第三章光电式传感器

第三章光电式传感器光电式传感器是蒋光信号转换为电信号的光敏器件。它可用于检测直接一起光强变化的非电量，如光强，辐射测温，气体成分分析等；也可用来能转换成光亮变化的其他非电量，如零件线度，表面粗糙度，位移，速度，加速度等。光电式传感器具有非接触，相应快，性能可靠等优点，因而得到广泛应用。光电式传感器是目前产量最多应用最广的传感器之一。3．1光电效应观点是传感器的物理基础是光电效应，即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类，即外光电效应和内光电效应。3．1．1外光电效应在光照射下，电子溢出物体表面向外发射的现象称为光电效应，亦称光电发射效应。它是在1887年由德国科学家赫兹发现的。基于这种效应的光电器有光电管，光电培管等。每个光子具有的能量为Q=hv式中，h=6.626*3410J.S,为普朗克常数，v为光的频率。物体在光照射下，电子吸收了入射的光子能量后，一部分由于克服物质对电子的束缚，另一部分转化为溢出电子的动能。如果光子的能量Q大于电子的溢出功A，则电子溢出。溢出功A也成为功函数，是一个电子从金属或半导体表面溢出时克服表面势垒所需做的功，其值于材料有关，还和材料的表面状态有关。若溢出电子的动能为2021mv,择优能量守恒定律有：Amvhv202/1m为电子的静止质量，0v为电子溢出物体时得出速。上是即为爱因斯坦光电效应方程式。可知：（1）光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子溢出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值，成为红限频率（对应的光波长称为临界波长）。光的频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体的电子溢出，因而小于红限频率的光，光强再大也不产生光电发射。反之，入射光频率高于红限频率，即使光强微弱也会有电子发射出来。（2）若入射光的光频为v,光功率为P,则每秒钟到达的光子数为p/hv.假设这些光子中只有一部分（η）能激发电子，则入射光在光电面激发的光电流密度为hvePip式中，η是量子效率，定义为光强生成的载流子数与入射光子数之比，它是波长的函数，并与光电面的反射率，吸收稀疏，发射电子的深度，表面亲和力等因素有关，e为电子电荷量。（3）光电子溢出物体表面具有初始动能。因此光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。3．1．2内光电效应内光电效应分为两类，光电导效应和光电伏特效应。1．光电导效应入射光强改变物质导电率的物理现象，叫光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由于，在入射光作用下，电子吸收光子的能量，从价带激发到导带，过渡到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E应大于禁带宽度E,如图，即光的波长应小于某一临界波长0。00/123900/AEEhcgg式中，gE为电子伏（eV）为单位（1eV=1.60*10J）,c为光速(m/s).也称为截止波长.根据半导体材料的禁带宽度可得相应的临界波长.本征半导体（纯半导体）的大于掺杂质半导体。图3。2为光电导元件工作示意图。当光电导元件在一定强度的光的连续照射下，元件达到平衡状态时，输出的短路电流密度为：hcdUePicc20可以看出，0i在波长决定之后与p成正比，在P一定时，与光波长成反比。还可以看出，要增加光电流密度要选择载流子寿命长、迁移率大的材料而且应该尽量缩短两极间的距离和提高外加电压。随着光能的增强，光生载流子浓度也增大，但同时电子与空穴间的复合速度也加快，因此光能量与光电流之间的关系不是线性的。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。2．光生伏特效应光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。若在N型硅片掺入P型杂质可行成一PN结，如图3。3所示。为什么PN结会产生光生伏特效应呢？这是因为：当光照射到距表面很近的PN结上时，如果光足够大，光子能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能够从价带跃迁到导带，成为自由电子，而价带则相应成为自由空穴。这些电子——空穴对在PN结的内部电场作用下，电子被推向N区外侧，空穴被推向P区外侧，使N区带上负电，P区带上正电。这样，N区和P区之间就出现了电位差，于是PN结两侧便产生了光生电动势，如图3。3所示。如果把PN结两端用导线连接起来，电路中便会产生电流。由于光生电子、空穴在扩散过程中会分别与半导体中的空穴、电子复合，因此载流子的寿命与扩散长度有关。只有使PN结距表面的厚度小于扩散长度，才能形成光电流产生光生电动势。PN结用做整流时，其电压—电流特性如图3。4中的曲线（1）所示。这时外加电压U（以正方向为正）与电流dI的关系为：)1(expkTeUIIsd（3.3）当光照射到PN结上时，由于光生伏特效应产生的短路电流与光电导效应（3。1）式相类似，即这个电流与（3。3）式所示电流方向相反，所以流经结点的电流二者之差，即0)1(expIkTeUIIs由此可见，当有光照射时，电压—电流特性向下方平行移动，如图（3。4）中的曲线（2）所示。当I=0时，对U求解，得开路电压为)1ln(00sIIekTU如果入射光较弱，SII0，则有hcIPkTUS0可见，当波长一定时，光电压与P呈正比，如果P一定，光电压与波长呈正比。基于光生伏特效应的光电器件有光电二极管、光电三极管和光电池等。3.2热释电效应利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信息变换过程。光---热阶段是物质吸收了光以后温度升高，热电阶段是利用某种效应将热转变为电信号。热释电就是这种效应之一。热释电材料有晶体、陶瓷和塑料等。使用最早的是热释电晶体。热释电晶体能够自发极化，在垂直晶体极轴的两个端面上具有大小相等、符号相反的束缚电荷。当温度变化时，温度的变化与自由电荷的变化成正比。热释电晶体如铌酸锂、钽酸锂等，热释电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅等、热释电塑料如聚偏二氟乙烯等。通常极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集在晶体外表面的自由电荷中和，晶体对外不显电性。中和平均时间为/其中，为晶体的介电常数，为晶体的电导率。多数热释电材料的约在1---1000S之间。光释电传感器的调制频率f必须大于/1，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图3.5所示。则R两端所产生的交流信号电压U为)/()/(dtdTgRSdtdPsRSU式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，U与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。3.3光的吸收系数光在半导体材料中传播时会产生衰减，即产生吸收。半导体材料通常能强烈地吸收光能，对光的吸收作用常用吸收系数来描述。光的吸收系数与光波的波长有很大的关系，图3.6示出了几种常用半导体材料光的吸收系数曲线。下面定量讨论某一种光波长在硅中传播的平均深度，为设计和制造光电三极管和二极管，提供理论依据。以)(x表示硅片内距表面x处的光强。由于光的吸收作用，从x到x+dx间光强减弱了d，则吸收系数的定义为dxd/对上式积分可以得到光强在半导体内的分布为axex0)（其中0是硅片表面处入射光的强度。可见光在进入硅片后按指数规律衰减，它的平均透入深度为/1)]([/100xdxx由上式可知，欲求一定波长的光在硅中传播的速度，只要从图3.5中查出对应此波长的吸收系数，再取其倒数就可以了。3.4光传感器的特性表示方法3.4.1灵敏度光电器件对辐射通量的反应称为灵敏度，也称为响应。对可见光常用的有流明灵敏度)/lmASlm光通量（）光电流（和勒克灵敏度)/lxASlx受光面照度（）光电流（投射到传感器的光通量即使是相同的，如果光谱能量妥布不同时，灵敏度也不同。因此，测量灵敏度的规定光源是色温是2856K的标准钨丝灯。对紫外线或红外波段的传感器，常用辐射灵敏度）辐射通量（）光电流（WAS/式中，辐射通量是单位时间内通过某一面积辐射的能量，dtdW/,单位为W。目前对可见光波段的传感器也用辐射灵敏度表示。3.4.2光谱灵敏度)(S与峰值波长按收器对不同波长光（电磁辐射）的反应程度称为光谱响应或光谱灵敏度。为光电器件对单色辐射通量的反应与入射的单色辐射通量之比，即)(/)()(US。式中，）（为入射的单色辐射通量，）（U为光电器件的反应。波长在0的狭窄范围内的辐射称为单色辐射，其通量称为单色辐射通量。光电器件的)(S随波长而变化，且在某个波长m处有最大值)(mS。波长称为峰值波长，即光谱灵敏度最大时的波长。3.4.3相对光谱灵敏度光谱灵敏度与最大光谱灵敏度之比称为相对光谱灵敏度，即)(/)()(mSSS,其中，）（S是一无量纲函数，也称光谱特性。光谱特性是指光谱相对光谱灵敏度与入射光波长之间的关系，不同敏感材料的光谱待性曲线如图所示。从光谱曲线可以判断哪种辐射源与哪种光电器件配合使用可获得较高的灵敏度。3.4.4积分灵敏度S光电器件对连续辐射通量的反应程度称为积分灵敏度。定义为反应U与入射到光电器件上的辐射通量之比，即/US.当反映为光电流时，积分灵敏度即为辐射灵敏度。3.4.5通量阀H在光电器件输出端产生的电信号与固有噪声电平相等的最小辐射通量称为通量阀。若把对应于H的光电器件的反应以等效噪声的均方根值代入3.4式，则有SzuH/2光电器件的通量阀右以根据特定辐射源来测定，而且同积分灵敏度一样，它和辐和辐射源的辐射特性有关。单色通量阀由下式定义SzuH/2）（单色通量阀反映光电器件本身的固有特性，而通量阀不仅反映光电器件本身的固有特性，而且还反映辐射特性。3.4.6归一化探测率由于通量阀与光电器件灵敏面的面积的平方根成正比，在窄带情况下通量阀与带宽的平方根成正比。对光电器件性能进行比较，应当在灵敏面的尺寸和带宽一定的条件下进行，因而引进一个新的特性参数，即归一化探测率。归一化探测率可由下式定义：2*//zHUfASfAD式中，A为灵敏面积，f为带宽。其实质上就是光电器件在具有单位灵敏面积、单位带宽及单位辐射通量时所获的信噪比.3.4.7转换特性)(tSZ和响应时间当入射辐射通量很小时，可以把光电器件看作线性系统，并用转换特性的时间常数来描述光电器件的动态特性。转换特性是辐射通量为阶跃信号时光电器件的响应，如图示。对线性传感器，其辐射通量与输出电压之间的关系可以用以下微分方程描述)()(/0tStUdtdU辐射通量为阶跃函数时，微分方程解为)1()(/0teStU实际上转换过程要经过的时间才能结束。因此，将光电器件输出端电压达到最大值0.63倍时所对应的时间称为光电器件的响应时间。它反映了光电器件响应时间的快慢，调制频率上限受响应时间的限制。光敏电阻的响应时间一般为s311010，光电三极管为s5102，光电二极管的比三极管的高一个数量级，硅管比锗管的高一个数量级。3.4.8光电器件的频率特性光电器件相对光谱灵敏度（输出端电压（电流）的振幅）随入射通量的调制频率的变化关系称为光电器件的频率特性。由于光电器件有一定的惰性，在一定幅射的正弦调制光照下，当频率较低时，灵敏度与频率无关；若频率增高，灵敏度就会逐渐降低。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为)41/()(2220fSfSr式中，0rS为调制频率f=0时的灵敏度，f为调制频率，为响应时间。3.4.9光照特性光照特性表示光电器件的积分或光谱灵敏度与其入射辐射通量的关系。有时光电器件输出端的电压或电流与入射辐射通量间的关系也称为光照特性。3.4.10温度特