在無光照射時反向電阻極管在無光照射時反向電阻很大，反向電流很小，此反很大，反向電流很小，此反向電流也叫暗電流。將光敏向電流也叫暗電流。將光敏二極管的二極管的PN 結(jié)設置在透明結(jié)設置在透明管殼頂部的正下方，光照射管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的到光敏二極管的PN結(jié)時，電結(jié)時，電子子-空穴對數(shù)量增加，光電流空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。與照度成正比。 光電池光電池外形

9、外形光敏面光敏面光敏二極管外形光敏二極管外形 光敏二極管陣列光敏二極管陣列 包含包含1024個個InGaAs元件的線性光元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。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)：當光電二極管加有反向電壓時，管子中的反向電流將隨光照強度的改變而改變，光照強度越大，反向電流越大。光電二極管上不加電壓，利用PN結(jié)在受光照射時，產(chǎn)生正向電壓的原理，即作為光電池。這種工作狀態(tài)一般作光電檢測器。 光電二極管由四種類型：PN型，使用多，價格便宜，用作光電開關(guān)；PIN結(jié)型、雪崩型（APD）、肖特基結(jié)型這三種響應速度高，主要用于光纖通信及計算機信息傳輸。PIN光電二極管光電

10、二極管 PIN光電二極管是在光電二極管是在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻區(qū)之間插入一層電阻率很大的率很大的I層，從而減小了層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作結(jié)的電容，提高了工作頻率。頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）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，響應頻率可達數(shù)十兆赫，可用作光敏二極管高得多，響應頻率可達數(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）、收管（紅外波段）、UHF 頻帶小信號

11、開關(guān)頻帶小信號開關(guān)、中波頻帶中波頻帶到到1000MHZ之間電流控制、可變之間電流控制、可變衰減器、各種通信設備收發(fā)天線的衰減器、各種通信設備收發(fā)天線的高頻功率開關(guān)切換和高頻功率開關(guān)切換和RF領域的高領域的高速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極二極 管還可用于測量紫外線或射線等管還可用于測量紫外線或射線等。光電二極管的基本特性和參數(shù) 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)學表達式如下：I=I01exp (qV/kT)IL，其中I0是無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），q

12、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為無偏壓狀態(tài)下光照時的短路電流，它與光照時的光功率成正比。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關(guān) b.在入射光照度一定時，光敏二極管相當于一個恒流源，其輸出電壓隨電壓負載電阻增大而升高。 特性曲線在第四象限時，它呈現(xiàn)光電池特性，光照強度越大，負載電阻越小，電流越大。如R1R2時，光照強度相同，則I2I1.APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）光敏二極管（雪崩光敏二極管） 硅雪崩光電二極管是采用硅雪崩光電二極管是采用n+p-p+型結(jié)構(gòu)的可見光和近紅型結(jié)構(gòu)的可見光和近紅

13、外探測器，它具有高響應度，高信噪比，高響應速度等特點，外探測器，它具有高響應度，高信噪比，高響應速度等特點，可廣泛應用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、可廣泛應用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。激光制導等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。 反向工作電壓UR。在無光照射時，發(fā)光二極管中反向電流0.2A.反向工作電壓一般不大于10V，最高也僅為50V。 暗電流ID。光電二極管在一定偏壓，當沒有光照的情況下，即黑暗環(huán)境中，所測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100mA 光電流。光電二極管在一定偏壓，當有光電照的情況下，

14、所測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 光譜特性。一般光電二極管的光譜響應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之間的關(guān)系。一般用相對響應表示，實驗中光電二極管的響應范圍為4001100nm，峰值波長為800900nm，如圖2-10所示。圖2-10光敏三極管光敏三極管有兩個有兩個PN結(jié)，可以獲結(jié)，可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。當光敏三極管的集電結(jié)反向的靈敏度。當光敏三極管的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置時。無光照時僅偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置

15、時。無光照時僅有很小的穿透電流流過，當光線通過透有很小的穿透電流流過，當光線通過透明窗口照射集電結(jié)時，和光敏二極管的明窗口照射集電結(jié)時，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結(jié)的反向電流情況相似，將使流過集電結(jié)的反向電流增大，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)載流子流子(電子電子)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)的空穴復合，而大部分電子將穿過基發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復合，而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源

16、正極相接的集電極，形成集電極電流區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流IC。這個過。這個過程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流IC是原是原始光電流的始光電流的(l+)倍。這樣集電極電流倍。這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化而更加明顯地變化。 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。 光敏三極管的主要參數(shù) a.光敏三極管的響應速度 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、以光電效應為基礎的傳感器，主要由光源

17、、光學通路、光電器件及測量電路等組成，如圖2-11所示。 （1）光源。能發(fā)射可見光譜、紫外線光譜和紅外線光譜的其他器件。 （2）光學通路。 常用的光學元件有透鏡、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照射其上的光通量。 2.光電傳感器的分類 按照被測信號轉(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。 光源本身就是被測對象，被測對象發(fā)出的光通量強弱與被測參量的高低有關(guān)。 （3）反射式。光源發(fā)出一定的光通量到被測對象，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。00PPFFI APAPFFI,0 （4）遮擋式。光源發(fā)出

18、一定的光通量，射到光敏器件上，光路途中遇到了被測對象遮擋了一部分光，由此改變了光敏器件的光通量。 （5）開關(guān)式。光源與光敏元件間的光路上有物體時，光路被遮斷，沒有物體時光路暢通。其用途形式有三種：開關(guān)、計數(shù)、編碼。AP0 （1）吸收式。光源發(fā)出一定的光通量，穿過被測對象，部分被吸收，其余達到光敏元件，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觥?AP0光源發(fā)出一定的光通量被測對象A所吸收的光通量光敏元件接受的光通量 AFFIP所以：所以：三、熱釋電型紅外傳感器 （1）熱釋電效應 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。產(chǎn)生的電荷與溫度的關(guān)系為：TpAQ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。這種傳感器對熱釋電材料的要求有：吸收紅外光的