第5章光電式傳感器5.1光電效應(yīng)5.2外光電效應(yīng)器件5.3內(nèi)光電效應(yīng)器件5.4新型光電傳感器件5.5光電式傳感器應(yīng)用實(shí)例5.1光電效應(yīng)

5.1.1外光電效應(yīng)

在光照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電發(fā)射效應(yīng)。它是在1887年由德國科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)的?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。

眾所周知，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能量為

E=hν(5-1)若逸出電子的動能為，則由能量守恒定律有

(5-2)上式即為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式。由該式可知：

(1)光電效應(yīng)是否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物質(zhì)表面的電子逸出功。

(2)若入射光的頻率為ν，光功率為P，則每秒鐘到達(dá)的光子數(shù)為P/hν，假設(shè)這些光子中只有一部分(η)能激發(fā)光子，則入射光在光電面激發(fā)的光電流密度為

(5-3)

(3)由于光電子逸出物體表面具有初始動能。5.1.2內(nèi)光電效應(yīng)

1.光電導(dǎo)效應(yīng)

為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光的能量E0應(yīng)大于

禁帶寬度Eg，如圖5-1所示，即光的波長應(yīng)小于某一臨界波

長λ0。

(5-4)圖5-1電子能級示意圖

2.光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)就是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。若在N型硅片摻入P型雜質(zhì)可形成一PN結(jié)，如圖5-2所示。圖5-2

PN結(jié)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)

PN結(jié)用作整流時(shí)，其電壓—電流特性如圖5-3中的曲線

(1)所示。這時(shí)外加電壓U(以正方向?yàn)檎?與電流Id的關(guān)系為

(5-5)圖5-3

PN結(jié)的電壓—電流特性式中，Id為沒有光照時(shí)的暗電流，Is為反向飽和暗電流，k為

玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，由于

光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的短路電流I0與光電導(dǎo)效應(yīng)式(5-3)相類似，即

(5-6)這個電流與式(5-5)所示電流方向相反，所以流經(jīng)結(jié)點(diǎn)的電流是兩者之差，即

(5-7)

由此可見，當(dāng)有光照射時(shí)，電壓—電流特性向下方平行移動，如圖5-3中的曲線(2)所示。當(dāng)I=0時(shí)，對U求解，得開路電壓為

(5-8)如果入射光較弱，I0<<Is,則有

(5-9)

可見，當(dāng)波長一定時(shí)，光電壓與P成正比，如果ηP一定，則光電壓與波長成正比?；诠馍匦?yīng)的光電器件有光電二極管、光電三極管和光電池等。

5.2外光電效應(yīng)器件

5.2.1光電管及其特性

1.結(jié)構(gòu)與工作原理

光電管的結(jié)構(gòu)如圖5-4(a)所示，它由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一個真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料；陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)便發(fā)射出電子(稱光電子)，發(fā)射出的電子被帶正電位的陽極所吸引，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便形成電流I，如圖5-4(b)所示。圖5-4光電管的結(jié)構(gòu)及特性

2.主要性能

1)伏安特性

在一定的光照下，光電器件的陽極電壓與陽極電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性，真空光電管和充氣光電管的伏安特性分別如圖5-5(a)和(b)所示，它是應(yīng)用光電傳感器的主要依據(jù)。圖5-5真空光電管和充氣光電管的伏安特性

2)光照特性

當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量

與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖

5-6所示。圖5-6光電管的光照特性

3)光譜特性

對于光電陰極材料不同的光電管，由于它們有不同的紅限頻率ν0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。5.2.2光電倍增管及其特性

當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾個微安，很不容易探測，這時(shí)常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大。

1.光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖5-7為光電倍增管的原理結(jié)構(gòu)圖。圖5-7光電倍增管原理結(jié)構(gòu)圖由于相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場，對電子加速。從陰極發(fā)出的光電子，在電場的加速下，打到第一個倍增電極上，引起二次電子發(fā)射。每個電子能從這個倍增電極上打出3~6個次級電子，被打出來的次級電子在經(jīng)過電場的加速后，打在第二個倍增電極上，電子數(shù)又增加3~6倍，如此不斷倍增，陽極最后收集到的電子數(shù)將達(dá)到陰極

發(fā)射電子數(shù)的105~106倍，即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)到幾萬倍到幾百萬倍。這樣光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬到幾百萬倍，因此在很微弱的光照下，它就能產(chǎn)生很大的光電流I，其輸出電壓為

U=IR

2.主要性能

1)倍增系數(shù)M

倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δi的乘積。如果n個倍增電極的δi都一樣，則M=δni，因此，陽極電流I為

(5-10)

式中i為光電陰極的光電流。

光電倍增管的電流放大倍數(shù)β為

(5-11)

2)光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度

一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。

光電倍增管的實(shí)際放大倍數(shù)或靈敏度如圖5-8所示。圖5-8光電倍增管的特性曲線

3)光電倍增管的光譜特性

光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性很相似，這里不再贅述。

5.3內(nèi)光電效應(yīng)器件

5.3.1光敏電阻

1.結(jié)構(gòu)和工作原理

光敏電阻又稱為光導(dǎo)管。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡單，如圖5-9(a)所示。圖5-9光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.光敏電阻的特性

1)暗電阻、亮電阻與光電流

光敏電阻在未受到光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流。在受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。

2)光敏電阻的伏安特性

一般光敏電阻如硫化鉛、硫化鉈的伏安特性曲線如圖

5-10所示。圖5-10光敏電阻的伏安特性

3)光敏電阻的光照特性

光敏電阻的光照特性用于描述光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的，如圖5-11所示。圖5-11光敏電阻的光照特性

4)光敏電阻的光譜特性

幾種常用光敏電阻材料的光譜特性，如圖5-12所示。圖5-12光敏電阻的光譜特性

5)光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間和頻率特性

圖5-13為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性。硫化鉛的使用頻率范圍最大，其他都較差。目前正在通過工藝改進(jìn)來改善各種材料光敏電阻的頻率特性。圖5-13光敏電阻的頻率特性

6)光敏電阻的溫度特性

隨著溫度不斷升高，光敏電阻的暗電流和靈敏度都要下降，同時(shí)溫度變化也影響它的光譜特性曲線。圖5-14表示出硫化鉛的光譜溫度特性曲線。

部分國產(chǎn)光敏電阻的技術(shù)參數(shù)如表5-1所列。圖5-14硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性5.3.2光電池

1.結(jié)構(gòu)及工作原理

硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些

P雜質(zhì)(例如硼)形成一個大面積的PN結(jié)，一般P型層很薄，從而使光能穿透到PN結(jié)上，其結(jié)構(gòu)如圖5-15(a)所示，圖5-15(b)和(c)分別為外形和電路符號。圖5-15硅光電池

2.主要特性

1)光譜特性

硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線，如圖5-16所示。圖5-16光電池的光譜特性

2)光照特性

光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。硅光電池的光照特性曲線如圖5-17所示。圖5-17硅光電池的光照特性

3)頻率特性

光電池在作為測量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)，常用交變光照。光電池的頻率特性反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系，如圖5-18所示。圖5-18光電池的頻率特性

4)光電池的溫度特性

光電池的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，由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等主要指標(biāo)，因此它是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性曲線如圖5-19所示。

部分國產(chǎn)光電池的主要技術(shù)參數(shù)如表5-2所列。圖5-19光電池的溫度特性5.3.3光電二極管和光電三極管

1.光電二極管

光電二極管的結(jié)構(gòu)、外形、符號及基本工作電路分別如圖5-20中的(a)、(b)、(c)和(d)所示。圖5-20光電二極管光電二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。另外它還具有響應(yīng)速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，良好的溫度穩(wěn)定性和低工作電壓(10~20V)

以及噪聲低、小型、重量輕、堅(jiān)固、耐振動、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是輸出電流小。部分國產(chǎn)光電二極管的技術(shù)參數(shù)如表5-3所列。

2.光電三極管及其特性

光電三極管與光電二極管相似，不過內(nèi)部有兩個PN結(jié)，類似一般三極管，也有PNP型和NPN型兩種。和一般三極管不同的是它的發(fā)射極一邊尺寸很小，以擴(kuò)大光照面積，如圖5-21

(a)所示。圖5-21光電三極管

1)光照特性

光電三極管的光照特性如圖5-22所示，它給出了光電三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系，它們之間呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾千勒克斯)時(shí)，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光電三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。圖5-22光電三極管的光照特性

2)光譜特性

光電三極管的光譜特性如圖5-23所示。圖5-23光電三極管的光譜特性

3)伏安特性

光電三極管的伏安特性如圖5-24所示。圖5-24光電三極管的伏安特性

4)頻率特性

光電三極管的頻率特性如圖5-25所示。圖5-25光電三極管的頻率特性

5)溫度特性

光電三極管的溫度特性如圖5-26所示。圖5-26光電三極管的溫度特性光電三極管的通頻帶較窄，性能不如光電二極管穩(wěn)定，但靈敏度較高。國產(chǎn)部分光電三極管技術(shù)參數(shù)如表

5-4所列。

5.4新型光電傳感器件

5.4.1

PIN型硅光電二極管

PIN型硅光電二極管是一種高速光電二極管。設(shè)計(jì)思想是，為了得到高速響應(yīng)，需要減小二極管的PN結(jié)的電容。為此，PIN光電二極管是在大量摻入雜質(zhì)的P型和N型硅片層之間插入高阻抗的本征半導(dǎo)體材料層(I層)，如圖5-27所示。圖5-27

PIN型硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖5.4.2雪崩式光電二極管(APD)

雪崩式光電二極管具有高速響應(yīng)和放大功能。其結(jié)構(gòu)如圖5-28所示，它是在PN結(jié)P層一側(cè)再設(shè)置一層摻雜濃度極高的P+(重?fù)诫s)層，并給光電二極管施加較大的反偏壓，利用PN

結(jié)處產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)而制成的電子倍增管。圖5-28雪崩式光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖5.4.3半導(dǎo)體色敏傳感器

半導(dǎo)體色敏傳感器可直接測量從可見光到紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。半導(dǎo)體色敏傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5-29(a)所示。圖5-29半導(dǎo)體色敏傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路圖5-30給出了兩個光電二極管的光譜靈敏度特性曲線。為此，將兩個光電二極管的等效電路串聯(lián)連接，先取出VP1的短路電流Isc1及VP2的短路電流Isc2，然后測出它們的電流比Isc2/Isc1，如圖5-29(b)所示。該短路電流比與波長有一一對應(yīng)的關(guān)系，如圖5-31所示。因此，如果測出短路電流比，就可以求出對應(yīng)的入射光的波長，即可分辨出不同的顏色。實(shí)用的比較電路如圖5-32所示。Isc1和Isc2分別由各自的運(yùn)算放大器放大，同時(shí)也進(jìn)行對數(shù)壓縮；再將信號引入下一級的比較電路，就可得到Isc2/Isc1之比值。這樣得出的輸出電壓Uo，也是與波長一一對應(yīng)的，如圖5-33所示。圖5-30光電二極管的光譜靈敏度特性圖5-31短路電流比與波長的關(guān)系圖5-32具體的比較電路圖5-33輸出電壓與波長的關(guān)系5.4.4光電閘流晶體管

光電閘流晶體管是由入射光觸發(fā)而導(dǎo)通的可控硅，簡稱光控晶閘管，通常又稱光激可控硅，其結(jié)構(gòu)如圖5-34(a)所示。圖5-34光電閘流晶體管設(shè)兩個三極管VT1和VT2共基極(短路)電流放大系數(shù)(小于

1)分別為α1、α2,則有如下的關(guān)系：IB1=(1－α1)IA；IB1=IC2；IC2=α2IC。因IC=IA+IG+IP，則光控晶閘管的導(dǎo)通電流IA為

(5-12)5.4.5達(dá)林頓光電三極管

達(dá)林頓光電三極管是光電三極管與普通三極管內(nèi)部采用達(dá)林頓接線方式集成在一起的組件，如圖5-35所示。圖5-35達(dá)林頓光電三極管內(nèi)部接線方式5.4.6光電耦合器件

光電耦合器件工作時(shí)，在輸入端接入電信號，使發(fā)光器件發(fā)光，而受光器件管芯在此光輻射的作用下輸出光電流。通過電—光、光—電兩次轉(zhuǎn)換，進(jìn)行輸入端和輸出端之間的

電的耦合。圖5-36為一般光電三極管和發(fā)光二極管組合的光電耦合器件的結(jié)構(gòu)和外形

。圖5-36光電耦合器件結(jié)構(gòu)及外形5.4.7集成光電傳感器

表5-5列舉了幾種集成光電傳感器的特性。相關(guān)產(chǎn)品讀者可查閱有關(guān)資料。5.4.8光導(dǎo)攝像管

光導(dǎo)攝像管的結(jié)構(gòu)如圖5-37(a)所示,在真空管的前屏幕上設(shè)置有光電導(dǎo)膜和透明導(dǎo)電膜的陣列小單元。由電子槍射出的電子經(jīng)電子透鏡,聚焦成電子束射向光電導(dǎo)膜。通過電子束掃描，讀取儲存于光電導(dǎo)膜上由于入射光的激勵所產(chǎn)生的電子圖像。圖5-37光導(dǎo)攝像管的結(jié)構(gòu)和等效電路5.4.9

CCD圖像傳感器

1.CCD的結(jié)構(gòu)

CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖5-38所示。圖5-38

CCD芯片結(jié)構(gòu)

2.電荷的存儲

MOS電容器和一般電容器不同的是，其下極板不是一般導(dǎo)體而是半導(dǎo)體。

3.電荷的耦合(轉(zhuǎn)移)與輸出

CCD器件有二相、三相、四相等幾種脈沖驅(qū)動形式，其中最方便的是由三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動的CCD器件。在三相結(jié)構(gòu)的CCD器件中，3個電極組成一個單元，形成一個像素。3個電極由3個時(shí)鐘信號分別控制。這3個時(shí)鐘脈沖由3個在時(shí)序上相互交疊、相位相差120°、前沿陡峭、后沿傾斜的脈沖組成，如圖5-39所示。圖5-39三個時(shí)鐘脈沖的時(shí)序圖5-38所示為64位CCD結(jié)構(gòu)，每個光敏元(像素)對應(yīng)3個相鄰的轉(zhuǎn)移柵電極1、2、3，所有電極彼此離得很近，以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。所有的電極1相連并施加時(shí)鐘脈沖j1，所有的電極2、3也是如此，并施加時(shí)鐘脈沖j2、j3。如何實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移和輸出呢？圖5-40描述了轉(zhuǎn)移柵實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移的工作原理。圖5-40完成一次轉(zhuǎn)移的過程5.5光電式傳感器應(yīng)用實(shí)例

5.5.1光電二極管應(yīng)用實(shí)例

1.車廂照明自動控制電路

為了使列車車廂在開進(jìn)隧道時(shí)自動開燈，在開出隧道時(shí)自動關(guān)燈，可用圖5-41所示的電路來控制車廂內(nèi)燈具電源線路的通斷。圖5-41車廂照明自動控制電路

2.光控玩具電路

光控玩具的電路如圖5-42所示，按下開關(guān)S，如果光線不足，光電二極管VP截止，從而使晶體管VT1、VT2處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器常開觸點(diǎn)J斷開，玩具電機(jī)M因電源不通而不能轉(zhuǎn)動；如果光線充足，光電二極管VP導(dǎo)通，從而使晶體管VT1、VT2處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器K得電，使常開觸點(diǎn)J接通電機(jī)M的電源，電機(jī)M轉(zhuǎn)動。如果用光源來控制光電二極管VP的導(dǎo)通或截止，則可控制玩具電機(jī)M的?；蜣D(zhuǎn)。圖5-42光控玩具的電路5.5.2光電三極管應(yīng)用實(shí)例

1.路燈聲光自動控制

圖5-43所示是聲光自動控制的節(jié)能路燈電路。圖5-43聲光自動控制節(jié)能路燈電路

2.光電式轉(zhuǎn)速測量

圖5-44所示是光電式轉(zhuǎn)速表的光—電轉(zhuǎn)換前端部分的原理結(jié)構(gòu)圖。圖5-44光電式轉(zhuǎn)速表原理結(jié)構(gòu)圖若脈沖頻率為f，則轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)為

(5-13)

式中，N為孔數(shù)或黑白條紋的數(shù)目。頻率f可用一般的頻率計(jì)測量。光電器件可采用光電池、光電二極管或光電三極管。

圖5-45是用光電三極管實(shí)現(xiàn)的光電脈沖轉(zhuǎn)換電路。圖5-45光電脈沖轉(zhuǎn)換電路5.5.3光電池應(yīng)用實(shí)例

圖5-46所示為光電池路燈自動控制器的電路。線路主回路的相線由交流接觸器CJD—10的3個常開觸頭并聯(lián)，以適應(yīng)較大負(fù)荷的需要。接觸器觸頭的通斷由控制回路控制。圖5-46光電池路燈自動控制器5.5.4光敏電阻應(yīng)用實(shí)例

圖5-47所示是用CdS光敏電阻控制標(biāo)識燈工作的電路。在白天，光照射在CdS上，使其阻值變低，VT2因基極電位下降而截止，VT3、VT4亦截止，燈不亮。在夜晚，CdS無光照射，其電阻值非常高，相當(dāng)于開路，VT1和VT2構(gòu)成的多諧振蕩器工作，標(biāo)識燈交替亮滅。圖5-47

CdS光敏電阻標(biāo)識燈控制電路5.5.5光電式輸液量監(jiān)測系統(tǒng)

1.輸液量的光電檢測原理

如圖5-48(a)所示，在茂菲式滴管一側(cè)安裝一紅外發(fā)光二極管，另一側(cè)安裝一紅外光電三極管。圖5-48光電式液滴檢測原理

2.液滴的光學(xué)特性

首先，對透明液滴的光學(xué)特性加以分析。圖5-49(a)所示為液滴滴落狀態(tài)，其側(cè)面為瓜子形、橫截面為圓形；當(dāng)平行光束入射到液滴上時(shí)，光線將依照光學(xué)折射規(guī)律改變光路。設(shè)光線折射