传感器复习笔记（九）：光电式传感器
1. 概述
光电式传感器以光电效应为基础，将光信号转换成电信号。具有反应速度快、非接触测量、精度高、分辨力高等优点。
四种基本形式：辐射式（直射式）、吸收式、遮光式、反射式
2. 光电效应
光电效应是光电式传感器的物理基础——光照射物体引起其电学特性发生变化。
光电效应的分类如下：
$$ \begin{array}{lll} \text{光电效应} &\begin{cases} \textbf{外光电效应（电子逸出表面）} &\rightarrow \text{光电管、光电倍增管} \\[8pt] \textbf{内光电效应} &\begin{cases} \textbf{光电导效应（电导率变化）} &\rightarrow \text{光敏电阻} \\[4pt] \textbf{光生伏特效应（产生电动势）} &\rightarrow \text{光电池、光电二极管、光电三极管} \end{cases} \end{cases} \end{array} $$2.1 外光电效应（光电发射效应）
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
爱因斯坦光电效应方程：
$$ h\nu = \frac{1}{2}mv_{\max}^2 + W $$其中 $h\nu$ 为光子能量，$W$ 为逸出功，$\frac{1}{2}mv_{\max}^2$ 为光电子最大动能。
光电发射四大定律：
- 斯托列托夫定律：饱和光发射电流与入射光通量成正比
- 爱因斯坦定律：光电子最大动能随入射光频率线性增大，与光强无关
- 红限：只有入射光频率大于截止频率 $\nu_0$（红限）时，电子才能逸出
- 瞬时性：延迟时间不超过 $10^{-9}$s
对应器件：光电管、光电倍增管
2.2 内光电效应
在光线作用下，物体电导性能发生变化或产生一定方向电动势的现象。
（1）光电导效应：光子激发电子-空穴对，使材料电导率增大。对应器件：光敏电阻。
（2）光生伏特效应：光生电子和空穴在内部电场作用下分离，产生电位差。对应器件：光电池、光电二极管、光电三极管。
3. 光敏电阻
利用光电导效应制成。无光照时暗电阻很大（暗电流小）；有光照时亮电阻急剧减小（亮电流大）。
光电流 = 亮电流 - 暗电流
暗电阻越大、亮电阻越小，性能越好。
缺点：光照特性非线性（不宜做定量检测，一般用作光电开关）；响应时延大（不能用于快速响应场合）。
4. 光电池
利用光生伏特效应直接将光能转变成电能（有源元件）。最常用的是硅光电池和硒光电池。
工作原理：光照射PN结 $\rightarrow$ 激发电子-空穴对 $\rightarrow$ N区堆积负电荷，P区堆积正电荷 $\rightarrow$ 产生光生电动势（0.2~0.6V，可达50mA）。
光电池重要特性：
- 开路电压：与光强成非线性关系，2000lx后趋于饱和
- 短路电流：在很大范围内与光强成线性关系
"短路"条件：负载电阻 $R_L$ 越小，光电流与光强的线性关系越好，线性范围越宽。
光谱特性：硅光电池峰值波长850nm（400~1100nm）；硒光电池峰值540nm（可见光）。
5. 光敏二极管与光敏三极管
光敏二极管：
- 结面积小，频率特性好（优于光电池）
- 工作在反向偏置状态
- 无光照时反向暗电流很小（nA级）
- 有光照时光电流与光强成正比
光敏三极管：
- 具有电流放大作用（$\beta$ 倍），灵敏度比光敏二极管高
- 集电极电流 $I_C = \beta I_\phi$
光电池与光电二极管的异同：
| 光电池 | 光电二极管 | |
|---|---|---|
| PN结面积 | 大 | 小 |
| 主要用途 | 太阳能发电 + 检测 | 高速光电检测 |
| 频率响应 | 差（结电容大） | 好 |
| 工作状态 | 零偏 / 光伏模式 | 反向偏置 |
| 输出电流 | 较大（mA级） | 较小（$\mu$A级） |
相同点：都基于光生伏特效应，都是PN结结构。
不同点：光电池结面积大、可作电源但频率特性差；光电二极管结面积小、频率特性好，工作于反偏状态。
6. 光电倍增管
利用外光电效应和二次电子发射效应，将微弱光信号转换成电信号的真空管。通过多级倍增极（一般10级左右），电子数量逐级递增，总增益可达 $10^5\sim10^8$ 倍。
应用：微光探测、快速光子计数、大气探测激光雷达等。
7. CCD（电荷耦合器件）与CMOS
CCD是一种能将光学影像转化为数字信号的半导体器件。
基本结构：微透镜阵列 + 色块网格（拜尔滤光片）+ 电子线路矩阵
工作原理：MOS光敏元在光照下产生光生电荷包，电荷量与光照度成正比。
CCD vs CMOS 对比：
| 属性 | CCD | CMOS |
|---|---|---|
| 像素输出信号 | 电子包 | 电压 |
| 传感器输出 | 电压（模拟） | 二进制数（数字） |
| 系统噪声 | 低 | 高 |
| 功耗 | 高 | 低 |
| 灵敏度 | 高 | 低 |
| 响应速度 | 慢 | 快 |
| 成本 | 高 | 低 |
技术指标：尺寸大小、像素数目、灵敏度、信噪比、量子效率。
8. 练习与思考题
- 光电二极管和光电池都基于什么效应？它们在工作状态上有什么不同？
- 在光电效应中，"红限"是什么意思？光电子的最大动能取决于什么？
- 用光电池做光照度检测时，应该使用开路电压还是短路电流作为输出信号？为什么？
参考答案：
（1）都基于光生伏特效应。不同点：光电二极管工作在反向偏置状态，结面积小，频率特性好；光电池通常工作在零偏状态（光伏模式），结面积大，可做电源但频率特性差。
（2）红限是指能使电子从金属表面逸出的最低入射光频率 $\nu_0$。只有当 $\nu > \nu_0$ 时才能产生外光电效应。光电子最大动能取决于入射光的频率（$E_{k\max}=h\nu-W$），与光强无关。
（3）应该使用短路电流。因为短路电流在很宽范围内与光照度成线性关系；而开路电压与光照度非线性，且在2000lx后趋于饱和，不利于定量测量。