第八章光电传感器第一节常用光电器件一、光敏电阻二、光电池三、光敏二极管和光敏晶体管四、常用光电器件的应用第二节光栅传感器一、莫尔条纹二、光栅传感器的组成三、辨向原理四、细分技术第三节固态图像传感器一、CCD基本结构二、CCD工作原理三、CCD图像传感器的结构第八章光电传感器光电传感器常用光源有：白帜灯光源、气体放电光源（碳灯、低压高压水银灯、钠弧灯、汕弧灯）、气体激光器（氦氖、二氧化碳、氩离子激光器）、固态激光器、半导体激光器、发光二极管等。光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。①光电导效应——光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。②光生伏特效应——光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，故又称PN结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。③光电发射效应——某些物质（如金属丝）在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象，称之为光电发射效应，利用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为外光电效应；相应地，光电导效应和光生伏特效应被称为内光电效应。本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。半导体光电导效应内部机理如图8－1所示。半导体受光照时，其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子—空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时，失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合，自由电子—空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。图中Eg称为禁带宽度，价电子吸收的光子能量E＞Eg时，才能穿越禁带成为自由电子。光照越强、具有能量E的光子数越多，光生自由电子-空穴对越多，电阻值越小。光照停止或光强减小使E＜Eg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使电阻值增加或恢复高阻状态。每个光子所具有的能量E数学表达式：E=hf=hc/λ频率越高，或波长越短，光子所具有的能量就越大。产生自由光生电子的入射光临界波长λ0为满足E≥Eg有λ0≦1242/Eg(nm)Si的禁带宽度Eg为1.2ev,Ge0.75ev,硫化镉cds2.4ev,CdSe1.8ev图8－2是光敏电阻光电效应实验电路，当偏压U一定时，检流计指示电流I的大小决定于光敏电阻上的光照强度。无光照时，检流计指示的电流很小，此时的电流称之为暗电流；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻，暗电阻通常为兆欧级。有光照时，检流计指示的电流较大，此电流称之为亮电流；此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻，亮电阻一般为千欧以内。由光照所产生的自由电子—空穴流称之为光电流，显然光电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。2．光敏电阻种类光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻，目前人类已开发应用的光波频谱范围为0.1HZ～1021HZ，相应的波长为3×109m～0.3Pm。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围可分为三类。（1）对紫外光敏感元件紫外光是指紫外线（波长λ=10～380nm）的内侧光波，波长约300～380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）等，这类敏感元件适于作α、β、γ射线检测及光电控制电路。（2）对可见光敏感元件可见光波长范围约380～760nm，对这类光敏感的材料有硒（Se）、硅（Si）、锗（Ge）及硫化铊（TiS）、硫化镉（CdS）等，尤其是TiS光敏元件，它既适用于可见光，也适用于红外光。这类敏感元件适用了光电计数、光电耦合、光电控制等场合。（3）对红外光敏感元件红外光是红外线（波长λ=760～1×106nm）的内侧光波，波长约760～6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb）等，这类敏感元件主要用来探测不可见目标。图8－3部分光敏元件的光谱特性（2）光照特性光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。如图8－4所示，光敏电阻具有很高的光照灵敏度，且具有明显的非线性，可作控制元件，不宜作计量元件。（3）伏安特性光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。如图8－5所示，伏安特性是一个线性关系特性，但不同材料的光敏电阻具有不同的伏安特性，且各类光敏电阻都有最大允许功耗和最大允许电压的要求，超过此极限值将会导致元件永久性损坏。(4）频率特性频率特性系指光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的响应特性。如图8－6所示，一般来