第 6 章光电传感技术

第6章光电传感技术

基于光电效应原理工作的光电传感器，在检测和控制中应用非常广泛。本章主要介绍光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏晶体管等典型光电器件的光谱响应、频率响应、时间响应等主要参数与基本特性，特别介绍了光电位置传感器PSD。

电磁波谱

辐射的定义 • “辐射”的本质是原子中电子的能级跃迁.低能级电子受某种外界能量激发,可跃迁至高能级,当处于非稳态的受激电子落入较低能级时,就会以“辐射”的形式向外传播能量.

辐射源特性及其度量 辐射源特性（1）光谱特性 :辐射源强度随波长分布.据此,辐射源可分为X线源、紫外光源、可见光源和红外辐源等. 根据辐射光谱分布的形状,可分为连续光谱和带状光谱等. （2）能量特性 : 能量的大小,分别以辐射功率、辐射强度和辐射亮度等参量来度量.

辐射源特性 （3）角度特性 :辐射源强度沿空间的角度分布. 可将辐射源分为:①点光源(如太阳,星体等) ; ②.朗伯辐射源(其强度遵循余弦定律Iθ= cosθ, 如荧光屏,电影荧屏等; 辐射强度定义为: 在单位时间,单位立体角内从点光源辐射出的能量. ③.激光光源.

辐射源的度量 辐射源的度量有两种：光度量制和辐射度量制。光度量制以人眼或经视见函数校正过的照度计作为探测器；辐射度量制以无光谱选择性的真空热电偶作为探测器.

光电效应 • 光电效应是指因光照而引起物体电学特性改变的现象。 • 电学特性变化是指光照射物体时，物体发射电子、电导率发生变化或产生光电动势等。

光电效应大致可归纳为两大类： • 外光电效应——物质受到光照后向外发射电子的现象，这种效应多发生于金属和金属氧化物； • 内光电效应——物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动，而不会逸出物质外部的现象，这种效应多发生于半导体内。 • 内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应 • 光电导效应是指物体受光照射后，其内部产生光生载流子，使物体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。这种效应在大多数半导体和绝缘体中都存在。而金属的电子能态与半导体和绝缘体不同，在光照下电阻没有改变，因此不产生光电导效应。

表征光电导体最重要的参数为 • 光电导体的灵敏度 • 灵敏度通常指的是在一定条件下,单位照度所产生的光电流. 由于各种器件使用的范围及条件不一致,因此,灵敏度有各种不同的表示法. • 光电导体的灵敏度表示在一定的光强下光电导的强弱. • 光电导体的非平衡载流子寿命越长,迁移率越大,光电导体的灵敏度(光电流或光电增益)就越高. • 而且,光电导体的灵敏度与电极间距L的平方成反比,这在光敏电阻器件等电极设计时有很大的参考意义.

表征光电导体最重要的参数为 • 光电导的弛豫 • 光电导是非平衡载流子效应,因此,有一定的弛豫现象: • 光照射样品后,样品的光电导逐渐增加,最后达到定态; • 光照停止,样品的光电导在一定时间内逐渐消失. • 这种弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢. • 光电导上升或下降的时间就是弛豫时间,或称为响应时间(惯性). • 显然,弛豫时间长,表示光电导反应慢,称为惯性大; • 弛豫时间短,光电导反应快,称为惯性小. • 光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下,一个光电器件能否有效工作的问题.

光电导与光强的关系: • 在较低的光强下产生线性光电导,即光电导与光强呈线性关系,如Si,Ge等材料; • 在较高的光强下产生抛物线性光电导,即光电导与光强的平方根成正比.

表征光电导体最重要的参数为 光电导的光谱分布光谱分布问题首先是光生载流子的激发问题,即某种波长的光能否激发出非平衡载流子以及效率如何的问题. • 由本征激发产生的光电导称为本征光电导,由杂质激发产生的光电导称为杂质光电导.

典型的本征光电导的光谱分布曲线.

由图看出,不同的半导体光电导材料,由于有不同的禁带宽度,对应有不同的光谱响应曲线. 每条曲线都有一个峰值,峰值的长波部分曲线迅速下降.这是因为只有光子能量大于材料禁带宽度,才能激发产生电子-空穴对,引起本征光电导. 在长波部分,一旦光子能量小于材料禁带宽度,就不足以将电子从价带激发到导带,这时光电导就迅速下降.因此,光谱分布存在长波限.

光生伏特效应 • 光生伏特效应是指，光照使不均匀半导体或均匀半导体中光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是把光能变为电能的一种效应。 • 因此光照在半导体PN结或金属半导体接触面上时，在PN结或金属半导体接触的两侧会产生光生电动势。

丹倍效应和光磁电效应 丹倍效应: 在均匀半导体中没有内建电场,但当光照这种半导体某一部分时, 光生载流子浓度剃度会引起载流子的扩散运动.电子和空穴的迁移率不相等,使得在这种不均匀光照下,两种电荷会由于载流子扩散速度的不同而分开,从而产生光生电动势.这种现象称为丹倍效应. 光磁电效应: 如果存在磁场,也可使得扩散中的两种载流子向相反方向偏转,从而产生光电动势,称为光磁电效应.

光电发射效应 • 光敏物质吸收光子后，电子从基态被激发到高能态而脱离原子核的束缚，从而在外电场作用下参与导电，即发生内光电效应。 • 如果被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用下形成光电子流，这就是外光电效应或称光电发射效应。 • 在光电器件中，光电管、光电倍增管等光电器件，都是基于外光电效应理论的。

1.斯托列托夫定律（光电发射第一定律）； 当入射光频谱成分不变时,光电阴极的饱和光电发射电流Ik.与被阴极所吸收的光通量Φk(有时也用Fk表示)成正比,即 Ik=SkΦk 式中,Sk为光电发射灵敏度的系数.

2.爱因斯坦（Einstein）定律 （光电发射第二定律）发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大,而与入射光的光强无关.光电子发射的能量关系符合爱因斯坦公式:

3.光电发射的红限 在入射光频谱范围内,光阴极存在着临界波长.当光波长等于临界波长时,光电子刚刚能从阴极逸出.这个波长通常称为光电发射的”红限”,或称为光电发射的阈波长 (光电阴极的长波阈λ0) 显然,在红限处光电子的初速(即动能)应该为零.因此h0=φ0,临界频率0= φ0/h,所以临界波长为: 最短波长的可见光(380nm)可在表面逸出功不超过3.2ev 的阴极材料中产生光电发射.

4.光电发射的瞬时性 光电发射的延迟时间不超过3×10-13s.因此,可以认为光电发射是无惯性的.光电发射可瞬时完成是由于它不牵涉到电子在原子内迁移到亚稳态能级的物理过程. 光电发射包括3个基本阶段: ①电子吸收光子以后产生激发,即得到能量; ②得到能量的电子(受激电子)从发射体内向真空界面运动(电子传输); ③这种受激电子越过表面势垒向真空逸出.

光电探测传感器件 • 利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件称为光电探测传感器件，有时也称光电探测传感器件。 • 根据对辐射的作用方式不同（或说工作机理的不同），光电探测传感器件（光电探测传感器件）可分为 • 光子探测传感器件 • 热电探测传感器件

光电探测传感器件 光电管光电倍增管本征型掺杂型外光电效应单晶型多晶型合金型光子探测传感器件（基于量子效应）光敏电阻（基于光电导效应）光电探测传感器件内光电效应光敏二极管光敏晶体管光电池雪崩光电管 ②.响应波长有选择性,这些器件都存在某一截止波长λ,若超过此波长,器件无响应. 光生伏特效应（基于光生伏特效应）这类器件特点: ①. 响应快,响应时间一般为几十纳秒到几百微妙. 热电堆热电偶热释电探测器热敏电阻热电探测传感器件（基于热效应）特点：①.响应波长无选择性,对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感; ②.响应慢,吸收辐射产生信号需要的时间长,一般在几毫秒以上.

光电探测传感器件的基本特性参数 • 1.响应度（或称为灵敏度） • 响应度是用来衡量光电探测传感器件的光-电转换效能，定义为光电传感器输出电压 U0或输出电流I0与入射光功率 Pi 或通量 Ф）之比。即 • 式中，Sv和 SI分别称为电压响应度和电流响应度。 • 由于光电传感器的响应度随入射光的波长而变化，因此又有光谱响应度和积分响应度。

光电探测传感器件的基本特性参数 • 2.光谱响应度 • 光谱响应度 S(λ)(单位为V/W或A/W)是光电传感器的输出电压或输出电流与入射到传感器上的单色辐通量（光通量）之比。即 • 式中, S(λ) 为光谱响应度;Ф(λ) 为入射的单色辐通量或光通量。 • 从上面的公式可看出，传感器的输出电压（或电流）值愈大意味着传感器愈灵敏。

光电探测传感器件的基本特性参数 • 3.积分响应度 • 积分响应度表示传感器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为 :， • 光电传感器输出的电流或电压与入射总光通量之 • 比称为积分响应度。 • 由于光电传感器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流应为

积分响应度为: 由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。

当入射光辐射到光电传感器后或入射光遮断后，光电传感器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。当入射光辐射到光电传感器后或入射光遮断后，光电传感器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。当用一个辐射脉冲照射光电传感器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短（如方波），则光电传感器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从10%上升到90%峰值处所需的时间称为传感器的上升时间(如右图)，而把从90%下降到10%处所需的时间称为下降时间. 光电探测传感器件的基本特性参数-4.响应时间图上升时间和下降时间

光电探测传感器件的基本特性参数 • 5.频率响应 • 由于光电传感器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电传感器的响应将会有较大的影响。 • 光电传感器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。 • 利用时间常数可得到光电传感器响应度与入射调制频率的关系，其表达式为: 式中， S(f) 为频率是f时的响应度； S0为频率是零时的响应度； Τ为时间常数，

光电探测传感器件的基本特性参数 • 可得放大器的上限截止频率为: 显然，时间常数决定了光电传感器频率响应的带宽。

噪声的分类 • ①.热噪声:热噪声也称为约翰逊噪声,即载流子无规则的运动产生的噪声. • 当温度高于绝对零度时,导体或半导体中每一电子都携带1.59×10-19C电量作随机运动,尽管其平均值为零,但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个方均根电压,称为热噪声电压. • 热噪声存在于任何电阻中,且与温度成正比,与频率无关. • 噪声是各种频率分量的组成,就象白光是由各种波长的光组成一样,所以热噪声可称为白噪声.

噪声的分类 • ②.散粒噪声 • 散粒噪声也称散弹噪声,即穿越势垒的载流子的随机涨落(统计起伏)所造成的噪声. • 在每个时间间隔内,穿过势垒区的载流子数或从阴极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏. • 散粒噪声也是白噪声.

噪声的分类 • ③.产生-复合噪声 • 载流子的产生率与复合率在某个时间间隔也会在平均值上下起伏.这种起伏也会导致载流子浓度的起伏,从而产生方均噪声电流.

噪声的分类 ④.1/f 噪声 1/f 噪声也称闪烁噪声或低频噪声. 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在,当电流经过时,在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲. 频率越低,噪声越大,故也称低频噪声.

衡量噪声的参数 （1）信噪比（S/N）:它是在负载电阻R上产生信号功率与噪声功率之比. （2）等效噪声输入（ENI）:器件在特定带宽内(1Hz)产生的方均根信号电流恰好等于方均根噪声电流值时的输入通量。（3）噪声等效功率（NEP）:也称最小可探测功率Pmin. 它定义为信号功率与噪声功率之比为1 (即 S/N =1) 时,入射到传感器件上的辐射通量. （4）探测率D与归一化探测率 D*:定义为噪声等效功率的倒数. （5）暗电流 Id : 是指光电探测传感器件在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流(加电源). 一般测量其直流值或平均值.

半导体光电探测传感器件 • 1.光敏电阻光敏电阻是光电导型器件。它是在绝缘材料上将梳状光电导体封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极而成。 • 2.光电池 • 根据光生伏特效应制成的光电池, 是将光能转变成电能的一种器件。 • 3.光敏二极管由于半导体光敏二极管有一个PN结，因此属于单向导电性的非线性光电器件。 • 4.光敏晶体管光敏晶体管是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管且电流加以放大的普通晶体管，因此，结构与一般晶体管相类似。

光电探测传感器件的选用原则 ①.光电探测传感器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配，即必须根据工作波长或波段，选用光谱响应好的光电探测传感器件。 ②.光电探测传感器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。 ③.光电探测传感器件有良好的频率响应特性，即必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以获得无频率失真的输出波形和良好的时间响应。 ④.光电探测传感器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。

光电位置传感器（PSD） 光电位置传感器常称PSD(Position Sensitive Detector),是一种能在其感光表面连续移动光点位置的位置敏感检测器。 • 它与分立元素探测器相比，具有位置分辨率高、反应电流简单快速、检测数据只与光点的位置和能量中心有关（与光点形状无关）、可以同时测量位置和强度等优点，因此是目前应用较为广泛的一种光电器件。 • 半导体位置传感器的原理是基于光敏二极管的纵向光电效应。纵向光生电动势Ux可由光敏层边缘上的电极A,B引出.

光电式带材跑偏检测器 • 带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。如右图 • 光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束，投向透镜2，随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。

第 6 章 光电传感技术