【正文】 I 的大小決定于光敏電阻上的光照強(qiáng)度。光照停止或光強(qiáng)減小使 E＜ Eg時，光生自由電子又迭回價帶成為價電子，使電阻值增加或恢復(fù)高阻狀態(tài)。 圖 8－ 1 光電導(dǎo)效應(yīng)能帶圖 半導(dǎo)體受光照時，其 共價鍵中的價電子吸收光子能量，由價帶穿越禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，成為光生自由電子 ，使得半導(dǎo)體中自由電子— 空穴對增加，導(dǎo)電率提高，電阻值下降。因此，有非常小的光功率輸入可得到相當(dāng)大的電流。 光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生在物體的表面，因而又稱之為 外光電效應(yīng) ；相應(yīng)地，光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)被稱為 內(nèi)光電效應(yīng) 。 光電效應(yīng)依其表現(xiàn)形式的不同，通?？煞譃槿箢悺 ，為普朗克常數(shù)）。輸出的電量可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。 第八章 光電傳感器 第一節(jié) 常用光電器件 一、光敏電阻 二 、 光電池 三、光敏二極管和光敏晶體管 四、常用光電器件的應(yīng)用 第二節(jié) 光柵傳感器 一 、 莫爾條紋 二 、 光柵傳感器的組成 三、辨向原理 四 、 細(xì)分技術(shù) 第三節(jié) 固態(tài)圖像傳感器 一 、 CCD基本結(jié)構(gòu) 二 、 CCD工作原理 三 、 CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu) 第八章 光電傳感器 光電式傳感器是一種將被測量通過光量的變化再轉(zhuǎn)換成電量的傳感器，它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 ? 光是一種電磁波，不同波長的光分布如圖 ? 這些光的頻率（波長）雖然不相同，但都有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。 光照射在物體上可看成一連串具有能量的光子對物體的轟擊，物體吸收光子能量而產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，即光電效應(yīng) 。 ① 光電導(dǎo)效應(yīng) —— 光照改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電率 ，從而引起半導(dǎo)體電阻值的變化效應(yīng)，光敏電阻屬于這類光電效應(yīng)器件。本文下面僅介紹幾種常見的內(nèi)光電效應(yīng)器件及其應(yīng)用。 半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)部機(jī)理如圖 8－ 1所示。光照停止時，失去光子能量的光生自由電子又重新迭落回價帶與空穴復(fù)合，自由電子 — 空穴對減少，導(dǎo)電率下降，電阻值提高。 ?每個光子所具有的能量 E數(shù)學(xué)表達(dá)式： ? E=hf=hc/λ 頻率越高，或波長越短 ， 光子所具有的能量就越大。 圖 8－ 2 光敏電阻光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路 無光照時 ，檢流計指示的電流很小，此時的電流稱之為 暗電流 ；此時光敏電阻的阻值很高，相應(yīng)稱之為 暗電阻，暗電阻通常為兆歐級。對光照敏感的半導(dǎo)體光敏元件都可以制成光敏電阻，目前人類已開發(fā)應(yīng)用的光波頻譜范圍為 ～ 1021HZ，相應(yīng)的波長為 3 109m～ 。 （ 2） 對可見光敏感元件 可見光波長范圍約 380～ 760nm，對這類光敏感的材料有硒（ Se）、硅（ Si）、鍺（ Ge）及硫化鉈（ TiS）、硫化鎘（ CdS）等，尤其是 TiS光敏元件，它既適用于可見光，也適用于紅外光。 圖 8－ 3 部分光敏元件的光譜特性 3． 光敏電阻的基本特性 （ 1） 光譜 （ 響應(yīng) ） 特性 光敏電阻的光譜特性是指光電流對不同波長單色光的相對靈敏度 。 圖 8－ 4 光敏電阻的光照特性 光照強(qiáng)度 (照度 ) 是物體被照明的程度，也即物體表面所得到的光通量與被照面積之比，單位是 Ix(l勒克斯是 1流明的光通量均勻照射在 1平方米面積上所產(chǎn)生的照度 ) 光照強(qiáng)度的測量用照度計。如圖 8－ 6所示，一般來說，調(diào)制頻率 f 越高，電流相對靈敏度 Kr 越低，這反映光敏元件具有一定的惰性，有的材料光響應(yīng)時間達(dá)幾百毫秒。同時，溫度上升還引起光譜特性曲線左移，導(dǎo)致光敏電阻敏感波長減小。會車時，還具有自動變光功能。無光照時，兩濃度差很大的雜質(zhì)半導(dǎo)體 P和 N因 擴(kuò)散運(yùn)動形成一個大面積的 PN結(jié) ， PN結(jié)電場方向是由 N區(qū)指向 P區(qū)，如圖 8－ 8所示。 （ 1） 光譜特性 光電池對不同波長光的靈敏度是不同的，不同材料的光電池對入射光波長的敏感范圍是不同的，圖 8－ 9為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。 圖 8－ 10 硅光電池光照特性 圖中 短路電流是指光電流輸出端短路時的電流，即光生電流 。 圖 8－ 11是光電池 開路電壓和短路電流 的實(shí)驗(yàn)電路。硒光電池具有與硅光電池相似的光照特性。 圖 8－ 13是硅光電池在 1000LX照度下的溫度特性 。 同時 ， 在強(qiáng)光照射時必須考慮光電池 PN結(jié)的熱容限及散熱措施 。適用于光電檢測，近紅外探測，光電讀出，光電耦合，光柵測距，光電開關(guān)，硅藍(lán)光電池作色探測器，及太陽能電池等。無光照射時，處于反偏狀態(tài)下的光敏二極管呈高阻截止?fàn)顟B(tài)，只有少數(shù)載流子形成極小的暗電流。 圖 8－ 15 光敏晶體管原理結(jié)構(gòu)和基本電路 光敏晶體管是在光敏二極管的基礎(chǔ)上 ， 為了獲得更大的電流增益 ， 根據(jù)一般三極管的電流放大原理 ， 利用硅或鍺單晶制成的 NPN或 PNP結(jié)構(gòu) 。 由此可見光敏晶體管有光照時的輸出電流是光生電流的 β 倍 ， 因而有 比光敏二極管更高的靈敏度 。 （ 2） 光照特性 光敏二極管與光敏晶體管的光照特性有明顯不同，以硅管為例如圖 8－ 17所示。由圖可見光敏管的輸出電流與所加的偏置電壓關(guān)系不大， 具有近似的恒流特性 ；光敏晶體管比光敏二極管的光電流大近百倍 ，因而具有更高的靈敏度；光敏二極管在零偏壓下就有一定的電流輸出，光敏晶體管有一段死區(qū)電壓。鍺光敏管比硅光敏管頻率特性差。 對于在高溫低照度下工作的光敏晶體管 ， 此時暗電流上升 、 亮電流下降 ， 使信噪比減小；為了提高信噪比 ， 應(yīng)采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償或降溫措施 。 圖 8－ 21 光電耦合器的組合形式 （ a）通用光耦 （ b）高速光耦 （ c）高效光耦 （ d）高速高效率光耦 （ 1） 光電轉(zhuǎn)換器 光電耦合器按光電轉(zhuǎn)換器的不同可分為四種類型 ，如圖 8－ 21所示。圖中（ d）的光電轉(zhuǎn)換器是一個具有高速、高效率的固態(tài)光電轉(zhuǎn)換器件， 稱之為 高速高效光耦 ， 用于高速大功率電路中。 砷化鎵發(fā)光二極管的伏安特性如圖 8－ 22所示，其正向壓降約 1～ 2V，小功率管 1～ ，中功率管，正向壓降的大小與正向電流有關(guān)。這里的光源可以是自熾燈泡，光電轉(zhuǎn)換器是一只光敏晶體管。根據(jù)電壓表指示的電壓數(shù)，就可以判斷被測表面的粗糙度。 圖 8－ 26 薄膜厚度計 5． 紅外遙控器 紅外遙控器在現(xiàn)代工業(yè)控制和家用電器中的應(yīng)用越來越廣泛。 圖 8－ 28是紅外遙控信號接收器應(yīng)用電路 ， 由光敏二極管和 CX20226集成電路組成 。 紅外遙控器在室內(nèi)使用時，由于近紅外光波具有可見光的反射特性，紅外信號發(fā)射器發(fā)射的紅外光波，可以通過室內(nèi)的墻壁反射到紅外信號接射器的光敏二極管上，因而發(fā)射器不必對準(zhǔn)接收器 ，這樣可以提高遙控的方便性，特別適合于家用電器的遙控。 ? 三、光照特性 ? 光敏電阻－偏壓一定時，光電流 I與光照強(qiáng)度 E的關(guān)系。 E愈大， I愈大，線性。光 ? 照較大時，光電流 I趨于飽和。 ? 光敏管－一定照度下，光敏二極管反向偏壓與偏流關(guān)系。 ? 五、頻率特性 ? 光敏電阻－光電流 I與入射光調(diào)制頻率 f的響應(yīng)特性。 ? 光敏管－輸出電流 I與入射光調(diào)制頻率 f的響應(yīng)特性。 ? 光電池－開路電壓 U、 或短路電流 I隨溫度變化的關(guān)系。 T 對亮電流影響不大。 一、莫爾條紋 1． 光柵 光柵又稱光柵尺 ，光柵尺是由在光學(xué)玻璃上面均勻刻有許多線條，形成規(guī)則排列的透光和不透光的明暗條紋所組成，如圖 8－ 29所示。圖中在 a－ a線上的兩光柵尺重合，光線可從其縫隙中透過，形成亮帶；在 b－ b線上，兩光柵尺彼此錯開，擋住光線通過，形成暗帶。 （ 2） 莫爾條紋具有消除光柵尺局部缺陷引起的誤差 由于光柵尺在制作時工藝的分散性 ， 難免有的光柵尺的柵條或柵條間距存在著局部缺陷 ， 但這些缺陷不會引起莫爾條紋的誤差 。 二、光柵傳感器的組成 根據(jù)莫爾條紋特性制作的光柵位移傳感器，按光路形成方式可分為兩大類，即反射式光柵傳感器和透射式光柵傳感器。 （ 1） 光源常用鎢絲燈泡或砷化鎵發(fā)光二極管 ，鎢絲燈泡有較大的輸出功率，較寬的工作溫度范圍（ 40℃ ～130℃ ），但使用壽命短，要定期更換；砷化鎵發(fā)光二極管輸出功率低，工作溫度范圍（－ 66℃ ～ 100℃ ）也略小，但其與光敏晶體管組合比鎢絲燈泡與光敏晶體管組合轉(zhuǎn)換效率高（約 30%），且響應(yīng)速度快（約 2μ s），可使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，以減小功耗和熱耗散。 2． 反射式光柵傳感器 圖 8－ 32是反射式光柵傳感器原理圖。為了辨別莫爾條紋移動方向，至少需要兩個光電元件接收莫爾條紋光信號，如圖 8－ 33（ a）所示。 （ a）兩光電元件 （ b）辨向電路 圖 8－ 33 光柵傳感器辨向原理 （ c）主光柵左移 （ d）主光柵右移 圖 8－ 33 光柵傳感器辨向原理 （ c）主光柵左移 （ d）主光柵右移 圖 8－ 33 光柵傳感器辨向原理 ?????????WXUuWXUumm??2s i n2c o s21 （ 8－ 2） 圖 8－ 33（ c）和（ d）是當(dāng)主光柵移動時辨向電路各點(diǎn)的輸出波形。 此時辨向電路輸出端 y2無信號 ， y1端輸出正脈沖 。 此時光電元件感光的先后是先 2后 1， 因而光電元件 1和 2輸出電壓 u1滯后 u2相位 л /2 ,如圖 8－ 33