第三节光电传感器

第三节光电传感器本节学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，掌握热释电型红外传感器的工作原理及应用。1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

光电传感器一、主要光电元件二、光电传感器三、热释电型红外传感器光电传感器是目前产量最多应用最广泛的传感器之一，其在交通检测中的应用也较多，如电光式车辆检测器用来对交通参数进行检测。光电传感器以光电效应为基础，是一种将光信号转换为电信号的传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制系统中应用非常广泛。1.概述光波是电磁波，是能量辐射的一种形式。通常定义光波的光谱范围是10~10^6mm，但只有在380~760mm范围内的电磁辐射才能对人眼产生视觉刺激，该范围的光波称作可见光。对光学波段的入射电磁辐射产生电输出的传感器，称为光学传感器，或称光探测器。在光学传感器中，其换能原件通常起敏感元件作用的。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。2.光电效应光电效应外光电效应内光电效应光导效应光伏效应由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应光导效应光生伏特效应（1）外光电效应外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。AKD1D2光电倍增管AK光电管（2）内光电效应光激发的载流子（电子或空穴）仍保留在物质内部称内光电效应a、光导效应。当光照射到半导体物质上时，该物质导电率增大，这种现象称为光导效应。基于光导效应的光电元件有光敏电阻和光导管。b、光伏效应。物体受光照射产生一定方向电动势的现象称为光伏效应。基于光伏效应的光电元件有光电池、光敏晶体管等（半导体光电器件）μAEV-+IΦ结构示意图和图形符号基本电路光敏晶体管一、主要光电元件新型的硅光电池是在P型衬底上制造一薄层N型层作为光照敏感面，效率更高。N型区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对。空穴通过漂移运动被拉到P型区，带正电；电子留在N区，带负电。1.硅光电池

工作原理：硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结。当光照射P区表面时，若光子能量大于硅的禁带宽度，则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子.空穴对，P区表面吸收的光子最多，激发的电子空穴最多，越向内部越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势。由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的，它使扩散到PN结附近的电子-空穴对分离，光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区。从而使N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。若用导线连接P区和N区，电路中就有光电流流过。光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。2、光敏晶体管（1）光敏二极管

光敏二极管原理：光敏二极管在无光照射时反向电阻很大，反向电流很小，此反向电流也叫暗电流。将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。光电池外形光敏面光敏二极管外形

光敏二极管阵列包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。光敏二极管有两种工作状态：①当光电二极管加有反向电压时，管子中的反向电流将随光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大。②光电二极管上不加电压，利用PN结在受光照射时，产生正向电压的原理，即作为光电池。这种工作状态一般作光电检测器。光电二极管由四种类型：P—N型，使用多，价格便宜，用作光电开关；PIN结型、雪崩型（APD）、肖特基结型这三种响应速度高，主要用于光纤通信及计算机信息传输。PIN光电二极管

PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF频带小信号开关、中波频带到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。特殊结构的PIN二极管还可用于测量紫外线或射线等。光电二极管的基本特性和参数①伏安特性。如图2-9所示。在一定光照条件下，光电二极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性。光电二极管的伏安特性的数学表达式如下：I=I0[1－exp(qV/kT)]＋IL，其中I0是无光照的反向饱和电流，V是二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），q为电子电荷，k为波耳兹常数，T为PN结的温度，单位为K，IL为无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。此特性表明：a.反向电流随入射光照度的增加而增加，在一定的反向电压范围内，反向电流的大小几乎与反向电压大小无关b.在入射光照度一定时，光敏二极管相当于一个恒流源，其输出电压随电压负载电阻增大而升高。特性曲线在第四象限时，它呈现光电池特性，光照强度越大，负载电阻越小，电流越大。如R1>R2时，光照强度相同，则I2>I1.APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）硅雪崩光电二极管是采用n+p-πp+型结构的可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。②反向工作电压UR。在无光照射时，发光二极管中反向电流≤0.2μA.反向工作电压一般不大于10V，最高也仅为50V。③暗电流ID。光电二极管在一定偏压，当没有光照的情况下，即黑暗环境中，所测得的电流值即为光电二极管的暗电流。通常在50v反压下的暗电流小于100mA④光电流。光电二极管在一定偏压，当有光电照的情况下，所测得的电流值即为光电二极管在某特定光照下的光电流。一般光电流为几十微安培，并且与光照度呈线性关系⑤光谱特性。一般光电二极管的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电二极管在一定偏压下所产生光电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表示，实验中光电二极管的响应范围为400~1100nm，峰值波长为800~900nm，如图2-10所示。图2-10光敏三极管有两个PN结，可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。当光敏三极管的集电结反向偏置，发射结正向偏置时。无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，EU0ceIcRLNNP结构示意图基本电路这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子(电子)将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流IC。这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流IC是原始光电流的(l+β)倍。这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。

①光敏三极管的基本特性。光敏三极管的特性包括光敏二极管的伏安特性、光照特性、温度特性等。

②光敏三极管的主要参数a.光敏三极管的响应速度b.暗电流

二、光电传感器1.光电传感器的基本组成光电传感器是以光为媒介、以光电效应为基础的传感器，主要由光源、光学通路、光电器件及测量电路等组成，如图2-11所示。（1）光源。能发射可见光谱、紫外线光谱和红外线光谱的其他器件。（2）光学通路。常用的光学元件有透镜、滤光片、棱镜、反射镜、光栅及光纤等。（3）光电器件的作用是检测照射其上的光通量。

2.光电传感器的分类

按照被测信号转换为光电器件的入射光通量变化的形式，光电传感器可分为以下几类：（2）辐射式。光源本身就是被测对象，被测对象发出的光通量强弱与被测参量的高低有关。（3）反射式。光源发出一定的光通量到被测对象，由于物体性质或状态损失了一部分光通量，余下部分反射到光敏元件上。（4）遮挡式。光源发出一定的光通量，射到光敏器件上，光路途中遇到了被测对象遮挡了一部分光，由此改变了光敏器件的光通量。（5）开关式。光源与光敏元件间的光路上有物体时，光路被遮断，没有物体时光路畅通。其用途形式有三种：开关、计数、编码。（1）吸收式。光源发出一定的光通量，穿过被测对象，部分被吸收，其余达到光敏元件，转变为电信号输出。

光源发出一定的光通量被测对象A所吸收的光通量光敏元件接受的光通量所以：三、热释电型红外传感器（1）热释电效应某些具有自发极化的热电晶体，若其表面的温度上升或下降，则该表面产生电荷，这种现象称为热释电效应。产生的电荷与温度的关系为：热电系数，大小取决于材料晶体受热表面积在钛酸钡一类的晶体上，上下表面设置电极，在上表面加以黑膜，使其有良好吸热性。2.热释电红外光敏元件材料（压电陶瓷及陶瓷氧化物）热释电型传感器的性能主要决定于热释电材料的性能。这种传感器对热释电材料的要求有：①吸收红外光的能力极强；②接受能量后能产生较大的温升；③温度变化引起的自发极化变化大；④介电常数小，以得到大的输出电压；⑤介电损耗小。常用的热释电材料有单晶、陶瓷、高