第三章光电检测技术常用器件及应用3

1、1、光电器件的类型与特点2、光电检测器件的特性参数3、光电导器件-光敏电阻4、光生伏特效应-光电池、光电二极管、光电三极管等5、光电发射效应-光电管、光电倍增管等主要内容主要内容6、光热效应-热敏电阻、热电偶硅光电二极管硅光电二极管的工作原理硅光电二极管的工作原理 光电二极管光电二极管根据基底不同根据基底不同可可分为以分为以P P型硅为衬型硅为衬底的底的2DU2DU型型与以与以N N型硅为衬底的型硅为衬底的2CU2CU型型两种结构形式。两种结构形式。如图示为如图示为2DU2DU型光型光电二极管的原理电二极管的原理结构图。结构图。 工作在反向电压下工作在反向电压下光电二极管的伏安特性由光电二极管

2、的全电流方程可以得到该图 大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子子空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。结反向击穿电压等因素的限制。一些光敏二极管的特性参数一些光敏二极管的特性参数 光电二极管的光谱响应定义为以

3、等功率的不同单色辐射波长的光光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。 典型典型硅光电二极管硅光电二极管光谱响应长波限为光谱响应长波限为1.1mm左右，短波限左右，短波限接近接近0.4mm，峰值响应波长为峰值响应波长为0.9mm左右。左右。 光谱响应 其他类型的光生伏特器件其他类型的光生伏特器件 为了提高为了提高PNPN结硅光电二极管的时间响应，消除在结硅光电二极管的时间响应，消除在PNPN结外结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在光生载流子的扩散运动时间，常采

4、用在P P区与区与N N区之间生成区之间生成I I型层。型层。dr在反向电压作用下，在反向电压作用下， i i层的层的存在，提高了击穿电压。耗存在，提高了击穿电压。耗尽层较无尽层较无i i层时要大得多，从层时要大得多，从而使结电容下降，则而使结电容下降，则RCRC延迟延迟时间时间RCRC减小，在减小，在nsns左右。左右。提高了响应速度；提高了响应速度；dr 由于耗尽层变宽，增加了吸收层厚度，改善了对长由于耗尽层变宽，增加了吸收层厚度，改善了对长波光的吸收，提高了灵敏度，增大了长波响应率。波光的吸收，提高了灵敏度，增大了长波响应率。 APD是利用雪崩倍增效应使光生电流达到很高的数值，电流增益可

5、达106 。雪崩光电二极管 （APD Avalanche Photodiode ） 市场上的型雪崩光电二极管基本上都是市场上的型雪崩光电二极管基本上都是PIN型雪崩光电二极管。型雪崩光电二极管。 PIN型光电二极管型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个到整个PN结结区，形成自身保护（具有很结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能）不必设置保护环。强的抗击穿功能）不必设置保护环。电离产生的载流子电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数数远大于光激发产生的光生载流子数电流倍增系数电流倍增系数M定义：定义：0IIM I为倍增输出的电流

6、为倍增输出的电流I0为倍增前输出的电流为倍增前输出的电流雪崩光电二极管的倍增电流与偏压的关系曲线击穿最佳工作区 雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小时，增益太小；过大时，噪声大，而且电压过高时，增益太小；过大时，噪声大，而且电压过高可能使管子被击穿烧毁。可能使管子被击穿烧毁。由于击穿电压会随温度由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。由于材料本身由于材料本身(特别是表面部特别是表面部分分)具有一定的缺陷，具有一定的缺陷， 使使PN结的各区域电场分布不均匀，结的各区域电场分布不均匀，局部的高

7、电场区首先发生击局部的高电场区首先发生击穿，使漏电流变大，这相当穿，使漏电流变大，这相当于增强了噪声。为避免这一于增强了噪声。为避免这一情况发生，在选择材料和工情况发生，在选择材料和工艺上应加以注意。艺上应加以注意。光敏二极管典型应用-光电转速计60 fnm接收频率孔数光电式转速表 n =60( f /z ) 光电开关遮断型光电开关示意图遮断报警遮断报警遮断式光电开关原理ObjectReceiver 遮断式光电开关遮断式光电开关由相互分离且相对安由相互分离且相对安装的光发射器和光接装的光发射器和光接受器组成。当被检测受器组成。当被检测物体位于发射器和接物体位于发射器和接受器之间时，光线被受器之

8、间时，光线被阻断，接受器接受不阻断，接受器接受不到红外线而产生开关到红外线而产生开关信号。信号。被检测物体光发射器光接收器光电开关在 流水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关（计数）（计数）光幕 两个柱两个柱形结构相对而形结构相对而立，每隔数十立，每隔数十毫米安装一对毫米安装一对发光二极管和发光二极管和光敏接收管，光敏接收管，形成光幕，当形成光幕，当有物体遮挡住有物体遮挡住光线时，传感光线时，传感器发出报警信器发出报警信号号。接收器接收器 光幕应用 当有物体遮当有物体

9、遮挡住光线时，传挡住光线时，传感器发出报警信感器发出报警信号，起保护、预号，起保护、预警等作用。警等作用。光线被遮断（报警）光线被遮断（报警） 光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量 光幕应用（续）三维尺寸三维尺寸检测检测宽度宽度 测量测量长度长度 测量测量高度高度 测量测量 光幕应用（续）木材外形截面积检测木材外形截面积检测光幕应用（续）纠偏纠偏 光幕可光幕可检 测 出 带 材检 测 出 带 材在 卷 曲 过 程在 卷 曲 过 程中 的 偏 移 ，中 的 偏 移 ，经 控 制 器 和经 控 制 器 和执 行 机 构 使执 行 机 构 使带 材 向 正 确带 材 向 正 确的 方 向 运 动的

10、 方 向 运 动（纠偏）。（纠偏）。 光幕应用（续）光幕用于光幕用于 自动收费系统的自动收费系统的车辆检测车辆检测 光幕应用（续）锻压机床的锻压机床的 安全区域设置安全区域设置 及入侵报警及入侵报警 光幕应用（续）安全区示警安全区示警定区域反射式光电开关原理 定区域式光电定区域式光电开关有一个非常确定开关有一个非常确定的检测区域，不经过的检测区域，不经过该区域的被测物体不该区域的被测物体不会引起光电开关产生会引起光电开关产生开关信号。开关信号。检测距离检测距离反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜三角反射镜集发射、接收器集发射、接收器于一身于一身反射镜反射型光电开关工作原理反射板反射镜反射镜被测

11、物体偏振光偏振光发射光发射光被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线 漫反射型漫反射型光电开关光电开关集光集光发射器和光接发射器和光接受器于一体。受器于一体。当被测物体经当被测物体经过该光电开关过该光电开关时，发射器发时，发射器发出的光线经被出的光线经被测物体表面反测物体表面反射由接受器接射由接受器接受，于是产生受，于是产生开关信号。开关信号。额定距离额定距离反射型光电开关外形电源电源指示指示信号信号指示指示反射型光电开关外形（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器光电开关应用（续）透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量检测 光电开关应用（续）加工控

12、制加工控制 光电开关应用（续）机械手定位机械手定位光电开关应用（续）商标方向检测商标方向检测 当 工 件当 工 件经过光电断经过光电断续器时，接续器时，接收器即产生收器即产生一个计数脉一个计数脉冲。冲。光电断续器的应用（续）光电传感器的其他用途（续）电梯自动运行电梯自动运行条件判断条件判断光电计数电路举例 光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结构，构，NPNNPN结构与结构与PNPPNP结构。用结构。用N N型硅材料为衬底制作的型硅材料为衬底制作的 NPN结构，称为结构，称为 3DU型；用型；用P型硅材料为衬底制作的称为型硅材料为衬底制作的称为

13、PNP结构，称为结构，称为3CU型。型。光电三极管光电三极管 光电三极管的工作分为两过程：一是光电转换；二是光电流放大。 集电极输出的电流为 , ePC)1 (ehqIId光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的倍。电流达mAmA量级。量级。相当于将光电二极管与三极管接成如图3-12(c)所示的电路形式。 1. 1. 工作原理工作原理 (a) 具有更大的动态范围，因为光电二极管的反向偏置电压不受三极管集电结电压的控制。(b) 电路为(c)所示的光电三极管与三极管集成构成的集成光电器件，它具有更高的电流增益（灵敏度更高）。 为提高增益，减小体积，常将光电二极管或光电三极为提高增益，减小体积，常将光电

14、二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。1）伏安特性 2. 2. 光电三极管特性光电三极管特性 光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为电流增益，随光电流的增大而增大。 光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间； 光生载流子渡越基区所需要的时间； 光生载流子被收集到集电极的时间； 输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间；2 2）时间响应（频率特性）时间响应（频率特性） 总时间常数为上述四项和。总时间常数为上述四项和。由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以硅光电三由于硅光电三极管具有

15、电流放大功能，所以硅光电三极管的暗电流极管的暗电流Id和亮电流和亮电流IL受温度的影响要比硅光电受温度的影响要比硅光电二极管大得多。二极管大得多。3 3）温度特性）温度特性 集电结反向饱和电流Iceo与放大系数随温度最敏感，温度升高时， Iceo变化远大于光电流的变化，严重时无法工作。硅 典型的硅光电三极管3DU3的光谱响应特性曲线与硅光电二极管相似，它的响应范围为0.41.0m，峰值波长为0.85m。4）光谱响应 光电三极管应用光电三极管主要应用于光电三极管主要应用于光电控制、光开光电控制、光开关关. 光电二极管相比较，频率响应较低，光电二极管相比较，频率响应较低，不宜使用于高速，宽带的光电

16、探测系统不宜使用于高速，宽带的光电探测系统中，但由于其响应率高，具有电流内增中，但由于其响应率高，具有电流内增益，故在一般光电探测系统中仍得到广益，故在一般光电探测系统中仍得到广泛应用。泛应用。烟雾报警器外形 （参考南京千里通公司 无线烟雾报警器资料） 烟雾烟雾报警报警无线烟雾报警器工作在警戒状态时，工工作在警戒状态时，工作电流仅为作电流仅为15微安，报微安，报警发射时工作电流为警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期明毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出鸣器立即发出90分贝的分贝的连续报警，发出无线报连续报警，发出无

17、线报警信号，通知远方的接警信号，通知远方的接收主机。报警距离在空收主机。报警距离在空旷地可以达到旷地可以达到200米，在米，在有阻挡的普通家庭环境有阻挡的普通家庭环境中可以达到中可以达到20米。米。 在没有烟雾在没有烟雾时，由于红外对时，由于红外对管相互垂直，烟管相互垂直，烟雾室内又涂有黑雾室内又涂有黑色吸光材料，所色吸光材料，所以红外以红外LED发出发出的红外光无法到的红外光无法到达红外光敏三极达红外光敏三极管。管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到反射（图中只画出几个微粒的反

18、射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。达光敏三极管，有光电流输出。反射式烟雾报警器 1 1、象限阵列光生伏特器件组合件、象限阵列光生伏特器件组合件 象限式光生伏特器件组合件可以用来确象限式光生伏特器件组合件可以用来确定光点在二维平面上的位置坐标。定光点在二维平面上的位置坐标。光生伏特器件组合件 光斑偏向光斑偏向P2,P2P2,P2的电流就大于的电流就大于P1,P1,可见可以可见可以用两个区的电压大小来描述光斑的位置用两个区的电压大小来描述光斑的位置. .具有一维位置的检测功能，在薄板材料的生产中常被用具有一维位置的检测功能，在薄板材料的生产中常被用来检测和控制边沿的位置，以便卷制成整齐的卷。来检测和控制边沿的位置，以便卷制成整齐的卷。 具有两维位置具有两维位置的检测功能的检测功能2、线阵列光生伏特器件组合件线阵列光生伏特器件组合件是一种能够进行并行传输线