1、1第7章 光電式傳感器 7.1 光源光源7.2 光電器件光電器件7.3 光纖傳感器光纖傳感器 7.4 光柵式傳感器光柵式傳感器27.1 光源（發光器件）光源（發光器件）n光源是光電式傳感器的一個組成部分，大多數光電傳感器都離不開光源。n光電式傳感器對光源的選擇要考慮很多因素，例如波長、譜分布、相干性、體積、造價、功率等。n常用的光源可分為四大類：熱輻射光源、氣體放電光源、激光器和電致發光器件等。 3 光譜光譜光波：波長為10106nm的電磁波可見光：波長380780nm紫外線：波長10380nm， 波長300380nm稱為近紫外線 波長200300nm稱為遠紫外線 波長10200nm稱為極遠紫

2、外線，紅外線：波長780106nm 波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線 波長超過3m 的紅外線稱為遠紅外線。 光譜分布如圖所示。4遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外0.010.11100.050.55波長/m波數/cm-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018光的波長與頻率的關系由光速確定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波長和頻率的關系為 的單位為Hz，的單位為cm。 =31010cm / s5n一、熱輻射光源nn

3、 熱物體都會向空間發出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。物體溫度越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長也就越短。白熾燈就是一種典型的熱輻射光源。鎢絲密封在玻璃泡內，泡內充以惰性氣體或者保持真空，鎢絲被電加熱到白熾狀態而發光。白熾燈的壽命取決于很多因素，包括供電電壓等，在經濟成本下壽命可以達到幾千小時。n鹵鎢燈是一種特殊的白熾燈，燈泡用石英玻璃制作，能夠耐3500K的高溫，燈泡內充以鹵素元素，通常是碘，鹵素元素能夠與沉積在燈泡內壁上的鎢發生化學反應，形成鹵化鎢，鹵化鎢擴散到鎢絲附近，由于溫度高而分解，鎢原子重新沉積到鎢絲上，這樣彌補了燈絲的蒸發，大大延長了燈泡的壽命，同時也解決了燈

4、泡因鎢的沉積而發黑的問題，光通量在整個壽命期中始終能夠保持相對穩定。n白熾燈為可見光源，但它的能量只有15%左右落在可見光區域，它的峰值波長在近紅外區域，約11.5m m，因此可用作近紅外光源。對于更遠的紅外區域，可選用其他熱輻射光源，例如硅碳棒或者能斯脫燈等，它們工作在較低的溫度下，峰值波長更長。n熱輻射光源輸出功率大，但對電源的響應速度慢，調制頻率一般低于1kHz，不能用于快速的正弦和脈沖調制。6 鎢絲白熾燈：鎢絲白熾燈： 用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續的。發光范圍發光范圍：可見光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點特點：壽

5、命短而且發熱大、效率低、動態特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。 在普通白熾燈基礎上制作的發光器件有溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，光效高，壽命也較長。 7n二、氣體放電光源nn 電流通過氣體會產生發光現象，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源的光譜不連續，光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。n低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長約為589nm，它們經常用作光電檢測儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑

6、，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉化為更長的波長，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電燈發出某一特定波長或者某一范圍的波長，照明日光燈就是一個典型的例子。n在需要線光源或面光源的情況下，在同樣的光通量下，氣體放電光源消耗的能量僅為白熾燈1/21/3。氣體放電光源發出的熱量少，對檢測對象和光電探測器件的溫度影響小，對電壓恒定的要求也比白熾燈低。n若利用高壓或超高壓的氙氣放電發光，可制成高效率的氙燈，它的光譜與日光非常接近。目前氙燈又可以分為長弧氙燈、短弧氙燈、脈沖氙燈。短弧氙燈的電弧長幾毫米，是高亮度的點光源。但氙燈的電源系統復雜，需用高電壓觸發放電。8

7、氣體放電燈：氣體放電燈：定義：利用電流通過氣體產生發光現象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續不連續的，光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。 低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，它們經常用作光電檢測儀器的單色光源單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉化為更長的波長，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發出某一范圍的波長，如，照明日光燈。 氣體放電燈消耗的能量僅

8、為白熾燈1/21/3。9三、電致發光器件三、電致發光器件發光二極管發光二極管 LED（Light Emitting Diode）固體發光材料在電場激發下產生的發光現象稱為電致發光，它是將電能直接轉換成光能的過程。利用這種現象制成的器件稱為電致發光器件，如發光二極管、半導體激光器和電致發光屏等。 由半導體PN結構成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。 在半導體PN結中，P區的空穴由于擴散而移動到N區，N區的電子則擴散到P區，在PN結處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續擴散。當PN結上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由N區注入到P區，空穴則由P區注入到N區，稱

9、為少數載流子注入。所注入到P區里的電子和P區里的空穴復合，注入到N區里的空穴和N區里的電子復合，這種復合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發光現象。10 電子和空穴復合，所釋放的能量Eg等于PN結的禁帶寬度（即能量間隙）。所放出的光子能量用h表示，h為普朗克常數，為光的頻率。則gEhcgEchgEh普朗克常數h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.610-19J。 hc=19.810-26mWs=12.410-7meV?？梢姽獾牟ㄩL近似地認為在710-7m以下，所以制作發光二極管的材料，其禁帶寬度至少應大于h c /=1.8 eV 普通二極

10、管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用。11通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當x0.35時，可得到Eg1.8eV的材料。改變x值還可以決定發光波長，使在550900nm間變化，它已經進入紅外區。 與此相似的可供制作發光二極管的材料見下表。材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350表4

11、.1-1 LED材料12 發光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。圖為砷磷化鎵發光二極管的伏安曲線，紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。U/V I/mA 注意，圖上的橫坐標正負值刻度比例不同。一般而言，發光二極管的反向擊穿電壓大于5V，為了安全起見，使用時反向電壓應在5V以下。 -10 -5 0 12GaAsP(紅)GaAsP(綠)13 發光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵的曲線有兩根，這是因為其材質成分稍有差異而得到不同的峰值波長p 。除峰值波長p決定發光顏色之外，峰的寬度（用描述）決定光的色彩純度，越小，其光色越純。0.20.40.

12、60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs發光二極管的光譜特性/nm相對靈敏度14n 發光二極管的發光效率很大程度上取決于有多少光能夠逸出二極管表面，因為大多數半導體材料折射率較高，到達二極管表面的光線大部分將被反射回去。發光二極管的發光強度與電流成正比，這個電流范圍約在幾十毫安之內，進一步增加會引起發光二極管輸出光強飽和直至損壞器件，使用時常串聯電阻使發光二極管的電流不會超過允許值。n發光二極管具有體積小、壽命長（106109h）、工作電壓低（12V）、響應速度快（幾個納秒至幾十納秒）的優點，

13、在實踐中得到了廣泛的應用。15四、激光器四、激光器 激光器是“光受激輻射放大”的縮寫。某些物質的分子、原子、離子吸收外界特定能量（如特定頻率的輻射），從低能級躍遷到高能級上（受激吸收），如果處于高能級的粒子數大于低能級上的粒子數，就形成了粒子數反轉，在特定頻率的光子激發下，高能粒子集中地躍遷到低能級上，發射出與激發光子頻率相同的光子（受激發射）。由于單位時間受激發射光子數遠大于激發光子數，因此上述現象稱為光的受激輻射放大。具有光的受激輻射放大功能的器件稱為激光器。激光器的突出優點是單色性好、方向性好和亮度高，不同激光器在這些特點上又各有不同的側重。 激光是20世紀60年代出現的最重大科技成就之

14、一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。激光波長從0.24m到遠紅外整個光頻波段范圍。16激光器種類繁多，按工作物質分類：n固體激光器（如紅寶石激光器）n氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）n半導體激光器（如砷化鎵激光器）n液體激光器。17（1）固體激光器 典型實例是紅寶石激光器，是1960年人類發明的第一臺激光器。它的工作物質是固體。種類：紅寶石激光器、摻釹的釔鋁榴石激光器（簡稱YAG激光器）和釹玻璃激光器等。特點：小而堅固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達到幾十太瓦。 固體激光器在光譜吸收測量方面有一些應用。利用阿波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器

15、還曾成功地用于地球到月球的距離測量。 18（2）氣體激光器工作物質是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續工作，單色性好。它們的波長覆蓋了從紫外到遠紅外的頻譜區域。 19n氦-氖激光器是實驗室常見的激光器，具有連續輸出激光的能力。它能夠輸出從紅外的3.3m m到可見光等一系列譜線，其中632.8nm譜線在光電傳感器中應用最廣，該譜線的相干性和方向性都很好，輸出功率通常小于1mW，可以滿足很多光電傳感器的要求。氬離子、氪離子激光器功率比氦氖激光器大，氬離子發出可見的

16、藍光和綠光，比較典型的譜線有488nm和514.5nm等,氪離子發出的是紅光（647.1752.5nm），它們連續輸出的功率可以達到幾瓦的數量級，適用于對光源的功率要求比較大的場合，例如光纖分布式溫度傳感器等。二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的輸出波長為10.6m m, 連續輸出方式功率可達幾瓦，脈沖方式達到幾千瓦，是遠紅外的重要光源。許多氣體和有機物在紅外區域有吸收譜線，二氧化碳激光器可用作物質分析的光源。在紫外區域氣體激光器更是一枝獨秀，其它類型激光器還不能工作于這一區域，比較典型的氮氣分子激光器輸出波長為337nm，在脈沖工作方式下功率可達到兆瓦量級，脈沖寬度可達到納秒量級。能夠

17、工作在紫外的還有一些準分子激光器，目前能夠提供從353nm到193nm的激光輸出。由于包括污染物在內的許多物質在紫外區域有獨特的吸收特征，隨著激光器小型化技術的發展，這類激光器在化學分析、環境保護等方面有很好的應用前景。 20（3）半導體激光器 與前兩種相比出現較晚，其成熟產品是砷化鎵激光器。特點：效率高、體積小、重量輕、結構簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準敵機。其缺點是輸出功率較小。目前半導體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區域。 半導體激光器除了具有一般激光器的特點外，還具有體積小、能量高的特點，特別是它對供電電源的要求極其簡單，使之在很多

18、科技領域得到了廣泛應用。 半導體激光器的輸出波長和功率是供電電流和溫度的函數，這給半導體激光器用于干涉測量帶來不少問題，但是改變供電電流或者溫度可以實現對波長在一定范圍內的調制，使之成為可調諧激光器。 21（4）液體激光器 種類：螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器，其中較為重要的是有機染料激光器。 它的最大特點是發出的激光波長可在一段范圍內調節，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。 22 7.2 光電器件光電器件 1. 外光電效應外光電效應 一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。 光子具有能量，每個光子具有的能量由下式確定： E=h （7-1）

19、 式中： h普朗克常數=6.62610-34(Js) 光的頻率（s-1）。 23 所以光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。 在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。向外發射的電子叫光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、 光電倍增管等。 光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產生光電子發射，超過部分的能量表現為逸出電子的動能。根據能量守恒定理 2402021Amvhv（7-2） 式中：m電子質量； v0電子逸出速度。 式（7-2

20、）為愛因斯坦光電效應方程式, 由式可知： 光子能量必須超過逸出功A0，才能產生光電子；入射光的頻譜成分不變，產生的光電子與光強成正比；光電子逸出物體表面時具有初始動能，因此對于外光電效應器件，即使不加初始陽極電壓，也會有光電流產生，為使光電流為零， 必須加負的截止電壓。 2021mv25n一般地說，原子內部各個電子既繞著原子核做軌道運動，同時又做自旋運動，就像地球既繞著太陽公轉，同時又自轉那樣。但是，原子內部的電子可以通過與外界交換能量而從一種運動狀態改變為另一種運動狀態。對于每一種運動狀態來說，原子具有確定的內部能量值，對應為一個能級。同一種元素的原子，能級的情況是相同的。習慣將能量值大的能

21、級稱為高能級，能量值小的能級稱為低能級，原子的最低能級稱為基態。n 處于高能級E2的原子是不穩定的，即使沒有外界作用，也將自發地躍遷到低能級E1，發射一個頻率為能量為hE2El的光子，如下圖所示。大量處于高能級的原子，它們各自獨立地發射一列列頻率相同的光波。26n處于低能級E1的原子受到能量為hE2El的光子作用時，吸收這一光子而躍遷到高能級E2的過程 。E2E1E2E1自發輻射光hE2ElE2E1E2E1入射光hE2El原子吸收入射光子并躍遷到高能級27n處于高能級E2的原子，受能量為hE2El的外來光子作用而躍遷到低能級E1，并發射一個與外來一樣的光子。受激輻射的光與入射光具有相同的頻率、

22、位相、偏振方向和傳播方向 。E2E1E2E1入射光hE2El受激輻射光hE2El入射光hE2El28 2. 內光電效應內光電效應 在光線作用下，物體的導電性能發生變化或產生光生電動勢的效應稱為內光電效應。內光電效應又可分為以下兩類： （1） 光電導效應 在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度， 就激發出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低，這種現象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。 （2） 光生伏特效應 在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池。

23、297.2.1 光敏電阻光敏電阻 1. 光敏電阻的結構與工作原理光敏電阻的結構與工作原理 光敏電阻又稱光導管，它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性， 純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級， 亮電阻值在幾千歐以下。 30 光敏電阻的結構很簡單，圖7-1（a）為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結構圖。在玻璃底板上均勻

24、地涂上一層薄薄的半導體物質，稱為光導層。半導體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案， 如圖7-1（b）所示。 圖8 - 1（c）為光敏電阻的接線圖。 31圖 7-1 光敏電阻結構 (a) 光敏電阻結構； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖金屬電極半導體玻璃底板電源檢流計RLEI(a)(b)(c)Ra32 2. 光敏電阻的主要參數光敏電阻的主要參數 光敏電阻的主要參數有： (1) 暗電阻

25、光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻， 此時流過的電流稱為暗電流。 (2) 亮電流 光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。 (3) 光電流 亮電流與暗電流之差稱為光電流。 33 3. 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性 (1) 伏安特性 在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。圖7-2為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內，其I-U曲線為直線。說明其阻值與入射光量有關，而與電壓電流無關。 （2）光照特性 光敏電阻的光照特性是描述光電流I和光照強度之間的關系，不同材料的光照特性是不同的，絕大多數

26、光敏電阻光照特性是非線性的。圖7-3為硫化鎘光敏電阻的光照特性。 34圖 7-2 硫化鎘光敏電阻的伏安特性 403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200U / V101 x35圖7-3 光敏電阻的光照特性 0.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4I / mA / lm36圖7-4 光敏電阻的光譜特性 Sr / (%) / A2040608010001.53硫化鉛硫化鉈硫化鎘37 (3) 光譜特性 光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光

27、敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應。圖7-4 為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。 對應于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應曲線也不同。從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區域，常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區， 常用做火焰探測器的探頭。 38圖7-5 光敏電阻的頻率特性 100806040200101001 00010 000硫化鎘硫化鉛S /( %)f / Hz39 （4） 頻率特性 實驗證明，光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產生的光電流有一定

28、的惰性，這種惰性通常用時間常數表示。 大多數的光敏電阻時間常數都較大， 這是它的缺點之一。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數（毫秒數量級）， 因而它們的頻率特性也就各不相同。圖7-5為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性，相比較，硫化鉛的使用頻率范圍較大。 40圖 7-6 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 1.02.03.04.0020406080100 20 20 / mS / (%)41 (5) 溫度特性 光敏電阻和其它半導體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改變，尤其是響應于紅外區的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。圖7-6為硫化鉛光敏

29、電阻的光譜溫度特性曲線，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此，硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對于可見光的光敏電阻， 其溫度影響要小一些。 光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等優點，所以應用廣泛。此外許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區工作。光敏電阻的缺點是型號相同的光敏電阻參數參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關式光電信號的傳感元件。 42 表表 7-1 幾種光敏電阻的特性參數幾種光敏電阻的特性參數 437.2.2 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管 1. 結構原理結構原理 光敏二極管

30、的結構與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見圖7-7）。 光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態（見圖7-8），在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結上，光子打在PN結附近，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對，它們在PN結處的內電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態，受光照射時處于導通狀態。 44圖 7-7 光敏二極管結構簡圖和符號 NP光45圖 7-8 光敏二極管接線圖 RLE46 光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個PN結，如圖7-9

31、（a）所示，只是它的發射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。 光敏晶體管接線如圖7-9（b）所示，大多數光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發射極為正的電壓而不接基極時，集電結就是反向偏壓， 當光照射在集電結時，就會在結附近產生電子空穴對，光生電子被拉到集電極，基區留下空穴，使基極與發射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。 47 光敏晶體管的光電靈敏度雖然比光敏二極管高得多，但在需要高增益或大電流輸出的場合，需采用達林頓光敏管。圖7-10是達林頓光敏管的等效電路，它是一個光敏晶體管和一個晶體管以共集電極連接方

32、式構成的集成器件。由于增加了一級電流放大，所以輸出電流能力大大加強，甚至可以不必經過進一步放大，便可直接驅動靈敏繼電器。但由于無光照時的暗電流也增大，因此適合于開關狀態或位式信號的光電變換。 48圖 8 - 9 NPN型光敏晶體管結構簡圖和基本電路 NPc光Nebbec(a)(b)RLE49圖7-10 達林頓光敏管的等效電路 (a) 結構簡化模型； (b) 基本電路 ce50 2. 基本特性基本特性 (1) 光譜特性 光敏管的光譜特性是指在一定照度時， 輸出的光電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的關系。硅和鍺光敏二（晶體）極管的光譜特性曲線如圖7-11所示。從曲線可以看出，硅的峰值波長約為

33、0.9m，鍺的峰值波長約為1.5 m， 此時靈敏度最大，而當入射光的波長增長或縮短時，相對靈敏度都會下降。一般來講， 鍺管的暗電流較大，因此性能較差， 故在可見光或探測赤熱狀態物體時，一般都用硅管。但對紅外光的探測， 用鍺管較為適宜。 51圖 7-11 光敏二極(晶體)管的光譜特性10080604020041028102121021610220102入射光鍺硅 / nmS / (%)52 (2) 伏安特性 圖7-12（a）為硅光敏二極管的伏安特性，橫坐標表示所加的反向偏壓。當光照時，反向電流隨著光照強度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒達到飽和值，它的輸出實際上不受

34、偏壓大小的影響。 圖7-12（b）為硅光敏晶體管的伏安特性?？v坐標為光電流，橫坐標為集電極-發射極電壓。 從圖中可見，由于晶體管的放大作用，在同樣照度下，其光電流比相應的二極管大上百倍。 53圖 7-12 硅光敏管的伏安特性 (a) 硅光敏二極管; (b) 硅光敏晶體管 0.100.080.060.040.02I / mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x0 10 20 30 40 5010864201020304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反 向 電 壓 / V集 電 極 發 射 極 電 壓 / V(

35、a)(b)54圖7-13 光敏晶體管的頻率特性 100806040200110100100 k10 kRL1 kS / (%)f / kHz55 （3） 頻率特性 光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）隨頻率變化的關系。光敏二極管的頻率特性是半導體光電器件中最好的一種，普通光敏二極管頻率響應時間達10s。光敏晶體管的頻率特性受負載電阻的影響，圖7-13為光敏晶體管頻率特性，減小負載電阻可以提高頻率響應范圍，但輸出電壓響應也減小。 56圖 7-14 光敏晶體管的溫度特性100255020 3040 50 607010 20 30 40 50 60 70 8010020030040

36、0溫 度 / 暗電流 / mA光電流 / A溫 度 / (a)(b)57 (4) 溫度特性 光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關系。光敏晶體管的溫度特性曲線如圖7-14所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響很小(圖(b)，而對暗電流影響很大(圖(a)， 所以在電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。 58表表 7-2 2CU型硅光敏二極管的基本參數型硅光敏二極管的基本參數 59表表7-3 3DU型硅光敏晶體管的基本參數型硅光敏晶體管的基本參數 607.2.3 光電池光電池 光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時實質就是電源，電

37、路中有了這種器件就不需要外加電源。 光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。它實質上是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，例如P型面時， 若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴， 電子-空穴對從表面向內迅速擴散， 在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。 圖7-15為硅光電池原理圖。 61圖 7-15 硅光電池原理圖 (a) 結構示意圖； (b) 等效電路 A硼 擴 散 層SiO2膜P型 電 極N型 硅 片PN結電 極AII(a)(b)62 光電池基本特性有以下幾種： (1) 光譜特性 光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。

38、 圖7-16為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知， 不同材料的光電池，光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的，硅光電池波長在0.8m附近，硒光電池在0.5m附近。硅光電池的光譜響應波長范圍為0.41.2m，而硒光電池只能為0.380.75m?？梢姡韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內得到應用。 63 (2) 光照特性 光電池在不同光照度下， 其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性。圖7-17為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關系曲線。從圖中看出， 短路電流在很大范圍內與光照強度呈線性關系，開路電壓（即負載電阻RL無限大時）與光照度的關系是非線性的，并且當照度在2000

39、 lx時就趨于飽和了。因此用光電池作為測量元件時， 應把它當作電流源的形式來使用， 不宜用作電壓源。 64圖7-16 硅光電池的光譜特性 0400600800 1000120020406080100 / nmS / %硒硅65圖 7-17 硅光電池的光照特性 0.30.20.10光生電流 / mA0.60.40.202 0004 000短路電流開路電壓光生電壓 / V照度 / lx66 （3） 頻率特性 圖7-18分別給出硅光電池和硒光電池的頻率特性，橫坐標表示光的調制頻率。由圖可見，硅光電池有較好的頻率響應。 圖7-18 硅光電池的頻率特性 1500 3000 4500 6000 75000

40、20406080100f / Hz相對光電流 / (%)硒光電池硅光電池67 (4) 溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關系到應用光電池的儀器或設備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標， 因此溫度特性是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性如圖7-19所示。從圖中看出，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量元件使用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。 68圖 7-19 硅光電池的溫度特性 2040608010001002003004005002.22.

41、01.8開路電壓短 路 電 流溫 度 / U / mVI / mA69表表7-4 硅光電池硅光電池2CR型特性參數型特性參數 70表表7-4 硅光電池硅光電池2CR型特性參數型特性參數 717.2.4 光電耦合器件光電耦合器件 光電耦合器件是由發光元件(如發光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。根據其結構和用途不同，它又可分為用于實現電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關。 1. 光電耦合器光電耦合器 光電耦合器的發光元件和接收元件都封裝在一個外殼內， 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發光器件通常采用砷化鎵發光二極管，其管芯由一個PN結組成，隨著正向電壓的增大

42、，正向電流增加，發光二極管產生的光通量也增加。光電接收元件可以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達林頓光敏管。圖7-20為光敏三極管和達林頓光敏管輸出型的光電耦合器。為了保證光電耦合器有較高的靈敏度， 應使發光元件和接收元件的波長匹配。 72圖7-20 光電耦合器組合形式 輸 入輸 出輸 入輸 出(a)(b)73 2. 光電開關光電開關 光電開關是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收， 并進行光電轉換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、 “關”信號的器件。 圖7-21為典型的光電開關結構圖。圖(a)是一種透射式的光電開關，它的發光元件和接收元件的光軸是重合的。當不透

43、明的物體位于或經過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發光元件的光，這樣就起到了檢測作用。 圖(b)是一種反射式的光電開關，它的發光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當有物體經過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。光電開關的特點是小型、高速、非接觸，而且與TTL、 MOS等電路容易結合。 74 用光電開關檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高-低” (1-0) 之分即可。 圖8 - 22 是光電開關的基本電路示例。圖（a）、（b）表示負載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時的情況，圖（c）表示用晶體管放大光電流的情況。

44、 光電開關廣泛應用于工業控制、自動化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測裝置?？稍谧詣涌刂葡到y中用作物體檢測， 產品計數， 料位檢測，尺寸控制， 安全報警及計算機輸入接口等。 75圖7-21 光電開關的結構(a) 透射式； (b) 反射式 發光元件窗接收元件殼體導線接收元件發光元件殼體導線(a)(b)反射物76圖7-22 光電開關的基本電路 R VccCD4584(a)R Vcc(b)R Vcc(c)SN7414777.2.5 電荷耦合器件電荷耦合器件 電荷耦合器件（Charge Couple Device, 縮寫為CCD）是一種大規模金屬氧化物半導體（MOS）集成電路光電器件。它以電荷為信號

45、， 具有光電信號轉換、 存儲、 轉移并讀出信號電荷的功能。CCD自1970年問世以來，由于其獨特的性能而發展迅速，廣泛應用于航天、遙感、 工業、農業、天文及通訊等軍用及民用領域信息存儲及信息處理等方面，尤其適用以上領域中的圖像識別技術。 78 1. CCD的結構及工作原理的結構及工作原理 （1） 結構 CCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導體）電容器， 如7-23(a)所示。它以P型（或N型）半導體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120 nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構成MOS電容轉移器件。這樣一個MOS結構稱為一個光敏元或一個像素。將MO

46、S陣列加上輸入、 輸出結構就構成了CCD器件。 79圖7-23 MOS電容器（a） MOS電容截面； （b） 勢阱圖 金屬Ug氧化物SiO2溝阻耗盡區(勢阱)襯底少數載流子PSi勢阱信號電荷表面勢(a)(b)80 (2) 工作原理 構成CCD的基本單元是MOS電容器。與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS電容器中的半導體是P型硅，當在金屬電極上施加一個正電壓Ug時，P型硅中的多數載流子（空穴）受到排斥，半導體內的少數載流子（電子）吸引到P-Si界面處來，從而在界面附近形成一個帶負電荷的耗盡區，也稱表面勢阱，如圖7-23(b)所示。對帶負電的電子來說，耗盡區是個勢能很低的區域。

47、如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導體硅產生了電子-空穴對，由此產生的光生電子就被附近的勢阱所吸收，勢阱內所吸收的光生電子數量與入射到該勢阱附近的光強成正比，存儲了電荷的勢阱被稱為電荷包，而同時產生的空穴被排斥出耗盡區。并且在一定的條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層就越深，Si表面吸收少數載流子表面勢(半導體表面對于襯底的電勢差)也越大，這時勢阱所能容納的少數載流子電荷的量就越大。 81 CCD的信號是電荷，那么信號電荷是怎樣產生的呢？CCD的信號電荷產生有兩種方式： 光信號注入和電信號注入。CCD用作固態圖像傳感器時， 接收的是光信號， 即光信號注入。圖7-24（a）是背面光注入方法，如

48、果用透明電極也可用正面光注入方法。 當CCD器件受光照射時，在柵極附近的半導體內產生電子-空穴對，其多數載流子（空穴）被排斥進入襯底，而少數載流子（電子）則被收集在勢阱中， 形成信號電荷， 并存儲起來。 存儲電荷的多少正比于照射的光強，從而可以反映圖像的明暗程度， 實現光信號與電信號之間的轉換。所謂電信號注入，就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉換成信號電荷。圖7-24（b）是用輸入二極管進行電注入，該二極管是在輸入柵襯底上擴散形成的。當輸入柵IG加上寬度為t的正脈沖時，輸入二極管PN結的少數載流子通過輸入柵下的溝道注入1電極下的勢阱中，注入電荷量Q=IDt。 8

49、2 7-24 電荷注入方法（a） 背面光注入； （b） 電注入 PSi(a)tIDnIG1231PSiQ IDt(b)83 CCD最基本的結構是一系列彼此非?？拷腗OS電容器， 這些電容器用同一半導體襯底制成，襯底上面涂覆一層氧化層， 并在其上制作許多互相絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小的距離，保證相鄰勢阱耦合及電荷轉移。對于可移動的電荷信號都將力圖向表面勢大的位置移動。為保證信號電荷按確定方向和路線轉移，在各電極上所加的電壓嚴格滿足相位要求。下面以三相（也有二相和四相）時鐘脈沖控制方式為例說明電荷定向轉移的過程。把MOS光敏元電極分成三組， 在其上面分別施加三個相位不同的控制電壓1、2

50、、3，見圖7-25（b）， 控制電壓1、2、3的波形見圖8 - 25（a）所示。 84圖7-25 三相CCD時鐘電壓與電荷轉移的關系 (a) 三相時鐘脈沖波形； (b) 電荷轉移過程 123t1t2t3t4(a)ot85圖7-25 三相CCD時鐘電壓與電荷轉移的關系 (a) 三相時鐘脈沖波形； (b) 電荷轉移過程 213123456一級二級t t1t t2t t3t t4(b)PSi86 當t=t1時，1相處于高電平，2、3相處于低電平，在電極1、4下面出現勢阱，存儲了電荷。在t=t2時，2相也處于高電平， 電極2、5下面出現勢阱。 由于相鄰電極之間的間隙很小，電極1、 2及4、 5下面的勢

51、阱互相耦合，使電極1、 4下的電荷向電極2、 5下面勢阱轉移。 隨著1電壓下降，電極1、4下的勢阱相應變淺。 在t=t3時，有更多的電荷轉移到電極2、5下勢阱內。在t=t4時，只有2處于高電平，信號電荷全部轉移到電極2、5下面的勢阱內。 隨著控制脈沖的變化，信號電荷便從CCD的一端轉移到終端， 實現了電荷的耦合與轉移。 87 圖7-26是CCD輸出端結構示意圖。它實際上是在CCD陣列的末端襯底上制作一個輸出二極管，當輸出二極管加上反向偏壓時，轉移到終端的電荷在時鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的PN結所收集，在負載RL上就形成脈沖電流Io。輸出電流的大小與信號電荷大小成正比，并通過負載電阻

52、RL變為信號電壓Uo輸出。 88圖圖7-26 CCD輸出端結構輸出端結構 ERLUoIoOG321P SiN Si89 2. CCD的應用（的應用（CCD固態圖像傳感器）固態圖像傳感器） 電荷耦合器件用于固態圖像傳感器中， 作為攝像或像敏的器件。 CCD固態圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分是指在同一半導體襯底上布設的由若干光敏單元組成的陣列元件， 光敏單元簡稱“像素”。 固態圖像傳感器利用光敏單元的光電轉換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉換成電信號“圖像”，即將光強的空間分布轉換為與光強成正比的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號“圖像”傳送， 經輸

53、出放大器輸出。 90 根據光敏元件排列形式的不同，CCD固態圖像傳感器可分為線型和面型兩種。 （1）線型CCD圖像傳感器 線型CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列CCD移位寄存器構成的，光敏單元與移位寄存器之間有一個轉移控制柵， 基本結構如圖7-27（a）所示。 轉移控制柵控制光電荷向移位寄存器轉移，一般使信號轉移時間遠小于光積分時間。在光積分周期里，各個光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強度和光積分時間成正比， 光電荷存儲于光敏單元的勢阱中。當轉移控制柵開啟時，各光敏單元收集的信號電荷并行地轉移到CCD移位寄存器的相應單元。 當轉移控制柵關閉時，MOS光敏元陣列又開始下一

54、行的光電荷積累。同時，在移位寄存器上施加時鐘脈沖，將已轉移到CCD移位寄存器內的上一行的信號電荷由移位寄存器串行輸出，如此重復上述過程。 91圖7-27 線型CCD圖像傳感器 （a） 單行結構； （b） 雙行結構 轉 移 柵轉 移 柵光 敏 單 元移 位 寄 存 器光 敏 單 元輸 出輸 出(a)(b)移 位 寄 存 器 1移 位 寄 存 器 292 圖7-27（b）為CCD的雙行結構圖。光敏元中的信號電荷分別轉移到上下方的移位寄存器中，然后在時鐘脈沖的作用下向終端移動，在輸出端交替合并輸出。這種結構與長度相同的單行結構相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率；同時由于轉移次數減少一半，使CCD電荷轉

55、移損失大為減少；雙行結構在獲得相同效果情況下，又可縮短器件尺寸。由于這些優點，雙行結構已發展成為線型CCD圖像傳感器的主要結構形式。 線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉變為視頻信號輸出，為了得到整個二維圖像的視頻信號， 就必須用掃描的方法。 93 線型CCD圖像傳感器主要用于測試、傳真和光學文字識別技術等方面。 (2) 面型CCD圖像傳感器 按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構成面型CCD圖像傳感器。 面型CCD圖像傳感器有三種基本類型：線轉移型、 幀轉移型和行間轉移型， 如圖8 - 28 所示。 94 圖7-28（a）為線轉移面型C

56、CD的結構圖。它由行掃描發生器、感光區和輸出寄存器等組成。行掃描發生器將光敏元件內的信息轉移到水平（行）方向上，驅動脈沖將信號電荷一位位地按箭頭方向轉移，并移入輸出寄存器， 輸出寄存器亦在驅動脈沖的作用下使信號電荷經輸出端輸出。這種轉移方式具有有效光敏面積大，轉移速度快，轉移效率高等特點，但電路比較復雜， 易引起圖像模糊。 95圖7-28 面型CCD圖像傳感器結構 (a) 線轉移型； (b) 幀轉移型； (c) 隔離轉移型 感光區二相驅動二相驅動視頻輸出檢波二極管輸出寄存器輸出移位寄存器輸出光光敏元面陣存儲器面陣輸出移位寄存器輸出垂直轉移寄存器光敏單元轉移控制柵(a)(b)(c)行掃描發生器9

57、6 圖7-28（b）為幀轉移面型CCD的結構圖。它由光敏元面陣（感光區）、存儲器面陣和輸出移位寄存器三部分構成。圖像成像到光敏元面陣，當光敏元的某一相電極加有適當的偏壓時，光生電荷將收集到這些光敏元的勢阱里，光學圖像變成電荷包圖像。 當光積分周期結束時，信號電荷迅速轉移到存儲器面陣， 經輸出端輸出一幀信息。當整幀視頻信號自存儲器面陣移出后，就開始下一幀信號的形成。這種面型CCD的特點是結構簡單，光敏單元密度高， 但增加了存儲區。 97 圖7-28（c）所示結構是用得最多的一種結構形式。它將光敏單元與垂直轉移寄存器交替排列。在光積分期間，光生電荷存儲在感光區光敏單元的勢阱里；當光積分時間結束，轉

58、移柵的電位由低變高， 信號電荷進入垂直轉移寄存器中。隨后，一次一行地移動到輸出移位寄存器中，然后移位到輸出器件，在輸出端得到與光學圖像對應的一行行視頻信號。 這種結構的感光單元面積減小， 圖像清晰， 但單元設計復雜。 面型CCD圖像傳感器主要用于攝像機及測試技術。 987.2.6 光電傳感器的應用光電傳感器的應用 1. 火焰探測報警器火焰探測報警器 圖7-29是采用以硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖。硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1 M, 亮電阻為0.2 M(在光強度0.01 W/m2下測試)， 峰值響應波長為2.2 m，硫化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6 V，

59、電流約為6 A。V1管集電極電阻兩端并聯68 F的電容，可以抑制100 Hz以上的高頻， 使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。 V2、V3構成二級負反饋互補放大器，火焰的閃動信號經二級放大后送給中心控制站進行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不至于影響輸出信號的幅度， 保證火焰報警器能長期穩定的工作。 99圖7-29 火焰探測報警器電路圖 120 k120 k220 k68 68 pbs820 k3.9 MV1V21 k32 k125 150 k3.9 MV34.7 n 12 V中 心 站放 大 器100 2. 光電式緯線探測器光電式緯線探測器 光電式緯

60、線探測器是應用于噴氣織機上，判斷緯線是否斷線的一種探測器。 圖7-30為光電式緯線探測器原理電路圖。 當緯線在噴氣作用下前進時，紅外發光管VD發出的紅外光，經緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號時，說明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號，通過后續電路放大、 脈沖整形等， 控制機器正常運轉還是關機報警。 由于緯線線徑很細，又是擺動著前進，形成光的漫反射，削弱了反射光的強度，而且還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具有高的靈敏度和分辨率。為此，紅外發光管VD采用占空比很小的強電流脈沖供電，這樣既能保證發光管使用壽命， 又能在瞬間有強光射出，以提高檢測靈敏度。一般來說，光電池輸出信號比較小，