檢測與轉(zhuǎn)換之光電傳感器光電器件原理和特性

1、檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)岑宏杰,光敏傳感器 光敏器件原理和特性,內(nèi)容,光敏傳感器 光敏器件類型和原理 常用光敏器件特性和基本應(yīng)用 光敏二極管 光敏晶體管 光敏電阻,光敏傳感器,光敏傳感器的工作原理是：把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光敏器件變換成電信號，檢測電路對電信號進(jìn)行處理。,被測量 的變化,光信號 的變化,電信號 的變化,光敏傳感器,光敏傳感器的構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光敏器件、檢測處理電路。 常用光源：白熾燈、氣體放電光源、LED、激光器（固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器） 光敏傳感器特點：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。,光敏器件類型和原理,光敏器件是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種元器件，廣泛應(yīng)用

2、于自動控制、安防、廣播電視等領(lǐng)域。 半導(dǎo)體光敏器件體積小、重量輕、靈敏度高、功耗低、便于集成。 光敏器件的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。,光電效應(yīng),外光電效應(yīng)：物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的現(xiàn)象。基于外光電效應(yīng)的器件有光電管、光電倍增管。 內(nèi)光電效應(yīng)： 光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)入射光子射入到半導(dǎo)體時，半導(dǎo)體吸收入射光子產(chǎn)生電子空穴對，使其電導(dǎo)率增大

3、?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻。 光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、光敏三極管。,歷史,光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論起了根本性作用。 1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實驗中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則在兩個小球之間就非常容易跳過電火花。 1902年，勒納（Lenard)也對其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時的理論加以解釋 ； 1905年，愛因斯坦提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得192

4、1年諾貝爾物理獎。,常用光敏器件,器件介紹-光敏二極管-原理,光敏二極管又稱光電二極管，它是一種光電轉(zhuǎn)換器件，其基本原理是利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，即光照到PN結(jié)上時，PN結(jié)吸收光能，產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。 光敏二極管分有PN結(jié)型、PIN結(jié)型、雪崩型和GaAsP型，其中用得最多的是PN結(jié)型，價格便宜。 光敏二極管有兩種工作狀態(tài)： （1）當(dāng)光敏二極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。 （2）光敏二極管上不加反向電壓，利用PN結(jié)在受光照時產(chǎn)生正向電壓的原理，把它用作微型光電池。這種工作狀態(tài)，一般作光電檢測器。,器件介紹-光敏二

5、極管參數(shù),開路電壓：PN結(jié)兩端開路時，其電壓稱為開路電壓。與光通量對數(shù)成正比，其溫度系數(shù)很大。 短路電流： PN結(jié)兩端短路時，其電流稱為短路電流。短路電流與照度成正比，其溫度系數(shù)很小。 暗電流：是指光敏二極管在無光照及最高反向工作電壓條件下的漏電流。暗電流越小，光敏二極管的性能越穩(wěn)定，檢測弱光的能力越強(qiáng)。暗電流隨溫度與反偏電壓而變化。 響應(yīng)特性：由PN結(jié)的結(jié)電容與負(fù)載電阻決定。反偏電壓越大，結(jié)電容越小，工作頻率越高。,光敏二極管等效電路,光敏二極管伏安特性,光敏二極管型號實例,實訓(xùn)用的光敏二極管,Applications High speed photo detector Security s

6、ystem Camera,Features Fast response time High photo sensitivity Small junction capacitance Pb free Descriptions PD333-3C/H0/L2 is a high speed and high sensitive PIN photodiode in a standard 5plastic package. Due to its water clear epoxy the device is sensitive to visible and infrared radiation,PD33

7、3-3C， 5mm Silicon PIN Photodiode,PD333的特征曲線,PD333的特征曲線,PD333的特征曲線,PD333的極限參數(shù),Absolute Maximum Ratings (Ta=25),Notes: *1:Soldering time5 seconds.,PD333的電氣參數(shù),光敏二極管應(yīng)用：無偏置電壓電路,無偏置電壓，受暗電流影響小， 對于微小照度，可保持輸出與照度 成線性比例關(guān)系。,Hamamatsu Photonics K.K. 2387系列 暗電流與反向偏壓關(guān)系,光敏二極管應(yīng)用：加反向偏置電壓電路一,反向偏置，結(jié)電容變小，適宜高速工作。高溫時暗電流增大

8、，光電流變小。,在沒有光照時，二極管反向偏置，電流很小，這時的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)上時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。,光敏二極管應(yīng)用：加反向偏置電壓電路二,C1交流耦合，隔離直流成分的暗電流。光敏二極管的光電流很小，uA級，反饋電阻采用兆歐級電阻，運(yùn)放的偏置電流影響不能忽略，宜選用偏置電流小的FET輸入型運(yùn)放。,器件介紹-光敏晶體管,光敏晶體管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似。不同之處是光敏晶體管有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏晶體實質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和

9、集電極之間接有光敏二極管的三極管。當(dāng)光照射到 PN 結(jié)附近時，由于光生伏特效應(yīng)，產(chǎn)生光電流。該電流相當(dāng)于三極管的基極電流，因此將被放大（ 1+ ）倍，所以光敏三極管具有比光敏二極管更高的靈敏度。,光敏晶體管頻率響應(yīng)特性,光敏晶體管響應(yīng)速度比光敏二極管慢，因為結(jié)電容CCB放大了hFE倍 hFE越大，輸出電流越大，響應(yīng)特性越壞。 在允許限度內(nèi)，負(fù)載電阻選用低值，有助改善頻率響應(yīng)特性,TOSHIBA TPS601的頻率響應(yīng)特性,光敏晶體管的光譜特性曲線,從特性曲線可以看出： 該型號光敏晶體管峰值波長為800nm,TOSHIBA TPS601的光譜特性曲線,光敏晶體管的伏安特性,右圖為光敏晶體管的伏安

10、特性曲線。光敏晶體管在不同照度 Ee 下的 伏安特性，就象一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。只要將入射光在發(fā)射極與基極之間的 PN 結(jié)附近所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏晶體管看成一般的晶體管。,光敏晶體管的光照特性,右圖為光敏晶體管的光照特性曲線。 它給出了光敏晶體管的輸出電流 Ic 和照度 Ee 之間的關(guān)系 。,TOSHIBA TPS601的光照特性,光敏晶體管的溫度特性,圖為光敏晶體管的溫度特性曲線。它給出了溫度對暗電流的關(guān)系 。從曲線可知， 暗電流隨溫度變化很大，所在應(yīng)用時應(yīng)在線路上采取措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,TOSHIBA TPS601的溫度特性,基本應(yīng)用電路,共射,共發(fā)

11、,高溫下降低暗電流,減小負(fù)載， 提高響應(yīng)速度,RL越大，靈敏度越高，但響應(yīng)特性越差,基本放大電路,R1阻值的確定與照度、溫度、響應(yīng)速度有關(guān)，VCC/ICR1Vcc/ICEO,調(diào)制光檢測電路,A：R1、R2 分壓偏置，R4直流負(fù)反饋， B：R1、Tr1、R2分壓， R3、R4直流負(fù)反饋 交流信號通過C旁路，無負(fù)反饋，交流信號有較大增益,運(yùn)放電路,Vout = Ic X R1 ， 與光敏二極管電路類似，光敏晶體管需要偏置,器件介紹-光敏電阻,圖6.2-1,硫化鎘CdS，無光照時，載流子極少，電阻較大，隨著光的照度增大， CdS材料中載流子濃度增加，電阻值變小。,器件介紹-光敏電阻,光敏電阻沒有極性

12、, 純粹是一個電阻器件, 使用時既可加直流電壓, 也可以加交流電壓。 無光照時, 光敏電阻值（暗電阻）很大, 電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時, 它的阻值（亮電阻）急劇減少, 電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好, 亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。 實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級, 亮電阻在幾千歐以下。,光敏電阻特點,光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對于紅光和紅外輻射）； 偏置電壓低，工作電流大； 動態(tài)范圍寬，既可測強(qiáng)光，也可測弱光； 光電導(dǎo)增益大，靈敏度高； 無極性，使用方便； 在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差 光電響應(yīng)時間較長，頻率特性較差。,光敏電阻的主

13、要參數(shù),暗電阻：光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻, 此時流過的電流稱為暗電流。 亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻, 此時流過的電流稱為亮電流。 光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。 ,（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光譜特性 （4）響應(yīng)時間和頻率特性 （5）溫度特性,光敏電阻的基本特性,（1）伏安特性,在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系,在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大； 在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。 光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的， 耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。,（2）光照特性,光敏電阻的