第7章光电式传感器

1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第7章章 光电式传感器光电式传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器是光电式传感器是先把被测量的变化转换成光信先把被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件将光信号的变化转换为号的变化，再通过光电器件将光信号的变化转换为电量变化电量变化的装置。的装置。 光电式传感器可以用于检测直接引起光量变化光电式传感器可以用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度和气体成分等，也可以的非电量，如光强、光照度和气体成分等，也可以用于检测能间接转换成光量变化的非电量，如几何用于检测能间接转换成光量变化的非电量，如几何尺寸、位移、振动、速度等。尺寸、位移

2、、振动、速度等。第第7章章 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器的光电式传感器的主要特点主要特点是能实现非接触测量、是能实现非接触测量、精度高、响应快、性能可靠，广泛用于军事、通讯、精度高、响应快、性能可靠，广泛用于军事、通讯、检测和工业自动化等领域。检测和工业自动化等领域。第第7章章 光电式传感器光电式传感器 被测量可能直接作用于光源，使它发出的光发生被测量可能直接作用于光源，使它发出的光发生变化，也可能作用在光通过的路径上，使通过后的光变化，也可能作用在光通过的路径上，使通过后的光发生变化。发生变化。被测量被测量被测量被测量光源光源光电光电器件器件第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电

3、式位移传感器光电式位移传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电式扭矩传感器光电式扭矩传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电式水浸开关传感器光电式水浸开关传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电式转速传感器光电式转速传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电式烟雾探测器光电式烟雾探测器第第7章章 光电式传感器光电式传感器7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .2 新型光电器件新型光电器件7. .3 光栅式传感器光栅式传感器7. .4 激光式传感器激光式传感器 7. .5 光电式传感器应用举例光电式传感器应用举例7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器

4、件 光电器件的物理基础是光电器件的物理基础是光电效应光电效应。光电效应是。光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应通常分为量而产生的电效应。光电效应通常分为外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应两大类。两大类。7. .1. .1 外光电效应外光电效应7. .1. .2 内光电效应内光电效应7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .1. .1 外光电效

5、应外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外发射的现象称为外光电效应外光电效应。向外发射的电子称。向外发射的电子称为为光电子光电子。它是。它是1887年由德国科学家赫兹发现的。年由德国科学家赫兹发现的。 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体。的光子轰击物体。每个光子的能量等于每个光子的能量等于hn n。 根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只能给一根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只能给一个电子。而要使电子逸出物体表面，至少需对其做个电子。而要使电子逸出物体表面，至少需对其做

6、功功A0，以克服物体对电子的约束，以克服物体对电子的约束，A0称为称为逸出功逸出功，也称也称功函数功函数，其值与材料有关，还和材料的表面状，其值与材料有关，还和材料的表面状态有关。态有关。于是，按照能量守恒与转换定律，有：于是，按照能量守恒与转换定律，有：) 1 . 7(2102AmhEn上式称为上式称为爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程。7. .1. .1 外光电效应外光电效应 由上式可知：由上式可知： ( (1) )光电效应能否产生，取决于光子的能量是否光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功大于该物质表面的电子逸出功 这意味着每一种物质这意味着每一种物质都有

7、一个对应的光频阈值，称为都有一个对应的光频阈值，称为红限频率红限频率( (对应的光对应的光波长称为波长称为临界波长临界波长) )，用，用n n0表示。根据上式得：表示。根据上式得：)2 . 7(/00hAn 若若n nn n0，入射光，入射光强再大也不会产生光电发射；强再大也不会产生光电发射；若若n nn n0，即使光强微弱也会，即使光强微弱也会产生产生光电发射。光电发射。) 1 . 7(2102AmhEn7. .1. .1 外光电效应外光电效应 ( (2) )当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比与光强度成正比 光愈强，意味着入射的光子数目

8、越光愈强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多多，逸出的光电子数也就越多。 ( (3) )光电子逸出物体表面时的初动能决定于入射光电子逸出物体表面时的初动能决定于入射光的频率光的频率 对于一定的物质，对于一定的物质，A0是一定的，光子的能是一定的，光子的能量量hn n越大，电子的初动能越大。越大，电子的初动能越大。 另外，另外，从光开始照射到金属释放光电子几乎在瞬从光开始照射到金属释放光电子几乎在瞬时发生，所需时间不超过时发生，所需时间不超过109 s。) 1 . 7(2102AmhEn7. .1. .1 外光电效应外光电效应7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .

9、1. .1 外光电效应外光电效应7. .1. .2 内光电效应内光电效应7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性7. .1. .2 内光电效应内光电效应 当光照射到半导体材料上时，处于价带的电子将当光照射到半导体材料上时，处于价带的电子将吸收光子能量跃入导带，使导带内电子浓度和价带内吸收光子能量跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴浓度增加，即激发出空穴浓度增加，即激发出光生电子光生电子空穴对空穴对，从而使，从而使半导体材料产生电效应，这种光电效应称为半导体材料产生电效应，这种光电效应称为内

10、光电效内光电效应应。显然，光子能量必须大于材料的禁带宽度。显然，光子能量必须大于材料的禁带宽度D DEg才才能产生内光电效应。产生内光电效应的临界波长为：能产生内光电效应。产生内光电效应的临界波长为：)3 . 7(nm1240/gg00EhEccDDn例如，锗例如，锗D DEg0.75 eV，硅，硅D DEg1.2 eV。 内光电效应按其工作原理可分为：内光电效应按其工作原理可分为：光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应。 1. .光电导效应光电导效应 在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量，在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量，从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料载流子浓从

11、键合状态过渡到自由状态，从而引起材料载流子浓度增加、电阻率变小，这种现象称为度增加、电阻率变小，这种现象称为光电导效应光电导效应。 2. .光生伏特效应光生伏特效应 在光照射下，能够使物体产生一定方向电动势的在光照射下，能够使物体产生一定方向电动势的现象称为现象称为光生伏特效应光生伏特效应。7. .1. .2 内光电效应内光电效应 以以PN结为例，没有光照射时，在过渡区会形成结为例，没有光照射时，在过渡区会形成阻挡层阻挡层，阻止孔穴和电子的进一步扩散。当光线照射，阻止孔穴和电子的进一步扩散。当光线照射PN结产生电子结产生电子空穴对时，在阻挡层内电场的作用空穴对时，在阻挡层内电场的作用下，被光激

12、发的电子移向下，被光激发的电子移向N区外侧，空穴移向区外侧，空穴移向P区外区外侧，从而使侧，从而使P区带正电，区带正电，N区带负电，在区带负电，在PN结两端形结两端形成成光电动势光电动势。+-PN-+-PN+-+-PN7. .1. .2 内光电效应内光电效应7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .1. .1 外光电效应外光电效应7. .1. .2 内光电效应内光电效应7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件 基于外光电效应的器件

13、主要有基于外光电效应的器件主要有光电管光电管、光电倍光电倍增管增管等。等。 1. .光电管光电管 可分为两大类：可分为两大类：真空光电管真空光电管和和充气光充气光电管电管，结构类似，都，结构类似，都是内装有光阴极和阳是内装有光阴极和阳极的玻璃管。极的玻璃管。 ( (1) )真空光电管真空光电管 真空光电管由一个阴极真空光电管由一个阴极K和一和一个阳极个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴阴极极K与电源负极相联，阳极与电源负极相联，阳极A通过负载电阻与电源正通过负载电阻与电源正极相接极相接，因此管内形成电场。，因此管内形成电场。 当光照射阴极时，电子从阴极

14、当光照射阴极时，电子从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流，该电流引起负载上的压形成电流，该电流引起负载上的压降随光照强弱而变化，从而实现了降随光照强弱而变化，从而实现了将光信号转换为电信号的目的。将光信号转换为电信号的目的。7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件 ( (2) )充气光电管充气光电管 如果在玻璃管内充入少量的惰如果在玻璃管内充入少量的惰性气体性气体( (如氩、氖等如氩、氖等) )，即构成充气光电管。，即构成充气光电管。提高了光提高了光电变换的灵敏度电变换的灵敏度。但充气光电管的。但充气光电管的光电流与入射光强光电流与入射光强度不成比

15、例关系度不成比例关系，所以较少采用。，所以较少采用。 7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件2. .光电倍增管光电倍增管 几种光电倍增管的外形如图所示。几种光电倍增管的外形如图所示。7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件 其工作原理建立在其工作原理建立在光电发射光电发射和和二次发射二次发射的基础之的基础之上。在玻璃管内除有光电阴极和光电阳极外，还有若上。在玻璃管内除有光电阴极和光电阳极外，还有若干干光电倍增极光电倍增极，光电倍增极的形状及位置设置得正好，光电倍增极的形状及位置设置得正好使前一倍增极发射的电子继续轰击后一倍增极。使前一倍增极发射的电子继续轰击后一倍增极。光电光

16、电倍增极上涂有在电子轰击下能放射更多倍增极上涂有在电子轰击下能放射更多“次级电子次级电子”的材料的材料，常用的有锑化钨、氧化银镁合金等。，常用的有锑化钨、氧化银镁合金等。7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件 工作时倍增极电位逐级增高。当入射光照射光工作时倍增极电位逐级增高。当入射光照射光电阴极电阴极K时，逸出的电子受到第一倍增极正电位作时，逸出的电子受到第一倍增极正电位作用，加速打在第一倍增极，第一倍增极发射的电子用，加速打在第一倍增极，第一倍增极发射的电子( (即即二次发射二次发射) )在第二倍增极更高正电位作用下，再在第二倍增极更高正电位作用下，再次被加速打在第二倍增极，第二倍

17、增极又会产生二次被加速打在第二倍增极，第二倍增极又会产生二次电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极次电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极A收收集为止。集为止。7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件 光电倍增管的放大性能用光电倍增管的放大性能用倍增系数倍增系数M衡量。衡量。M等等于各个倍增电极的二次发射电子倍数于各个倍增电极的二次发射电子倍数d di( (i1, ,2,),)的的乘积，若有乘积，若有n个倍增电极，且每级的个倍增电极，且每级的d di都一样，则：都一样，则：)4 . 7(niMd 一般一般M在在105108之间。设光电阴极的光电流为之间。设光电阴极的光电流为I0 ，则到

18、达阳极的电流为，则到达阳极的电流为：)5 . 7(0niIId7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .1. .1 外光电效应外光电效应7. .1. .2 内光电效应内光电效应7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 基于内光电效应的光电器件有基于内光电效应的光电器件有光敏电阻、光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管、光位置敏光电池、光敏二极管、光敏三极管、光位置敏感元件感元件等。

19、等。 1. .光敏电阻光敏电阻 光敏电阻又称光敏电阻又称光导管光导管，是一种均质半导体光电，是一种均质半导体光电器件。如图所示，在玻璃底板上均匀地涂上一层薄器件。如图所示，在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体材料，两端装上金属电极，然后压入塑薄的半导体材料，两端装上金属电极，然后压入塑料封装体内。料封装体内。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 将将光敏电阻接到外电路中时，若改变光照射，回光敏电阻接到外电路中时，若改变光照射，回路电流改变。为提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小路电流改变。为提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。面积较大的光敏电阻，通常在光敏电电极间的距离。面

20、积较大的光敏电阻，通常在光敏电阻薄膜上蒸镀梳状金属电极。阻薄膜上蒸镀梳状金属电极。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 光敏电阻的特性参数如下：光敏电阻的特性参数如下： ( (1) )暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻 光敏电阻未受光照时的光敏电阻未受光照时的阻值称为阻值称为暗电阻暗电阻，受光照时的阻值称为，受光照时的阻值称为亮电阻亮电阻。暗。暗电阻越大、亮电阻越小则灵敏度越高。电阻越大、亮电阻越小则灵敏度越高。 ( (2) )暗电流、亮电流、光电流暗电流、亮电流、光电流 光敏电阻未受光敏电阻未受光照时的电流称为光照时的电流称为暗电流暗电流，受光照射时的电流称为，受光照射时的电流称为亮电

21、流亮电流。 光电流亮电流光电流亮电流暗电流暗电流 暗电流越小，亮电流越大，则灵敏度越高。暗电流越小，亮电流越大，则灵敏度越高。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件几种光敏电阻的特性参数如表所示。几种光敏电阻的特性参数如表所示。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 2. .光电池光电池 光电池是在光线照射下，利用光生伏特效应，光电池是在光线照射下，利用光生伏特效应，将光能转变为电动势的光电器件。由于它常用于把将光能转变为电动势的光电器件。由于它常用于把太阳能变成电能，因此又称太阳能电池。太阳能变成电能，因此又称太阳能电池。太阳能应急灯太阳能应急灯编码器用硅光电池编码器用硅

22、光电池7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 光电池种类繁多，早期的有氧化亚铜光电池，因光电池种类繁多，早期的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。转换效率低已很少使用。 目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。 硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。 硅光电池与其他光电池相比，性能稳定，转换硅光电池与其他光电池相比，性能稳定，转换效率高效率高( (17 ，几乎达到同质结光电池的理论极限，几乎达到同质结光电池的理论极

23、限) )。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 硅光电池是用单晶硅硅光电池是用单晶硅( (或或多晶多晶) )硅硅组成的组成的。在一块。在一块N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质型杂质( (如硼如硼) )，或在，或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质型杂质( (如磷如磷) )，形成，形成PN结。用镀镍的方法制成下电结。用镀镍的方法制成下电极，并用镀银的方法制成上电极。极，并用镀银的方法制成上电极。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 硒光电池是在铝片上涂硒，再用溅射工艺，在硒光电池是在铝片上涂硒，再用溅射工艺，在硒层上形成一层半透明的氧化镉，在正反两面喷上低硒层上形成一层半

24、透明的氧化镉，在正反两面喷上低熔合金做电极。在光线照射下，镉材料带负电，硒材熔合金做电极。在光线照射下，镉材料带负电，硒材料带正电，形成光生电势。虽然转换效率低、寿命短，料带正电，形成光生电势。虽然转换效率低、寿命短，但适于接收可见光，也有一定的应用。但适于接收可见光，也有一定的应用。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 此外，还有薄膜光电池、紫光光电池、异质结此外，还有薄膜光电池、紫光光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构、提高抗辐射能结构，以减轻重量、简化阵列结构、提高抗辐射能力和降低

25、成本。紫光光电池是把硅光电池的力和降低成本。紫光光电池是把硅光电池的PN结减结减薄至薄至0.20.3 m mm，光谱响应峰值移到，光谱响应峰值移到600 nm左右，左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。来提高短波响应，以适应外层空间使用。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质做成异质PN结，入射光几乎全透过宽禁带材料一结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子空空穴对。利用这种穴对。利用这种“窗口窗口”效应效应提高入射光的

26、收集效提高入射光的收集效率率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达上最大可达30 。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 光电池与外电路的连接方式有两种。一种是把光电池与外电路的连接方式有两种。一种是把PN结两端通过外导线短接，形成流过外电路的短路结两端通过外导线短接，形成流过外电路的短路电流。另一种是开路电压输出。电流。另一种是开路电压输出。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 3. .光敏晶体管光敏晶体管 ( (1) )光敏二极管光敏二极管 结构与一般二极管相似，装在结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中透明

27、玻璃外壳中，PN结装在管的顶部结装在管的顶部，可直接受到可直接受到光照光照。光敏二极管在电路中光敏二极管在电路中处于处于反向偏置状态反向偏置状态，属单，属单向导电的非线性元件。但向导电的非线性元件。但它的光照特性是线性的它的光照特性是线性的。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流反向电流( (暗电流暗电流) )很小很小( (处于载止状态处于载止状态) )。受光照射。受光照射时，结区产生电子时，结区产生电子空穴对，在结电场的作用下，空穴对，在结电场的作用下，电子向电子向N区运动、空穴向区运动、空穴

28、向P区运动而形成光电流，光区运动而形成光电流，光敏二极管的光电流敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。与照度之间呈线性关系。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 ( (2) )光敏三极管光敏三极管 它是一种相当于在基极和集电它是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。在正常工作极之间接有光敏二极管的普通三极管。在正常工作情况下，此二极管应反向偏置。因此，不管是情况下，此二极管应反向偏置。因此，不管是PNP还是还是NPN型，一般用型，一般用集电结作为受光结集电结作为受光结。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件 对对NPN型，当集电极加上相对于发射极为正电

29、压型，当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开路时，集电结处于反向偏压下，它的工作机且基极开路时，集电结处于反向偏压下，它的工作机理完全与反偏压的光敏二极管相同。入射光子在集电理完全与反偏压的光敏二极管相同。入射光子在集电结被吸收产生电子结被吸收产生电子空穴对，形成光生电流。光生电空穴对，形成光生电流。光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。因此，光敏三极管是一种相当于放大了的信号电流。因此，光敏三极管是一种相当于将基极将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。体管放

30、大器。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件光敏二极管和光敏三极管外形、符号及型号如下。光敏二极管和光敏三极管外形、符号及型号如下。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件部分光敏二极管基本参量如表所示。部分光敏二极管基本参量如表所示。7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .1. .1 外光电效应外光电效应7. .1. .2 内光电效应内光电效应7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性7. .1. .5 光电器

31、件的特性光电器件的特性 1. .光照特性光照特性 光照特性表示光电器件光照特性表示光电器件输出的光电流输出的光电流( (光电压光电压) )与入与入射光量间的关系。射光量间的关系。 光敏电阻的光照特性呈光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作线性检非线性，因此不宜作线性检测元件。测元件。 左图为硅光敏二极管的光照特性，右图为光敏左图为硅光敏二极管的光照特性，右图为光敏三极管的。光敏二极管的线性较好，光敏三极管在三极管的。光敏二极管的线性较好，光敏三极管在起始处和大电流处有非线性，这是因为三极管的起始处和大电流处有非线性，这是因为三极管的放放大倍数大倍数不是常数。不是常数。 7. .1. .5 光电

32、器件的特性光电器件的特性 左图为光电池的光照特性，左图为光电池的光照特性，输出短路电流与光输出短路电流与光照有较好的线性关系照有较好的线性关系。右图为光电池电流与照度的。右图为光电池电流与照度的关系。一般负载电阻在关系。一般负载电阻在100 W W以下时可作为线性检以下时可作为线性检测元件。测元件。开路电压与光照度关系呈非线性开路电压与光照度关系呈非线性，但灵敏，但灵敏度高，宜用作开关元件。度高，宜用作开关元件。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 2. .光谱特性光谱特性 光谱特性表示光的波长和光电器件相对光谱灵光谱特性表示光的波长和光电器件相对光谱灵敏度之间的关系。光电器件对单

33、色辐射通量的反应敏度之间的关系。光电器件对单色辐射通量的反应称为称为光谱灵敏度光谱灵敏度S( ( ) )。在某个。在某个 m处，处，S( ( ) )有最大值有最大值Smax( ( ) )。定义。定义相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度Sr( ( ) )为：为：)6 . 7()()()(maxrSSS7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 图示为光敏电阻的光谱特性。图示为光敏电阻的光谱特性。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 图示为光敏三极管的光谱特性。图示为光敏三极管的光谱特性。 较大时，光较大时，光子能量太小，不足以激发出电子子能量太小，不足以激发出电子空穴对。空穴对。 太短

34、太短时，由于材料对短波的吸收剧增，使大量光子在半时，由于材料对短波的吸收剧增，使大量光子在半导体表面附近被吸收，所激发的电子导体表面附近被吸收，所激发的电子空穴对很快空穴对很快就复合掉了。就复合掉了。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 图示为光电池的光谱特性。硒光电池适用图示为光电池的光谱特性。硒光电池适用于可见光，常用作照度计测光强。于可见光，常用作照度计测光强。 7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 3. .温度特性温度特性 光电器件在工作温度范围内的灵敏度、暗电光电器件在工作温度范围内的灵敏度、暗电流或光电流与温度的关系，表明了光电器件的温流或光电流与温度的关系

35、，表明了光电器件的温度特性，通常用曲线来表示或用系数给出。度特性，通常用曲线来表示或用系数给出。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 左左图为图为硫化镉硫化镉光敏电阻之光电流的温度特性曲光敏电阻之光电流的温度特性曲线。温度对光敏电阻的光谱特性也有很大影响，随线。温度对光敏电阻的光谱特性也有很大影响，随着温度升高，峰值波长向短波方向移动，如右图所着温度升高，峰值波长向短波方向移动，如右图所示。通过降温可提高光敏电阻对长波光的响应。示。通过降温可提高光敏电阻对长波光的响应。 7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 温度对光敏三极管光电流的影响如图所示。温度对光敏三极管光电流的

36、影响如图所示。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 光电池的温度特性曲线如图所示，光电池的温度特性曲线如图所示，开路电开路电压随温度升高下降较快压随温度升高下降较快，短路电流随温度升高增短路电流随温度升高增加缓慢加缓慢。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 4. .伏安特性伏安特性 在保持光照度及入射光频在保持光照度及入射光频谱成分不变的条件下，光电器谱成分不变的条件下，光电器件的端电压与光电流之间的关件的端电压与光电流之间的关系称为光电器件的系称为光电器件的伏安特性伏安特性。 硫化镉硫化镉光敏电阻的伏安特性如图所示。照度不同光敏电阻的伏安特性如图所示。照度不同时，曲线

37、斜率不同，表明电阻值随照度而改变。时，曲线斜率不同，表明电阻值随照度而改变。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 硅光敏二极管、三极管的伏安特性如左、右图所硅光敏二极管、三极管的伏安特性如左、右图所示。同样照度下，光敏三极管的电流比光敏二极管的示。同样照度下，光敏三极管的电流比光敏二极管的大上百倍。在零偏压时，光敏二极管仍有光电流输出，大上百倍。在零偏压时，光敏二极管仍有光电流输出，光敏三极管没有，这是光生伏特效应造成的。光敏三极管没有，这是光生伏特效应造成的。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 5. .频率特性和响应时间频率特性和响应时间 光电器件输出端电压光电器件

38、输出端电压( (电流电流) )的振幅，或相对光的振幅，或相对光谱灵敏度随入射通量的谱灵敏度随入射通量的调制频率调制频率的变化关系称为光的变化关系称为光电器件的频率特性。电器件的频率特性。 在阶跃输入光功率的条件下，光电探测器输出在阶跃输入光功率的条件下，光电探测器输出电流为：电流为：)e1 ()(/titii( (t) )上升到稳态值上升到稳态值i的的0.63倍时所需的时间倍时所需的时间( (即即t 时时) )称为探测器响应时间。称为探测器响应时间。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，其当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，其响应度随频率而变

39、化。多数探测器的响应度与调制响应度随频率而变化。多数探测器的响应度与调制频率的关系为：频率的关系为：20)(1)(DD式中，式中，D0为调制角频率为调制角频率 0时的响应度；时的响应度； 为响应为响应时间。时间。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 光敏电阻的频率特性如图所示。光敏电阻的频率特性如图所示。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示，其频光敏三极管的频率特性曲线如图所示，其频率特性受负载影响。率特性受负载影响。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性 光光电池的频率特性如图所示。硅光电池有很高的电池的频率特性如图所示。硅

40、光电池有很高的频率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这是频率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .1. .1 外光电效应外光电效应7. .1. .2 内光电效应内光电效应7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性第第7章章 光电式传感器光电式传感器7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .2

41、 新型光电器件新型光电器件7. .3 光栅式传感器光栅式传感器7. .4 激光式传感器激光式传感器 7. .5 光电式传感器应用举例光电式传感器应用举例7. .2 新型光电器件新型光电器件 7. .2. .1 高速光电二极管高速光电二极管 7. .2. .2 色敏光电传感器色敏光电传感器 7. .2. .3 光位置传感器光位置传感器 7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件7. .2. .1 高速光电二极管高速光电二极管 1. .PIN结光电二极管结光电二极管 特殊之处在于特殊之处在于P层和层和N层之间层之间加了一层很厚的加了一层很厚的I层，并将层，并将P层做层做得很薄。由于得很薄。由于P

42、层很薄，大量的层很薄，大量的光被较厚的光被较厚的I层吸收，激发的载流层吸收，激发的载流子较多；它可以子较多；它可以施加较高的反向施加较高的反向偏置电压偏置电压，使其耗尽层加宽，加，使其耗尽层加宽，加强了它的强了它的PN结内电场，加速了光结内电场，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。移时间，因而提高了响应速度。 2. .雪崩式光电二极管雪崩式光电二极管 增加了一层掺杂浓度极高的增加了一层掺杂浓度极高的P+层。当加上近于击穿的反向偏层。当加上近于击穿的反向偏压时，压时，P层两侧产生极强的内部层两侧产生极强的内部加速场加速场( (可达可达105

43、 V/ /cm) )。光激发。光激发产生的电子高速通过产生的电子高速通过P层，并在层，并在P区产生碰撞电离，形成大量的新区产生碰撞电离，形成大量的新生电子生电子空穴对，并再次加速、空穴对，并再次加速、碰撞，形成碰撞，形成“雪崩雪崩”，构成强大，构成强大的光电流。的光电流。7. .2. .1 高速光电二极管高速光电二极管 PIN结光电二极管仍然具有一般结光电二极管仍然具有一般PN结光电二结光电二极管的线性特性。因此，在光通信和光信号检测极管的线性特性。因此，在光通信和光信号检测技术中得到了广泛应用。技术中得到了广泛应用。 雪崩二极管具有很高雪崩二极管具有很高的灵敏度和响应速度，但的灵敏度和响应速

44、度，但输出线性差，在光通信中输出线性差，在光通信中占有重要地位。雪崩二极占有重要地位。雪崩二极管实物图如图所示。管实物图如图所示。7. .2. .1 高速光电二极管高速光电二极管7. .2 新型光电器件新型光电器件 7. .2. .1 高速光电二极管高速光电二极管 7. .2. .2 色敏光电传感器色敏光电传感器 7. .2. .3 光位置传感器光位置传感器 7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件7. .2. .2 色敏光电传感器色敏光电传感器 在单晶硅或非晶硅材料上制造两个、三个甚至在单晶硅或非晶硅材料上制造两个、三个甚至四个四个PN结，利用不同结深的结，利用不同结深的PN结对不同颜色

45、光吸结对不同颜色光吸收系数的差异可进行颜色识别。其中，具有三个以收系数的差异可进行颜色识别。其中，具有三个以上上PN结的元件可同时测得三刺激值，原则上可以得结的元件可同时测得三刺激值，原则上可以得到所有待测颜色，称为全色色敏传感器。到所有待测颜色，称为全色色敏传感器。 图示色敏传感器是两只图示色敏传感器是两只结深不同的光电二极管的组结深不同的光电二极管的组合体。等效电路如右图。合体。等效电路如右图。 其其P+ +N结为浅结，结为浅结，NP结为深结。当光线照射时，结为深结。当光线照射时，紫外光吸收系数大，经过很短距离就被紫外光吸收系数大，经过很短距离就被P+ +N结吸收完结吸收完毕。而红外光吸收

46、系数小，主要在毕。而红外光吸收系数小，主要在NP结处被吸收。结处被吸收。因此，浅结对紫外光有较高的灵敏度，而深结对红外因此，浅结对紫外光有较高的灵敏度，而深结对红外光有较高的灵敏度。光有较高的灵敏度。7. .2. .2 色敏光电传感器色敏光电传感器 双结型色敏二极管的特性曲线双结型色敏二极管的特性曲线如上图所示。如上图所示。在使用前需先对其进在使用前需先对其进行标定行标定，即测出在不同波长的光照，即测出在不同波长的光照下，深结的短路电流下，深结的短路电流ISD2与浅结的短与浅结的短路电流路电流ISD1的比值的比值ISD2/ /ISD1，它与波，它与波长的关系如下图所示。实测出某一长的关系如下图

47、所示。实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定单色光的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。该单色光的波长。7. .2. .2 色敏光电传感器色敏光电传感器 PN130硅光电色敏二极管如图所示，用于彩色硅光电色敏二极管如图所示，用于彩色扩影、彩色印刷、色彩鉴别电路。红、绿、蓝三单扩影、彩色印刷、色彩鉴别电路。红、绿、蓝三单元组成一套。元组成一套。7. .2. .2 色敏光电传感器色敏光电传感器7. .2 新型光电器件新型光电器件 7. .2. .1 高速光电二极管高速光电二极管 7. .2. .2 色敏光电传感器色敏光电传感器 7. .2. .3 光位置传感器光位置传感器 7. .2. .4

48、电荷耦合器件电荷耦合器件7. .2. .3 光位置传感器光位置传感器 光位置传感器光位置传感器( (PSD) )是利用光线进行位置检测的是利用光线进行位置检测的传感器。光照射到硅光电二极管的某一位置时，结传感器。光照射到硅光电二极管的某一位置时，结区激发的电子向区激发的电子向N层漂移，空穴向层漂移，空穴向P层漂移。层漂移。 到达到达P层的空穴分成两路：层的空穴分成两路：一路沿表面电阻一路沿表面电阻Rl流向流向1端形成端形成光电流光电流Il；另一路沿；另一路沿R2流向流向2端端形成形成I2；当电阻层均匀的时候，；当电阻层均匀的时候，R2/ /Rlx2/ /xl，则，则Il/ /I2R2/ /Rl

49、x2/ /xl。7. .2 新型光电器件新型光电器件 7. .2. .1 高速光电二极管高速光电二极管 7. .2. .2 色敏光电传感器色敏光电传感器 7. .2. .3 光位置传感器光位置传感器 7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD是一种大规模金属氧化物半是一种大规模金属氧化物半导体集成电路光电器件，自导体集成电路光电器件，自1970年问世以来，由于其年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，在许多方面获得了广泛应用，独特的性能而发展迅速，在许多方面获得了广泛应用，尤其是在图像识别方面。尤其是在图像识别方面。

50、 1. .MOS光敏单元光敏单元 CCD的基本单元是的基本单元是MOS电容器，它以电容器，它以P( (或或N) )型型半导体为衬底，上面覆盖一层半导体为衬底，上面覆盖一层SiO2，再在，再在SiO2表面沉表面沉积一层金属电极而构成积一层金属电极而构成MOS电容。这样一个电容。这样一个MOS结结构称为一个光敏元或一个像素。构称为一个光敏元或一个像素。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 MOS电容器也能像普通电容那样存储电荷。设电容器也能像普通电容那样存储电荷。设基片是基片是P型硅，在金属电极上施加一个正电压型硅，在金属电极上施加一个正电压U，P型型硅中的多数载流子硅中的多数载流子( (

51、空穴空穴) )受到排斥，在界面附近形成受到排斥，在界面附近形成一个带负电荷的一个带负电荷的耗尽区耗尽区，也称，也称表面势阱表面势阱。 7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 空穴经外接电路流到了金属空穴经外接电路流到了金属与与SiO2的交界处，的交界处，与耗尽区的负电荷一起，形成与外加电场方向相反与耗尽区的负电荷一起，形成与外加电场方向相反的电场。随着耗尽区厚度的增加，此反向电场逐渐的电场。随着耗尽区厚度的增加，此反向电场逐渐增强，直到完全抵消外加电场。因此，耗尽区厚度增强，直到完全抵消外加电场。因此，耗尽区厚度与外加电压的大小有关。在一定条件下，与外加电压的大小有关。在一定条件下，U越

52、大，越大，耗尽区就越厚。耗尽区就越厚。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 耗尽区对电子来说是个势能很低的区域，具有耗尽区对电子来说是个势能很低的区域，具有收集电子的能力。当势阱俘获电子后，收集电子的能力。当势阱俘获电子后，电子集中在电子集中在Si- -SiO2交界处。一旦势阱中有了电子，耗尽区厚度交界处。一旦势阱中有了电子，耗尽区厚度将减小。将减小。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 如果有光照射在硅片上，半导体内将产生电如果有光照射在硅片上，半导体内将产生电子子空穴对。电子被附近的势阱所俘获，空穴被空穴对。电子被附近的势阱所俘获，空穴被“填充填充”到耗尽区底部，即耗尽区厚

53、度减小。势到耗尽区底部，即耗尽区厚度减小。势阱内所俘获的电子数量与入射到该势阱附近的光阱内所俘获的电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。存储了电荷的势阱被称为电荷包。强成正比。存储了电荷的势阱被称为电荷包。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 耗尽区厚度减小程度与势阱中俘获的电子数有耗尽区厚度减小程度与势阱中俘获的电子数有关。关。势阱俘获的电子集中在势阱俘获的电子集中在Si- -SiO2交界处，不易表交界处，不易表示其多少。采用画出有、无电子时势阱厚度的变化示其多少。采用画出有、无电子时势阱厚度的变化来表示势阱中电子的多少，就像来表示势阱中电子的多少，就像“井井”中有中有“水水”一样

54、，并且用一样，并且用“水水”的流动表示势阱中信号电荷的的流动表示势阱中信号电荷的转移。转移。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 随着势阱中电子的增加，随着势阱中电子的增加，耗尽区厚度越来越小，耗尽区厚度越来越小，最终会失去俘获电子的能力，即出现了饱和。所以最终会失去俘获电子的能力，即出现了饱和。所以要定期地将势阱中的电子转移走，以便继续收集信要定期地将势阱中的电子转移走，以便继续收集信号电荷。号电荷。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 通常在半导体基片上制有几百或几千个相互独通常在半导体基片上制有几百或几千个相互独立的立的MOS光敏单元。在金属电极上施加正偏压时，光敏单元。

55、在金属电极上施加正偏压时，在半导体基片上就形成了几百或几千个相互独立的在半导体基片上就形成了几百或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏单元上的是一幅明暗起势阱。如果照射在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就感生出一幅与光照伏的图像，那么这些光敏单元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。强度相对应的光生电荷图像。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 CCD最基本的结构是一系列彼此非常靠近的最基本的结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器，保证电容器，保证相邻势阱耦合相邻势阱耦合及电荷转移。为保及电荷转移。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所证信号电

56、荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压必须严格满足一定的相位要求，加的电压必须严格满足一定的相位要求，或者结构或者结构上采取特殊措施上采取特殊措施。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 2. .读出移位寄存器读出移位寄存器 以三相读出移位寄存器为例。以三相读出移位寄存器为例。把把MOS电容器的电容器的电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控制电压制电压f f1、f f2、f f3，如左图所示，它们的波形如中图，如左图所示，它们的波形如中图所示，电荷的转移过程如右图所示。所示，电荷的转移过程如右图所示。7. .2. .4 电荷耦合

57、器件电荷耦合器件 在在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加反向偏压时，转移到终端的电荷在当输出二极管加反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被输出二极管的时钟脉冲作用下移向输出二极管，被输出二极管的PN结所收集，在负载结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流上就形成脉冲电流Io。输出。输出电流的大小与信号电荷的多少成正比。电流的大小与信号电荷的多少成正比。ERLUoIoOG321PSiNSi7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 根据光敏元件排列形式的不同，根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像固态图像传感器可

58、分为传感器可分为线阵列线阵列和和面阵列面阵列两种。两种。 3. .CCD线列阵线列阵 线阵线阵CCD图像传感器由一列光敏单元和一排或图像传感器由一列光敏单元和一排或两排移位寄存器构成，光敏单元与移位寄存器之间有两排移位寄存器构成，光敏单元与移位寄存器之间有转移控制栅。转移控制栅。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 单排结构用于低位数单排结构用于低位数CCD。一般使信号电荷从上。一般使信号电荷从上到下的转移时间远小于摄像时间。当转移栅关闭时，到下的转移时间远小于摄像时间。当转移栅关闭时，光敏单元势阱连续地收集光信号电荷。摄像时间结束光敏单元势阱连续地收集光信号电荷。摄像时间结束时，转移

59、栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到移位寄存器的相应单元内。转移到移位寄存器的相应单元内。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 之后转移栅关闭，光敏单元开始对下一行图像信之后转移栅关闭，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分采集。转移到移位寄存器内的上一行信号号进行积分采集。转移到移位寄存器内的上一行信号电荷，则通过移位寄存器串行输出。电荷，则通过移位寄存器串行输出。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 双排结构用于高位数双排结构用于高位数CCD。当光敏单元收集到。当光敏单元收集到光生电荷后，其奇、偶单元的信号电荷分别传送到光

60、生电荷后，其奇、偶单元的信号电荷分别传送到上下两排移位寄存器后再串行输出。最后合二为一，上下两排移位寄存器后再串行输出。最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。恢复信号电荷的原有顺序。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦合器件 4. .CCD面列阵面列阵面阵面阵CCD可在水平、垂直两个方向上进行电子可在水平、垂直两个方向上进行电子自扫描。面阵自扫描。面阵CCD图像传感器由图像传感器由光敏区光敏区、信号存储信号存储区区和和转移区转移区三部分组成。目前有三种基本类型：三部分组成。目前有三种基本类型：线线转移型转移型、 帧转移型帧转移型和和行间转移型行间转移型。7. .2. .4 电荷耦合器件电荷耦