1、1第7章 光电式传感器 7.1 光源光源7.2 光电器件光电器件7.3 光纤传感器光纤传感器 7.4 光栅式传感器光栅式传感器127.1 光源（发光器件）光源（发光器件）n光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。n光电式传感器对光源的选择要考虑很多因素，例如波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。n常用的光源可分为四大类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光器件等。23 光谱光谱光波：波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm，波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫
2、外线，红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。34远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz，的单位为cm。=31010cm/s45n一、热辐射光源nn 热
3、物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。白炽灯就是一种典型的热辐射光源。钨丝密封在玻璃泡内，泡内充以惰性气体或者保持真空，钨丝被电加热到白炽状态而发光。白炽灯的寿命取决于很多因素，包括供电电压等，在经济成本下寿命可以达到几千小时。n卤钨灯是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英玻璃制作，能够耐3500K的高温，灯泡内充以卤素元素，通常是碘，卤素元素能够与沉积在灯泡内壁上的钨发生化学反应，形成卤化钨，卤化钨扩散到钨丝附近，由于温度高而分解，钨原子重新沉积到钨丝上，这样弥补了灯丝的蒸发，大大延长了灯泡的寿命，同时也解决了灯泡因
4、钨的沉积而发黑的问题，光通量在整个寿命期中始终能够保持相对稳定。n白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约11.5m m，因此可用作近红外光源。对于更远的红外区域，可选用其他热辐射光源，例如硅碳棒或者能斯脱灯等，它们工作在较低的温度下，峰值波长更长。n热辐射光源输出功率大，但对电源的响应速度慢，调制频率一般低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。56 钨丝白炽灯：钨丝白炽灯：用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点特点：寿命短
5、而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。67n二、气体放电光源nn 电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。n低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于
6、光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电灯发出某一特定波长或者某一范围的波长，照明日光灯就是一个典型的例子。n在需要线光源或面光源的情况下，在同样的光通量下，气体放电光源消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。气体放电光源发出的热量少，对检测对象和光电探测器件的温度影响小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。n若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。短弧氙灯的电弧长几毫米，是高亮度的点光源。但氙灯的电源系统复杂，需用高电压触发放电。78气体
7、放电灯：气体放电灯：定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯
8、1/21/3。89三、电致发光器件三、电致发光器件发光二极管发光二极管 LED（Light Emitting Diode）固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流
9、子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。910 电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则gEhcgEchgEh普朗克常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于h c/=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅
10、制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。1011通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550900nm间变化，它已经进入红外区。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350表4.1-1
11、LED材料1112 发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。U/V I/mA 注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。-10 -5 0 12GaAsP(红)GaAsP(绿)1213 发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。0.20.40.60.
12、8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性/nm相对灵敏度1314n 发光二极管的发光效率很大程度上取决于有多少光能够逸出二极管表面，因为大多数半导体材料折射率较高，到达二极管表面的光线大部分将被反射回去。发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流范围约在几十毫安之内，进一步增加会引起发光二极管输出光强饱和直至损坏器件，使用时常串联电阻使发光二极管的电流不会超过允许值。n发光二极管具有体积小、寿命长（106109h）、工作电压低（12V）、响应速度快（几个纳秒至几十纳秒）的优点，在
13、实践中得到了广泛的应用。1415四、激光器四、激光器 激光器是“光受激辐射放大”的缩写。某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收），如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激发射）。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。激光器的突出优点是单色性好、方向性好和亮度高，不同激光器在这些特点上又各有不同的侧重。激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之
14、一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。1516激光器种类繁多，按工作物质分类：n固体激光器（如红宝石激光器）n气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）n半导体激光器（如砷化镓激光器）n液体激光器。1617（1）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石
15、激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。1718（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。1819n氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输出激光的能力。它能够输出从红外的3.3m m到可见光等一系列谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器中应用最广，该谱线的相干性和方向性都很好，输出功率通常小于1mW，可以满足很多光电传感器的要求。氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子
16、发出可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有488nm和514.5nm等,氪离子发出的是红光（647.1752.5nm），它们连续输出的功率可以达到几瓦的数量级，适用于对光源的功率要求比较大的场合，例如光纤分布式温度传感器等。二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为10.6m m,连续输出方式功率可达几瓦，脉冲方式达到几千瓦，是远红外的重要光源。许多气体和有机物在红外区域有吸收谱线，二氧化碳激光器可用作物质分析的光源。在紫外区域气体激光器更是一枝独秀，其它类型激光器还不能工作于这一区域，比较典型的氮气分子激光器输出波长为337nm，在脉冲工作方式下功率可达到兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量
17、级。能够工作在紫外的还有一些准分子激光器，目前能够提供从353nm到193nm的激光输出。由于包括污染物在内的许多物质在紫外区域有独特的吸收特征，随着激光器小型化技术的发展，这类激光器在化学分析、环境保护等方面有很好的应用前景。1920（3）半导体激光器 与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。半导体激光器除了具有一般激光器的特点外，还具有体积小、能量高的特点，特别是它对供电电源的要求极其简单，使
18、之在很多科技领域得到了广泛应用。半导体激光器的输出波长和功率是供电电流和温度的函数，这给半导体激光器用于干涉测量带来不少问题，但是改变供电电流或者温度可以实现对波长在一定范围内的调制，使之成为可调谐激光器。2021（4）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。2122 7.2 光电器件光电器件 1.外光电效应外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=h（7-1）
19、式中：h普朗克常数=6.62610-34(Js)光的频率（s-1）。2223 所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。在光线作用下，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。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，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 232402021Amvhv（7-2）式中：m电子质量；v0电子逸出速度。式（7-2）为爱因斯坦光
20、电效应方程式,由式可知：光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。2021mv2425n一般地说，原子内部各个电子既绕着原子核做轨道运动，同时又做自旋运动，就像地球既绕着太阳公转，同时又自转那样。但是，原子内部的电子可以通过与外界交换能量而从一种运动状态改变为另一种运动状态。对于每一种运动状态来说，原子具有确定的内部能量值，对应为一个能级。同一种元素的原子，能级的情况是相同的。习惯将能量值大的能级称为高能级，能量
21、值小的能级称为低能级，原子的最低能级称为基态。n 处于高能级E2的原子是不稳定的，即使没有外界作用，也将自发地跃迁到低能级E1，发射一个频率为能量为hE2El的光子，如下图所示。大量处于高能级的原子，它们各自独立地发射一列列频率相同的光波。2526n处于低能级E1的原子受到能量为hE2El的光子作用时，吸收这一光子而跃迁到高能级E2的过程。E2E1E2E1自发辐射光hE2ElE2E1E2E1入射光hE2El原子吸收入射光子并跃迁到高能级2627n处于高能级E2的原子，受能量为hE2El的外来光子作用而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来一样的光子。受激辐射的光与入射光具有相同的频率、位相、偏振方
22、向和传播方向。E2E1E2E1入射光hE2El受激辐射光hE2El入射光hE2El2728 2.内光电效应内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：（1）光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。（2）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。28297.2.1 光敏
23、电阻光敏电阻 1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理 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。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。2930 光敏电阻的结构很简单，图7-1（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，
24、称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图7-1（b）所示。图8-1（c）为光敏电阻的接线图。3031图 7-1 光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图金 属 电 极半 导 体玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI(a)(b)(c)Ra3132 2.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 光敏电阻的主要参数有：(1)暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻
25、值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。(2)亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，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称为光电流。3233 3.光敏电阻的基本特性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7-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。（2）光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图7-3为硫
26、化镉光敏电阻的光照特性。3334图 7-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性 403020100I/mA10010001 x500 mW1001 x功率200U/V101 x3435图7-3 光敏电阻的光照特性 0.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4I/mA/lm3536图7-4 光敏电阻的光谱特性 Sr/(%)/A2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉3637 (3)光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的
27、光谱特性，亦称为光谱响应。图7-4 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。3738图7-5 光敏电阻的频率特性 100806040200101001 00010 000硫化镉硫化铅S /(%)f/Hz3839 （4）频率特性 实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常
28、数都较大，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），因而它们的频率特性也就各不相同。图7-5为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，相比较，硫化铅的使用频率范围较大。3940图 7-6 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 1.02.03.04.00204060801002020/mS /(%)4041 (5)温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，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也随之改变，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7-6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。因此，
29、硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。4142 表表 7-1 几种光敏电阻的特性参数几种光敏电阻的特性参数 42437.2.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 1.结构原理结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可
30、以直接受到光照射（见图7-7）。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图7-8），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。4344图 7-7 光敏二极管结构简图和符号 NP光4445图 7-8 光敏二极管接线图 RLE4546 光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如图7-9（a）所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光
31、敏晶体管接线如图7-9（b）所示，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。4647 光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图7-10是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力大大加
32、强，甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。4748图 8-9 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路 NPc光Nebbec(a)(b)RLE4849图7-10 达林顿光敏管的等效电路(a)结构简化模型；(b)基本电路 ce4950 2.基本特性基本特性 (1)光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图7-11所示。从曲线可以看出，硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰值波长约为1.5 m，此时灵敏度最大，而当入射光的波长增
33、长或缩短时，相对灵敏度都会下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。5051图 7-11 光敏二极(晶体)管的光谱特性10080604020041028102121021610220102入射光锗硅/nmS/(%)5152 (2)伏安特性 图7-12（a）为硅光敏二极管的伏安特性，横坐标表示所加的反向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。图7-12（b）为硅光敏晶体管的伏安特性。纵坐标为光电流，横坐标为集
34、电极-发射极电压。从图中可见，由于晶体管的放大作用，在同样照度下，其光电流比相应的二极管大上百倍。5253图 7-12 硅光敏管的伏安特性(a)硅光敏二极管;(b)硅光敏晶体管 0.100.080.060.040.02I/mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x010 2030405010864201020304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI/mA反向电压/V集电极发射极电压/V(a)(b)5354图7-13 光敏晶体管的频率特性 100806040200110100100 k10 kRL1 kS/(%)f/kHz5
35、455 （3）频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10s。光敏晶体管的频率特性受负载电阻的影响，图7-13为光敏晶体管频率特性，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小。5556图 7-14 光敏晶体管的温度特性100255020 30 40 50 60 7010 20 30 40 50 60 70 80100200300400温度/暗电流/mA光电流/A温度/(a)(b)5657 (4)温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏
36、晶体管的温度特性曲线如图7-14所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小(图(b)，而对暗电流影响很大(图(a)，所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。5758表表 7-2 2CU型硅光敏二极管的基本参数型硅光敏二极管的基本参数 5859表表7-3 3DU型硅光敏晶体管的基本参数型硅光敏晶体管的基本参数 59607.2.3 光电池光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，
37、若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图7-15为硅光电池原理图。6061图 7-15 硅光电池原理图(a)结构示意图；(b)等效电路 A硼 扩 散 层SiO2膜P型 电 极N型 硅 片PN结电 极AII(a)(b)6162 光电池基本特性有以下几种：(1)光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图7-16为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8m附近，硒光电池在0.5
38、m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，而硒光电池只能为0.380.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。6263 (2)光照特性 光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图7-17为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。从图中看出，短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。6364图7-16 硅光电池的光谱特性 0400600800 10001
39、20020406080100/nmS/%硒硅6465图 7-17 硅光电池的光照特性 0.30.20.10光生电流/mA0.60.40.202 0004 000短路电流开路电压光生电压/V照度/lx6566 （3）频率特性 图7-18分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。图7-18 硅光电池的频率特性 150030004500 6000 7500020406080100f/Hz相对光电流/(%)硒 光 电 池硅 光 电 池6667 (4)温度特性 光电池的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情况。由于它关系到应用光电池
40、的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图7-19所示。从图中看出，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。6768图 7-19 硅光电池的温度特性 2040608010001002003004005002.22.01.8开路电压短路电流温度/U/mVI/mA6869表表7-4 硅光电池硅光电池2CR型特性参数型特性参数 6970表表7-4 硅光电池硅光电池2CR型特性参数型特性参数 70717
41、.2.4 光电耦合器件光电耦合器件 光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。根据其结构和用途不同，它又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。1.光电耦合器光电耦合器 光电耦合器的发光元件和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光电接收元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。图7-20为光敏三极管和达林顿光敏管输出型的光电耦合器。为了保证光电耦合器有较高的灵敏度
42、，应使发光元件和接收元件的波长匹配。7172图7-20 光电耦合器组合形式 输入输出输入输出(a)(b)7273 2.光电开关光电开关 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。图7-21为典型的光电开关结构图。图(a)是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。图(b)是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在
43、处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。7374 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高-低”(1-0)之分即可。图8-22 是光电开关的基本电路示例。图（a）、（b）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，图（c）表示用晶体管放大光电流的情况。光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等。7475图7-21 光电开关的结构(a)透射式；(b)反
44、射式 发 光 元 件窗接 收 元 件壳 体导 线接 收 元 件发 光 元 件壳 体导 线(a)(b)反 射 物7576图7-22 光电开关的基本电路 R VccCD4584(a)R Vcc(b)R Vcc(c)SN741476777.2.5 电荷耦合器件电荷耦合器件 电荷耦合器件（Charge Couple Device,缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面
45、，尤其适用以上领域中的图像识别技术。7778 1.CCD的结构及工作原理的结构及工作原理 （1）结构 CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器，如7-23(a)所示。它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约120 nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。7879图7-23 MOS电容器（a）MOS电容截面；（b）势阱图 金 属Ug氧 化 物 SiO2沟 阻耗 尽 区(势 阱)衬 底少 数 载 流 子P Si势
46、阱信 号 电 荷表 面 势(a)(b)7980 (2)工作原理 构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱，如图7-23(b)所示。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，存储了电
47、荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被排斥出耗尽区。并且在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，Si表面吸收少数载流子表面势(半导体表面对于衬底的电势差)也越大，这时势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。8081 CCD的信号是电荷，那么信号电荷是怎样产生的呢？CCD的信号电荷产生有两种方式：光信号注入和电信号注入。CCD用作固态图像传感器时，接收的是光信号，即光信号注入。图7-24（a）是背面光注入方法，如果用透明电极也可用正面光注入方法。当CCD器件受光照射时，在栅极附近的半导体内产生电子-空穴对，其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中，形成
48、信号电荷，并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强，从而可以反映图像的明暗程度，实现光信号与电信号之间的转换。所谓电信号注入，就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换成信号电荷。图7-24（b）是用输入二极管进行电注入，该二极管是在输入栅衬底上扩散形成的。当输入栅IG加上宽度为t的正脉冲时，输入二极管PN结的少数载流子通过输入栅下的沟道注入1电极下的势阱中，注入电荷量Q=IDt。8182 7-24 电荷注入方法（a）背面光注入；（b）电注入 PSi(a)tIDnIG1231PSiQ IDt(b)8283 CCD最基本的结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器，这些电
49、容器用同一半导体衬底制成，衬底上面涂覆一层氧化层，并在其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求。下面以三相（也有二相和四相）时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向转移的过程。把MOS光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控制电压1、2、3，见图7-25（b），控制电压1、2、3的波形见图8-25（a）所示。8384图7-25 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程 123t1t2t3
50、t4(a)ot8485图7-25 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程 213123456一级二级t t1t t2t t3t t4(b)PSi8586 当t=t1时，1相处于高电平，2、3相处于低电平，在电极1、4下面出现势阱，存储了电荷。在t=t2时，2相也处于高电平，电极2、5下面出现势阱。由于相邻电极之间的间隙很小，电极1、2及4、5下面的势阱互相耦合，使电极1、4下的电荷向电极2、5下面势阱转移。随着1电压下降，电极1、4下的势阱相应变浅。在t=t3时，有更多的电荷转移到电极2、5下势阱内。在t=t4时，只有2处于高电平，信号电荷全部转移到电极2
