1、 第八章第八章 光电传感器光电传感器第一节第一节 常用光电器件常用光电器件 一、光敏电阻一、光敏电阻 二、光电池二、光电池 三、光敏二极管和光敏晶体管三、光敏二极管和光敏晶体管 四、常用光电器件的应用四、常用光电器件的应用 第二节第二节 光栅传感器光栅传感器 一、莫尔条纹一、莫尔条纹 二、光栅传感器的组成二、光栅传感器的组成 三、辨向原理三、辨向原理 四、细分技术四、细分技术第三节第三节 固态图像传感器固态图像传感器 一、一、CCDCCD基本结构基本结构 二、二、CCDCCD工作原理工作原理 三、三、CCDCCD图像传感器的结构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
2、光量的变化再转换成电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。，应用非常广泛，是一种很有发展前途的新型传感器。光电传感器常用光源有：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、氩离子弧灯、汕弧灯）、气体激光
3、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。激光器）、固态激光器、半导体激光器、发光二极管等。第一节第一节 常用光电器件常用光电器件 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，子学说，每个光子所具有的能量每个光子所具有的能量E E 与其频率与其频率f f 的大小成正的大小成正比比（即（即E E=hfhf，式中，式中h h=6.626=6.6261010-34-34JSJS，为普朗克常数，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，
4、物体吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电的轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应效应。这是实现光电转换的物理基础。光电器件的作用原。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。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。光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。光电导效应光电导效应光照改变半导体的导电率光照改变半导体的导电率，从而，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。应器件。光生伏特效应光生伏特效应光照改变半导体光照改变半导体PNPN结电场结
5、电场，从，从而引起而引起PNPN结电势的变化效应，故又称结电势的变化效应，故又称PNPN结光电效应，光电结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。光电发射效应光电发射效应某些物质（如金属丝）在光的某些物质（如金属丝）在光的照射下，照射下，能从表面向外部发射电子的现象能从表面向外部发射电子的现象，称之为光电发，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。增管。光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为外光外光电效应电效应；相应地，光
6、电导效应和光生伏特效应被称为；相应地，光电导效应和光生伏特效应被称为内光内光电效应电效应。本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其。本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。应用。半导体光电导效应内部机理如图半导体光电导效应内部机理如图8 81 1所示。所示。一、光敏电阻一、光敏电阻 1 1光敏电阻的光电效应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。；光照停止，又恢复高阻状态。图81 光电导
7、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E Eg g称为禁带宽度称为禁带宽度，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EEg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
8、。n每个光子所具有的能量每个光子所具有的能量E E数学表达式：n E=hf=hc/频率越高，或波长越短，光子所具有的能量就越大。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产生自由光生电子的入射光临界波长0为 满足 EEg 有 0 1242/Eg(nm)Si的禁带宽度Eg为1.2ev,Ge0.75ev,硫化镉cds2.4ev,CdSe1.8ev 图图8 82 2是光敏电阻光电效应实验电路是光敏电阻光电效应实验电路，当偏压，当偏压U U 一一定时，检流计指示电流定时，检流计指示电流I I 的大小决定于光敏电阻上的光照的大小决定于光敏电阻上的光照强度。强度。图82 光敏电阻光电效应实验
9、电路 无光照时无光照时，检流计指示的电流很小，此时的电流称之，检流计指示的电流很小，此时的电流称之为为暗电流暗电流；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻暗电阻，暗电阻通常为兆欧级。，暗电阻通常为兆欧级。有光照时有光照时，检流计指示的电流较大，此电流称之为，检流计指示的电流较大，此电流称之为亮亮电流电流；此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为；此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电亮电阻阻，亮电阻一般为千欧以内。，亮电阻一般为千欧以内。由光照所产生的自由电子由光照所产生的自由电子空穴流称之为空穴流称之为光电流光电流，显，显然然光电流是亮电流与暗电流
10、之差光电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。程分析时可把亮电流看成光电流。2 2光敏电阻种类光敏电阻种类 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频谱范围为0.1HZ0.1HZ10102121HZHZ，相应的波长为，相应的波长为3 310109 9m m0.3Pm0.3Pm。半
11、导体光敏元件的敏感光波长为纳米波半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作，按其最佳工作波长范围可分为三类。波长范围可分为三类。（1 1）对紫外光敏感元件对紫外光敏感元件 紫外光紫外光是指紫外线（波长是指紫外线（波长=10=10380nm380nm）的内侧光波）的内侧光波，波长约波长约300300380nm380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌（。对这类光敏感的材料有氧化锌（ZnOZnO）、硫化锌（）、硫化锌（ZnSZnS）、硫化镉（）、硫化镉（CdSCdS）、硒化镉（）、硒化镉（CdSeCdSe）等，这类敏感元件适于作）等，这类敏感元件适于作、射线检测及光电控射线检测及光电控制电路。制
12、电路。（2 2）对可见光敏感元件对可见光敏感元件 可见光波长范围约可见光波长范围约380380760nm760nm，对这类光敏感的材料，对这类光敏感的材料有硒（有硒（SeSe）、硅（）、硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe）及硫化铊（）及硫化铊（TiSTiS）、硫）、硫化镉（化镉（CdSCdS）等，尤其是）等，尤其是TiSTiS光敏元件，它既适用于可见光光敏元件，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，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。耦合、光电控制等场合。（3 3）对红外光敏感元件对红外光敏感元件 红外光红外光是红外线（波长是红
13、外线（波长=760=7601 110106 6nmnm）的内侧光）的内侧光波，波，波长约波长约7607606000nm6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅。对这类光敏感的材料有硫化铅（PbSPbS）、硒化铅（）、硒化铅（PbSePbSe）、锑化铟（）、锑化铟（InSbInSb）等，这类敏）等，这类敏感元件主要用来探测不可见目标。感元件主要用来探测不可见目标。图83 部分光敏元件的光谱特性 3 3光敏电阻的基本特性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度。图图8 83 3表示部
14、分光敏元件的光谱特性，其中硫化锌对波长为表示部分光敏元件的光谱特性，其中硫化锌对波长为300nm300nm左右的紫外光最敏感；硫化镉光敏波长的峰值在左右的紫外光最敏感；硫化镉光敏波长的峰值在670nm670nm左右；左右；硫化铊的敏感波长范围很宽，约硫化铊的敏感波长范围很宽，约3003001400nm1400nm，其峰值波长为，其峰值波长为1000nm1000nm左右；硫化铅具有很宽的敏感波长范围，其峰值波长约左右；硫化铅具有很宽的敏感波长范围，其峰值波长约2300nm2300nm。（。（0.70.7峰值左右为敏感波长峰值范围）峰值左右为敏感波长峰值范围）（2 2）光照特性光照特性 光敏电阻的
15、光照特性是指在光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下一定的电压下，光电流光电流I I 与光照强度与光照强度E E 的关系的关系。如图。如图8 84 4所示，光敏电阻具有很高所示，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。宜作计量元件。图84 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 3）伏安特性伏安特性 光敏电阻的伏安特性是指在光敏电阻的伏安特性是指在
16、一定强度的光照下一定强度的光照下，光敏光敏电阻的端电压与光电流的关系电阻的端电压与光电流的关系。如图。如图8 85 5所示，伏安特性所示，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。电压的要求，超过此极限值将会导致元件永久性损坏。图85 光敏电阻的伏安特性 (4(4）频率特性频率特性 频率特性系指光敏电阻上的频率特性系指光敏电阻上的光电流对入射光调制频率光电流对入射光调制频率的响应特性
17、的响应特性。如图。如图8 86 6所示，一般来说，调制频率所示，一般来说，调制频率f f 越高越高，电流相对灵敏度，电流相对灵敏度K Kr r 越低，这反映光敏元件具有一定的越低，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。照越强，响应的时间越短。图86 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 5）温度特性温度特性 温度特性系指温度特性系指光敏电
18、阻工作特性受温度的影响光敏电阻工作特性受温度的影响。例如。例如温度升高时，它的暗电阻减小，即暗电流增加、灵敏度下温度升高时，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。图电阻敏感波长减小。图8 87 7是硫化铅光谱温度特性。是硫化铅光谱温度特性。图87 硫光铅光谱温度特性 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。在在PNPN结电场作用下，结电场作用下，N N区的光生空穴被拉区的光生空穴被拉向向P P区，区，P P区的光生电子区的光生电子被拉向
19、被拉向N N区区；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88 光电池的光电效应 二、光电池二、光电池 1 1光电池的光电效应光电池的光电效应 光电池是典型的光生伏特效应器件光电池是典型的光生伏特效应器件。无光照时，两。无光照时，两浓度差很大的杂质半导体浓度差很大的杂质半导体P P和和N N因因扩散运动形成一个大面积扩散运动形成一个大面积的的PNPN结结，PNPN结电场方向是由结电场方向是由N N区指向区指向P P区，如图区，如图8 88 8所示。所示。当光照射到当光照射到PNPN结上时，如果光子能量足够大，就将在结上
20、时，如果光子能量足够大，就将在PNPN结附近激发出大量的电子结附近激发出大量的电子空穴对。空穴对。在在PNPN结电场作用下，结电场作用下，N N区的光生空穴被拉区的光生空穴被拉向向P P区，区，P P区的光生电子区的光生电子被拉向被拉向N N区区；其结果在；其结果在P P区区聚积正电荷，带正电，在聚积正电荷，带正电，在N N区聚积负电荷，带负电，区聚积负电荷，带负电，即在即在P P区和区和N N区间形成一定区间形成一定伏特数的电位差，称之伏特数的电位差，称之为光生电势。为光生电势。图88 光电池的光电效应 2 2光电池的基本特性光电池的基本特性 光电池的种类很多，如硒光电池、锗光电池、硅光光电
21、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。、频率特性好、换能效率高，且工作性能稳定。（1 1）光谱特性光谱特性 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，图光电池对入射光波长的敏感范围是不同的，图8 89 9为硅光为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。电池和硒光电池的光谱特
22、性曲线。从图中可知，从图中可知，硅光电池敏感波长范围是硅光电池敏感波长范围是4504501100nm1100nm，峰值波长为，峰值波长为800nm800nm；硒光电池敏感波长范围是；硒光电池敏感波长范围是380380750nm750nm，峰值波长在，峰值波长在500500附近。可见，硅光电池适应光波长附近。可见，硅光电池适应光波长的范围比硒光电池宽得很多。的范围比硒光电池宽得很多。图89光电池的光谱特性 （2 2）光照特性光照特性 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，图电流，图8 81010所示为硅光电池的光照特性。所示为硅光电池的
23、光照特性。图810 硅光电池光照特性 图中图中短路电流是指光电流输出端短路时的电流，即光短路电流是指光电流输出端短路时的电流，即光生电流生电流。硅光电池短路电流密度约为。硅光电池短路电流密度约为151530mA/cm30mA/cm2 2，此电，此电流在很宽的光照范围内都具有线性关系，因而流在很宽的光照范围内都具有线性关系，因而光电池宜作光电池宜作电流源使用电流源使用。图中图中开路电压是指光电池输出端开路时的电压，即光开路电压是指光电池输出端开路时的电压，即光生电势生电势。单片硅光电池的开路电压约为。单片硅光电池的开路电压约为0.450.450.6V0.6V，此电，此电压在压在20002000L
24、 LX X以内光照下趋于线性，在以内光照下趋于线性，在20002000L LX X以上为非线性以上为非线性，因而，因而光电池不宜作电压源使用光电池不宜作电压源使用。图图8 81111是光电池是光电池开路电压和短路电流开路电压和短路电流的实验电路。的实验电路。在此在此实验实验电路中，忽略了电路中，忽略了光电池光电池PNPN结结电容及结结电容及PNPN结漏电流结漏电流的影响。的影响。光电池的开路电压等于图（光电池的开路电压等于图（a a）中的光生电势）中的光生电势E E，光电，光电池的短路电流等于图（池的短路电流等于图（b b）中的光生电流）中的光生电流I IS S。实验表明，。实验表明，负载电阻
25、负载电阻R RL L越小，光照特性的线性关系越好越小，光照特性的线性关系越好，因而在使用，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。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 3）频率特性频率特性 光电池输出光电流随入射光调制频率的关系如图光电池输出光电流随入射光调制频率的关系如图8 81212所示。由图可知，所示。由图可知，硅光电池具有较稳定的频率特性硅光电池具有较稳定的频率特性，适，适用于作高速计数的运算器电池。用于作高速计数的运算器电池。图812 光电池的频
26、率特性 （4 4）温度特性温度特性 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变化的关系。图。图8 81313是硅光电池在是硅光电池在10001000L LX X照度下的温度照度下的温度特性。特性。图813 硅光电池的温度特性 由图可知，由图可知，硅光电池的开路电压随温度升高而迅速下硅光电池的开路电压随温度升高而迅速下降降，温度每上升，温度每上升11，开路电压约降低，开路电压约降低3mV3mV。硅光电池的短硅光电池的短路电流随温度升高而缓慢上升路电流随温度升高而缓慢上升，温度每上升，温度每上升11，短路电，短路电流约增加流约增加2A2
27、A。由于温度变化对光电池的光电转换性能影响很大，因由于温度变化对光电池的光电转换性能影响很大，因而而光电池在作为测量元件使用时，一定要有恒温或温度补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偿措施。同时，在强光照射时必须考虑光电池。同时，在强光照射时必须考虑光电池PNPN结的热容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限及散热措施。通常，硅光电池使用温度不允许超过125125。三、光敏二极管和光敏晶体管三、光敏二极管和光敏晶体管 1 1光敏管的光电效应光敏管的光电效应 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器件
28、。图。图8 81414是光敏二极管的原理结构和基本电路。是光敏二极管的原理结构和基本电路。图814 光敏二极管原理结构和基本电路 工作于反向偏置状态工作于反向偏置状态下的下的光敏二极管具有典型的光生光敏二极管具有典型的光生伏特效应伏特效应。无光照射时，处于反偏状态下的光敏二极管呈。无光照射时，处于反偏状态下的光敏二极管呈高阻截止状态，只有少数载流子形成极小的暗电流。高阻截止状态，只有少数载流子形成极小的暗电流。当有当有光照射时，光生电子和空穴在光照射时，光生电子和空穴在PNPN结电场和外加反向偏压的结电场和外加反向偏压的共同作用下，形成光电流共同作用下，形成光电流I I。光照越强，光激发的光生
29、电。光照越强，光激发的光生电子和空穴越多，形成的光电流越大，光敏二极管呈低阻导子和空穴越多，形成的光电流越大，光敏二极管呈低阻导通状态。通状态。图图8 81515是光敏晶体管的原理结构和基本电路。是光敏晶体管的原理结构和基本电路。图815 光敏晶体管原理结构和基本电路 光敏晶体管是在光敏二极管的基础上，为了获得更大光敏晶体管是在光敏二极管的基础上，为了获得更大的电流增益，根据一般三极管的电流放大原理，利用硅或的电流增益，根据一般三极管的电流放大原理，利用硅或锗单晶制成的锗单晶制成的NPNNPN或或PNPPNP结构。如图结构。如图8 81515所示，光敏晶体所示，光敏晶体管亦有发射区、基区和集电
30、区，基区是受光区，为了扩大管亦有发射区、基区和集电区，基区是受光区，为了扩大光的照射面，基区的面积比较大。光敏晶体管的基区通常光的照射面，基区的面积比较大。光敏晶体管的基区通常无电极引线，工作时相当于基极开路，因而无光照射，只无电极引线，工作时相当于基极开路，因而无光照射，只能形成很小的暗电流。能形成很小的暗电流。当有光照射时，基区产生的光生电当有光照射时，基区产生的光生电子和空穴形成基极电流，此电流在外加集电结反偏电压作子和空穴形成基极电流，此电流在外加集电结反偏电压作用下，放大而成为集电极电流用下，放大而成为集电极电流。由此可见光敏晶体管有光。由此可见光敏晶体管有光照时的输出电流是光生电流
31、的照时的输出电流是光生电流的倍，因而有倍，因而有比光敏二极管比光敏二极管更高的灵敏度更高的灵敏度。2 2光敏管的基本特性光敏管的基本特性 （1 1）光谱特性光谱特性 光敏二极管和光敏晶体管都是由硅或锗材料作敏感元光敏二极管和光敏晶体管都是由硅或锗材料作敏感元件，这两种敏感元件的光谱特性如图件，这两种敏感元件的光谱特性如图8 81616所示。所示。图816 光敏管的光谱特性 锗管的敏感波长范锗管的敏感波长范围是围是5005001800nm1800nm，峰，峰值波长约为值波长约为1500nm1500nm。显。显然锗管的敏感范围比硅然锗管的敏感范围比硅管大，由于锗管温度性管大，由于锗管温度性能比较差
32、，因而测可见能比较差，因而测可见光时，主要用硅管，探光时，主要用硅管，探测红外光时，主要用锗测红外光时，主要用锗管管。（2）光照特性 光敏二极管与光敏晶体管的光照特性有明显不同，以硅管为例如图817所示。光敏二极管的光照特性近似为线性关系光敏二极管的光照特性近似为线性关系；光敏晶光敏晶体管的光照特性为非线性体管的光照特性为非线性，照度较小时，光电流随光照度加强而缓慢增加，当光照度较大时，光电流又趋于饱和。放大倍数在小电流和大电流时都要下降的缘故，光敏晶体管不利于弱光和强光检测。（a）光敏二极管 （b）光敏晶体管 图817 硅光敏管的光照特性 （3）伏安特性 图818为硅光敏管在不同照度下的伏安
33、特性。由图可见光敏管的输出电流与所加的偏置电压关系不大，具有近似的恒流特性具有近似的恒流特性；光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍，因而具有更高的灵敏度；光敏二极管在零偏压下就有一定的电流输出，光敏晶体管有一段死区电压。（a）光敏二极管 （b）光敏晶体管 图818 硅光敏管的伏安特性 （4）频率特性 光敏二极管的频率特性较好光敏二极管的频率特性较好，是半导体光敏器件中最好的一种，其响应速度达0.1s，截止频率高，适用于快速变化的光调制信号。光敏晶体管由于基区面积大，载流子穿越基区所需的时间长，因而其频率特性比二极管差。无论是哪一类光敏管，其负载电阻越无论
34、是哪一类光敏管，其负载电阻越大，频率特性愈差大，频率特性愈差，图819 硅光敏晶体管频率特性 图819为硅光敏晶体管的频率特性。锗光敏管比硅光敏管频率特性差。（5）温度特性 无论是硅管还是锗管，对温度的变化都比较敏感，温度升高，温度升高，热激发产生的电子热激发产生的电子空穴对增加，使暗电流上升空穴对增加，使暗电流上升。尤其是锗管，其暗电流较大，温度特性较差，如图820（a）所示。温度升高对光温度升高对光电流影响不大电流影响不大，如图820（b）所示。对于在高温低照度下工作的对于在高温低照度下工作的光敏晶体管，此时暗电流上升、亮电流下降，使信噪比减小；为了光敏晶体管，此时暗电流上升、亮电流下降，
35、使信噪比减小；为了提高信噪比，应采取相应的温度补偿或降温措施提高信噪比，应采取相应的温度补偿或降温措施。图820 光敏管的温度特性 四、常用光电器件的应用四、常用光电器件的应用 常用光电器件用途很广，可组成各种实用的光电传感常用光电器件用途很广，可组成各种实用的光电传感器，下面仅举几例。器，下面仅举几例。1 1光电耦合器光电耦合器 光电耦合器是由一个发光器件和一个光电转换器件组光电耦合器是由一个发光器件和一个光电转换器件组成成，一般用金属或塑料外壳封装。其中，一般用金属或塑料外壳封装。其中发光器件通常都是发光器件通常都是发光二极管，光电转换器件一般是光敏二极管或光敏晶体发光二极管，光电转换器件
36、一般是光敏二极管或光敏晶体管管，如图，如图8 82121所示。所示。图821 光电耦合器的组合形式（a）通用光耦（b）高速光耦（c）高效光耦（d）高速高效率光耦 （1 1）光电转换器光电转换器 光电耦合器按光电转换器的不同可分为四种类型光电耦合器按光电转换器的不同可分为四种类型，如，如图图8 82121所示。图中（所示。图中（a a）的光电转换器是一只光敏晶体管）的光电转换器是一只光敏晶体管，这种光耦结构简单、成本低，常用于，这种光耦结构简单、成本低，常用于50KHZ50KHZ以下工作频以下工作频率，称之为率，称之为通用光耦通用光耦。图中（。图中（b b）的光电转换器是由一只）的光电转换器是由
37、一只光敏二极管和一只高速开关管组成，由于光敏二极管比光光敏二极管和一只高速开关管组成，由于光敏二极管比光敏三极管的响应速度快得多，光敏二极管与高速开关管配敏三极管的响应速度快得多，光敏二极管与高速开关管配合，可获得合，可获得1 1s s左右的响应速度，故称这种光耦为左右的响应速度，故称这种光耦为高速光高速光耦耦。图中（。图中（c c）的光电转换器是由一只光敏晶体管和一只）的光电转换器是由一只光敏晶体管和一只放大管组成，此时虽然入射的光很小，但输出电流可达几放大管组成，此时虽然入射的光很小，但输出电流可达几十十mAmA，故称其为，故称其为高效光耦高效光耦，可以直接驱动后级电路或执行，可以直接驱动
38、后级电路或执行器。图中（器。图中（d d）的光电转换器是一个具有高速、高效率的）的光电转换器是一个具有高速、高效率的固态光电转换器件，固态光电转换器件，称之为称之为高速高效光耦高速高效光耦，用于高速大功用于高速大功率电路中。率电路中。(2(2）发光二极管发光二极管 发光二极管是只有一个发光二极管是只有一个PNPN结的半导体器件。最常用的结的半导体器件。最常用的发光二极管是发光二极管是砷化镓发光二极管砷化镓发光二极管，它和普通二极管一样，它和普通二极管一样，管芯是一个具有单向导电性能的管芯是一个具有单向导电性能的PNPN结；在正向偏压作用下结；在正向偏压作用下，PNPN结空间电荷区势垒下降，引起
39、过量的载流子注入，注结空间电荷区势垒下降，引起过量的载流子注入，注入的电子与空穴加速复合时释放出光子能量，即把电能转入的电子与空穴加速复合时释放出光子能量，即把电能转换成光能。换成光能。砷化镓发光二极管的峰值波长约砷化镓发光二极管的峰值波长约880nm880nm940nm940nm，发出的是近红外光波，对硅和锗光敏器件都比较敏感，发出的是近红外光波，对硅和锗光敏器件都比较敏感。砷化镓发光二极管的砷化镓发光二极管的伏安特性如图伏安特性如图8 82222所示，所示，其正向压降约其正向压降约1 12V2V，小功，小功率管率管1 11.3V1.3V，中功率管，中功率管1.6V1.6V左右，正向压降的大
40、左右，正向压降的大小与正向电流有关。砷化小与正向电流有关。砷化镓发光二极管的反向击穿镓发光二极管的反向击穿电压比较低，其反向电压电压比较低，其反向电压一般不得超过一般不得超过5V5V，否则可，否则可能引起二极管反向击穿。能引起二极管反向击穿。图822 砷化镓发光二极管伏安性 光电耦合器输出、入电流间线性关系较差，因而不宜光电耦合器输出、入电流间线性关系较差，因而不宜作运算电路，但可以广泛应用于电平转换、电路隔离、固作运算电路，但可以广泛应用于电平转换、电路隔离、固态继电器及无触点开关等控制电路中。态继电器及无触点开关等控制电路中。2 2光电转速计光电转速计 图图8 82424是光电转速计原理图
41、和计数输出电路。这里是光电转速计原理图和计数输出电路。这里的光源可以是自炽灯泡，光电转换器是一只光敏晶体管。的光源可以是自炽灯泡，光电转换器是一只光敏晶体管。当旋转轴转动时，光通过遮光盘上的透光孔照射到光敏晶当旋转轴转动时，光通过遮光盘上的透光孔照射到光敏晶体管体管3DU333DU33上，将光信号转换为电信号，经上，将光信号转换为电信号，经40694069反向器整反向器整形输出电脉中，根据电脉冲的个数就知道旋转轴的转速。形输出电脉中，根据电脉冲的个数就知道旋转轴的转速。图824 光电转速计（a）原理图 （b）电路图 3 3反射式固体表面粗糙度计反射式固体表面粗糙度计 图图8 82525是固体表
42、面粗糙度计原理图。光源发出一定是固体表面粗糙度计原理图。光源发出一定照度的光入射到被测固定的表面上，一部分被表面吸收，照度的光入射到被测固定的表面上，一部分被表面吸收，一部分反射到光电池上；被测表面越光滑，反射到光电池一部分反射到光电池上；被测表面越光滑，反射到光电池上的光越强，光电池输出电压越大。根据电压表指示的电上的光越强，光电池输出电压越大。根据电压表指示的电压数，就可以判断被测表面的粗糙度。压数，就可以判断被测表面的粗糙度。图825 固体表面粗糙度计 4 4透射式薄膜厚度计透射式薄膜厚度计 图图8 82626是薄膜厚度计原理图。光源发出一定照度的是薄膜厚度计原理图。光源发出一定照度的光
43、经准直透镜调制成平行光束，垂直入射到被测薄膜上，光经准直透镜调制成平行光束，垂直入射到被测薄膜上，一部分被薄膜吸收和反射，一部分穿过薄膜出射到光电池一部分被薄膜吸收和反射，一部分穿过薄膜出射到光电池上；薄膜越薄，出射光越强，光电池输出电压越大。根据上；薄膜越薄，出射光越强，光电池输出电压越大。根据这种原理，不但可以用于检测薄膜的厚度，印刷机纸张监这种原理，不但可以用于检测薄膜的厚度，印刷机纸张监控，还可以检测液体的混浊度，或气体和固体的透明度。控，还可以检测液体的混浊度，或气体和固体的透明度。图826 薄膜厚度计 5 5红外遥控器红外遥控器 红外遥控器在现代工业控制和家用电器中的应用越红外遥控
44、器在现代工业控制和家用电器中的应用越来越广泛。红外遥控器由红外遥控信号发射器、红外遥控来越广泛。红外遥控器由红外遥控信号发射器、红外遥控信号接收器、遥控指令编码器等部分组成。红外遥控信号信号接收器、遥控指令编码器等部分组成。红外遥控信号发射器电路如图发射器电路如图8 82727所示。所示。图827 红外信号发生器电路图 红外遥控信号发射器由键盘矩阵、M50642AP集成电路信号发生器、陶瓷谐振器、砷化镓红外发光二极管等组成，M50642APM50642AP集成集成信号发生器信号发生器主要由键输入编码电路、键位主要由键输入编码电路、键位扫描脉冲电路、键命令译码电路、多重键判别电路、定时扫描脉冲电
45、路、键命令译码电路、多重键判别电路、定时器电路、振荡电路、编码调制电路和输出缓冲电路等组成器电路、振荡电路、编码调制电路和输出缓冲电路等组成。图828是红外遥控信号接收器应用电路，由光敏二极管和CX20106集成电路组成。集成电路内部设置有放大电路、整形电路、滤波电路及限幅电路等。红外遥控信号红外遥控信号发射器发射出的遥控信号，被红外信号接收器接收后，调发射器发射出的遥控信号，被红外信号接收器接收后，调理成二进制数字脉冲由脚理成二进制数字脉冲由脚7 7输出，再送入遥控器接口电路输出，再送入遥控器接口电路。红外遥控器具有电路结构简单、成本低、操作方便、功能强等优点。红外遥控器在室内使用时，由于近
46、红外红外遥控器在室内使用时，由于近红外光波具有可见光的反射特性，红外信号发射器发射的红外光波具有可见光的反射特性，红外信号发射器发射的红外光波，可以通过室内的墙壁反射到红外信号接射器的光敏光波，可以通过室内的墙壁反射到红外信号接射器的光敏二极管上，因而发射器不必对准接收器二极管上，因而发射器不必对准接收器，这样可以提高遥控的方便性，特别适合于家用电器的遥控。图828 红外信号接收器电路图 第二节 光栅传感器 光栅传感器是用于测位移的光电传感器光栅传感器是用于测位移的光电传感器。光透过光栅。光透过光栅照射到光电器件上，根据光栅的莫尔条纹现象，可实现角照射到光电器件上，根据光栅的莫尔条纹现象，可实
47、现角位移或线位移的测量。用来测量角位移的光栅称作圆光栅位移或线位移的测量。用来测量角位移的光栅称作圆光栅，用来测量直线位移的光栅称作直光栅，其工作原理是一，用来测量直线位移的光栅称作直光栅，其工作原理是一样的，这里仅介绍直线位移光栅传感器。样的，这里仅介绍直线位移光栅传感器。一、莫尔条纹一、莫尔条纹 1 1光栅光栅 光栅又称光栅尺光栅又称光栅尺，光栅尺是由在光学玻璃上面均匀，光栅尺是由在光学玻璃上面均匀刻有许多线条，形成规则排列的透光和不透光的明暗条纹刻有许多线条，形成规则排列的透光和不透光的明暗条纹所组成，如图所组成，如图8 82929所示。所示。图中图中m m 为暗条（不透光条）宽度，为暗
48、条（不透光条）宽度，n n 为亮条（透光条为亮条（透光条）宽度，）宽度，W W=m m+n n 称之为光栅的栅距或光栅常数称之为光栅的栅距或光栅常数。通常。通常，即亮条和暗条具有相同的宽度，亮条（或暗条）密度有，即亮条和暗条具有相同的宽度，亮条（或暗条）密度有每毫米每毫米1010、2525、5050、100100线线/mm/mm等。等。图829 直光栅尺 2莫尔条纹形成 把光栅常数把光栅常数 W W 相等相等的两光栅尺相对叠合在的两光栅尺相对叠合在一起，并使两光栅尺栅一起，并使两光栅尺栅条之间保持很小的夹角条之间保持很小的夹角，如图830（a）所示，在与栅条近乎垂直在与栅条近乎垂直的方向出现明
49、暗相间的的方向出现明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹条纹，称之为莫尔条纹。图中在aa线上的两光栅尺重合，光线可从其缝隙中透过，形成亮带；在bb线上，两光栅尺彼此错开，挡住光线通过，形成暗带。图830（a）莫尔条纹的形成WWOBOCBH222sin 由图830（b）可求出莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距B BH H与光栅常数与光栅常数的关系的关系为 由图由图8 83030（b b）还）还可求出可求出=/2 2，由于，由于角很小，即莫尔条纹的方角很小，即莫尔条纹的方向与向与x x方向夹角很小，因方向夹角很小，因而莫尔条纹的方向近乎垂而莫尔条纹的方向近乎垂直于直光栅尺的栅条。直于直光栅尺的栅条。（81）图8
50、30（b）莫尔条纹的间距 3 3莫尔条纹的主要特性莫尔条纹的主要特性 （1 1）莫尔条纹的间距对光栅常数莫尔条纹的间距对光栅常数W W 具有放大作用具有放大作用 由式（由式（8 81 1）可知，由于形成莫尔条纹的两光栅尺的夹角）可知，由于形成莫尔条纹的两光栅尺的夹角1rad 1rad，即，即B BH H等于等于1/1/倍的倍的W W。例如，当。例如，当W=0.02mmW=0.02mm，=0.01rad0.01rad时，则时，则B BH H=2mm=2mm，将，将W W放大了放大了100100倍。倍。（2 2）莫尔条纹具有消除光栅尺局部缺陷引起的误差莫尔条纹具有消除光栅尺局部缺陷引起的误差 由于
