传感器原理与应用第八章 光电传感器

第八章光电传感器第一节常用光电器件一、光敏电阻二、光电池三、光敏二极管和光敏晶体管四、常用光电器件的应用第二节光栅传感器一、莫尔条纹二、光栅传感器的组成三、辨向原理四、细分技术第三节固态图像传感器一、CCD基本结构二、CCD工作原理三、CCD图像传感器的结构第八章光电传感器光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器，它的物理基础是光电效应。具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点，在现代测量和自动控制系统中，应用非常广泛，是一种很有发展前途的新型传感器。一般由光源、光学器件、光电元件三部分组成，光源发射出一定光通量的光线，由光电元件接受，在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接受光通量的光电元件的输出电量也发生变化，实现将被测量转换成电量。输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光是一种电磁波，不同波长的光分布如图这些光的频率（波长）虽然不相同，但都有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。光电传感器常用光源有：白帜灯光源、气体放电光源（碳灯、低压高压水银灯、钠弧灯、汕弧灯）、气体激光器（氦氖、二氧化碳、氩离子激光器）、固态激光器、半导体激光器、发光二极管等。第一节常用光电器件光是由具有一定能量的粒子组成，根据爱因斯坦光粒子学说，每个光子所具有的能量E与其频率f的大小成正比（即E=hf，式中h=6.626×10-34J·S，为普朗克常数）。光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应。这是实现光电转换的物理基础。光电器件的作用原理是基于一些物质的光电效应。光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。①光电导效应——光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。②光生伏特效应——光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，故又称PN结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。③光电发射效应——某些物质（如金属丝）在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象，称之为光电发射效应，利用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为外光电效应；相应地，光电导效应和光生伏特效应被称为内光电效应。本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压，设每极倍增率为δ，经过N次倍增极后，光电倍增管的光电流倍增到δN。δ称为二次电子反射比。因此，有非常小的光功率输入可得到相当大的电流。半导体光电导效应内部机理如图8－1所示。一、光敏电阻1．光敏电阻的光电效应光敏电阻是典型的光电导效应器件。无光照时，其阻值很高；有光照时，其阻值大大下降，光照越强阻值越低；光照停止，又恢复高阻状态。图8－1光电导效应能带图半导体受光照时，其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子—空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时，失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合，自由电子—空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。图中Eg称为禁带宽度，价电子吸收的光子能量E＞Eg时，才能穿越禁带成为自由电子。光照越强、具有能量E的光子数越多，光生自由电子-空穴对越多，电阻值越小。光照停止或光强减小使E＜Eg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使电阻值增加或恢复高阻状态。每个光子所具有的能量E数学表达式：E=hf=hc/λ频率越高，或波长越短，光子所具有的能量就越大。产生自由光生电子的入射光临界波长λ0为满足E≥Eg有λ0≦1242/Eg(nm)Si的禁带宽度Eg为1.2ev,Ge0.75ev,硫化镉cds2.4ev,CdSe1.8ev说明：1、光照越强，表明具有hf能量的光子数越多，价带电子吸收光子能量的机会越多，成为导带电子机会越，电导率越大。2、空穴在价带内运动参与导电；电子在导带内运动参与导电；紫外光光子能量大于红外光电子能量。图8－2是光敏电阻光电效应实验电路，当偏压U一定时，检流计指示电流I的大小决定于光敏电阻上的光照强度。图8－2光敏电阻光电效应实验电路无光照时，检流计指示的电流很小，此时的电流称之为暗电流；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻，暗电阻通常为兆欧级。有光照时，检流计指示的电流较大，此电流称之为亮电流；此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻，亮电阻一般为千欧以内。由光照所产生的自由电子—空穴流称之为光电流，显然光电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。2．光敏电阻种类光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻，目前人类已开发应用的光波频谱范围为0.1HZ～1021HZ，相应的波长为3×109m～0.3Pm。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围可分为三类。（1）对紫外光敏感元件紫外光是指紫外线（波长λ=10～380nm）的内侧光波，波长约300～380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）等，这类敏感元件适于作α、β、γ射线检测及光电控制电路。（2）对可见光敏感元件可见光波长范围约380～760nm，对这类光敏感的材料有硒（Se）、硅（Si）、锗（Ge）及硫化铊（TiS）、硫化镉（CdS）等，尤其是TiS光敏元件，它既适用于可见光，也适用于红外光。这类敏感元件适用了光电计数、光电耦合、光电控制等场合。（3）对红外光敏感元件红外光是红外线（波长λ=760～1×106nm）的内侧光波，波长约760～6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb）等，这类敏感元件主要用来探测不可见目标。图8－3部分光敏元件的光谱特性3．光敏电阻的基本特性（1）光谱（响应）特性光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。图8－3表示部分光敏元件的光谱特性，其中硫化锌对波长为300nm左右的紫外光最敏感；硫化镉光敏波长的峰值在670nm左右；硫化铊的敏感波长范围很宽，约300～1400nm，其峰值波长为1000nm左右；硫化铅具有很宽的敏感波长范围，其峰值波长约2300nm。（0.7峰值左右为敏感波长峰值范围）（2）光照特性光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。如图8－4所示，光敏电阻具有很高的光照灵敏度，且具有明显的非线性，可作控制元件，不宜作计量元件。图8－4光敏电阻的光照特性光照强度(照度)是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix(l勒克斯是1流明的光通量均匀照射在1平方米面积上所产生的照度)光照强度的测量用照度计。（3）伏安特性光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。如图8－5所示，伏安特性是一个线性关系特性，但不同材料的光敏电阻具有不同的伏安特性，且各类光敏电阻都有最大允许功耗和最大允许电压的要求，超过此极限值将会导致元件永久性损坏。图8－5光敏电阻的伏安特性(4）频率特性频率特性系指光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的响应特性。如图8－6所示，一般来说，调制频率f越高，电流相对灵敏度Kr越低，这反映光敏元件具有一定的惰性，有的材料光响应时间达几百毫秒。光敏电阻的响应时间不但与元件的材料有关，而且还与光照强弱有关，光照越强，响应的时间越短。图8－6光敏电阻的频率特性光照，产生自由电子空穴对；光照停止，电子空穴复合，需要一定时间，（5）温度特性温度特性系指光敏电阻工作特性受温度的影响。例如温度升高时，它的暗电阻减小，即暗电流增加、灵敏度下降。同时，温度上升还引起光谱特性曲线左移，导致光敏电阻敏感波长减小。图8－7是硫化铅光谱温度特性。图8－7硫光铅光谱温度特性灯光控制器安装在驾驶室仪表板上方。傍晚尾灯亮，光线更暗前灯亮。会车时，还具有自动变光功能。当光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在PN结附近激发出大量的电子—空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区；其结果在P区聚积正电荷，带正电，在N区聚积负电荷，带负电，即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差，称之为光生电势。图8－8光电池的光电效应二、光电池1．光电池的光电效应光电池是典型的光生伏特效应器件。无光照时，两浓度差很大的杂质半导体P和N因扩散运动形成一个大面积的PN结，PN结电场方向是由N区指向P区，如图8－8所示。当光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在PN结附近激发出大量的电子—空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区；其结果在P区聚积正电荷，带正电，在N区聚积负电荷，带负电，即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差，称之为光生电势。图8－8光电池的光电效应2．光电池的基本特性光电池的种类很多，如硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等。不同种类光电池性能差异很大，其中硅光电池性能最好，其光谱范围宽、频率特性好、换能效率高，且工作性能稳定。（1）光谱特性光电池对不同波长光的灵敏度是不同的，不同材料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的，图8－9为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，硅光电池敏感波长范围是450～1100nm，峰值波长为800nm；硒光电池敏感波长范围是380～750nm，峰值波长在500附近。可见，硅光电池适应光波长的范围比硒光电池宽得很多。图8－9光电池的光谱特性（2）光照特性光电池在不同光照强度下，有不同的光生电势或光生电流，图8－10所示为硅光电池的光照特性。图8－10硅光电池光照特性图中短路电流是指光电流输出端短路时的电流，即光生电流。硅光电池短路电流密度约为15～30mA/cm2，此电流在很宽的光照范围内都具有线性关系，因而光电池宜作电流源使用。图中开路电压是指光电池输出端开路时的电压，即光生电势。单片硅光电池的开路电压约为0.45～0.6V，此电压在2000LX以内光照下趋于线性，在2000LX以上为非线性，因而光电池不宜作电压源使用。图8－11是光电池开路电压和短路电流的实验电路。在此实验电路中，忽略了光电池PN结结电容及PN结漏电流的影响。光电池的开路电压等于图（a）中的光生电势E，光电池的短路电流等于图（b）中的光生电流IS。实验表明，负载电阻RL越小，光照特性的线性关系越好，因而在使用中应尽量选择负载电阻小的场合。硒光电池具有与硅光电池相似的光照特性。图8-11光电池光照特性实验电路（a）开路电压（b）短路电流（3）频率特性光电池输出光电流随入射光调制频率的关系如图8－12所示。由图可知，硅光电池具有较稳定的频率特性，适用于作高速计数的运算器电池。图8－12光电池的频率特性（4）温度特性温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系。图8－13是硅光电池在1000LX照度下的温度特性。图8－13硅光电池的温度特性由图可知，硅光电池的开路电压随温度升高而迅速下降，温度每上升1℃，开路电压约降低3mV。硅光电池的短路电流随温度升高而缓慢上升，温度每上升1℃，短路电流约增加2μA。由于温度变化对光电池的光电转换性能影响很大，因而光电池在作为测量元件使用时，一定要有恒温或温度补偿措施。同时，在强光照射时必须考虑光电池PN结的热容限及散热措施。通常，硅光电池使用温度不允许超过125℃。光电池种类很多，但主要的是硅光电池。国产系列有方型和圆型。适用于光电检测，近红外探测，光电读出，光电耦合，光栅测距，光电开关，硅蓝光电池作色探测器，及太阳能电池等。三、光敏二极管和光敏晶体管1．光敏管的光电效应光敏二极管和光敏晶体管也是典型的光生伏特性效应器件。图8－14是光敏二极管的原理结构和基本电路。图8－14光敏二极管原理结构和基本电路工作于反向偏置状态下的光敏二极管具有典型的光生伏特