【正文】 I 的大小決定于光敏電阻上的光照強度。光照停止或光強減小使 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高阻狀態(tài)。 圖 8－ 1 光電導效應能帶圖 半導體受光照時，其 共價鍵中的價電子吸收光子能量，由價帶穿越禁帶到達導帶，成為光生自由電子 ，使得半導體中自由電子— 空穴對增加，導電率提高，電阻值下降。因此，有非常小的光功率輸入可得到相當大的電流。 光電發(fā)射效應發(fā)生在物體的表面，因而又稱之為 外光電效應 ；相應地，光電導效應和光生伏特效應被稱為 內光電效應 。 光電效應依其表現形式的不同，通?？煞譃槿箢?。S ，為普朗克常數）。輸出的電量可以是模擬量，也可以是數字量。 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 、 細分技術 第三節(jié) 固態(tài)圖像傳感器 一 、 CCD基本結構 二 、 CCD工作原理 三 、 CCD圖像傳感器的結構 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換成電量的傳感器，它的物理基礎是光電效應。 ? 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。 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生相應的電效應，即光電效應 。 ① 光電導效應 —— 光照改變半導體的導電率 ，從而引起半導體電阻值的變化效應，光敏電阻屬于這類光電效應器件。本文下面僅介紹幾種常見的內光電效應器件及其應用。 半導體光電導效應內部機理如圖 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合，自由電子 — 空穴對減少，導電率下降，電阻值提高。 ?每個光子所具有的能量 E數學表達式： ? 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 光敏電阻光電效應實驗電路 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，相應稱之為 暗電阻，暗電阻通常為兆歐級。對光照敏感的半導體光敏元件都可以制成光敏電阻，目前人類已開發(fā)應用的光波頻譜范圍為 ～ 1021HZ，相應的波長為 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 ） 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平方米面積上所產生的照度 ) 光照強度的測量用照度計。如圖 8－ 6所示，一般來說，調制頻率 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，有的材料光響應時間達幾百毫秒。同時，溫度上升還引起光譜特性曲線左移，導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半導體 P和 N因 擴散運動形成一個大面積的 PN結 ， PN結電場方向是由 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 的實驗電路。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 ， 在強光照射時必須考慮光電池 PN結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，硅藍光電池作色探測器，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狀態(tài)，只有少數載流子形成極小的暗電流。 圖 8－ 15 光敏晶體管原理結構和基本電路 光敏晶體管是在光敏二極管的基礎上 ， 為了獲得更大的電流增益 ， 根據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結構 。 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??；為了提高信噪比 ， 應采取相應的溫度補償或降溫措施 。 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） 光電轉換器 光電耦合器按光電轉換器的不同可分為四種類型 ，如圖 8－ 21所示。圖中（ d）的光電轉換器是一個具有高速、高效率的固態(tài)光電轉換器件， 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。這里的光源可以是自熾燈泡，光電轉換器是一只光敏晶體管。根據電壓表指示的電壓數，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 紅外遙控器在現代工業(yè)控制和家用電器中的應用越來越廣泛。 圖 8－ 28是紅外遙控信號接收器應用電路 ， 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與光照強度 E的關系。 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系。 ? 五、頻率特性 ? 光敏電阻－光電流 I與入射光調制頻率 f的響應特性。 ? 光敏管－輸出電流 I與入射光調制頻率 f的響應特性。 ? 光電池－開路電壓 U、 或短路電流 I隨溫度變化的關系。 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換效率高（約 30%），且響應速度快（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）是當主光柵移動時辨向電路各點的輸出波形。 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