傳感器技術(shù)光電傳感器特性

1由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成

陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達30級。通常為12~14級。

使用時在各個倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場。

8.3.2光電倍增管及其基本特性

2IAKD1D2D3D4A

R1R2R3R4R5RLUOUT3入射光

陰極K第一倍增極

第二倍增極

第三倍增極

第四倍增極

陽極A4光電倍增管的電流放大倍數(shù)為

如果n個倍增電極二次發(fā)射電子的數(shù)目相同,則Ｍ＝δin因此陽極電流為Ｉ＝i·δin,)48(

i/Ini?????M與所加的電壓有關(guān)。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。

主要參數(shù)：

1.倍增系數(shù)M：等于各個倍增電極的2次發(fā)射電子數(shù)δi的乘積。

5一個光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。

一個光子在陽極上產(chǎn)

生的平均電子數(shù)叫光

電倍增管的總靈敏度.(2)光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度

最大靈敏度可達

10A/lm不能受強光照射。

圖8-7光電倍增管的特性曲線

255075100125106

極間電壓/V倍增系數(shù)M

105

104

103

6（3）暗電流和本底電流

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，這種電流稱為暗電流。

在其受人眼看不到的宇宙射線的照射后，光電倍增管會有電流信號輸出—本底脈沖。

4.光電倍增管的光譜特性

與相同材料的光電管的相似。

7

型號

光譜響應(yīng)范圍(A。)

倍增極數(shù)

陰極靈敏度(uA/lm)陽極工作電壓(V)暗電流(A)環(huán)境溫度(℃)GDB-5253000–6500

1140

<900<8×10-9

-40-40

GDB-2513000–6500

1330

<900<6×10-9

-50-50

GDB-2203000–6500

840

<900<8×10-9

-40-50

GDB-4103000–7500

1130<1000<1×10-7

-80-60GDB-4233000–8500

1160<1300<5×10-8

-40-40GDB-1252000–6500

940<750<2×10-9

-40-50國產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)

88.4

內(nèi)光電效應(yīng)器件

8.4.1光敏電阻

1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理

梳狀電極光電導(dǎo)透光窗口外殼絕緣基體玻璃支柱引腳AAAE

電極

半導(dǎo)體

玻璃底板

RL

E

I

RG

圖8-8光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接

9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?。?/p>

10光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、很長的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、小的體積及工藝簡單，故應(yīng)用廣泛。

當光照射到光電導(dǎo)體上時，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導(dǎo)材料價帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。

112.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

（1）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、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。

亮電流與暗電流之差為光電流。

12（2）光照特性

用于描述光電流與光照強度之間的關(guān)系。

多數(shù)是非線性的。不宜做線性測量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。

0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光電流/mA圖8-9

光敏電阻的光照特性

13（3）光譜特性

硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時要把元件和光源結(jié)合起來考慮。

圖8-10光敏電阻的光譜特性

0500100015002000250020406080100硫化鎘

硫化鉈

硫化鉛

入射光波長/nm相對靈敏度/%14(4)伏安特性

所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(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。

0102030405050100150200250I/μA

U/V圖8-11光敏電阻的伏安特性

15（5）

頻率特性

時間常數(shù)：光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時間。

入射光調(diào)制頻率/Hz相對靈敏度/%010102103104

20406080100硫化鎘

硫化鉛

圖8-12光敏電阻的頻率特性

多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都很大。

16(6)溫度特性

峰值隨溫度上升向波長短的方向移動。

2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm

相對靈敏度（%）

+20oC

-20oC

圖8-13光敏電阻的光譜溫度特性

17初制成的光敏電阻，性能不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照及加負載情況下，性能可達穩(wěn)定。光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會有變化，但最后達到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏電阻的主要優(yōu)點。

光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下幾乎是無限長的。

（7）穩(wěn)定性

188.4.2光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。由于它可把太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽虼擞址Q為太陽能電池。它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。故光電池是有源元件。

19光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。

硅光電池的價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見光。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。適于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等方面應(yīng)用。

201.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖8-14光電池的結(jié)構(gòu)圖

下電極

梳狀電極

SiO2抗反射膜

PN硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。

21圖8-15光電池的工作原理示意圖

RL

I

---mAV+++PN當光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。

若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。

222.基本特性

（１）光譜特性

故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測量儀表。如用照度計測定光的強度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。

20406080100硒

硅

入射光波長λ/nm040060080010001200相對靈敏度/%

圖8-16光電池的光譜特性

23(2)光照特性

①不同光照射下有不同光電流和光生電動勢。②短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系。

圖8-17光電池的光照特性

開路電壓

0.10.30.2照度/lx020004000光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短路電流

③開路電壓與光強是非線性的，且在2000lx時趨于飽和。④光電池作為測量元件時，應(yīng)把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負載電阻越小越好。

24(3)頻率特性

硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面。

光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。

圖8-18光電池的頻率特性

20406080100硒光電池

硅光電池

015003000450060007500相對光電流/%

入射光調(diào)制頻率/Hz25(4)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。

開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。

短路電流隨溫度升高而緩慢增加。

因此作測量元件時應(yīng)考慮進行溫補。

圖8-19光電池的溫度特性

開路電壓

溫度/℃

光生電流/mA1.82.22.0光生電壓/V短路電流

100200300400500020406080100268.4.3光敏晶體管

1.光敏二極管

光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。

光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測等方面的應(yīng)用。

RL

光

P

N

P

N

光

27PNRE+-If28PNRE-+Is29RE-+I當光照射時，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

當光不照射時，光敏二極管處于截止狀態(tài)。

PN30312.光敏三極管

集電結(jié)一邊做得很大，以擴大光的照射面積，且基極一般不接引線。

P

P

N

b

e

c

N

N

P

e

b

c

32普通三極管

ICIBeEBECIERCRbcbNNP33光敏三極管

ICIBeEBECIERCRbcbNNP基區(qū)很薄，基極一般不接引線；

集電極面積較大。

34ICeECIERCcNNPb35當集電極加上正電壓，基極開路

時，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。

當光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時，

產(chǎn)生電子、空穴對，光生電子被

拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使

基極與發(fā)射極間的電壓升高，相當于給發(fā)射結(jié)加了正向偏壓，使電子大量流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的?倍。

基本工作線路：

cbeRL363.光敏晶體管的主要特性

(1)光譜特性

存在一個最佳靈敏度波長

2040608010040080012001600入射光

波長/nm鍺

硅

037(2)伏安特性

012345外加電壓（V）

20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx與一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特

性一樣。只需把光電流看作基極電流即可。

38(3)光照特性

1.02.03.02004006008001000Lx0I(μA)故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件，

也可做開關(guān)元件

近似線性關(guān)系。但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

39(4)溫度特性

1030507002550oC200400100300

500103050700oC溫度變化對光電流的影響很小，對暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對暗電流進行溫度補償。

40(5)頻率特性

減小負載電阻可以提高響應(yīng)頻率，但將使輸出降低。故使用時要根據(jù)頻率選擇最佳的負載電阻。硅管的響應(yīng)頻率比鍺管的好。

20406080100相對靈敏度（%）

f(kHZ)1101000418.5新型光電傳感器

8.5.1高速光電二極管

1.PIN結(jié)光電二極管

PIN

P、N間加了層很厚的高電阻率

的本征半

導(dǎo)體I。P層做的很薄。

比普通的光電二極管施加較高的反偏壓。

42入射光照射在P層上，

由于P層很薄，大量的

光被較厚的I層吸收，

激發(fā)較多的載流子形

成光電流；又PIN結(jié)

光電二極管比PN結(jié)光

電二極管施加較高的反偏置電壓，使其耗盡層加寬。當P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在交界處形成電子和空穴的濃度差別，因此，N區(qū)的電子要向P區(qū)擴散，P區(qū)空穴向N區(qū)擴散。

圖8-28PIN光電二極管

偏壓

價帶

導(dǎo)帶

信號光

信號光

電極

電極

輸出端

PIN43P區(qū)一邊失去空穴，留下帶負電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子，在PN交界面形成空間電荷，即在交界處形成了很薄的空間電荷區(qū)，在該區(qū)域中，多數(shù)載流子已擴散到對方而復(fù)合掉，即消耗盡了，耗盡層的電阻率很高。擴散越強，耗盡層越寬，PN結(jié)內(nèi)電場越強，加速了光電子的定向運動，大大減小了漂移時間，因而提高了響應(yīng)速度。PIN結(jié)光電二極管仍然具有一般PN結(jié)光電二極管的線性特性。

44452.雪崩式光電二極管（APD）

在PN結(jié)的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P+層，且在其上加上高反偏壓。

偏壓

輸出端

價帶

導(dǎo)帶

信號光

信號光

電極

電極

P+IN圖8-29雪崩式二極管

46當光入射到PN結(jié)時，

光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達到200kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。高速運動的電子和晶格原子相碰撞，

使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。

新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，

478.5.2色敏光電傳感器

不同區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL分別具有不同

靈敏度，淺結(jié)對紫外光靈敏度高。

NP123P+12348根據(jù)光學(xué)性能，不同顏色的光在不同的介質(zhì)中的穿透能力不同。利用不同介質(zhì)對某一色光的吸收，用這種色光去投射液體管道，根據(jù)接收到的光強來判斷管道中的液流介質(zhì)。

498.5.3光固態(tài)圖象傳感器

光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD（ChargeTransferDevice），最常用的是電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）。由于它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能，以及集成度高、功耗低的優(yōu)點，因此被廣泛地應(yīng)用。

501．CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理

CCD是一種半導(dǎo)體器件，由若干個電荷耦合單元組成。CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚約120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅電極而構(gòu)成金屬-氧化物-半導(dǎo)體的電容式轉(zhuǎn)移器。其中，“金屬”為SiO2層上沉積的金屬或摻雜多晶硅電極，稱為“柵極”；半導(dǎo)體硅作為底電極，俗稱“襯底”；“氧化物”為兩電極之間夾的絕緣體SiO2。

5152P型Si耗盡區(qū)

電荷轉(zhuǎn)移方向

Ф1

Ф2

Ф3

輸出柵

輸入柵

輸入二極管

輸出二極管

SiO2

CCD的MOS結(jié)構(gòu)

53當向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖中Ф1極下），形成電荷包（勢阱）。

對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為空穴。

54電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下圖以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3

(a)

Ф1

Ф2

Ф3

t0

t1

t2

t3

t

Ф

(b)

電荷轉(zhuǎn)移過程

t=t0t=t1t=t2t=t3055

三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖Φ1，Φ2，Φ3，見圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。當P1極施加高電壓時，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當P2極加上同樣的電壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；

56當P1回到低電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中（t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實現(xiàn)電荷移動。

572．線型CCD圖像傳感器

線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵,如圖所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。

58在光積分時間結(jié)束時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時低電壓),與CCD對應(yīng)的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個過程重復(fù)地進行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。

59實用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，就形成了原來光敏信號電荷的順序。

轉(zhuǎn)移柵

光積分單元

不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)

光積分區(qū)

輸出

轉(zhuǎn)移柵

(a)(b)

線型CCD圖像傳感器

輸出

603．面型CCD圖像傳感器

面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部