第7章光电式传感器1

1第7章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。被测量被测量光源光电器件2第7章光电式传感器光电式传感器是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电量的变化的装置。光电式传感器可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，也可用于检测能间接转换成光量变化的其它非电量，如几何尺寸、位移、振动、速度等。光电式传感器的主要特点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、检测和工业自动化控制等领域。3第7章光电式传感器7.1光电效应和光电器件7.2新型光电器件7.3光栅式传感器7.4激光式传感器7.5光电式传感器应用实例47.1光电效应和光电器件光电器件的物理基础是光电效应。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量而产生的电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。7.1.1外光电效应7.1.2内光电效应7.1.3外光电效应器件7.1.4内光电效应器件7.1.5光电器件的特性57.1.1外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。它是1887年由德国科学家赫兹在证明麦克斯韦的电磁波预言实验时偶然发现的现象。他发现当用紫外光照射放电电极时，放电强度增加。这种效应表示有电子从被照射表面上发射出来。6787.1.1外光电效应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这些物体。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，至少需对其做功A0，以克服物体对电子的约束，A0称为逸出功，也称功函数，其值与材料有关，还和材料的表面状态有关。于是，按照能量守恒与转换定律，有)1.7(2102AmhE式(7.1)称为爱因斯坦光电效应方程。h-普朗克常数，v-电子离开物体表面时的初速度，υ-入射光频率。97.1.1外光电效应(1)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这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值，称为红限频率(对应的光波长称为临界波长)，用0表示。根据式(7.1)可得)2.7(/00hA若0，入射光强度再大也不会产生光电发射。反之，当0时，即使光强微弱也会有电子发射出来。10117.1.1外光电效应(2)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。(3)光电子逸出物体表面时的初动能决定于入射光的频率对于一定的物质，电子逸出功是一定的，所以光子的能量hn越大，则电子的初动能越大。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。（4）另外，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10-9秒。127.1光电效应和光电器件7.1.1外光电效应7.1.2内光电效应7.1.3外光电效应器件7.1.4内光电效应器件7.1.5光电器件的特性√137.1.2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，即激发出光生电子-空穴对，从而使半导体材料产生电效应，这种光电效应称为内光电效应。显然，光子能量必须大于材料的禁带宽度DEg才能产生内光电效应。产生内光电效应的临界波长为)3.7(nm1240/gg00EhEccDD例如，锗DEg=0.75eV，硅DEg=1.2eV。147.1.2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。1.光电导效应在光照射下，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度增加，使电阻率变化，这种现象称为光电导效应。157.1.2内光电效应2.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现象叫光生伏特效应。以PN结为例，没有光照射时，在过渡区会形成阻挡层，阻止孔穴和电子的进一步扩散。当光线照射PN结产生电子-空穴对时，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，在PN结两端形成光电动势。+++---+++---PN-+167.1光电效应和光电器件7.1.1外光电效应7.1.2内光电效应7.1.3外光电效应器件7.1.4内光电效应器件7.1.5光电器件的特性√√177.1.3外光电效应器件基于外光电效应的器件有光电管、光电倍增管等。1.光电管可分为两大类：真空光电管和充气光电管，结构类似，都是内装有光阴极和阳极的玻璃管。187.1.3外光电效应器件(1)真空光电管真空光电管由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，阳极A通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。当光照射阴极时，电子便从阴极逸出，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降随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电信号的目的。197.1.3外光电效应器件(2)充气光电管如果在玻璃管内充入少量的惰性气体(如氩、氖等)，即构成充气光电管。当充气光电管的阴极被光照射后，产生的光电子在飞向阳极的途中，对惰性气体进行轰击，使其电离，从而产生更多的自由电子，形成数倍于真空光电管的光电流，提高了光电变换的灵敏度。但充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，所以较少采用。充气光电管的管内可充单纯气体或混合气体。207.1.3外光电效应器件2.光电倍增管几种光电倍增管的外形如图所示。217.1.3外光电效应器件光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础之上。在玻璃管内除有光电阴极和光电阳极外，还有若干个光电倍增极，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。光电倍增极上涂有在电子轰击下能放射更多“次级电子”的材料，常用的有锑化钨、氧化银镁合金等。227.1.3外光电效应器件工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时，立刻有电子逸出，逸出的电子受到第一倍增极正电位作用，使之加速打在第一倍增极，第一倍增极发射的电子(即二次发射)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上，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A收集为止。237.1.3外光电效应器件光电倍增管的放大性能用倍增系数M衡量。M等于各个倍增电极的二次发射电子倍数di(i=1,2,…)的乘积，若有n个倍增电极，且每级的di都一样，则)4.7(niMd一般M在105～108之间。因此，设光电阴极的光电流为I0，则到达阳极的电流为)5.7(0niIId247.1光电效应和光电器件7.1.1外光电效应7.1.2内光电效应7.1.3外光电效应器件7.1.4内光电效应器件7.1.5光电器件的特性√√√257.1.4内光电效应器件基于内光电效应的光电器件有光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管、光位置敏感元件等。1.光敏电阻光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件。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，然后压入塑料封装体内。267.1.4内光电效应器件将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，应尽量减小电极间的距离。面积较大的光敏电阻，通常采用在光敏电阻薄膜上蒸镀金属梳状电极。常用的光敏电阻材料有硫化镉、硒化铅、碲化铝等。277.1.4内光电效应器件光敏电阻特性参数如下(1)暗电阻、亮电阻光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受光照时的阻值称为亮电阻。暗电阻越大、亮电阻越小则灵敏度越高。(2)暗电流、亮电流、光电流光敏电阻未受光照时的电流称为暗电流，受光照射时的电流称为亮电流。光电流亮电流-暗电流暗电流越小，亮电流越大，则灵敏度越高。287.1.4内光电效应器件几种光敏电阻的特性参数如表所示。297.1.4内光电效应器件2.光电池光电池是在光线照射下，利用光生伏特效应，将光量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。太阳能应急灯编码器用硅光电池30317.1.4内光电效应器件光电池种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因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。①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。②硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高(达到17％)的几乎接近理论极限的一种光电池。327.1.4内光电效应器件硅光电池是用单晶硅组成的(目前也有非晶硅的产品)。在一块N型硅片上扩散P型杂质(如硼)，形成一个扩散PN(P+N)结；或在P型硅片扩散N型杂质(如磷)，形成N+P的PN结。用镀镍的方法制成下电极，并用镀银的方法制成上电极。为增加吸收光的效率，在光照表面上还要增镀一层减反射膜。337.1.4内光电效应器件一般在地面上用作光电探测器的多为P+N型。如国产2CR型。N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，可作为航天器的太阳能电池，如国产2DR型。347.1.4内光电效应器件硒光电池是在铝片上涂硒，再用溅射的工艺，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。虽然硒光电池的转换效率低、寿命短、但适于接受可见光，也有一定应用。357.1.4内光电效应器件此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达30％，但目前因工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池。367.1.4内光电效应器件377.1.4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PN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。387.1.4内光电效应器件3.光敏晶体管(1)光敏二极管结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中是处于反向偏置状态，属单向导电的非线性元件。但它的光照特性是线性的。397.1.4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，反向电流(暗电流)很小(处于载止状态)。受光照射时，结区产生电子-空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动、空穴向P区运动而形成光电流，光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。407.1.4内光电效应器件(2)光敏三极管光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电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PNP还是NPN型光敏三极管，一般用基极-集电极结作为受光结。(a)结构(b)符号becNPc光NebbecRLE(c)基本电路图10.18光敏三极管的结构和基本电路417.1.4内光电效应器件对NPN型，当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开路时，基极-集电极结处于反向偏压下，它的工作机理完全与反偏压的光敏二极管相同。入射光子在基区及集电区被吸收而产生电子-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放大了的信号电流。因此，光敏三极管是一种相当于将基极-集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。427.1.4内光电效应器件部分光敏二极管基本参量如表所示。43光敏二极管和三极管的主要差别•光电流–光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1μA。•响应时间–光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5～10μs。因此，