第六章-光敏传感器

LOGO第6章光敏传感器本章课程安排6.1概述6.2光电效应传感器6.3光生伏特效应器件6.4光敏二极管6.5光敏晶体管6.6色敏光电传感器6.7光电耦合器件6.8红外热释电光敏器件6.9固态图像传感器6.10光纤传感器小结概述光敏传感器就是将光能转换为相应电能的装置，又称为光电式传感器。从目的上讲，它是探测光信号的器件，也可以称为光电探测器。6.1.1光谱按通常定义，光指的是频率为1011Hz（远红外线）～1017Hz（远紫外线）范围内的电磁波谱，单个光子的能量E可由式（6-1）求出（h是普朗克常数，是光的频率）E=h（单位：J或eV）（6-1）波长与频率的关系如下（c为光速，是光的波长）=c/6.1可见，光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。根据人眼对光的感应，把波长小于380nm的电磁波称为紫外线，图6-1各种波长的相对光强，在人眼而把波长大于650最敏感的波长555nm处归一化nm的电磁波称为红外线，如图6-1所示。光谱分布如图6-2所示。图6-2光谱分布图6.1.2光学传感器的相关计量单位辐射度学：测量纯粹的、原始的能量流，与波长无关。单位W（瓦特）。光度学：测量人眼可视的波长范围内的能量流。单位lm（流明）。光强：单位面积上的辐射度。单位W/m2。发光强度：1坎德拉（cd）是指，在给定方向上，相应于人眼系统敏感最高峰的光的强度，而且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。光通量：光源在单位时间内向周围空间辐射的、能引起视觉反应的能量，即可见光的能量。光的照度：在一个面上的光通密度，它是射入单位面积内的光通量，单位是lx（勒克斯）。6.1.3光源一般而言，光电式传感器对光源具有如下要求：①光源必须具有足够的照度；②光源应保证均匀、无遮挡或阴影；③光源的照射方式应符合传感器的测量要求；④光源的发热量应尽可能小；⑤光源发出的光必须具有合适的光谱范围。光电效应传感器6.2.1外光电效应及器件1．外光电效应光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量为E=（6-4）6.2hv式中，h为普朗克常数，即6.626×10-34J·s；v为光的频率（Hz）。根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理有（6-5）式中，m为电子质量；v0为电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。20012hmvA图6-3所示为测定逸出电子随光的强度和光频率变化的实验，图6-4是光电流随光强变化的曲线。图6-3光电发射检测装置图6-4光电流随光强的变化曲线2．光电发射二极管通常，人们把检测装置中发射电子的极板称为阴极，吸收电子的极板称为阳极，且将两者封于同一壳内，连上电极，就成为光电二极管。按照光电发射二极管的原理可以分为真空光电二极管和充气光电二极管两类。（1）真空光电二极管将一个阳极和一个阴极同装于一个真空玻璃内，引出两个电极就构成一个真空光电二极管。图6-5是两个典型的真空光电二极管结构示意图。图6-5真空光电二极管结构示意图将真空光电二极管按照图6-6所示的测量电路连接，测得其I-V特性曲线如图6-7所示。由图可以看出，同一光强下Ia-Va曲线中，在0～20V范围内，阳极电压增大，光电子达到阳极的数目也增大，阳极电流急剧增大；当阳极电压大于20V后，几乎全部发图6-6测量电路图6-7I-V特性曲线射电子都已到达阳极，电压再增大，电流几乎不变，曲线平坦，此部分称为饱和区，一般工作电压选择在饱和区但要尽可能小一些。而随着光强的增加，产生的光电子数就增多，所以光电流与光强成正比。（2）充气光电二极管充气光电二极管结构与真空管相似，只是管壳内充有低压惰性气体（氩气和氖气）。充入惰性气体可以起到电子倍增效应，使到达阳极的电子数目比真空二极管所产生的电子数目大得多，相当于具有一定的放大倍数，可达10倍左右。图6-8是充气光电二极管的伏安特性曲线。实用光电发射材料应该具备三个条件：①光吸收系数大；②光电子在体内传输到体外的过程中能量损失小，使逸出深度大；③电子亲和势较低，使表面的逸出概率提高。一般金属材料只适于做紫外灵敏的光电器件。半导体材料对可见光、红外光都很敏感，所以半导体被广泛用做光电阴极。表6-1是一些材料光电阴的主要性能。图6-8充气光电二极管伏安特性曲线表6-1材料光电阴极的主要性能3．光电倍增管（1）光电倍增管原理图6-9光电倍增管的结构当具有足够动能的电子轰击倍增极时，该倍增极表面将有电子发射出来，这种现象称为二次电子发射。光电倍增管的原理如图6-9所示。（2）光电倍增管的结构分类①直线瓦片式倍增系统（聚焦型）图6-10直线瓦片式倍增系统示意这是一种聚焦式倍增系统，其单个电极形似圆柱状的瓦片，形成的电场使电子轨迹在极间会聚交叉，交叉点落在下一级的靠近中心处，如图6-10所示②圆环瓦片式倍增系统（聚焦型）它的电极形式和直线瓦片一样，但各倍增极的排列方式是圆环状的，如图6-11所示。图6-11圆环瓦片式倍增系统示意③盒栅式倍增系统（非聚焦型）其电极结构如图6-12所示。每个倍增极是一个圆柱面的1/4。为提高电子收集效率，防止二次电子的逸散，在电子入口加一个与盒子具有相同电位的金属栅网。图6-12盒栅式倍增系统示意④百叶窗式倍增系统（非聚焦型）图6-13百叶窗式倍增系统图6-13为百叶窗式倍增系统结构示意图。每一倍增极由一组互相平行并有一定倾斜的同电位叶片组成。（3）光电倍增管的性能参数①灵敏度：光电倍增管将光辐射转换成电信号能力的一个重要参数。阳极灵敏度SA是指在一定工作电压下阳极输出电流与照射到阴极面上光通量的比值。阴极灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。②放大倍数（电流增益G）：在一定工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流的比值称为该管的放大倍数或电流增益，即（6-6）AAKKiSGiS式中，iA是阳极电流；iK是阴极电流。图6-14所示为一个典型的光电倍增管阳极灵敏度和放大倍数随工作电压变化的关系曲线。③暗电流：当光电倍增管在全暗条件下时，阳极上也会收集到一定的电流，其输出电流的直流成分称为该管的暗电流。④光电特性：图6-15所示为光电倍增管的光电特性，可以看出阳极电流随光通量而增加，而且在很宽范围内是线性的，所以适合测量辐射光通量较大的场合。图6-14光电倍增管阳极灵敏度图6-15光电倍增管的和放大倍数随工作电压变化曲线光电特性（4）光电倍增管的应用领域光电倍增管的应用领域非常广泛，主要分为以下十几种。①光谱学②质量光谱学与固体表面分析③环境监测④生物技术⑤医疗应用⑥射线测定⑦资源调查⑧工业计测⑨摄影印刷⑩高能物理——加速器实验中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测激光等离子体6.2.2内光电效应（光电导）及器件1．光电导效应光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电子-空穴对，使导电性能加强，电导率增加，这种现象被称为光电导效应（内光电效应）。当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图6-16所示，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大图6-16光电导效应示意于光电导材料的禁带宽度Eg，即（6-7）式中，、分别为入射光的频率和波长。g1.24hchE≥2．内光电效应（光电导）器件——光敏电阻（1）光敏电阻的结构与工作原理图6-17光敏电阻的原理结构光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。图6-17所示为光敏电阻的原理结构。（2）光敏电阻的主要参数①暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值。此时流过的电流称为暗电流。②亮电阻：光敏电阻在受光照射时的阻值。此时流过的电流称为亮电流。③光电流：亮电流与暗电流之差。（3）光敏电阻的基本特性①伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图6-18所示为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。图6-18硫化镉光敏电阻的伏安特性②光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，也称为光谱响应。图6-19所示为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。图6-19光敏电阻的光谱特性③温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图6-20所示为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。图6-20硫化铅光敏电阻的光谱特性④光照特性图6-21表示CdS光敏电阻的光照特性，即在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。图6-21CdS光敏电阻的光照特性⑤频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图6-22所示。⑥稳定性图6-23中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。几种光敏电阻的特性参数如表6-2所示。图6-22不同材料的频率特性图6-23CdS光敏电阻稳定性表6-2几种光敏电阻的特性参数（4）应用实例①自动照明灯图6-24自动照明灯电路自动照明灯广泛适用于医院、学生宿舍及公共场所。它白天不会亮而晚上自动亮，应用电路如图6-24所示。②亮光报警器图6-25亮光报警电路图6-25所示为亮光报警电路，当有光照射光敏电阻CdS时其阻值减小，VTl的基极电位高于发射板，则VT1导通，VT2和VT3也导通，蜂鸣器B呜叫。③标识灯图6-26所示是标识灯电路。在白天，光照射在光敏电阻CdS上其阻值变低，VT2的基极电位下降，为此，VT2截止，VT3和VT4都截止，灯H不亮。在夜晚，CdS无光照射，其电阻值非常高，相当于开路，VT1和VT2构成的多谐振荡器工作，标识灯H交替亮灭。图6-26标识灯电路光生伏特效应器件6.3.1光生伏特效应光生伏特效应包括势垒效应（结光电效应）和侧向光电效应。1．势垒效应（结光电效应）接触半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。2．侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。PN结光电检测电路如图6-24所示，其电流-电压特性曲线如图6-25所示。6.3图6-27PN结光电检测电路图6-28PN结光电检测电路电流-电压特性曲线从图6-27和图6-28可知，有光照时反向电流增加且增加量是光电流。这样就可以在PN结两端并联一个电压表，测量光照时PN结两端形成的电势差。这样就验证了光生伏特效应。6.3.2光电池1．原理与结构图6-29硅光电池示意图光电池的工作原理基于光生伏特效应。当光照射在光电池上时可以直接输出电动势及光电流。图6-29所示是硅光电池结构示意图。2．应用实例（1）太阳能电池电源图6-30太阳能电池电源系统太阳能电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流-交流变换器，太阳能电池电源系统框图如图6-30所示。（2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压、光电转换效率高、光谱范围宽、频率特性好、噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。光敏二极管6.4.1结构原理1．光敏二极管图6-31典型光电二极