第三章 光电检测技术常用器件及应用3

第三章光电检测技术常用器件及应用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

光电二极管根据基底不同可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。如图示为2DU型光电二极管的原理结构图。工作在反向电压下光电二极管的伏安特性由光电二极管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，电子—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。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PN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

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。

典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值响应波长为0.9μm左右。

光谱响应

其他类型的光生伏特器件

为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I型层。在反向电压作用下，i层的存在，提高了击穿电压。耗尽层较无i层时要大得多，从而使结电容下降，则RC延迟时间τRC减小，在ns左右。提高了响应速度；PIN型光电二极管

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。

APD是利用雪崩倍增效应使光生电流达到很高的数值，电流增益可达106。为了实现雪崩过程，基片杂质浓度很高，使之容易碰撞电离；片子厚度较薄，保证较高的电场强度雪崩光电二极管

（APDAvalanchePhotodiode）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。

PIN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到整个PN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。初始的载流子在强电场的作用下获得很大的动能，其在高速运动过程总与晶体的晶格碰撞，产生新的电子空穴对，称为碰撞电离过程。此过程多次重复。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，形成雪崩倍增效应。电流倍增系数M定义：I为倍增输出的电流I0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。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。由于材料本身(特别是表面部分)具有一定的缺陷，使PN结的各区域电场分布不均匀，局部的高电场区首先发生击穿，使漏电流变大，这相当于增强了噪声。为避免这一情况发生，在选择材料和工艺上应加以注意。光敏二极管典型应用----光电转速计接收频率孔数光电式转速表

n=60(f/z)

光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。

光电开关遮断型光电开关示意图遮断报警遮断式光电开关原理ObjectReceiver遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。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咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口遮断式光电开关（计数）光幕

两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。接收器光幕应用

当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。光线被遮断（报警）光幕应用（续）产品高度测量光幕应用（续）

三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量光幕应用（续）木材外形截面积检测光幕应用（续）纠偏光幕可检测出带材在卷曲过程中的偏移，经控制器和执行机构使带材向正确的方向运动（纠偏）。光幕应用（续）光幕用于

自动收费系统的车辆检测光幕应用（续）锻压机床的安全区域设置及入侵报警光幕应用（续）安全区示警定区域反射式光电开关原理

定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。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集发射、接收器于一身反射镜反射型光电开关工作原理反射板反射镜被测物体偏振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

漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。额定距离反射型光电开关外形电源指示信号指示反射型光电开关外形（续）灵敏度调节电位器光电开关应用（续）透明度测量、控制质量检测光电开关应用（续）加工控制光电开关应用（续）机械手定位光电开关应用（续）商标方向检测

当工件经过光电断续器时，接收器即产生一个计数脉冲。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构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的

NPN结构，称为

3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP结构，称为3CU型。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

光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的β倍。电流达mA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。

光电三极管放大的外部条件

发射结正偏集电结反偏1.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.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β，随光电流的增大而增大。①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；②光生载流子渡越基区所需要的时间；③光生载流子被收集到集电极的时间；④

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）时间响应（频率特性）

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，所以硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多。3）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0.4~1.0μm，峰值波长为0.85μm。4）光谱响应

光电三极管应用光电三极管主要应用于光电控制、光开关.

光电二极管相比较，频率响应较低，不宜使用于高速，宽带的光电探测系统中，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）

烟雾报警无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。无线烟雾报警器工作在警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的连续报警，发出无线报警信号，通知远方的接收主机。报警距离在空旷地可以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到20米。在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。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），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。反射式烟雾报警器

1、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P2,P2的电流就大于P1,可见可以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。具有两维位置的检测功能缺陷：光刻分割区将产生盲区，限制微小光斑的测量；若被测光斑全部落入某一象限，输出信号将无法测出；测量精度与光源的光强及其漂移密切相关。Quadrant（orFoursegmented）photodiode2、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的光电传感器.用