光電傳感器是用于探測從短波到長波電磁輻射霞揉，諸如X射線、紫外光嘉抒、可見光零聚、紅外光等的器件。光電傳感器可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號些侍，然后經(jīng)過電路處理放大隶症，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由計算機計算岗宣，得出zui終結(jié)果蚂会。在在這一過程中，并沒有直接使用光信號來得出zui終結(jié)果耗式，而是通過光和電兩種信號的相互轉(zhuǎn)換來完成的胁住，使用光信號來進行探測，其優(yōu)點為測量距離遠刊咳，精度高彪见，非接觸，信號傳輸速度快等等優(yōu)點娱挨。要進行光電轉(zhuǎn)換余指，就必須提到光電傳感器。本文主要介紹了光電傳感器的原理以及相關(guān)的應(yīng)用舉例跷坝。
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光電傳感器
1酵镜、光子到電子的轉(zhuǎn)換
由于光和電的zui小單位分別可用光子和電子表示碉碉，我們可以用這些術(shù)語描述探測過程。光子通過光電傳感器轉(zhuǎn)換為電子淮韭，并以電流大小輸出垢粮。更準確的描述是，如當(dāng)光子被半導(dǎo)體材料吸收時靠粪，半導(dǎo)體材料的電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶蜡吧，然后由電路讀出，作為輸出信號庇配。
有三種過程可從材料中激發(fā)出電子：光伏效應(yīng)斩跌，光電導(dǎo)效應(yīng)，光電發(fā)射效應(yīng)捞慌。能夠發(fā)生光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體傳感器耀鸦，應(yīng)該由P型區(qū)和N型區(qū)組成，并且兩區(qū)相互拼接形成P-N結(jié)啸澡，如圖1.1所示袖订。
1.1光電二極管原理圖
電子吸收光子后，激發(fā)到導(dǎo)帶上嗅虏，但在價帶上留下空穴洛姑，形成了電子-空穴對。電子在材料內(nèi)部向著P-N結(jié)方向擴散或漂移皮服，zui后到達N型區(qū)楞艾，這樣在N型區(qū)和P型區(qū)之間形成電勢差，即形成了內(nèi)建電場龄广，如圖1.2所示硫眯。另一方面，空穴由于帶正電荷择同，到達P型區(qū)两入。zui終，輸出電路中有電流輸入敲才。這種光電傳感器稱為光電二極管(PD)裹纳。
1.2內(nèi)建電場的形成示意圖
根據(jù)其工作原理，光電二極管能夠探測到能量高于其材料禁帶寬度的光子紧武，此處禁帶寬度指的是導(dǎo)帶和價帶之間形成的電勢差剃氧。光子能量E可用下面的公式來描述，它是關(guān)于波長的函數(shù)：
其中阻星，h為普朗克常數(shù)她我，c為光速，
為波長。
光電導(dǎo)效應(yīng)也會對入射光子響應(yīng)后在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電子-空穴對番舆。但是，在這種情況下矾踱，產(chǎn)生的電荷使材料的電阻率下降恨狈。當(dāng)給有效工作區(qū)兩端施加偏置電壓，則輸入光信號功率的變化能通過輸出電路中電流的變化來測量呛讲，如圖1.3所示禾怠。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電傳感器稱為光電導(dǎo)體贝搁、光電導(dǎo)元件吗氏、光敏電阻。 由禁帶寬度窄的材料制成的光電導(dǎo)體大部分用于紅外探測雷逆。
1.3光電導(dǎo)示意圖
光電發(fā)射效應(yīng)指的是當(dāng)入射光子的能量大于材料的功函數(shù)時弦讽，材料內(nèi)部被激發(fā)的電子逸出材料表面到 達真空中的現(xiàn)象。功函數(shù)指的是費米能級和真空能級間的電勢差膀哲⊥基于此原理的光電器件如真空光電管。
1.4真空光電管示意圖
2某宪、光電傳感器舉例
（1） 多像元傳感器
圖2.1給出的是46像元的多像元傳感器仿村，光敏面積為0.9mm×4.4 mm。對于近紅外探測兴喂，能夠采用像元數(shù)為16(0.45mm ×1mm)]的InGaAs的陣列探測器蔼囊。這些是高亮度場合用來測量的多像元傳感器實例，大部分是用于光譜儀中衣迷。對于像元數(shù)畏鼓、像元尺寸、像元形狀的任意改動從技術(shù)上是可能的蘑险。
圖2.1 46像元的多像元傳感器示意圖
多像元傳感器的優(yōu)點之一是有快的讀出速度滴肿，因為每一像元的信號是并行輸出。然而佃迄，有時并行輸出是個缺點泼差，原因是讀出電路的復(fù)雜程度與像元的多少成線性關(guān)系。對于像元數(shù)大于100的探測器而言呵俏，專門設(shè)計了互補型金屬-氧化物-半導(dǎo)體讀出電路來順序讀出每一像元的信號堆缘。在這種情況下，全部像元的讀出速度就受到限制普碎。
（2）位置敏感型傳感器
三角法可用于照相機自動調(diào)焦距離的測量吼肥，如圖2.2所示，該系統(tǒng)需要測量傳感器上光斑的位置。這里缀皱，可采用位置敏感器件斗这，如圖2.3所示。它由電阻層和連接在兩端的輸出電極組成啤斗，輻射源的位置根 據(jù)下述公式來決定：
式中表箭，x為光斑距中心的x坐標；Lx為有效面積的長度钮莲；Ix1和Ix2分別為兩端電極的輸出電流免钻。
2.2光學(xué)三角法測量
2.3一維PSD的剖面圖
二維PSD的工作原理與一維的相同，在市場上能夠見到尺寸達到14mm ×14mm二維PSD崔拥。PSD的優(yōu)點是響應(yīng)時間頻率為1MHz的數(shù)量級時极舔，能達到10μm的位置分辨率。這是可以實現(xiàn)的链瓦，因為一維的 PSD僅有兩個信號輸出端拆魏，二維的有四個信號輸出端。PSD的時間響應(yīng)率和位置分辨率既與它的尺寸澡绩、 電阻和結(jié)構(gòu)有關(guān)稽揭，也與輸入光信號的波長和功率有關(guān)。
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