传感器第8章 光电式传感器

1、第八章第八章 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器，其 理论基础是光电效应。对非电量进行测量时，只要将被测 非电量的变化转化成光信号的变化，通过光电传感器，就 可以将该非电量的变化转换成电量的变化。光电传感器具 有结构简单、精度高、响应快、非接触测量等优点，因此 在检测和控制系统中得到广泛应用。 随着科学的发展和绿色能源的广泛应用，根据光电效应制 成的光电池也越来越多的使用到各个领域。本章在研究光 电式传感器同时，也介绍了太阳能光电池的相关知识。 8.1 光电效应光电效应 当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰 击，于是物体材料中的电子吸收光子能

2、量而发生相应的电 效应（如电导率变化、发射电子或产生电动势等），这种 现象就称为光电效应。通常将光电效应分：外光电效应、 内光电效应（光电导效应和光生伏特效应）。 外光电效应 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。 根据光的波粒二象性，光是一种以光速运动的粒子流，这 种粒子称为光子，光子具有能量，每个光子的能量可由下 式确定 E= h v （8-1） 式中 h 普朗克常数，6.62610 （Js）；v 光的频率（s）。 对不同频率的光，光子的能量是不同的，频率越高，光子 能量越大，并且光

3、子的能量是一份一份的，一个光子的全 部能量只能一次性的释放或被电子吸收。当光照射到物体 时，物体中的电子吸收入射光子的能量，当足以克服逸出 功时，电子就逸出物体表面，产生光电子。因此，如果一 个电子想要逸出，光子能量h v必须超过逸出功，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 h v= +A0 (8-2) 式中：m 电子质量；v0电子逸出速度；A0逸出功。 34 2 0 2 1 mv 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由式（8-2）可知： 1.光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的 表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，这 意味着每一个物体都有一个对应的光频阀

4、值，称为红限频 率或波长。光线频率低于红限频率，光子的能量不足以使 物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再 大也不会产生光电子反射；反之入射光频率高于红限频率， 即使光线微弱，也会有光电子射出。 2当入射光的频率不变时，产生的光电流与光强成正比， 即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的光电子数 也就越多。 3光电子逸出物体表面具有初始动能 ，因此外光 电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电 流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且 截止电压与入射光的频率成正比。 2 0 2 1 mv 二、内光电效应 在光照下，物体的电导率发生变化或产生一定方向光生电 动势

5、的现象，称为内光电效应。 1光电导效应 当光照射在物体上，使物体的电导率（1/R）或电阻率发 生变化的现象，称为光电导效应，基于这种效应的光电器 件有光敏电阻。这是因为在光线作用下，电子吸收光子能 量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化。 当光照射到光电导体上时，若该光电导体为本征半导体材 料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子 将被激发到导带上去，如图8-1所示，从而使导带的电子 和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为了实现 能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽 度Ef，即 （8-3） 式中v、分别为入射光的频率和波长。 也就是说，对于一种光电导体

6、材料，总存在一个照射光波 长极限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才 能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。 1.24 f hc hE 图8-1 电子能级示意图 2.光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光 生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二 级管、光敏三极管。 （1）势垒效应（结光电效应） 当光线照射PN结时，若光子能量大于禁带宽度Ef，则价 带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层 内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光 激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负 电，形成光电动势，这就是结光电效应。 （2

7、）侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将 会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量 产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部 分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载 流子要扩散。 如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电 子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未 被光照射的部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光 电势。 下面几节将介绍利用外光电效应和内光电效应制作的光电 器件。 8.2 外光电效应的光电器件外光电效应的光电器件 利用物质在光的照射下发射电子的所谓外光电效应而制成 的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件

8、，如光电 管和光电倍增管。 8.2.1光电管及其基本特性光电管及其基本特性 （一）结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似， 如图8-2所示。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密 封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂 有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形， 置于玻璃管的中央。当光照在阴极上时，中央阳极可收集 从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流I，如图 (b)所示。 充气光电管内充有少量的惰性气体如氩或氖，当充气光电 管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和气体 的原子发生碰撞而使气体电离，因此增加了光电流，从而 使光电管的灵敏度增

9、加，但导致充气光电管的光电流与入 射光强度不成比例关系。因而使其稳定性较差、惰性大、 温度影响大、容易衰老等一系列缺点。目前由于放大技术 的提高，对于光电管的灵敏度不再要求那样严格，况且真 空式光电管的灵敏度也正在不断提高。在自动检测仪表中， 由于要求温度影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空 式光电管。 图8-2 光电管的结构 （二）主要性能 光电器件的性能主要是由伏安特性、光照特性、光谱特性、 响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。由于篇幅限制， 本书仅对最主要的特性作简单叙述。 （1）光电管的伏安特性。在一定的光照射下，对光电器件 的阴极所加电压U与阳极所产生的电流I之间的关系称为光 电

10、管的伏安特性。真空光电管和充气光电管的伏安特性分 别如图8-3（a）和（b）所示。它是应用光电传感器参数 的主要依据。 图8-3 真空光电管和充气光电管的伏安特性 （2）光电管的光照特性。其特性曲线如图8-4所示。曲线 1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线 性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性 关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比） 称为光电管的灵敏度。 图8-4 光电管的光照特性 （3）光电管光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光 电管，它们有不同的红限频率v，因此它们可用于不同的 光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率 高于红限频率

11、v，并且强度相同，随着入射光频率的不同， 阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不 同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。 所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电 阴极。国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。 其红限=7000 （埃），它对可见光范围的入射光灵敏 度比较高，转换效率可达2530。这种管子适用于白 光光源，因而被广泛的应用于各种光电式自动检测仪表中。 对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外 光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。 另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500 ， 灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新

12、型 的光电阴极。但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱 特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管 可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车上的夜 视镜等。 8.2.2 光电倍增管及其基本特性光电倍增管及其基本特性 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有 零点几个微安，很不容易探测。这时常用光电倍增管对光 电流进行放大，图8-5是光电倍增管的外形和工作原理图。 图8-5 光电倍增管的外形和工作原理 （一）光电倍增管的结构 光电倍增管由光阴极、次阴极（倍增电极）及阳极三部分 组成，如图8-5所示。光阴极是由半导体光电材料锑铯做 成。次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料

13、而形成 的。次阴极多的可达30级，通常为1214级。阳极是最 后用来收集光电子的。它输出的是电压脉冲。 （二）工作原理 光电倍增管除光电阴极外，还有若干个倍增电极。使用时 在各个倍增电极上均加上电压。阴极电位最低，从阴极开 始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。同时 这些倍增电极用次级发射材料制成，这种材料在具有一定 能量的电子轰击下，能够产生更多的“次级电子”。由于 相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对 电子加速。从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到 第一个倍增电极上，引起二次电子发射。 每个电子能从这个倍增电极上打出36倍个次级电子，被 打出来的次级电子再经过电场

14、的加速后，打在第二个倍增 电极上，电子数又增加36倍，如此不断倍增，阳极最后 收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105106倍。即 光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。光电倍 增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万倍。因此在 很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。 （三）主要参数 （1）倍增系数M 倍增系数M等于各个倍增电极的二次发射电子数i的乘积。 如果n个倍增电极的i都一样，则。因此，阳极电流I为 （8-4） 式中i光电阴极的光电流。光电倍增管的电流放大倍 数为 （8-5） M与所加电压有关，一般M在105到108之间。如果电压 有波动，倍增系数也要波动。因此M具有一定的统计

15、涨落。 一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻 的倍增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好， 这样可以减少统计涨落，从而减少测量误差。 n i Ii n i I i （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的 灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电 倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的实际放大倍数或灵敏度如图8-6所示。它的 最大灵敏度可达10A/lm（安培/流明），极间电压越高， 灵敏度越高。但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极 电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照 射，否则将会损

16、坏。 图8-6 光电倍增管的特性曲线 （3）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使 用，使其只对入射光起作用。但是由于环境温度、热辐射 和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳 极仍有电流，这种电流称为暗电流。这种暗电流通常可以 用补偿电路加以消除。 光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体，就构成闪烁计数器。 在闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线的照射后，光电倍增 管就会有电流信号输出。这种电流称为闪烁计数器的暗电 流，一般把它称为本底脉冲。 （4）光电倍增管的光谱特性 光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很 相似。 8.3 内光电效应器件内光电效应器

17、件 利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的内光 电效应器件，常见的有光敏电阻和光电池、光敏晶体管等。 8.3.1 光敏电阻光敏电阻 （一）结构和原理 光敏电阻又称光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制 成。光敏电阻的结构较简单，如图8-7（a）所示。在玻 璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两 端装上金属电极，使电极与半导体层可靠的电接触，然后， 将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在 半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它 在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。 光敏电阻连接电路如图8-7（b）所示，在外加电压的作用 下，用光照射就能改变电路中电流

18、的大小。光敏电阻在受 到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻 Ra值下降，所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随 之变化。光线越强，电流越大，因而可将光信号转换为电 信号；当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值。 图8-7 光敏电阻结构与电路连接 并非一切纯半导体都能显示出光电特性。对于不具备这一 条件的物质可以加入杂质使之产生光电效应特性。用来产 生这种效应的物质由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组 成。如硫化镉、硫化铅、硫化铊、硫化铋、硒化镉、硒化 铅、碲化铅等。光敏电阻的使用取决于它的一系列特性， 如暗电流、光电流、光敏电阻的伏安特性、光照特性、光 谱特性、频率特性、温度

19、特性以及光敏电阻的灵敏度、时 间常数和最佳工作电压等。 光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使 用寿命、高度的稳定性能、很小的体积、以及简单的制造 工艺，所以被广泛的用于自动化技术中。 （二）光敏电阻的特性 （1）暗电阻、亮电阻与光电流。 光敏电阻在室温全暗条件下测的的稳定电阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流；在室温和一定光照条件下测 得的稳定电阻值称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮 电流与暗电流之差称为光电流。 光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级，亮电阻在几 千欧以下。一般暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵 敏度越高。暗电阻与亮电阻之比一般在102106之间， 这

20、个数值是相当可观的。 （2）光敏电阻的伏安特性。 在一定的光照条件下，光敏电阻两端所加的电压与流过光 敏电阻电流之间的关系，称为光敏电阻的伏安特性。如图 8-8所示曲线1、2分别表示不同照度时的伏安特性曲线。 由曲线可知，光敏电阻的伏安特性近似直线，在给定偏压 下，光照度越大，光电流也越大；在一定的光照度下，所 加的电压越大，光电流越大，而且没有饱和现象，但电压 不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高 工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额 定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。图中虚线为允许 功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。 图8-8 光敏电阻的伏安特性 （3

21、）光敏电阻的光照特性。 光敏电阻的光照特性用于描述光电流I和光照强度之间的 关系，如图8-9所示。不同光敏电阻光照特性曲线是不相 同的，而且绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的， 因此不宜作线性测量元件，一般用作开关式的光电转换器。 图8-9 光敏电阻的光照特性 （4）光敏电阻的光谱特性。 对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。几种常 用光敏电阻材料的光谱特性如图8-10所示。从图中看出， 硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域。 因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来 考虑，才能获得满意的结果。 图8-10 光敏电阻的光谱特性 （5）光敏电阻的响应时间和频率特

22、性。 实验证明光敏电阻的光电流不能立刻随着光照量的改变而 立即改变，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这个 惰性通常用时间常数（也可以叫迟滞时间）来描述。所 谓时间常数即为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来 的63所需要的时间，因此，时间常数越小，响应越迅 速。但大多数光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点 之一。 图8-11所示为硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性。 硫化铅的使用频率范围最大， 其它都较差。目前正在通过工艺改进来改善各种材料光敏 电阻的频率特性。 图8-11 光敏电阻的频率特性 （6）光敏电阻的温度特性。随着温度不断升高，光敏电 阻的暗电阻和灵敏度都要下降，同时温度变化也

23、影响它的 光谱特性曲线。图8-12表示出硫化铅的光谱温度曲线。 从图中可以看出。它的峰值随着温度上升向波长短的方向 移动。因此有时为了提高元件的灵敏度，或为了能够接受 较长波段的红外辐射而采取一些制冷措施。 图8-12 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 1.光电池的结构原理 图8-13硅光电池结构示意图 8.3.2光电池光电池 图8-14硒光电池结构示意图 图8-15光电池的光谱特性 2.光电池的主要特性 图8-16光电池的光照特性 图8-17光电池的频率特性 图8-18光电池的温度特性 8.3.3 光敏晶体管光敏晶体管 光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作 原理是基于内光电效应。

24、（一）结构与工作原理 光敏二极管的符号如图8-13所示。锗光敏二极管有A、B、 C、D四类。锗光敏二极管有2CU1AD系列，1DU14 系列。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结装在管顶，可直接受到光照射。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图8- 14所示。当光敏二级管受光照射时，它的工作原理与光 电池很相似，处于导通状态。且光电流I与照度之间呈线 性关系，适合检测等方面的应用。当光敏二极管未受光照 射时，反向电阻很大，反向电流很小，光敏二极管处于截 止状态。 图8-13 光敏二极管的结构原理 图8-14 光敏二极管接线法 光敏三极管的结构与一般三极管

25、很相似，有PNP和NPN型 两种，如图8-15所示。只是它的发射极一边做得很大， 以扩大光的照射面积，且其基极往往不接引线。 图8-15 光敏三极管的符号图和基本工作电路 光敏三极管像普通三极管一样有两个PN结，因此具有电 流增益，比光敏二极管具有更高的灵敏度。光敏三极管的 基本工作线路如图8-15（b）示。当集电极加上正电压， 基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集 电结的基区时，会产生电子空穴对，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。 （二）基本特性 （1）光敏晶体管的光谱特性

26、 在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光 波波长的变化而变化。光敏晶体管的光谱特性曲线如图8- 16所示。 从曲线可以看出，光敏晶体管存在一个最佳灵敏度的 峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降， 这是容易理解的。因为光子能量太小，不足以激发电子空 穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是 由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的 电子空穴对不能达到PN结，因而使相对灵敏度下降。 图8-16 光敏晶体管的光谱特性 硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长15000 。由 于锗管的暗电流比硅管大。因此锗管的性能较差，故在可 见光或探测赤热状态物体时，一般都选用硅

27、管。但对红外 线进行探测时，则采用锗管较合适。 （2）光敏晶体管的伏安特性 光敏晶体管的伏安特性曲线如图8-17所示。光敏三极管 在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基 极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射 极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极 电流。就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管 能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。 图8-17 光敏晶体管的伏安特性 （3）光敏晶体管的光照特性 光敏晶体管的光照特性如图8-18所示。它给出了光敏 晶体管的输出电流I0和照度E之间的关系。它们之间呈现 了近似线性关系。当光照足够大（几千勒克司）时，

28、会出 现饱和现象。从而使光敏晶体管既可作线性转换元件，也 可作开关元件。 图8-18 光敏晶体管的光照特性 （4）光敏晶体管的温度特性 光敏晶体管的频率特性曲线如图8-19所示。它反映的 是光敏晶体管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲 线上可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电 流的影响很大。所以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。 图8-19 光敏晶体管的温度特性 （5）光敏晶体管的频率特性 光敏晶体管的频率特性曲线如图8-20所示。光敏晶体管 的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频 率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应应比光敏二极 管差。对

29、于锗管，入射光的调制频率要求在5000HZ以下。 硅管的频率响应要比锗管好。实验证明，光敏三极管的截 止频率和它的基区厚度成正比关系。如果要求截止频率高， 那么基区就要薄。但基区变薄，光电灵敏度将降低。在制 造时要适当兼顾两者。 图8-20 光敏晶体管的频率特性 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。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光 二极管, 光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏 三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，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

30、光电耦合器 光电耦合器的发光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。 2. 光电开关 2. 光电开关 8.4.1 高速光电二极管高速光电二极管 随着高速光通信和信息处理技术的发展，提高光电传感 器的响应速度变得越来越重要；人们相继研制了一批高速 光电器件，例如，PIN结光电二极管、雪崩光电二极管等。 （一）PIN结光电二极管 PIN结光电二极管结构如图8-21所示。它与一般PN结光 敏二极管不同之处在于P层和N层之间增加了一层很厚的 高电阻率的本征半导体（I）。同时，将P层做得很薄。当 入射光照射在P层上，由于P层很薄，大量的光被较厚的I 层吸收，激发较多的载流子形成光

31、电流；又由于PIN结光 电二极管比PN结光电二极管施加较高的反向偏置电压， 使其耗尽层加宽。当P型半导体和N型半导体结合后，在 交界处就形成电子和空穴的浓度差别 ， 因此，N区的电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散，P 区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去 电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电 荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，即为PN结。 在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，或者说 消耗尽了，因此，空间电荷区有时又称为耗尽层，它的电 阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽。同时，加强了它的 PN结内电场，加速了光电子的定向运动，大大减小漂移 时间，因而提高了响

32、应速度。 PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性 特性。因此，在光通信和光信号检测技术中得到广泛应用。 图8-21 PIN结光电二极管 （二）雪崩式光电二极管（APD） APD(Avalanche Photoelectric Diode)是利用PN结加 上高的反向偏压时，发生雪崩效应而获得电流增益的光电 器件，其结构如图8-22所示。雪崩式光电二极管结构上 不同于普通二极管的是在PN结的P型区外侧增加一层掺杂 浓度极高的P+层。当在其上加高的反向偏压时，以P层为 中心的两侧产生极强的内部加速场（可达105V/cm）。 当光照射时，P+层受光子能量激发的电子从价带跃迁到 导带，在高

33、电场作用下，电子以高速通过P层，并在P区 产生碰撞电离，形成大量新生电子-空穴对，并且它们也 从电场中获得高能量，与从P+层来的电子一起再次碰撞P 区的其它原子，又产生大批新生电子-空穴对。当所加反 向偏压足够大时，不断产生二次电子发射，形成载流子 “雪崩”的效应，构成强大的光电流。 显然，APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通讯中 应用前景广阔。 图8-22 雪崩光电二极管 8.4.2色敏光电传感器色敏光电传感器 色敏光电传感器是两只结深不同的反向光电二极管的组 合体，是光电传感器的一种特殊类型。其结构和等效电 路如图8-23所示。 图8-23 色敏光电传感器结构和等效电路 结构图中，双

34、结光电二极管的P+-N结为浅结，N-P结 为深结。当光线照射时，P+、N、P三个区域及其间的势 垒区均有光子吸收，但是吸收效率不同。紫外光部分吸收 系数大，经过很短距离就基本被吸收完毕，因此，浅结对 紫外光线有较高灵敏度；而红外光部分吸收系数较小，这 类波长的光子主要在深结处被吸收，因此，深结对红外光 有较高的灵敏度。也就是说，半导体中不同的区域对不同 波长的光具有不同的灵敏度。这一特性为提供识别颜色创 造了可能性。 利用两个不同结深的反向光电二极管PD1和PD2的组 合，就可构成测定特定波长的半导体色敏传感器。具体使 用时，首先给该色敏器件进行标定：测定在不同波长的单 色光照射下，深结PD2

35、的短路电流ISD2与浅结PD1的短 路电流ISD1（ISD2在长波区较大，ISD1在短波区较 大），得到两者的比值ISD2/ ISD1与入射单色光波长的 关系。根据标定的曲线，实际测出某一单色光的短路电流 比，即可确定该单色光的波长，即知道了颜色。 8.4.3 光位置传感器光位置传感器 光位置传感器是一种硅光电二极管，它利用光线来检测 位置。其工作原理如图8-24所示。当光线照射到硅光电 二极管的某一位置时，结区的光电子向N层漂移，空穴向 P层漂移。到达P层的空穴分成两部分：一部分沿表面电 阻R1流向A端，形成光电流I1；另一部分沿着表面电阻 R2流向B端形成光电流I2。当电阻层均匀分布时，R

36、2 / R1= X2 /X1，则I2 /I1= R2 /R1= X2 /X1，故只要测 出I1和I2就可以求得光照射的位置。 光位置传感器同样适用二维位置检测，其原理如图8- 31所示。a、b极用于检测方向。a、b极用于检测y方向。 目前该位置传感器能测定的面积为1313mm）。 光位置传感器常用于机械加工的定位装置，也可以作为 机器人的眼睛。 图8-24 位置传感器 图8-25 光平面位置检测原理 8.4.4 光固态图像传感器光固态图像传感器 光固态图像传感器是由光敏元件阵列和电荷转移器件集 合而成的，是以电荷转移为核心，具有光电信号转换、存 储、传输和处理功能的集成光敏传感器。 光固态图象

37、传感器按其结构的不同分三类：一类是电荷 耦合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)；第二 类是MOS型图像传感器或称自扫描光电二极管阵列 （Self Scanned Photodiode Array，简称SSPA）； 第三类是电荷注入器件(Charge Injection Device， 简称CID)。其中最常用的是电荷耦合器CCD。CCD自 1970年问世以后，由于它的低噪声，在很暗的环境下性 能仍旧良好等特点，CCD图像传感器广泛应用于在微光电 视摄像、图象识别和传送等方面。 （一）CCD的结构和基本原理 CCD是一种将光信号转化为电荷包，并以电荷包的形 式存储和传

38、递信息的半导体表面器件，它是在MOS结构 电荷存储器的基础上发展起来的，所以有人称其为“排列 起来的MOS电容阵列”。一个MOS电容器就是一个光敏 元，可以感应一个象素点，如果一副图象有512*320个 象素点，就需要同样多个光敏元。 CCD单元结构如图8-26所示。其最小单元是在P型 （或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2， 再在SiO2层上沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器件。 将一系列排列紧密的MOS阵列加上输入、输出端，便构 成了CCD。 图8-26 CCD的MOS结构 1信号电荷的产生与存储。 如图8-26a当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底 中形成耗尽区

39、（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加 大。当光照射，产生自由电子-空穴对，其中空穴被排斥， 少数载流子（电子）被势阱收集到正偏压电极下的区域内， 形成电荷包，并与光照/亮度成正比。对于N型衬底的CCD器 件，则电极加负电压，少数载流子为空穴。 2信号电荷的转移与输出 如何实现电荷定向转移呢？通过相邻MOS单元上的电 压VG变化来实现，VG加规律变化的脉冲电压，控制相位 来控制移动方向。非常类似步进电机的步进控制方式。也 有二相、三相等几种控制方式。下面以三相控制方式为例 说明控制电荷定向转移的过程。参见图8-33所示。 三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极 P1、P2、P3，依次在

40、其上施加三个相位不同的控制脉冲 1、2、3，见图8-27（b）。CCD电荷的注入通常 有光注入、电注入和热注入等方式。图（b）采用电注入 方式。当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包 （t=t0）；当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面 势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下 分布（t=t1）；当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2 下的势阱中（t= t2）。 然后P3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3 下的势阱中（t= t3），以此控制，使P1下的电荷转移到 P3下。 图8-27 电荷转移过程 随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转 移到最终端

41、。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入 放大器处理。 （二）线型CCD图像传感器 线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行 对应构成一个主体，在它们之间设有一个转移控制栅，如 图8-28a所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电 极，由一个P型沟阻使电气上隔开。当入射光照射在光敏 元件阵列上，梳状电极施加高电压时，光敏元件聚集光电 荷，进行光积分。光电荷与光照强度和光积分时间成正比。 在光积分时间结束时，转移栅上的电压提高（平时低电 压），与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后， 降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行 地转移到移位寄存器中。当转移完毕，转移栅电

42、压降低， 梳状电极电压回复原来的高压状态，准备下一次光积分周 期。同时，在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲，将存 储的电荷从CCD中转移，由输出端输出。这个过程重复地 进行就得到相继的行输出，从而读出电荷图形。 图8-28 线型CCD图像传感器 目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构如图8- 34b示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、 下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左 向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光 敏信号电荷的顺序。我国能生产多到2000单元以上的线 型图像传感器，国际水平达5732个单元。 线型图像传感器只能用于一维检测系统；为了能传送平

43、面 图像信息，必须增加自动扫描机构；或者直接使用面型 CCD图像传感器。 （三）面型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转 移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图8-29所 示。 图8-29 面型CCD图像传感器结构 图（a）所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器，感 光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息 转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转 移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图 像信号。这种结构容易引起图像模糊。 图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透 光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平 方向电

44、极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储 区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平 消匿周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是 将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电 荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧 视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该 CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存 储器。 图（c）所示结构是用得最多的一种结构形式。它将 图（b）中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单 元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件 积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随 后，在每个水平回扫周期内，存储

45、区中整个电荷图像一次 一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷 信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频 信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂， 转移信号必须透光，感光单元面积减小，但图像清晰。 目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生 产的产品的单元数也越来越多，最多已达10241024像 元。我国能生产512320像元的面型CCD图像传感器。 8.5 光电传感器应用举例光电传感器应用举例 8.5.1 烟尘浊度监测仪烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业 烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进 行监测，自动显示和

46、超标报警。 烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程中的变化大 小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗 粒的吸收和折射增加，到达光检测器上的光减少，因而光 检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 图8-30 吸收式烟尘浊度监测仪框图 图8-30是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图。为了 检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避 免水蒸气和二氧化碳对光源衰减的影响，选取可见光作光 源（400700nm的白炽光）。光检测器光谱响应范围为 400600nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。为 了提高检测灵敏度，采用具有高增益、高输入阻抗、低零 漂、高共模抑制比的运算放大

47、器，对信号进行放大。刻度 校正被用来进行调零与调满刻度，以保证测试准确性。显 示器可显示浊度瞬时值。报警电路由多谐振荡器组成，当 运算放大器输出浊度信号超过规定值时，多谐振荡器工作， 输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。 8.5.2 8.5.2 光电转速传感器光电转速传感器 图8-31是光电数字转速表的工作原理图。图（a）是在 待测转速轴上固定一带孔的调置盘，在调置盘一边由白炽 灯2产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光 电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电 路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。 图 （b）是在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的 圆盘，它们

48、具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不 反光交替出现，光电敏感器件间断的接收光的反射信号， 转换成电脉冲信号。 每分钟转速n与脉冲频率f的关系如下： 60 f n N 式中N为孔数或黑白条纹数目。 例如：孔数N = 600 孔，光电转换器输出的脉冲信号频 率f= 4.8kHZ， 则 转。 3 4.810 6060480 600 f n N 图8-31 光电数字式转速表原理图 频率可用一般的频率计测量。光电器件多采用光电池、 光敏二极管和光敏三极管，以提高寿命、减小体积、减小 功耗和提高可靠性。 图8-32 光电脉冲转换电路 光电转换电路如图8-32所示。BG1为光敏三极管，当照 射BG1时，

49、产生光电流，使R1上压降增大，导致晶体管BG2 导通，触发由晶体管BG3和BG4组成的射极耦合触发器，使 U0为高电位。反之，U0为低电位。该脉冲信号U0可送到计 数电路计数。 8.68.6* * 太阳能电池太阳能电池 8.6.18.6.1太阳能电池发电方式太阳能电池发电方式 太阳能发电方式：太阳能发电有两种方式，一种是光 热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。 （1）光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能 发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气， 再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一 个过程是热电转换过程。 太阳能热发电的缺点：效率很低而成本很高，它的投资至 少要

50、比普通火电站贵510倍。一座1000MW的太阳能热电 站需要投资2025亿美元，平均1kW的投资为20002500美 元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规 模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电 站相竞争。 （2）光电直接转换方式：该方式是利用光电效应，将 太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是 太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太 阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管， 当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的 光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来 就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太 阳能

51、电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁 性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在， 太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核 能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池 可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一 户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。 8.6.48.6.4太阳能电池及太阳能发电前景简析太阳能电池及太阳能发电前景简析 目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入 工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门， 尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使 用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的 成本还

52、很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模 使用仍然受到经济上的限制。 但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以 及新的光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再 生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射 能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳 能开辟广阔的前景。 8.6.58.6.5太阳能电池的分类太阳能电池的分类 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系 薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。 按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形， 而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形等。 太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为： 硅

53、太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层 修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能 电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中 居主导地位。 （1）硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能 电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。 在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率 为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但 由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了 节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅 太阳能电池的替代产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低

54、廉，而 效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%， 工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池 不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便 于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光 电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。 如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么， 非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。 （2）多元化合物薄膜太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括 砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电 池等。 硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效

55、率较非晶硅薄膜太阳 能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模 生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此， 并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。 砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%， GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收 效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结 电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制 了用GaAs电池的普及。 铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换， 不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具 有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为 今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题

56、 是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素， 因此，这类电池的发展又必然受到限制。 （3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳 能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制 作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大 规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但 以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不 论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特 别是硅电池相比。 能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究 探索。 （4）纳米晶太阳能电池 纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点 在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光

57、电效 率稳定在10以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5 1/10寿命能达到2O年以上。 但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来 会逐步走上市场。 （5）有机太阳能电池 有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核 心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这 是情理中的事。如今太阳能电池里，95以上是硅基的， 而剩下的不到5也是由其它无机材料制成的。 8.6.7 光电池应用 光电池至今主要有两大类型的应用：一类是将光电池 作光伏器件使用，利用光伏作用直接将太阳能转换成电能， 即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能 源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航

58、空、 通讯设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中 得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源 竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降， 太阳电池定将获得更广泛的应用。另一类是将光电池作光 电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短 等特性，但不象太阳电池那样要求较高的光电转换效率。 这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和 自动控制系统中。 光电池的应用举例如下 (一)太阳电池电源 太阳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，太阳电池电源系统框图如图8-33所示。 图

59、8-33 太阳能电池电源系统方框图 太阳电池方阵是将太阳辐射直接转换成电能的发电装置。 按输出功率和电压的要求选用若干片性能相近的单体太阳 电池，经串联、并联连接后封装成一个可以单独作电源使 用得太阳电池组件。然后由多个该组件再经串、并联构成 一个阵列。在有太阳光照射时，太阳电池方阵发电并对负 载供电，同时也对蓄电池组充电，存储能量，供无太阳光 照射时使用。 蓄电池组的作用是将太阳电池方阵在白天有太阳光照射 时所发出的电量的多余能量（超过用电装置需要）贮存起 来的贮能装置。 调节控制器是将太阳电池方阵、蓄电池组和负载连接起来， 实现充、放电自动控制的中间控制器，它一般由继电器和 电子线路组成。

60、控制器在充电电压达到蓄电池上限电压时， 它能自动地切断充电电路，停止对蓄电池供电。当蓄电池 电压低于下限值时，自动切断输出电路。 因此，调节控制器不仅能使蓄电池供电电压保持在一 定范围，而且能防止蓄电池因充电电压过高或过低而损伤。 图8-34给出了一种12V电池充电电路。它适用于12V的 凝胶电解质铅酸电池充电。其中LM350是一个正输出三端 可调集成稳压器，它可以提供1.25V33V，3A的输出。当 开关S合上时，充电器的输出电压为14.5V，此时充电电流 限制在2A左右，随着电池电压的升高，充电电流逐渐减小， 当充电电流减小到150时，充电器转换到一个较低的浮动 充电电压，以防止过充电。随