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检测技术

华东交通大学理工学院

题目:

现代检测技术论文

专业：

电气工程及其自动化

班级：

09电气

（2）班

学号：

20090210470204

学生姓名：

黄磊垚

指导教师：

徐涢基

光电传感器的应用与新技术

——浅谈光电池与光电阻

当光照射到物体上会使物体发射电子或导电率发生变化或产生光电动势等现象，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。

按照产生这些特性的原因不同，光电效应又分为光导效应，光生伏特效应及光电发射效应。

光电检测器件就是利用物质的这些光电效应把光信号转换成电信号的器件。

光电检测器件有很多种类，最常见的是光电池与光电阻传感器。

光电池是光电类传感器的一种，它的主要功能是在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号。

光电池的种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少应用，此外有硒、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓等制成的光电池。

按用途划分光电池可分为太阳能光电池和测量光电池两大类。

太阳能光电池主要用作电源，由于它结构简单。

体积小、重量轻、可靠性高、寿命长能直接将太阳能转换成电能。

因而不仅成为航天工业上的重要电源。

还被广泛地应用与人们的日常生活中。

测量光电池的主要功能是作为光电探测用，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，它被广泛地应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。

目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。

硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于日落光表及照度计。

硅光电池与其它半导体光电池相比，是目前转换效率最高17%，几乎接近理论极限的一种光电池。

此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。

薄膜光电池是把硫化偏等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。

紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.2～0.3μm，光谱响应峰值移到600nm左右,来提高短波响应，以适应外层空间使用。

与上述同质结光电池不同，异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子一空穴对。

利用这种“窗口”效应提高人射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达30%，但目前因工艺尚未成熟，仍低于硅光电池。

光电池的主要原理是光生伏特效应，当用hν足够大的光照射一均匀半导体的表面时，由于半导体对光的吸收而在半导体的近表面层中产生高浓度的光生非平衡电子空穴对。

这样就造成从半导体近表面层至内部的载流子浓度梯度，因而发生两种载流子都向半导体内部的扩散运动。

非平衡电子和空穴的扩散运动方向相同，因此它们的扩散电流方向相反。

由于迁移率与载流子的有效质量有关，而电子的有效质量比空穴小。

所以电子的迁移率和扩散系数比空穴的大，因此电子比空穴扩散得较快并且扩散到较深的半导体内部。

在没有其它场的影响时，这种扩散的差异导致电荷的分开积聚，从而使半导体表面带正电而内部带负电，于是建立起光生电场。

这种电场又可引起电子和空穴的漂移运动。

两种载流子的漂移运动方向相反，所以它们的漂移电流方向相同。

在载流子的漂移运动和扩散运动达到动态平衡后，总电流应为零，在受照表面与暗表面之间产生一定的开路光电压，于是在光生载流子的扩散在光的传播方向产生了电位差，形成了光电池。

光电阻传感器是另一种光电类传感器，它是将光信号转换为电阻变化的一种传感器。

若用这种传感器测量其它非电量时，只要将被测非电量的变化转换为光信号的变化即可。

此种测量方法具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点。

光电阻传感器又分为光敏电阻和光敏晶体管。

光敏电阻的基本原理为光电导效应，在本征半导体中，电子未获得其它能量之前处于基态，价带充满着电子，导带没有电子，而因晶体缺陷产生的能级又不能激发自由电子时，则这些材料的电阻是较大的。

但是，如果这些材料内的电子受到一种外来能量如光子的激发，且这种激发又能使电子获得足够的能量越过禁带而跃入导带的话，则材料中就会产生大量的电子及空穴（光生载流子）参与导电，因而材料的电阻就相应减少。

这是由本征光吸收所引起的光电导效应，又叫内光电效应。

根据半导体材料的分类，光敏电阻有两种类型。

一种是本征型光敏电阻，另一种是掺杂型光敏电阻。

掺杂型光敏电阻中N型半导体材料制成的光敏电阻性能稳定，特性较好，故目前大都采用。

光敏电阻若按它的光谱特性及最佳工作波长范围可分为三类：

一类是对紫外光敏感的光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等。

另一类是对可见光敏感的光敏电阻，如硫化铊等。

还有一类是对红外光敏感的光敏电阻，如硫化铅等。

常见的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、锑化铟光敏电阻、碲镉汞系列光敏电阻等。

光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点:

（1）光谱响应范围相当宽。

根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。

（2）工作电流大，可达数毫安。

（3）所测光强范围宽。

既可测强光也可测弱光。

（4）灵敏度高。

光导电增益大于1。

（5）偏置电压低，无极性之分，使用方便。

其缺点是在强光照射下光电转换线性较差。

光电驰豫过程较长，频率响应很低。

光敏晶体管又分为光敏二极管和光敏三极管。

半导体光敏二极管与普通二极管一样也有一个PN结，但为了获得尽可能大的光生电流，PN结面积比普通二极管要大得多。

无光照时，只有热效应引起的微小暗电流经过PN结。

光照时，产生附加的光生载流子，使流过PN结的电流骤增，使二极管处于导通状态。

与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用，事实上，光敏二极管可以按光伏型工作（即无外加偏压），也可以按光导型（实

际上是光伏、光导结合）工作，而后者是一种较好的工作型。

光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III-V族化合物及其它化合物制作的二极管。

从结特性来分,有PN结、P-i-N结、异质结、肖特基势垒型及点接触型等。

从对光的响应来分，有用于紫外、可见及红外等种类。

不同种类的光敏二极管，具有不同的电特性和探测性能。

例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有更大的灵敏度。

这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外，因此，在近红外应用，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。

又如，P-i-N型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。

常见的光敏二极管有点接触光敏二极管、扩散型P-N结光敏二极管、耗尽层型光敏二极管、扩散型P-i-N硅光敏二极管、硼光敏二极管等。

它与光敏电阻相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。

光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管，为了使其对光有良好的响应，必须有一个感光面，即一个对光敏感PN结。

当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生光电子-空穴对，它们在PN结处于内电场的作用下，作定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加，由于光照射产生的光电流相当于三极管的基极电流，所以集电极电流是光电流的β倍。

因此光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。

对以上这些传感器进行比较可以看出光电池是利用光电效应的光生伏特效应，而光敏电阻是利用的物质的光导效应，而光敏晶体管则可能是两者都有。

在分类中，光电池属于电能量传感器，而由光敏电阻及光敏晶体管组成的光电阻传感器则属于电参数传感器。

下表是有关传感器相关参数性能的比较：

波长响应范围（nm）

输入光强范

围（/cm）

最大灵敏度

输出电流

光特性直线性

动态特性

外加电压（V）

受光面积

稳定性

外形尺寸

价格

主要特点

短波

峰值

长

波

频率

响应

上升

时间

CdS光敏电阻

400

640

900

1uW～70mW

1A/lm·V

10mA～1A

差

1kHz（差）

0.2～1ms

100～400

大

一般

中

低

多元阵列开关输出电流大

CdSe光敏电阻

300

750

1220

同上

同上

同上

差

1kHz（差）

0.2～10ms

200

大

一般

中

低

Si光电池

400

800

1200

1uW～1W

0.3～0.65A/W

1A（最大）

好

50kHz（良）

0.5～100us

不要

最大

最好

中

中

象限光电池输出功率大

Se光电池

350

550

700

0.1～70mW

150mA（中）

好

5kHz（差）

1ms

不要

最大

一般

中

中

光谱接近人的视觉范围

Si光敏二极管

400

750

1000

1uW～200mW

0.3～0.96A/W

1mA以下（最小）

好

200kHz～10MHz（最好）

<2us

100～200

小

最好

最小

低

高灵敏、小型、高速传感器

Si光敏三极管

同上

0.1uW～200mW

0.1～2A/W

1～50mA（小）

较好

100kHz（良）

0.2～100ms

50

小

良

小

低

有电流放大小型传感器

表1、各类光电传感器的比较

从表中可以看出在动态特性方面，即频率响应与时间响应，以光电二极管（尤其是PTN管与雪崩管）为最好；在光电特性方面（即线性），光电二极管、光电池为最好；在灵敏度方面，以光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好;值得指出的是，灵敏度高不见得就是输出电流大，而输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管与光电三极管；外加电压最低的是光电二、三极管，光电池不需加电源；暗电流光电二极管最小，光电池不加电源时无暗流，加反压后电流也比光电二极管大；长期工作的稳定性方面，以光电二极管、光电池为最好，其次是光电三极管；在光谱响应方面，以CdSe光敏电阻为最宽，光敏电阻响应偏红外方面。

光敏二极管的光电流一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管的光电流一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差10倍以上，因此在实用电路中，光敏二极管产生的光电流往往要经放大后去驱动其它负载。

光敏二极管和光敏三极管两者的暗电流相差不多，而且一般都不超过luA，大多在0.5uA以下。

光敏二极管的响应时间一般在百纳秒以下，PN结型和雪崩型的还要小，而光敏三极管的响应时间却长达5～1Ous,复合型光敏三极管的响应时间还要长。

光敏二极管在很宽的入射光照度范围内都具有线性的光电流照度特性；而光敏三极管输出特性的线性度却较差，且在低照度时灵敏度低，而在高照度时，光电流又有饱和趋势，只在照度适中时，有一个线性区。

不同类型光敏三极管的光电流—照度特性的线性区范围不同，即使同类型管子的特性也有差异；但光敏二极管则不然，一般都有很好的线性特性。

光电池和光电阻传感器这类光电传感器在实际的生产生活中用很多的应用，按照光电传感器输出量性质的不同，光电传感系统分为模拟量光电传感器检测系统与开关量光电传感器检测系统。

下面介绍光电池与光电阻传感器在不同系统中应用：

光电池的应用主要分为两类能源使用和光电信号转换使用。

当作为能源使用时，把硅光电池单体按所需的电压和功率串、并联成组合板，许多组合板再组装成电池阵列。

组合方式有平铺式和迭瓦式两种，可用焊接联线，也可用印刷电

路。

在每块组合板的输出端串联有二极管，再与蓄电池组相联，然后接至负载如图1所示。

图1、太阳能蓄电池

当光电池阵列受光照射时，可使蓄电池充电，同时对负载供电;而当无光照或光弱时，由于二极管的作用，可以防止蓄电池组对硅光电池反充电，此时由蓄电池对负载供电。

这样，不论白天黑夜负载都能正常地工作了。

当作为信号转换器使用时，光电池的工作模式又分为三类：

（1）作为光电开关使用；

（2）光电流随光照面积大小变化而变化应用；（3）光电流随光强度变化而变化的应用。

下面的一种二价铜离子分析仪，实际上就是一个使用硅光电池的比色计是光电流随光强度变化而变化的应用的一个例子。

它的原理线路如图2所示。

图2、铜离子分析仪原理图

把两片硅光电池接成桥式线路，并使之同时按受光照,，当两片光电池上的照度相同时桥式线路没有输出。

实际上每片光电池由光源中的可见光和红外线引起的电压还是不小的，但通过桥式线路相互抵消，对记录器（电子电位差计）无输出。

如果在一片光电池前面放置一杯被测溶液，则由于溶液吸收部分可见光的缘故，这片的光生电压变小，造成桥式线路的不平衡，对电子电位差计就有输出。

但未被吸收的红外线所引起的电压仍与另一片红外线所引起的电压相抵消，电子电位差计显示的只是可见光部分的变化，这样就去除了红外的影响。

被测溶液中离子浓度愈大，被吸收的可见光愈多，桥式线路输出亦愈大，因此可以通过电子电位差计的读数进行比色，从而确定溶液中的离子浓度。

光电开关也可以说是一种特殊形式的光电耦合器件，只不过其发光部和受光部不是一个封闭的整体，它们之间可插入被测物体。

因此当被测物体改变光路的通断状态，将引起电路的通断，起到开关和继电器的作用。

听以它又可称为光断续器或光继电器。

由于其通断代表了“1”，“0”信号，因而又起到1bit的编码作用，所以也是一种最简单的编码器。

光电开关应用极广，利用它可简单方便地实现自动控制与自动检测。

最常见的光电开关由红外发光二极管和硅光敏三极管组成，按结构不同，光电开关可分为透过型和反射型两种。

其结构原理如图3所示。

光电开关可以用在

图3透过型和反射型光电开关原理

数字控制系统中组成编码器。

在自动售货机中检测硬币数目；

在各种程序控制电路中作为定时信号发生器；在计算机终端设备中，读取纸带、卡片；在高速印刷机中，作定时控制或印字头的位置控制等。

反射型光电开关正日益广泛地应用于传真、复印机等的纸检测或图像色彩浓度的调整等。

即使是在民用电器和儿童玩具中，都会用到光电开关。

如将反射型光电开关靠近旋转着的马达，利用马达转轴上的反射小片，使发光管的发射光不断反射到光敏管上，通过计数显示可直观地记录下马达的运转速率。

参考文献：

［1］金伟主编,现代检测技术第二版:

北京邮电大学出版社.

［2］谢志萍主编.传感器与检测技术:

电子工业出版社.

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