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第八章 光电器件
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本章内容 8.1 光敏电阻 8.2 光敏二极管和光敏晶体管 8.3 光电池 8.4 光电耦合器件 8.5 电荷耦合器件
8.1 光敏电阻 8.2 光敏二极管和光敏晶体管 8.3 光电池 8.4 光电耦合器件 8.5 电荷耦合器件 8.6 光电传感器的应用
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光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛。 光电器件工作的物理基础是光电效应。 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。
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在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光敏晶体管等就属于这类光电器件。 一、 光敏电阻 １． 光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。
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当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。 图8 - 1 为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。 为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。
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图8-1 光敏电阻结构
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２． 光敏电阻的主要参数 （１） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。 （２） 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流。 （３） 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。 ３． 光敏电阻的基本特性 （1） 伏安特性在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图8 - 2 为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 由图可见, 光敏
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电阻在一定的电压范围内, 其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关, 而与电压、电流无关。
（2） 光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性, 亦称为光谱响应。 图8 - 3 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域, 常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头。
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（3） 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时, 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 图8 - 4 为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。 对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些。
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二、 光敏二极管和光敏晶体管 １． 结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃外壳中, 其PN结装在管的顶部, 可以直接受到光照射（见图8 - 5）。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-6所示）, 在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越大。 因此光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 受光照射时, 处于导通状态。
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光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它的发射极一边做得很大, 以扩大光的照射面积。图8 - 7为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路。大多数光敏晶体管的基极无引出线, 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时, 集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管有放大作用。 光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅（Si）。在形态上, 有单体型和集合型, 集合型是在一块基片上有两个以上光敏二极管, 比如在后面讲到的CCD图像传感器中的光电耦合器件, 就是由光敏晶体管和其它发光元件组合而成的。
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２． 基本特性 （１） 光谱特性光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图8 - 8所示。从曲线可以看出, 硅的峰值波长约为0.9 μm, 锗的峰值波长约为1.5μm, 此时灵敏度最大, 而当入射光的波长增加或缩短时, 相对灵敏度也下降。一般来讲, 锗管的暗电流较大, 因此性能较差, 故在可见光或探测赤热状态物体时, 一般都用硅管。 但对红外光进行探测时, 锗管较为适宜。 （２） 伏安特性图8 - 9为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线。从图中可见, 光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。
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（３） 温度特性光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图8 - 10所示。 从特性曲线可以看出, 温度变化对光电流影响很小, 而对暗电流影响很大, 所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿, 否则将会导致输出误差。 表8-2列出几种硅光电二极管的特性参数。
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三、 光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 光电池在有光线作用下实质就是电源, 电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。 它实质上是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如p型面时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图8 - 11为工作原理图。
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图8-11 光电池工作原理图
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光电池的基本特性有以下几种： （１） 光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图8 - 12为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知, 不同材料的光电池, 光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的, 硅光电池在0.8μm附近, 硒光电池在0.5 μm附近。 硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2 μm, 而硒光电池的范围只能为0.38~0.75 μm。 可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。
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图8-12 光电池光谱特性
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（２） 光照特性光电池在不同光照度下, 光电流和光生电动势是不同的, 它们之间的关系就是光照特性。 图8 - 13为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。 从图中看出, 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系, 开路电压（负截电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的, 并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。因此光把电池作为测量元件时, 应把它当作电流源的形式来使用, 不能用作电压源。
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(3) 温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移, 影响到测量精度或控制精度等重要指标, 因此温度特性是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图8 - 14所示。从图中看出, 开路电压随温度升高而下降的速度较快, 而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响, 因此把它作为测量器件应用时, 最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。 表 为国产硅光电池的特性参数。 由表可见, 硅光电池的最大开路电压为600mV, 在照度相等的情况下, 光敏面积越大，输出的光电流也越大。
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四、 光电耦合器件 光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管, 光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。 根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。 1． 光电耦合器 光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内, 一般有金属封装和塑料封装两种。 耦合器常见的组合形式如图8 - 15所示。
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图(a)所示的组合形式结构简单、成本较低, 且输出电流较大, 可达100 mA, 响应时间为3~4μs。 图(b)形式结构简单, 成本较低、 响应时间快, 约为1μs, 但输出电流小, 在50~300 μA之间。图（c）形式传输效率高, 但只适用于较低频率的装置中。 图（d）是一种高速、高传输效率的新颖器件。对图中所示无论何种形式, 为保证其有较佳的灵敏度, 都考虑了发光与接收波长的匹配。 光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器, 它具有抗干扰性能和单向信号传输功能, 广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合.
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2. 光电开关 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收, 并进行光电转换, 同时加以某种形式的放大和控制, 从而获得最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。 图8 - 16为典型的光电开关结构图。图（a）是一种透射式的光电开关, 它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。 当不透明的物体位于或经过它们之间时, 会阻断光路, 使接收元件接收不到来自发光元件的光, 这样起到检测作用。 图（b）是一种反射式的光电开关, 它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。 当有物体经过时, 接收元件将接收到从物体表面反射的光, 没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触, 而且与TTL、 MOS等电路容易结合。
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用光电开关检测物体时, 大部分只要求其输出信号有“高-低”（1-0）之分即可。 图 是基本电路的示例。 （a）、（b）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况, （c）表示用晶体管放大光电流的情况。 光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测， 产品计数, 料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等用途。
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五、 电荷耦合器件 电荷耦合器件（Charge Couple Device， 简称CCD）是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。它以电荷作为信号, 基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。 CCD自1970年问世以来, 由于其独特的性能而发展迅速, 广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术。 １. CCD原理 构成CCD的基本单元是MOS电容器, 如8 - 18(a)所示。 与其它电容器一样, MOS电容器能够存储电荷 。
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如果MOS电容器中的半导体是P型硅, 当在金属电极上施加一个正电压时, 在其电极下形成所谓耗尽层, 由于电子在那里势能较低, 形成了电子的势阱, 如图8 - 19(b)所示, 成为蓄积电荷的场所。CCD的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器, 这些电容器用同一半导体衬底制成, 衬底上面履盖一层氧化层, 并在其上制作许多金属电极, 各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接, 图8 - 19为三相CCD时钟电压与电荷转移的关系。当电压从φ1相移到φ2相时, φ1相电极下势阱消失, φ2相电极下形成势阱。这样储存于φ1相电极下势阱中的电荷移到邻近的φ2相电极下势阱中, 实现电荷的耦合与转移。
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CCD的信号是电荷, 那么信号电荷是怎样产生的呢？CCD的信号电荷产生有两种方式: 光信号注入和电信号注入。 CCD用作固态图像传感器时, 接收的是光信号, 即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片表面时, 在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对, 其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底, 而少数载流子（电子）则被收集在势阱中, 形成信号电荷, 并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强。所谓电信号注入， 就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样, 将信号电压或电流转换为信号电荷。 CCD输出端有浮置扩散输出端和浮置栅极输出端两种形式, 如图8 - 20所示。
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浮置扩散输出端是信号电荷注入末级浮置扩散的PN结之后, 所引起的电位改变作用于MOSFET的栅极。这一作用结果必然调制其源-漏极间电流, 这个被调制的电流即可作为输出。 当信号电荷在浮置栅极下方通过时, 浮置栅极输出端电位必然改变, 检测出此改变值即为输出信号。 通过上述的CCD工作原理可看出, CCD器件具有存储、 转移电荷和逐一读出信号电荷的功能。因此CCD器件是固体自扫描半导体摄像器件, 有效地应用于图像传感器。 ２． CCD的应用（CCD固态图像传感器） 电荷耦合器件用于固态图像传感器中, 作为摄像或像敏的器件。
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CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。 感光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件, 光敏单元简称“像素”。 固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”, 即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布, 然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转送, 经输出放大器输出。 根据光敏元件排列形式的不同, CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。 （1） 线型CCD图像传感器线型CCD图像传感器结构如图 所示。光敏元件作为光敏像素位于传感器中央, 两侧设置CCD移位寄存器, 在它们之间设有转移控制栅。
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在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极, 在光积分周期里, 光敏电极电压为高电平,光电荷与光照强度和光积分时间成正比, 光电荷存储于光敏像敏单元的势阱中。 当转移脉冲到来时, 光敏单元按其所处位置的奇偶性, 分别把信号电荷向两侧移位寄存器转送。同时, 在CCD移位寄存器上加上时钟脉冲, 将信号电荷从CCD中转移, 由输出端一行行地输出。 线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息, 不能直接将二维图像转变为视频信号输出, 为了得到整个二维图像的视频信号, 就必须用扫描的方法来实现。 线型CCD图像传感器主要用于测试、 传真和光学文字识别技术等方面。
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（2） 面型CCD图像传感器按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列, 即可以构成面型CCD图像传感器。
图8 - 22（a）为线转移面型CCD的结构图。 它由行扫描发生器、 感光区和输出寄存器组成。行扫描发生器将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上, 驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移, 并移入输出寄存器, 输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。这种转移方式具有有效光敏面积大、转移速度快、 转移效率高等特点, 但电路比较复杂, 易引起图像模糊。
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图8 - 22（b）为帧转移面型CCD的结构图。 它由光敏区（感光区）、 存储区和水平读出寄存器三部分构成。 图像成像到光敏区, 当光敏区的某一相电极（如P）加有适当的偏压时, 光生电荷将被收集到这些光敏单元的势阱里, 光学图像变成电荷包图像。 当光积分周期结束时,信号电荷迅速转移到存储区中, 经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储区移出后, 就开始下一帧信号的形成。这种面型CCD的特点是结构简单, 光敏单元密度高, 但增加了存储区。 图8 - 22（c）所示结构是用得最多的一种结构形式。
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它将一列光敏单元与一列存储单元交替排列。在光积分期间, 光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里; 当光积分时间结束, 转移栅的电位由低变高, 电荷信号进入存储区。 随后, 在每个水平回扫周期内, 存储区中整个电荷图像一行一行地向上移到水平读出移位寄存器中, 然后移位到输出器件, 在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。这种结构的感光单元面积减小, 图像清晰, 但单元设计复杂。面型CCD图像传感器主要用于摄像机及测试技术。
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六、 光电传感器的应用 1. 火焰探测报警器 图 是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。 硫化铅光敏电阻的暗电阻为1 MΩ， 亮电阻为 0.2 MΩ(光照度 0.01 W/m2下测试的)，峰值响应波长为2.2μm。 硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为 6 V，电流约为 6μΑ。V2管集电极电阻两端并联 68 μF的电容， 可以抑制 100 Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器， 火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度， 保证火焰报警器能长期稳定地工作。
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2. 光电式纬线探测器 光电式纬线探测器是应用于喷气织机上， 判断纬线是否断线的一种探测器。图 为光电式纬线探测器原理电路图。当纬线在喷气作用下前进时，红外发射管VD发出的红外光，经纬线反射，由光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。因此利用光电池的输出信号，通过后续电路放大、脉冲整形等，控制机器正常运转还是关机报警。 由于纬线线径很细，又是摆动着前进，形成光的漫反射， 削弱了反射光的强度，而且还伴有背景杂散光，因此要求探纬器具备高的灵敏度和分辨力。为此，红外发光管VD采用占空比很小的强电流脉冲供电，这样既保证发光管使用寿命， 又能在瞬间有强光射出，以提高检测灵敏度。一般来说，光电池输出信号比较小，需经放大、脉冲整形以提高分辨力。
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3. 燃气热水器中脉冲点火控制器 由于煤气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定、可靠。为此电路中有这样一个功能， 即打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀门关闭， 这样就保证使用燃气器具的安全性。 图 为燃气热水器中的高压打火确认电路原理图。 在高压打火时，火花电压可达一万多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大，为了使电路正常工作，采用光电耦合器VB进行电平隔离，大大增强了电路抗干扰能力。当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光， 耦合器中的光敏三极管导通， 经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。 若高压打火针与打火确认针之间不放电，则光电耦合器不工作，V1等不导通，燃气阀门关闭。
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4. CCD图像传感器应用 CCD图像传感器在许多领域内获得广泛的应用。 前面介绍的电荷耦合器件(CCD)具有将光像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能， 所以它是构成CCD固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。 CCD图像传感器具有高分辨力和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。 CCD图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。下面是一个利用CCD图像传感器进行工件尺寸检测的例子。
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图 为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。 物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理，整个过程由微机控制完成。 根据几何光学原理，可以推导被测物体尺寸计算公式， 即 式中： n——覆盖的光敏像素数； p——像素间距； M——倍率。 微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。 任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。
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