2.4 半導體組合型特種探測器件

將半導體光電探測器件組合在一塊硅片上，可制造出按一定方式排列的具有相同光電特性的光電探測器件陣列。這種集成組合探測器件可廣泛應用于光電準直、光電編碼、光電跟蹤、圖像識別等方面。用它們代替由分立器件組成的變換裝置，不僅具有光敏點密集、結構緊湊、光電特性一致性好、調節方便等優點，而且可以完成分立元件所無法完成的探測工作。下面就介紹幾種應用較多的典型的半導體光電探測器組合件。

2.4.1 象限探測器

目前，市場上的光電器件組合件主要有硅光電池、硅光電二極管、硅光電三極管組合件。它們分別排列成象限式、陣列式、楔環式和按指定編碼規則組成的列陣方式。

幾種典型的象限陣列光電探測器件組合件如圖2-27所示。其中，圖2-27（a）為二象限光電探測器件組合件，它是在一片PN結光電二極管（或光電池）的光敏面上經光刻的方法制成兩個面積相等的P區（前極為P型硅），形成一對特性參數極為相近的PN結光電池（或光電二極管）。這樣構成的光電池（或光電二極管）組合件具有1維位置的檢測功能，或稱為具有二象限的探測功能。當被測光斑落在二象限器件的光敏面上時，光斑偏離的方向或大小就可以被如圖2-28（b）所示的電路探測出來。如圖2-28（a）所示，光斑偏向 P2區，P2的電流大于P1的電流，放大器的輸出電壓將為大于0的正電壓，電壓值的大小反映光斑偏離的程度；反之，若光斑偏向 P1區，輸出電壓將為負電壓，負電壓的大小反映光斑偏向 P1的程度。因此，由二象限器件組成的電路具有一維位置的探測功能。這在薄板材料的生產中常被用來探測和控制邊沿的位置，以便卷制成整齊的卷。并且，還可用于光電準直（在第5章中介紹）等。

圖2-27（b）為四象限光電探測器件組合件，它具有二維位置的探測功能，可以完成光斑在x，y兩個方向的偏移。

采用象限光電探測器件組合件測定光斑的中心位置（也是一種亮度中心的測定），可根據器件坐標軸線與測量系統基準線間的安裝角度的不同，采用下面不同的電路形式進行測定。

1. 和差電路

當器件坐標軸線與測量系統基準線間的安裝角度為0°（器件坐標軸線與測量系統基準線平行）時，可采用如圖2-29所示的和差探測電路。首先，用加法器先計算相鄰象限輸出光電信號之和；其次，再計算和信號之差；最后，通過除法器獲得偏差值。

設入射光斑形狀為彌散圓，其半徑為 r，光出射度均勻，投射到四象限組合器件每個象限上的面積分別為S1、S2、S3、S4，光斑中心O′相對器件中心O的偏移量OO′=p（可用直角坐標x、y表示），由運算電路得到的輸出偏離信號分別為

ux =K[(u1 + u4)- (u2 + u3 )]

uy =K[(u1 + u2)- (u3 + u4 )]

式中，K 為放大器的放大倍數，它與光斑的直徑和光出射度有關；u1、u2、u3、u4分別為4個象限輸出的信號電壓經放大后的電壓值；u x、u y分別表示光斑在x方向和y方向偏離四象限組合器件中心（O點）的情況。

為了消除光斑自身總能量的變化對測量結果的影響，通常采用和差比幅電路（除法電路），經比幅電路處理后，輸出的信號為

和差電路的特點是測量靈敏度較高，非線性影響較小，對目標光斑的不均勻性適應性較強，適用于高精度的定位測量。但信號處理電路復雜，需要進行多次和差運算。各環節性能的差異也會引起測量誤差。

2. 直差電路

當四象限探測器件的坐標與基準線成45°時，常采用如圖2-30所示的直差電路。直差電路輸出的偏移量為

該種方式的電路簡單，但它的靈敏度相對較低，線性等特性也相對較差。

象限光電探測器件組合雖然能夠用于光斑相位的探測、跟蹤和對準工作，但是，它的測量精度受到器件本身缺陷的限制。象限光電探測器件組合件的明顯缺陷為：①光刻分割區將產生盲區，盲區會使微小光斑的測量受到限制；②被測光斑全部落入某一象限光敏區，輸出信號將無法測出光斑的位置，因此它的測量范圍受到限制；③測量精度與光源的光強及其漂移密切相關，測量精度的穩定性受到限制。

雖然，圖2-27（c）所示的八象限陣列器件的分辨率比四象限的高，但仍解決不了上述缺陷。

2.4.2 楔環探測器

楔環探測器件如圖2-31所示，是一種用于光學功率譜探測的陣列光電探測器件的組合器件。它是在一塊N型硅襯底上制造出多個P型區，從而構成光電二極管或硅光電池的楔環狀光敏單元陣列。顯然，這些光敏單元由楔與環兩種圖形構成，故稱為楔環探測器。

這種楔環探測器中的楔形光電探測器件可以用來探測光的功率譜分布，其極角方向（楔形區）用來探測功率在角度方向的分布；環形區探測器中的環形光電探測器件用來探測功率在半徑方向的分布。因此，可以將被測光功率譜的能量密度分布以極坐標的方式表示。

顯然，這種變換方式可以完成并行光電變換，通過并行變換電路和并行A/D轉換電路，將楔與環的光電傳感器所得到的瞬時功率譜能量密度信息，送入計算機，在計算機軟件的作用下，最后完成圖像分析、處理、識別等工作。

目前，楔環光電探測器件已廣泛應用于面粉粒度分析處理、癌細胞早期診斷識別與一些疑難雜癥疾病的診斷技術中。

此外，還有以其他方式排列的光電探測器件組合件，如角度、長度等光電碼盤傳感器中的光電探測器件，通常以格雷碼的形式構成光電探測器件的組合，這些將在第5.5節中專門介紹。

2.4.3 光電位置探測器

光電位置探測器件是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的光電器件，因此也稱其為光電位置傳感器（Position Sensing Detector，PSD）。這種器件具有比象限探測器件在光電位置測量方面具有更多的優點。例如，對光斑的形狀無嚴格的要求，即它的輸出信號與光斑是否聚集無關；光敏面也無須分割，消除了象限探測器件盲區的影響；它可以連續測量光斑在光電位置傳感器上的位置，且位置分辨率高，僅一維的PSD器件的位置分辨力，就可高達0.2 μm。

1. PSD器件的工作原理

光電位置傳感器的原理是基于光電二極管的縱向光電效應。在圖2-32所示的半導體上，當其PN結被光照射時，在P區和N區間形成光生電勢的現象稱做橫向光電效應，其光生電動勢的方向如圖2-32中Uz所示，即Uz=Sφ；若光敏區受非均勻照明，除產生橫向光生電勢外，還會形成沿著PN結方向的光生電動勢，如圖2-32（b）中的Ux，此現象稱做縱向光電效應。縱向光生電動勢Ux，可由光敏層邊緣上的電極AB引出，如圖2-33（a）所示。在偏移量x較小時，電極輸出電壓Ux可近似表示為

式中，d是二電極間距離的一半；ρ是N區電阻率；l是N區厚度；I為總光電流值。

由式（2-23）可見，輸出信號電壓和光斑偏移量成正比，其特性曲線如圖2-33（b）所示。

2. 一維PSD器件

PIN 型一維 PSD 器件的結構示意圖如圖2-34所示。它由3層構成，上面為P型層，中間為I型層，下面為N型層；在P型層上設置有兩個電極，兩電極間的P型層除具有接收入射光的功能外，還具有橫向的分布電阻特性，即P型層不但為光敏層，而且是一個均勻的電阻層。當光束入射到PSD器件光敏層上距中心點的距離為xA時，在入射位置上產生與入射輻射成正比的信號電荷，此電荷形成的光電流通過電阻P型層分別由電極①與②輸出。設P型層的電阻是均勻的，兩電極間的距離為2L，若流過兩電極的電流分別為I1和I2，則流過N型層上電極③的總電流I0=I1+I2。若以PSD器件的幾何中心點O為原點，光斑中心距原點O的距離為xA，則有

利用式（2-24），即可測出一維PSD的光斑能量中心對于器件中心的位置xA，它只與電流I1和I2的和、差及其比值有關，而與總電流無關。

由上可以看出，一維PSD器件不但能檢測光斑中心在一維空間的位置，而且能檢測光斑的強度。

一維PSD位置檢測電路如圖2-35所示。光電流I1經反向放大器A1放大后分別送給放大器A3與A4，而光電流I2經反向放大器A2放大后也分別送給放大器A3與A4。放大器A3為加法電路，完成光電流I1與I2的相加運算（放大器A5用來調整運算后信號的相位）；放大器A4用做減法電路，完成光電流I2與I1的相減運算。最后，用除法電路計算出（I2-I1）與（I1+I2）的商，即為光點在一維PSD光敏面上的位置信號x。光敏區長度L，可通過調整放大器的放大倍率，利用標定的方式進行綜合調整。

3. 二維PSD器件

二維PSD器件可用來測量光斑在平面上的二維位置（即x，y坐標值），它的光敏面常為正方形，比一維PSD器件多一對電極，它的結構如圖2-36（a）所示，在正方形PIN硅片的光敏面上設置兩對電極，其位置分別標注為Y1、Y2和X3、X4，其公共N極常接電源Ubb。二維PSD器件的等效電路如圖2-36（b）所示，它也由電流源Ip、理想二極管VD、結電容Cj、兩個方向的橫向分布電阻RD和并聯電阻Rsh構成。由等效電路不難看出，光電流Ip由兩個方向的四路電流分量構成，即IX3、IX4、IY1、IY2，可將這些電流作為位移信號輸出。

顯然，當光斑落到二維PSD器件上時，光斑中心位置的坐標可分別表示為

式（2-25）對靠近器件中心點的光斑位置測量誤差很小，隨著距中心點距離的增大，測量誤差也會增大。為了減小測量誤差常將二維 PSD 器件的光敏面進行改進。改進后的 PSD器件的光敏面如圖2-37所示。四個引出線分別從四個對角線端引出，光敏面的形狀好似正方形產生了枕形畸變。這種結構的優點是光斑在邊緣的測量誤差大大減小。改進后的等效電路比改進前多了四個相鄰電極間的電阻，入射光點（如圖中黑點）位置（x，y）的計算公式變為

根據式（2-26）可以設計出二維 PSD的光點位置探測電路。圖2-38為基于改進后二維PSD的光點位置探測原理圖。目前，市場上已有適用于各種型號的PSD器件的轉換電路板，可以根據需要選用。圖2-38所示的電路也可以進一步簡化，即在各個前置放大器的后面都加上A/D數據采集電路，并將采集到的數據送入計算機，就可在計算機軟件的支持下完成光點位置的探測工作。

光電位置傳感器具有響應速度快（幾個微秒）、位置分辨率高（全視場1/1000）、測量誤差小（75%視場范圍內的位置偏差為1.5%，非線性誤差為±10%）等特點。使用時不需要精確調焦，并且即使光強變化也不產生位置誤差；它的靈敏度波長范圍取決于所用的材料；可以同時測定光強和位置。因此，它在激光準直、光點定位、儀器光軸重合調節、光學遙控以及振動和沖擊的測量等方面，是一種有應用潛力的新型探測器。

2.4.4 色敏探測器

半導體色敏探測器件是根據人眼視覺的三色原理，利用不同結深PN結光電二極管對不同波長光譜靈敏度的差別，實現對彩色光源或物體顏色的測量的。色敏器件具有結構簡單、體積小、重量輕、變換電路容易掌握、成本低等特點，而被廣泛應用于顏色測量與顏色識別等領域。例如，彩色印刷生產線中色標位置的判別，顏料、染料的顏色與判別，彩色電視機熒光屏彩色的測量與調整等，因而是一種非常有發展前途的新型半導體光電探測器件。

1. 雙結光電二極管色敏器件

雙結光電二極管色敏器件的結構和等效電路如圖2-39所示，它是由在同一硅片上制作的兩個深淺不同PN結的光電二極管PD1和PD2組成的。根據半導體對光的吸收理論，PN結深，對長波光譜輻射的吸收增加，長波光譜的響應增加，而PN結淺對短波長的響應較好。因此，具有淺PN結的PD1的光譜響應峰在藍光范圍，深結PD2的光譜響應峰值在紅光范圍。這種雙結光電二極管的光譜響應如圖2-40所示，具有雙峰效應，即PD1為藍敏，PD2紅敏。

雙結光電二極管只能通過測量單色光的光譜輻射功率與黑體輻射相近的光源色溫來確定顏色。用雙結光電二極管測量顏色時，通常測量兩個光電二極管的短路電流比（ISC2/ISC1）與入射波長的關系。由圖2-41所示的關系曲線中不難看出，每一種波長的光都對應于一個短路電流比值，根據短路電流比值判別入射光的波長，達到識別顏色的目的。

上述雙結光電二極管只能用于測定單色光的波長，不能用于測量多種波長組成的混合色光，即便已知混合色光的光譜特性，也很難對光的顏色進行精確檢測。

2. 三色硅色敏器件

根據色度學理論，已研制出了可識別混合色光的三色色敏光電器件。圖2-42為非晶態硅集成全色色敏傳感器的結構示意圖，它是在同一塊非晶體硅基片上制作3個深淺不同的PN結，并分別配上R、G、B三塊濾色片而構成的一個整體，從而得到如圖2-43所示的近似于國際照明委員會制定的CIE1931-RGB標準色度系統光譜三刺激值曲線，通過對R、G、B輸出電流的比較，即可識別物體的顏色。

一種典型的硅集成三色色敏器件的顏色識別電路方框圖，如圖2-44所示。

由圖2-44可知，從標準光源發出的光，經被測物反射，投射到色敏器件后，R、G、B三個光電二極管輸出不同的光電流，經運算放大器放大、A/D轉換，將變換后的數字信號輸入微處理器中。微處理器根據公式進行顏色識別與判別，并在軟件的支持下，在顯示器上顯示出被測物的顏色。其顏色計算公式為

式中，Ro1、Go1、Bo1為放大器的輸出電壓。測量前應對放大器進行調整，使標準光源發出的光，經標準白板反射后，照到色敏器件上時應滿足R＇=G＇=B＇=33%。

2.4.5 光橋與光電位器

1. 光橋

利用光電導材料還可以制成光橋，其原理、等效電路和特性曲線如圖2-45所示，光電導體層在陶瓷片上形成兩個形狀相同的三角形。當窄光束處于lo=0的中間位置時，兩塊光電導體受光照面積相等，①、②兩側呈現的阻值相等，光橋平衡，u=0；當窄光束偏離 lo=0的中間位置時，①、②兩側的光照面積不等，呈現的阻值亦不同，光橋失衡，橋路電壓 u 不等于零。

2. 光電位器

光電位器是利用光敏電阻的制造工藝而制成的一種非機械接觸電位器，其結構及等效電路如圖2-46所示。

由圖2-46可見，窄光束是光電位器的移動臂。當窄光束照射光電導體時，金屬膜電阻、光電導體和電極三者組成橋路。受到光束照射的光電導體部分形成低（亮）電阻R2；未受照射的部分形成近乎絕緣的高（暗）電阻R3。因此，在金屬膜電阻兩端①、②加上電壓U后，隨著窄光束的移動，在外接負載電阻R4上將會得到可變的電壓輸出u。例如，當窄光束在l=0處時，②、③兩點相當于短路，輸出電壓 u=0；當窄光束位置沿 l 增大方向移動時，輸出電壓將線性增大，直到到達最大距離時，輸出電壓就等于外加電壓U。因為光電位器沒有機械接觸所引起的噪聲和損壞，所以可靠性高、壽命長。

2.4.6 光電耦合器件及其檢測方法

光電耦合器件是將發光器件和光敏器件密封裝在一起形成的一個電-光-電器件。如圖2-47所示。這種器件在信息的傳輸過程中是用光作為媒介把輸入邊和輸出邊的電信號耦合在一起的，在它的線性工作范圍內，這種耦合具有線性變化關系。由于輸入邊和輸出邊僅用光來耦合，在電性能上完全是隔離的。因此，也有人把光電耦合器件稱為光隔離器或光耦合器。

光電耦合器件具有的特點是：①具有電隔離的功能。它的輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯系，所以輸入和輸出回路的電平零位可以任意選擇。絕緣電阻高達1010～1012 Ω，擊穿電壓高到25～100kV，耦合電容小到零點幾個pF。②信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用，適用于模擬信號和數字信號。③具有抗干擾和噪聲的能力。它作為繼電器和變壓器使用時，可以使線路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。④響應速度快。一般可達微秒數量級，甚至納秒數量級。它可傳輸的信號頻率在直流和10MHz之間。⑤使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小（一般φ6×6mm）、重量輕、抗震、密封防水、性能穩定、耗電少、成本低、工作溫度范圍為-55℃～+100℃。

光電耦合器件之所以具有很高的抗干擾能力，其主要原因是：①光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為10 Ω～1kΩ；而干擾源的內阻都很大，一般為103～106 Ω。按一般分壓比的原理來計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲，就變得很小了。②由于一般干擾噪聲源的內阻都很大，雖然也能供給較大的干擾電壓，但可供出的能量卻很小，只能形成很微弱的電流。而光電耦合器件輸入端的發光二極管只有在通過一定的電流時才能發光。因此，即使電壓幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量，不能使發光二極管發光，從而被它抑制掉了。③光電耦合器件的輸入-輸出邊是用光耦合的，且這種耦合又是在一個密封管殼內進行的，因而不會受到外界光的干擾。④光電耦合器件的輸入-輸出間的寄生電容很小（一般為0.5～2pF），絕緣電阻又非常大（一般為1011～1013 Ω），因而輸出系統內的各種干擾噪聲很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統中去。

由于光電耦合器件具有體積小、壽命長、無觸點、線性傳輸、隔離和抗干擾強等優點，因而其應用非常廣泛，其主要的應用特點是：①在代替脈沖變壓器耦合信號時，可以耦合從零頻到幾兆赫的信息，且失真很小，這使變壓器相形見拙。②在代替繼電器使用時，又能克服繼電器在斷電時反電勢的泄放干擾及在大震動、大沖擊下觸點抖動等不可靠的問題。③能很容易地把不同電位的兩組電路互連起來，從而圓滿并且很簡單地完成電平匹配、電平轉移等功能。④光電耦合器的輸入端的發光器件是電流驅動器件，通過光與輸出端耦合，抗干擾能力很強，在長線傳輸中用它作為終端負載時，可以大大提高信息在傳輸中的信噪比。⑤在計算機主體運算部分與輸入、輸出之間，用光電耦合器件作為接口部件，將會大大增強計算機的可靠性。⑥光電耦合器件的飽和壓降比較低，在作為開關器件使用時，又具有三極管開關不可比擬的優點。⑦在穩壓電源中，用它作為過電流自動保護器件使用時，使保護電路既簡單又可靠等。

在使用光電耦合器件時，通常進行檢測的三種檢測方法如圖2-48所示。

圖2-48（a）為簡單檢測法：當接通電源后，LED不發光，按下S1和S2，LED發光。調RP，LED 發光強度會發生變化，說明光電耦合器是好的。如果 S2用輕觸動合開關，S1用紐子開關，電池用紐扣電池AG3等，另外加集成塊座。可把應該測試的電路安裝在一個小板上，整個裝置只相當于1/2火柴盒大小。該電路簡單、準確、方便。

圖2-48（b）為數字萬用表檢測法：以PC111光電耦合器的檢測為例，檢測時，將光電耦合器內接二極管的正端+的1腳和負端2腳分別插入數字萬用表的hFE的c、e插孔內，此時數字萬用表應置于NPN擋；然后將光電耦合器內接光敏三極管c極3腳接指針式萬用表的黑表筆，e極4腳接紅表筆，并把指針式萬用表撥在R×1kΩ擋。這樣，能通過指針式萬用表指針的偏轉角度（實際上是光電流的變化），來判斷光電耦合器的情況。指針向右偏轉角度越大，說明光電耦合器的光電轉換效率越高，即傳輸比越高，反之越低；若表指針不動，則說明光電耦合器件已損壞。

圖2-48（c）為光電效應判斷法：仍以PC111光電耦合器的檢測為例，將萬用表撥在R×1kΩ電阻擋，兩表筆分別接在光電耦合器的輸出端3、4腳；然后用一節1.5V的電池與一只50～100 Ω的電阻串接后，電池的正極端接PC111的1腳，負極端碰接2腳，或者正極端碰接1腳，負極端接2腳，這時觀察接在輸出端萬用表的指針偏轉情況。如果指針擺動，說明光電耦合器是好的；如果不擺動，則說明光電耦合器已損壞。萬用表指針擺動偏轉角度越大，表明光電轉換靈敏度越高。