2.4 半导体组合型特种探测器件

将半导体光电探测器件组合在一块硅片上，可制造出按一定方式排列的具有相同光电特性的光电探测器件阵列。这种集成组合探测器件可广泛应用于光电准直、光电编码、光电跟踪、图像识别等方面。用它们代替由分立器件组成的变换装置，不仅具有光敏点密集、结构紧凑、光电特性一致性好、调节方便等优点，而且可以完成分立元件所无法完成的探测工作。下面就介绍几种应用较多的典型的半导体光电探测器组合件。

2.4.1 象限探测器

目前，市场上的光电器件组合件主要有硅光电池、硅光电二极管、硅光电三极管组合件。它们分别排列成象限式、阵列式、楔环式和按指定编码规则组成的列阵方式。

几种典型的象限阵列光电探测器件组合件如图2-27所示。其中，图2-27（a）为二象限光电探测器件组合件，它是在一片PN结光电二极管（或光电池）的光敏面上经光刻的方法制成两个面积相等的P区（前极为P型硅），形成一对特性参数极为相近的PN结光电池（或光电二极管）。这样构成的光电池（或光电二极管）组合件具有1维位置的检测功能，或称为具有二象限的探测功能。当被测光斑落在二象限器件的光敏面上时，光斑偏离的方向或大小就可以被如图2-28（b）所示的电路探测出来。如图2-28（a）所示，光斑偏向 P2区，P2的电流大于P1的电流，放大器的输出电压将为大于0的正电压，电压值的大小反映光斑偏离的程度；反之，若光斑偏向 P1区，输出电压将为负电压，负电压的大小反映光斑偏向 P1的程度。因此，由二象限器件组成的电路具有一维位置的探测功能。这在薄板材料的生产中常被用来探测和控制边沿的位置，以便卷制成整齐的卷。并且，还可用于光电准直（在第5章中介绍）等。

图2-27（b）为四象限光电探测器件组合件，它具有二维位置的探测功能，可以完成光斑在x，y两个方向的偏移。

采用象限光电探测器件组合件测定光斑的中心位置（也是一种亮度中心的测定），可根据器件坐标轴线与测量系统基准线间的安装角度的不同，采用下面不同的电路形式进行测定。

1. 和差电路

当器件坐标轴线与测量系统基准线间的安装角度为0°（器件坐标轴线与测量系统基准线平行）时，可采用如图2-29所示的和差探测电路。首先，用加法器先计算相邻象限输出光电信号之和；其次，再计算和信号之差；最后，通过除法器获得偏差值。

设入射光斑形状为弥散圆，其半径为 r，光出射度均匀，投射到四象限组合器件每个象限上的面积分别为S1、S2、S3、S4，光斑中心O′相对器件中心O的偏移量OO′=p（可用直角坐标x、y表示），由运算电路得到的输出偏离信号分别为

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

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

式中，K 为放大器的放大倍数，它与光斑的直径和光出射度有关；u1、u2、u3、u4分别为4个象限输出的信号电压经放大后的电压值；u x、u y分别表示光斑在x方向和y方向偏离四象限组合器件中心（O点）的情况。

为了消除光斑自身总能量的变化对测量结果的影响，通常采用和差比幅电路（除法电路），经比幅电路处理后，输出的信号为

和差电路的特点是测量灵敏度较高，非线性影响较小，对目标光斑的不均匀性适应性较强，适用于高精度的定位测量。但信号处理电路复杂，需要进行多次和差运算。各环节性能的差异也会引起测量误差。

2. 直差电路

当四象限探测器件的坐标与基准线成45°时，常采用如图2-30所示的直差电路。直差电路输出的偏移量为

该种方式的电路简单，但它的灵敏度相对较低，线性等特性也相对较差。

象限光电探测器件组合虽然能够用于光斑相位的探测、跟踪和对准工作，但是，它的测量精度受到器件本身缺陷的限制。象限光电探测器件组合件的明显缺陷为：①光刻分割区将产生盲区，盲区会使微小光斑的测量受到限制；②被测光斑全部落入某一象限光敏区，输出信号将无法测出光斑的位置，因此它的测量范围受到限制；③测量精度与光源的光强及其漂移密切相关，测量精度的稳定性受到限制。

虽然，图2-27（c）所示的八象限阵列器件的分辨率比四象限的高，但仍解决不了上述缺陷。

2.4.2 楔环探测器

楔环探测器件如图2-31所示，是一种用于光学功率谱探测的阵列光电探测器件的组合器件。它是在一块N型硅衬底上制造出多个P型区，从而构成光电二极管或硅光电池的楔环状光敏单元阵列。显然，这些光敏单元由楔与环两种图形构成，故称为楔环探测器。

这种楔环探测器中的楔形光电探测器件可以用来探测光的功率谱分布，其极角方向（楔形区）用来探测功率在角度方向的分布；环形区探测器中的环形光电探测器件用来探测功率在半径方向的分布。因此，可以将被测光功率谱的能量密度分布以极坐标的方式表示。

显然，这种变换方式可以完成并行光电变换，通过并行变换电路和并行A/D转换电路，将楔与环的光电传感器所得到的瞬时功率谱能量密度信息，送入计算机，在计算机软件的作用下，最后完成图像分析、处理、识别等工作。

目前，楔环光电探测器件已广泛应用于面粉粒度分析处理、癌细胞早期诊断识别与一些疑难杂症疾病的诊断技术中。

此外，还有以其他方式排列的光电探测器件组合件，如角度、长度等光电码盘传感器中的光电探测器件，通常以格雷码的形式构成光电探测器件的组合，这些将在第5.5节中专门介绍。

2.4.3 光电位置探测器

光电位置探测器件是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件，因此也称其为光电位置传感器（Position Sensing Detector，PSD）。这种器件具有比象限探测器件在光电位置测量方面具有更多的优点。例如，对光斑的形状无严格的要求，即它的输出信号与光斑是否聚集无关；光敏面也无须分割，消除了象限探测器件盲区的影响；它可以连续测量光斑在光电位置传感器上的位置，且位置分辨率高，仅一维的PSD器件的位置分辨力，就可高达0.2 µm。

1. PSD器件的工作原理

光电位置传感器的原理是基于光电二极管的纵向光电效应。在图2-32所示的半导体上，当其PN结被光照射时，在P区和N区间形成光生电势的现象称做横向光电效应，其光生电动势的方向如图2-32中Uz所示，即Uz=Sφ；若光敏区受非均匀照明，除产生横向光生电势外，还会形成沿着PN结方向的光生电动势，如图2-32（b）中的Ux，此现象称做纵向光电效应。纵向光生电动势Ux，可由光敏层边缘上的电极AB引出，如图2-33（a）所示。在偏移量x较小时，电极输出电压Ux可近似表示为

式中，d是二电极间距离的一半；ρ是N区电阻率；l是N区厚度；I为总光电流值。

由式（2-23）可见，输出信号电压和光斑偏移量成正比，其特性曲线如图2-33（b）所示。

2. 一维PSD器件

PIN 型一维 PSD 器件的结构示意图如图2-34所示。它由3层构成，上面为P型层，中间为I型层，下面为N型层；在P型层上设置有两个电极，两电极间的P型层除具有接收入射光的功能外，还具有横向的分布电阻特性，即P型层不但为光敏层，而且是一个均匀的电阻层。当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻P型层分别由电极①与②输出。设P型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，若流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过N型层上电极③的总电流I0=I1+I2。若以PSD器件的几何中心点O为原点，光斑中心距原点O的距离为xA，则有

利用式（2-24），即可测出一维PSD的光斑能量中心对于器件中心的位置xA，它只与电流I1和I2的和、差及其比值有关，而与总电流无关。

由上可以看出，一维PSD器件不但能检测光斑中心在一维空间的位置，而且能检测光斑的强度。

一维PSD位置检测电路如图2-35所示。光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4。放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2的相加运算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用做减法电路，完成光电流I2与I1的相减运算。最后，用除法电路计算出（I2-I1）与（I1+I2）的商，即为光点在一维PSD光敏面上的位置信号x。光敏区长度L，可通过调整放大器的放大倍率，利用标定的方式进行综合调整。

3. 二维PSD器件

二维PSD器件可用来测量光斑在平面上的二维位置（即x，y坐标值），它的光敏面常为正方形，比一维PSD器件多一对电极，它的结构如图2-36（a）所示，在正方形PIN硅片的光敏面上设置两对电极，其位置分别标注为Y1、Y2和X3、X4，其公共N极常接电源Ubb。二维PSD器件的等效电路如图2-36（b）所示，它也由电流源Ip、理想二极管VD、结电容Cj、两个方向的横向分布电阻RD和并联电阻Rsh构成。由等效电路不难看出，光电流Ip由两个方向的四路电流分量构成，即IX3、IX4、IY1、IY2，可将这些电流作为位移信号输出。

显然，当光斑落到二维PSD器件上时，光斑中心位置的坐标可分别表示为

式（2-25）对靠近器件中心点的光斑位置测量误差很小，随着距中心点距离的增大，测量误差也会增大。为了减小测量误差常将二维 PSD 器件的光敏面进行改进。改进后的 PSD器件的光敏面如图2-37所示。四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差大大减小。改进后的等效电路比改进前多了四个相邻电极间的电阻，入射光点（如图中黑点）位置（x，y）的计算公式变为

根据式（2-26）可以设计出二维 PSD的光点位置探测电路。图2-38为基于改进后二维PSD的光点位置探测原理图。目前，市场上已有适用于各种型号的PSD器件的转换电路板，可以根据需要选用。图2-38所示的电路也可以进一步简化，即在各个前置放大器的后面都加上A/D数据采集电路，并将采集到的数据送入计算机，就可在计算机软件的支持下完成光点位置的探测工作。

光电位置传感器具有响应速度快（几个微秒）、位置分辨率高（全视场1/1000）、测量误差小（75%视场范围内的位置偏差为1.5%，非线性误差为±10%）等特点。使用时不需要精确调焦，并且即使光强变化也不产生位置误差；它的灵敏度波长范围取决于所用的材料；可以同时测定光强和位置。因此，它在激光准直、光点定位、仪器光轴重合调节、光学遥控以及振动和冲击的测量等方面，是一种有应用潜力的新型探测器。

2.4.4 色敏探测器

半导体色敏探测器件是根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深PN结光电二极管对不同波长光谱灵敏度的差别，实现对彩色光源或物体颜色的测量的。色敏器件具有结构简单、体积小、重量轻、变换电路容易掌握、成本低等特点，而被广泛应用于颜色测量与颜色识别等领域。例如，彩色印刷生产线中色标位置的判别，颜料、染料的颜色与判别，彩色电视机荧光屏彩色的测量与调整等，因而是一种非常有发展前途的新型半导体光电探测器件。

1. 双结光电二极管色敏器件

双结光电二极管色敏器件的结构和等效电路如图2-39所示，它是由在同一硅片上制作的两个深浅不同PN结的光电二极管PD1和PD2组成的。根据半导体对光的吸收理论，PN结深，对长波光谱辐射的吸收增加，长波光谱的响应增加，而PN结浅对短波长的响应较好。因此，具有浅PN结的PD1的光谱响应峰在蓝光范围，深结PD2的光谱响应峰值在红光范围。这种双结光电二极管的光谱响应如图2-40所示，具有双峰效应，即PD1为蓝敏，PD2红敏。

双结光电二极管只能通过测量单色光的光谱辐射功率与黑体辐射相近的光源色温来确定颜色。用双结光电二极管测量颜色时，通常测量两个光电二极管的短路电流比（ISC2/ISC1）与入射波长的关系。由图2-41所示的关系曲线中不难看出，每一种波长的光都对应于一个短路电流比值，根据短路电流比值判别入射光的波长，达到识别颜色的目的。

上述双结光电二极管只能用于测定单色光的波长，不能用于测量多种波长组成的混合色光，即便已知混合色光的光谱特性，也很难对光的颜色进行精确检测。

2. 三色硅色敏器件

根据色度学理论，已研制出了可识别混合色光的三色色敏光电器件。图2-42为非晶态硅集成全色色敏传感器的结构示意图，它是在同一块非晶体硅基片上制作3个深浅不同的PN结，并分别配上R、G、B三块滤色片而构成的一个整体，从而得到如图2-43所示的近似于国际照明委员会制定的CIE1931-RGB标准色度系统光谱三刺激值曲线，通过对R、G、B输出电流的比较，即可识别物体的颜色。

一种典型的硅集成三色色敏器件的颜色识别电路方框图，如图2-44所示。

由图2-44可知，从标准光源发出的光，经被测物反射，投射到色敏器件后，R、G、B三个光电二极管输出不同的光电流，经运算放大器放大、A/D转换，将变换后的数字信号输入微处理器中。微处理器根据公式进行颜色识别与判别，并在软件的支持下，在显示器上显示出被测物的颜色。其颜色计算公式为

式中，Ro1、Go1、Bo1为放大器的输出电压。测量前应对放大器进行调整，使标准光源发出的光，经标准白板反射后，照到色敏器件上时应满足R＇=G＇=B＇=33%。

2.4.5 光桥与光电位器

1. 光桥

利用光电导材料还可以制成光桥，其原理、等效电路和特性曲线如图2-45所示，光电导体层在陶瓷片上形成两个形状相同的三角形。当窄光束处于lo=0的中间位置时，两块光电导体受光照面积相等，①、②两侧呈现的阻值相等，光桥平衡，u=0；当窄光束偏离 lo=0的中间位置时，①、②两侧的光照面积不等，呈现的阻值亦不同，光桥失衡，桥路电压 u 不等于零。

2. 光电位器

光电位器是利用光敏电阻的制造工艺而制成的一种非机械接触电位器，其结构及等效电路如图2-46所示。

由图2-46可见，窄光束是光电位器的移动臂。当窄光束照射光电导体时，金属膜电阻、光电导体和电极三者组成桥路。受到光束照射的光电导体部分形成低（亮）电阻R2；未受照射的部分形成近乎绝缘的高（暗）电阻R3。因此，在金属膜电阻两端①、②加上电压U后，随着窄光束的移动，在外接负载电阻R4上将会得到可变的电压输出u。例如，当窄光束在l=0处时，②、③两点相当于短路，输出电压 u=0；当窄光束位置沿 l 增大方向移动时，输出电压将线性增大，直到到达最大距离时，输出电压就等于外加电压U。因为光电位器没有机械接触所引起的噪声和损坏，所以可靠性高、寿命长。

2.4.6 光电耦合器件及其检测方法

光电耦合器件是将发光器件和光敏器件密封装在一起形成的一个电-光-电器件。如图2-47所示。这种器件在信息的传输过程中是用光作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起的，在它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系。由于输入边和输出边仅用光来耦合，在电性能上完全是隔离的。因此，也有人把光电耦合器件称为光隔离器或光耦合器。

光电耦合器件具有的特点是：①具有电隔离的功能。它的输入、输出信号间完全没有电路的联系，所以输入和输出回路的电平零位可以任意选择。绝缘电阻高达1010～1012 Ω，击穿电压高到25～100kV，耦合电容小到零点几个pF。②信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用，适用于模拟信号和数字信号。③具有抗干扰和噪声的能力。它作为继电器和变压器使用时，可以使线路板上看不到磁性元件。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。④响应速度快。一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的信号频率在直流和10MHz之间。⑤使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小（一般φ6×6mm）、重量轻、抗震、密封防水、性能稳定、耗电少、成本低、工作温度范围为-55℃～+100℃。

光电耦合器件之所以具有很高的抗干扰能力，其主要原因是：①光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10 Ω～1kΩ；而干扰源的内阻都很大，一般为103～106 Ω。按一般分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声，就变得很小了。②由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但可供出的能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，不能使发光二极管发光，从而被它抑制掉了。③光电耦合器件的输入-输出边是用光耦合的，且这种耦合又是在一个密封管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰。④光电耦合器件的输入-输出间的寄生电容很小（一般为0.5～2pF），绝缘电阻又非常大（一般为1011～1013 Ω），因而输出系统内的各种干扰噪声很难通过光电耦合器件反馈到输入系统中去。

由于光电耦合器件具有体积小、寿命长、无触点、线性传输、隔离和抗干扰强等优点，因而其应用非常广泛，其主要的应用特点是：①在代替脉冲变压器耦合信号时，可以耦合从零频到几兆赫的信息，且失真很小，这使变压器相形见拙。②在代替继电器使用时，又能克服继电器在断电时反电势的泄放干扰及在大震动、大冲击下触点抖动等不可靠的问题。③能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，从而圆满并且很简单地完成电平匹配、电平转移等功能。④光电耦合器的输入端的发光器件是电流驱动器件，通过光与输出端耦合，抗干扰能力很强，在长线传输中用它作为终端负载时，可以大大提高信息在传输中的信噪比。⑤在计算机主体运算部分与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大增强计算机的可靠性。⑥光电耦合器件的饱和压降比较低，在作为开关器件使用时，又具有三极管开关不可比拟的优点。⑦在稳压电源中，用它作为过电流自动保护器件使用时，使保护电路既简单又可靠等。

在使用光电耦合器件时，通常进行检测的三种检测方法如图2-48所示。

图2-48（a）为简单检测法：当接通电源后，LED不发光，按下S1和S2，LED发光。调RP，LED 发光强度会发生变化，说明光电耦合器是好的。如果 S2用轻触动合开关，S1用纽子开关，电池用纽扣电池AG3等，另外加集成块座。可把应该测试的电路安装在一个小板上，整个装置只相当于1/2火柴盒大小。该电路简单、准确、方便。

图2-48（b）为数字万用表检测法：以PC111光电耦合器的检测为例，检测时，将光电耦合器内接二极管的正端+的1脚和负端2脚分别插入数字万用表的hFE的c、e插孔内，此时数字万用表应置于NPN挡；然后将光电耦合器内接光敏三极管c极3脚接指针式万用表的黑表笔，e极4脚接红表笔，并把指针式万用表拨在R×1kΩ挡。这样，能通过指针式万用表指针的偏转角度（实际上是光电流的变化），来判断光电耦合器的情况。指针向右偏转角度越大，说明光电耦合器的光电转换效率越高，即传输比越高，反之越低；若表指针不动，则说明光电耦合器件已损坏。

图2-48（c）为光电效应判断法：仍以PC111光电耦合器的检测为例，将万用表拨在R×1kΩ电阻挡，两表笔分别接在光电耦合器的输出端3、4脚；然后用一节1.5V的电池与一只50～100 Ω的电阻串接后，电池的正极端接PC111的1脚，负极端碰接2脚，或者正极端碰接1脚，负极端接2脚，这时观察接在输出端万用表的指针偏转情况。如果指针摆动，说明光电耦合器是好的；如果不摆动，则说明光电耦合器已损坏。万用表指针摆动偏转角度越大，表明光电转换灵敏度越高。