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第8章光电传感器8.1光电传感器的基本效应8.2外光电效应光电器件

8.3光电导效应及光电元件8.4光电伏特效应及光电元件8.5CCD图像传感器8.6应用光路

思考题与习题

8.1.1半导体的粒子特性

光敏器件所探测的光包括可见光、紫外线和红外光,在整个电磁辐射的频谱中只占很小一部分。光具有波粒二象性,光的粒子性可用光子的概念描述。 沿r方向传播的频率为ν的单色光,可视为一束光子流,其中每个光子具有的能量E和动能P分别为

E=hν (8.1) (8.2)8.1光电传感器的基本效应

式中:h——普朗克常数,其值为6.626×10-34J·s;

ν——光的频率(s-1);

λ——光的波长。 这样,单色光的辐射功率就可写为

P(ν)=A·F·hν (8.3)

式中:F——光子流密度(单位时间通过单位面积的光子数);

A——光子流通过的面积。量子力学指出,光的发射和吸收是与量子态间的跃迁过程相联系的,在此过程中,光表现出其粒子性。在发射时,光源系统由高能态E2向低能态E1跃迁,同时按能量守恒定律发射光子:hν=E2-E1

(8.4)在吸收时,介质吸收光子hν后就从低能态E1跃迁到高能态E2

。按能量守恒定律,介质系统跃迁前后的能量差应为

E2-E1=hν (8.5)

即根据能量守恒定律,光源只能发出由式(8.4)描述的光子,只有符合式(8.5)的光子才能被介质吸收。吸收和发射只有在计及光子动量并服从准动量守恒定则(选择定则)时才能发生。 光在半导体中传播时的衰减,是半导体内电子吸收光子后从低能态向高能态跃迁的结果。在其诸多吸收过程中,本征吸收是光敏器件的工作基础。

本征吸收又称基本吸收,其相应的跃迁过程是:价带电子吸收了能量大于或等于禁带宽度的光子后,跃至导带,产生自由电子,并在价带留下自由空穴。因此,在本征吸收时,每吸收一个光子,就产生一个电子-空穴对。由于在本征吸收过程中被吸收的光子要满足的条件是

hν=Eg (8.6)

且导带是由一系列能量间隔很小的能级组成的,所以本征吸收谱是连续谱。 8.1.2光电效应 半导体光电效应是半导体中束缚电子在吸收光子后所产生的电学效应,它是各类光敏器件工作的基本原理。 半导体光电效应可分为内光电效应和外光电效应两大类。半导体内的电子在吸收光子后,如能克服表面势垒逸出半导体表面,会产生外光电效应。电管、光电倍增管等就是基于外光电效应制成的光电器件。 半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体,所产生的电学效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效应。内光电效应的种类很多,可据此制成不同的光敏器件。8.2外光电效应光电器件

8.2.1光电管

光电管的结构如图8.1所示。在一个抽成真空的玻璃泡内装有两个电极:阳极和光电阴极(简称阴极)。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射光电子,光电子被带正电位的阳极所吸引,这样在光电管内就有电子流,在外电路中便产生了电子流,输出电压。光电流的大小与照射在光电阴极上的光强度成正比,并与光电阴极的材料有关。当光通量一定时,真空光电管阳极电压与阳极电流的伏安特性曲线见图8.2。图8.1光电管的结构

光电管除真空光电管外,还有充气光电管。这两种光电管的结构基本相同,所不同的只是在充气光电管玻璃泡内充有少量的惰性气体,如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时,光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子,使其电离,从而使阳极电流急速增加,提高了光电管的灵敏度。但其稳定性、频率特性等都比真空光电管的差。图8.3给出了充气光电管的伏安特性曲线。图8.2真空光电管的伏安特性曲线图8.3充气光电管的伏安特性曲线

8.2.2光电倍增管

光电倍增管的结构如图8.4所示。它在玻璃管4内由光电阴极1(K)、若干个倍增极2(Dn,n=4~14)和阳极3(A)三部分组成。由一定材料制成的光电阴极K受入射光Φ照射时,可发射出光电子,形成光电流iΦ。因倍增极和阳极上加有一定的电位(图中经分压电阻获得),故光电阴极发射的光电子被第一倍增极D1的正电压所加速,而轰击第一倍增极D1,打击出二次电子;同样,二次电子又被第二倍增极D2的正电压所加速,而轰击第二倍增极D2,打击出更多的二次电子。依次下去,最后全部二次电子被带正电位的阳极A所收集,形成光电流i。图8.4光电倍增管的结构

如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子,这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极。设这时第一倍增极有σ个二次电子发出,这σ个电子又轰击第二倍增极。而其产生的二次电子又增加σ倍。经过n个倍增极后,原先一个电子将变为σn个电子。这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流i,则

i=iΦσn (8.7)

式中:n次发射极数;σ二次电子发射系数。故输出电压

Usc=iR=iΦσn

R (8.8)

光电倍增管的优点是放大倍数很高,可达106,线性好,频率特性好;缺点是体积大,需数百伏至1kV的直流电压供电。光电倍增管一般用于微弱光输入、要求反映速度很快的场合。8.3光电导效应及光电元件8.3.1光敏电阻的结构及原理光敏电阻的光谱特性是选择光敏电阻器的重要依据。根据光敏电阻的光谱特性,目前常用的有三种光敏电阻器:紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器和可见光光敏电阻器。紫外光敏电阻器对紫外线较灵敏,包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等,用于探测紫外线。红外光敏电阻器主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器,广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体探测、红外光谱、红外通信等。可见光光敏电阻器包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等,主要用于各种光电控制系统,如光电自动开关门户,航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭,自动给水和自动停水装置,机械上的自动保护装置和位置检测,零件的厚度检测,照相机自动曝光装置,光电码盘,光电计数器,烟雾报警器,光电跟踪系统等方面。图8.5为某光敏电阻的结构及电路符号。用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉(CdS)及硒化镉(CdSe)等。图8.5中,CDS为硫化镉。光敏半导体材料是纯电阻性的。当无光照射时,其暗电阻值很大(大多数光敏材料的暗电阻值超过1MΩ),电路的暗电流很小;当受到一定波长范围的光照射时,其电阻值急剧减小,电路电流随之迅速增加。光敏半导体材料中,除常用的硅、锗外,硫化镉、硫化铅、锑化铟、硒化镉等的应用也日益广泛。光敏电阻阻值的变化与光照波长有关,因此,应用时应根据光波波长合理选择由不同材料做成的光敏电阻。光敏电阻无极性之分,使用时在两电极间加上恒定的交流或直流电压均可。图8.5某光敏电阻的结构及电路符号8.3.2光敏电阻的特性

1.暗电阻、亮电阻与光电流光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。光敏电阻受到光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。一般暗电阻越大,亮电阻越小,光敏电阻的灵敏度越高。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。暗电阻与亮电阻之比一般在102~106之间。

2.光敏电阻的伏安特性

一般光敏电阻(如硫化铅、硫化铊)的伏安特性曲线如图8.6所示。由该曲线可知,所加的电压越高,光电流越大,而且没有饱和现象。在给定的电压下,光电流的数值将随光照增强而增大。

3.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和光照强度之间的关系。不同光敏电阻的光照特性是不相同的。绝大多数光敏电阻的光照特性曲线是非线性的,如图8.7所示。图8.6光敏电阻的伏安特性曲线图8.7光敏电阻的光照特性曲线

4.光敏电阻的光谱特性常用光敏电阻材料的光谱特性曲线如图8.8所示。图中,1=1×10-10m,为非法定计量单位,但为了表示方便,本书仍采用此单位,此后不再说明。对于不同波长的光,光敏电阻的灵敏度是不相同的。从图8.8中可以看出,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8.8几种常用光敏电阻材料的光谱特性曲线

5.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,同时温度变化也影响它的光谱特性曲线。图8.9示出了硫化铅的光敏温度特性曲线。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,应采取一些致冷措施。 光敏电阻具有很高的灵敏度,光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域,而且体积小,性能稳定,价格便宜;但光照与产生的光电流之间呈非线性关系。所以,光敏电阻在自动化技术中应用很多,在检测技术中很少使用。图8.9硫化铅的光敏温度特性曲线8.4光电伏特效应及光电元件8.4.1光电导结型光电元件

图8.10所示为光电二极管的结构原理、外形及电路符号。为了便于受光,PN结装在外壳的顶部,上面有一个用透镜制成的窗口1,以便使光线集中在PN结上。2为封装壳体,3为引出电极。光电二极管在电路中工作在反向偏置下,即在N区接高电位,在P区接低电位。无光照时,反向电阻高达4MΩ。在反向偏压作用下,有一反向电流(称为暗电流)。当有光照时,反向电阻下降到1kΩ左右,产生光电流,实现了将光信号转变成电信号的目的。光电二极管的主要特点是体积小,频率特性好,但弱光下灵敏度低。

图8.10光电二极管(a)结构原理;(b)外形;(c)电路符号

图8.11所示为光电三极管的结构原理、外形及电路符号。图中是三极管为PNP型,也可做成NPN型。光电三极管与光电二极管相似,但有两个PN结。光照射在发射极e与基极b之间的PN结附近便产生光电流(几微安,相当于三极管的基极电流),于是在集电极c与基极基b之间的PN结能产生几毫安电流(相当于三极管的集电极电流)。光电三极管的通频带较窄,不如光电二极管性能稳定,但灵敏度高。

图8.11光电三极管(a)结构原理;(b)外形;(c)电路符号

8.4.2光电伏特型光电元件

1.光电池结构原理

光电池是有源器件,这种器件受到光照时就产生一定方向的电动势,不需要外部电源供电。光电池的种类很多,有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。用可见光作为光源的光电池的常用半导体材料有硒和硅等。 图8.12所示为硅光电池的结构原理、外形及电路符号。它是用单晶硅制成的,在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结,P层很薄,从而使光能穿透到PN结上。由于光线的照射,使P区带正电荷,N区带负电荷,从而在两区之间形成电位差,即构成光电池,若接于外电路中就可产生电流。在第7章中,我们已经看到了光电池在光栅器件辨向及细分中的应用。

图8.12硅光电池(a)结构原理;(b)外形;(c)电路符号

2.光电池的特性

1)光电池的光谱特性 硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线如图8.13所示。从图示曲线可以看出,不同的光电池其光谱峰值的位置不同。硅光电池的在8000附近,硒光电池的在5400附近。硅光电池的光谱范围很广,在4500~11000之间,硒光电池的光谱范围为3400~7500。因此,硒光电池适用于可见光,常用于照度计测定光的强度。图8.13硒光电池与硅光电池的光谱特性曲线 2)光电池的光照特性 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。硅光电池的光照特性曲线如图8.14所示。从该曲线中可以看出,短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的,并且当照度在2000lx时就趋于饱和。因此,把光电池作为测量元件时,应把它当作电流源来使用,不宜用作电压源。

所谓光电池的短路电流,就是反映负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。光电池的内阻是随着照度增加而减小的,所以在不同照度下可将大小不同的负载电阻视为近似“短路”条件。从实验中知道,负载电阻越小,光电流与照度之间的线性关系越好,且线性范围越宽,对不同的负载电阻,可以在不同的照度范围内,使光电流与光强保持线性关系。所以,应用光电池作测量元件时,所用负载电阻的大小,应根据光强的具体情况而定。总之,负载电阻越小越好。

图8.14硅光电池的光照特性曲线

3)光电池的频率特性 光电池在作为测量、计数、接收元件时,常用交变光照。光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系,如图8.15所示。从该曲线可以看出,硅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。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。图8.15光电池的频率特性曲线 4)光电池的温度特性 光电池的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池设备的温度漂移,影响到测量精度或控制精度等主要指标,因此是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性曲线如图8.16所示。从该曲线可以看出,开路电压随温度升高而快速下降的速度较快,而短路电流随温度升高而缓慢增加。因此,当使用光电池作测量元件时,在系统设计中应考虑到温度的漂移,并采取相应的措施进行补偿。图8.16光电池的温度特性曲线

1.CCD的结构

CCD是在P(或N)型硅基体上,生成一层SiO2绝缘层(厚度约1000),再于绝缘层上淀积一系列间隙相隔很小(小于0.3μm)的金属电极(栅极),每个金属电极和它下面的绝缘层及半导体硅基体形成一个MOS电容器,故CCD实际上是由一系列MOS电容器构成的MOS阵列。由于这些MOS电容器彼此靠得很近,因此它们之间能够发生耦合,使被注入到MOS电容器中的电荷能够有控制地从一个电容器移位到另一个电器容。这样的电荷转移过程是电荷耦合的过程,故这类器件被称为电荷耦合器件。8.5CCD图像传感器

2.电荷存储

图8.17所示为在热氧化P型硅衬底上淀积金属而构成的一只MOS电容器。若在某一时刻给它的金属电极加上正向电压U,则P型硅半导体中的多数载流子(空穴)便会受到排斥,在硅表面处就会形成一个耗尽区。这个耗尽区与普通的PN结一样,同样也是电离受主构成的空间电荷区。在一定条件下,所加U越大,耗尽层就越深。这时,硅表面吸收少数载流子(电子)的势也就越大,耗尽区越深。对于带负电的电子来说,耗尽区是个势能很低的区域,称为电子“势阱”,如图8.18所示。势阱具有存储电子(电荷)的功能,每一个加正电压的电极下就是一个势阱。通常将表面势阱中的自由电荷称为电荷包。势阱的深度取决于正电压U的大小,势阱的宽度取决于金属电极的宽度。 CCD电荷(少数载流子)有电压信号注入和光信号注入两种产生方式。做为图像传感器,CCD接收的是光信号,即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片上时,在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对。这时在栅极电压的作用下,多数载流子(空穴)将流入衬底,而少数载流子(电子)则被收集在势阱中,形成信号电荷存储起来。这样,高于半导体禁带宽度的那些光子就能建立起正比于光强的存储电荷。图8.17MOS基本单元图8.18电子“势阱”

图8.19(a)所示是不存在信号电荷(少数载流子)的能带图情形,图8.19(b)所示是已堆积一些信号电荷的能带图情形。由图8.19可知,半导体硅内的电位分布向着其表面以抛物线规律增加,至表面处时,其表面势最大。同时,因信号电荷量的存在,表面势减小。图8.19中,x为极电压,U为栅压。图8.19MOS能带图

3.电荷耦合

CCD器件有二相、三相、四相等几种时钟脉冲驱动的结构形式。其中,最方便的是由三相时钟脉冲驱动的CCD器件,如图8.20所示。在三相结构CCD中,三个电极组成一个单元,形成一个像素。三个不同的脉冲驱动电压按图8.20(b)所示的时序提供,以保证形成空间电荷区的相对时序。图8.20三相时钟脉冲驱动的电荷转移

设在某时刻t1第一相处于高电压,处于低电压,则在t1时,形成较深的势阱,如图8.20(a)所示。若此时有光线入射到硅片上,在光子的激发下硅片上就会产生电子-空穴对。由于光扩散效应,其中的空穴被排斥到硅基体顶,光生电子则被势阱所收集。势阱所收集的光生电子数量和入射到势阱附近的光强成正比。此时,在栅压作用下,CCD器件上位于下若干互相独立的MOS元就会形成众多相互独立的势阱。若照射在这些光敏元上是一幅明暗不同的图像,那么这些光敏元就会感生出一幅光照强度相应的光生电荷图像,一幅光图像就转变成了电图像。

为了读出存放在CCD中的电图像,在顺序排列的电极上施加交替变化的三相时钟脉冲驱动电压。在t=t2时, 电压下降, 跳变到最大,如图8.21,电荷包便从电压为的各电极下向电压为的各电极下形成的势阱转移。到t3时刻,全部电荷包已转移完毕。从t=t4开始,下降,跳变到最大,于是电荷包又从电极下转移到电极下。当第二个重复周期开始时,重复上述转移过程。这样,交替升降的三相驱动时钟脉冲便可以完成电荷包的定向转移,在CCD末端就能依次接收到原先存储在各个电极下的电荷包。图8.21电荷耦合

4.电荷输出

信号电荷电流输出如图8.22所示。输出栅OG加直流偏置,用来使漏扩散和时钟脉冲之间退耦。N+区与P型硅接触处形成PN结,通过施加UD构成反向偏置二极管,它是电子电荷的深势阱。转移到电极下MOS元中的电荷包越过输出栅流入到反向偏置二极管的深势阱。若dt时间内流入的信号电荷为Qs,则二极管输出电流ID为(8.9)

则A点电压为

UA=UD-IDR

(8.10) 若转移到极下电荷包的电子增多,流入反向偏置二极管势阱的电子电荷增多,则ID增大,A点电压UA下降。故A点电压变化受控于反向偏置二极管收集信号电荷的量。A点电压UA的变化ΔUA经C耦合至放大器放大后输出。场效应管V为复位管, 电极下势阱未形成前在栅极G加复位脉冲R,使A点电压复位到UDD,而当信号电荷Qs来到时,复位管V截止。A点电压UA由信号电荷Qs和反向电流ID来控制。图8.22电荷电流输出8.6应用光路

8.6.1反射式

图8.23所示为反射式模拟光电传感器用于检测工件表面粗糙度或表面缺陷的原理图。从光源1发出的光经过被测工件3的表面反射,由光电元件5接收。当被测工件表面有缺陷或粗糙度精度较低时,反射到光电元件上的光通量变小,转换成的光电流就小。检测时被测工件在工作台上可左右、前后移动。图8.23反射法测量原理

8.6.2透射式 图8.24所示为透射式光电传感器用于检测工件孔径或狭缝宽度的原理图。此法适用于检测小直径通孔。从光源1发出的光透过被测工件2的孔后,由光电元件3接收。被测孔径尺寸变化时,照到光电元件上的光通量随之变化。转换成的光电流大小由被测孔径大小决定。此方法也可用于外径的检测。图8.24透射法测量原理

8.6.3线纹瞄准用光电传感器 图8.25所示为线纹瞄准用光电传感器原理图。图8.25(a)为测量玻璃刻线尺的透射照明光学系统。被检线纹尺2由光源1照明,经分光镜3形成两个刻线像4和9,箭头A、B、C分别表示刻线2和两个刻线像4和9的移动方向。狭缝5和7的宽度相等,均被调节到等于刻线像的宽度。狭缝5和7的光学位置有一相位差,如图8.25(b)所示。当被测线纹尺按箭头A方向运动时,刻线像顺次通过狭缝5和7。照射到光电倍增管6和8中的光通量Φ5和Φ7以及转换成的电信号的U5和U7都呈倒三角形,并有一相位差,如图8.25(b)中虚线所示。两个电压信号U5和U7

经反相放大后送到一个差动放大器,其输出将反映两信号之差U7-U5

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