第5章光电式传感器.ppt

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1、第五章 光电式传感器,5.0 前言5.1 光电效应5.2 光电元件5.3 光电传感器的应用,5.0 前 言,光电传感器是利用光敏元件的光电效应将光信号转换为可测电信号的装置。光电传感器的这种测量方法具有结构简单、非接触、高可靠、高精度和反应速度快等特点。光电传感器是目前产量最多、应用最广的一种传感器，它在自动控制和非电量测试中占有非常重要的地位。,5.1 光电效应,自然界的一切物质在环境温度高于0K以上时，都会产生电磁波辐射，其中光是波长约在100.01m之间的电磁辐射，其光谱如图所示。,波长/m,波数/cm-1,频率/Hz,光子能量/eV,电磁辐射波谱,光也可以被看作是由一连串具有一定能量的

2、粒子（称为光子）所构成，每个光子具有的能量正比于光的频率。所以，用光照射某一物体时，就可以看作物体受到一连串能量为的光子所轰击，而光电效应就是由于物体吸收光子能量为的光后产生的电效应，这也正是光电式传感器的物理基础。通常把光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，即外光电效应和内光电效应。,2.光电效应,外光电效应 在光线作用下，电子获得光子的能量从而脱离正电荷的束缚，使电子逸出物体表面，这种效应称为外光电效应，这种现象称为光电发射。已知每个光子具有的能量为：式中，h=6.62610-34 Js普朗克常数；光的频率。,(5.1),式中 A0 电子逸出物体表面所需的功（逸出功）；电子的质量；V0

3、电子逸出物体表面时的初速度。,当物体在光线照射作用下，一个电子吸收了一个光子的能量后，其中的一部分能量消耗于电子由物体内逸出表面时所作的逸出功，另一部分则转化为逸出电子的动能。根据能量守恒定律，可得,(5.2),此即为著名的爱因斯坦光电方程式，它阐明了光电效应的基本规律。由上式可知：（1）电子能否逸出物体表面取决于光子具有的能量是否大于逸出功，而能量只与光的频率有关。因此电子能否逸出物体表面取决于光的频率，与光强无关，低于阈值频率，光强再大也不会产生光电发射。（2）如果产生了光电发射，在入射光频率不变的情况下，逸出的电子数目与光强成正比。光强愈强意味着入射的光子数目愈多，受轰击逸出的电子数目也

4、愈多。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。,内光电效应 物体受光照射后，其原子的外层电子脱离原子核的束缚成为自由电子，这些自由电子仍留在物体内部，但会使物体的电阻率发生变化或产生光电动势。这种现象称为内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。1光电导效应 在光线的作用下，半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应。从半导体物理学可知，半导体材料导电能力的大小取决于半导体内载流子的数目，载流子数目愈多，导电愈容易，即半导体材料的电导率愈大。,光激发,光电导效应示意图,具有光电导效应的材料称为光导体，除金属外，大多数半导体和绝缘体都具有光电导效应，但都很小。实际上只有少数

5、几种材料能制造光敏元件。基于光电导效应的光电元件有光敏电阻，光电二极管以及光电晶体管。,2光生伏特效应 当用适当波长的光照射非均匀半导体（p-n结等）时，由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应，简称光伏效应。,设入射光垂直照射p-n结面。如结较浅，光子将进入p-n结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。,如图所示，光生少数载流子

6、在内建场的作用下各自向相反方向运动，即p区电子进入n区，n区空穴进入p区。其结果使得结区p端电势升高（电子势能降低），n端电势降低（电子势能升高）。于是在p-n结两端形成了光生电动势。这就是p-n结的光生伏特效应。光电池、太阳能电池为其实例。,p-n结的光生伏特效应示意图,光激发,5.2 光电元件,5.2.1 光电管 1.光电管的结构及工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类，二者结构相似，它们由一个涂有光电材料的阴极K和一个阳极A封装在玻璃壳内，如图所示。当入射光照射在阴极上时，阴极就会发射电子，而阳极负责收集由阴极发射出来的电子。,光电管的结构及工作原理,因此，在光电管组成的回路中形成

7、了光电流I，并在负载电阻RL上输出电压Uo。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压 Uo与入射 光通量成正比。,常见的阴极材料有银氧铯、锑铯光电阴极。,2.光电管的主要性能指标 光电管的性能指标主要有伏安特性、光照特性、光谱特性、响应特性、响应时间、峰值探测率和温度特性等。下面仅对伏安特性和光照特性作简单介绍。（1）光电管的伏安特性 光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，其阳极与阴极之间的电压UA与光电流I之间的关系。,当阳极电压较小时，阴极发射的光电子只有一部分被阳极收集，其余部分仍返回阴极。随着阳极电压的升高，阳极在单位时间内收集到的光电子数目增多，光电流I也增加。如果阳

8、极电压升高到一定数值时，阴极在单位时间内发射的光电子全部被阳极收集，这种状态称为饱和状态。当达到饱和时，阳极电压再升高，光电流I也不会增加。对于充气光电管，光电子在趋向样机的途中将撞击惰性气体的原子并使其电离，从而使回路电流急速增加，提高了光电管的灵敏度。但其缺点是稳定性和频率特性都较差。,光电管的伏安特性,（2）光电管的光照特性 光照特性是指光电管阳极电压和入射光频谱不变的条件下，入射光的光通量与光电流之间的关系。在光电管阳极电压足够大，使光电管工作在饱和电流状态条件下，入射光通量和光电流呈线性关系。光照特性曲线的斜率，即光电流对入射光通量的变化率称为光电管的灵敏度。,曲线1氧铯阴极 曲线2

9、锑铯阴极,5.2.2 光电倍增管 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，造成的测量误差将很大，甚至无法检测。为了提高光电管的灵敏度，在光电管的阴极和阳极之间安装一些倍增极，就构成了光电倍增管。光电倍增管实际上是光电阴极和二次电子倍增器的结合。当电子以足够大的速度轰击金属表面而使内部的电子逸出金属表面时，这种逸出金属表面的电子叫做二次电子。二次电子的数目不仅取决于入射光粒子的数目，还与入射光粒子的速度、金属的性质等有关。,1.光电倍增管的结构和工作原理 光电倍增管由光阴极、次阴极（倍增电极）以及阳极三部分组成，其结构如图所示。光阴极由半导体材料锑铯制成；次阴极是在镍或铜

10、-铍衬底上涂锑铯材料而形成的，通常为1214级，多者达30级；阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。,光电倍增管的结构,从阴极发出的电子，在电场的加速下，打在电位比阴极高的第一倍增电极上，产生36倍的二次电子，被打出来的二次电子再经过加速电场的加速，又打在比第一倍增电极电位高的第二倍增电极上，电子数目又增加36倍，如此不断连续倍增，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，其电子数将到达阴极发射电子数的105106倍。,工作原理,3.光电倍增管的主要参数和特性（1）光电倍增管的倍增系数（放大倍数）若光电倍增管倍增极的二次电子发射系数为，则具有n个相同倍增极的光电倍增管

11、的倍增系数为,阳极电流为,式中，IK光阴极的光电流。因此光电倍增管的电流放大倍数为,M()与所加电压有关：所加电压越高，M()越大直至最后饱和。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。,光电倍增管倍增系数与工作电压关系,（2）光电倍增管的伏安特性 光电倍增管的伏安特性也叫阳极特性，它是指阴极与各倍增极之间电压保持恒定条件下，阳极电流IA（光电流）与最后一级倍增极和阳极间电压UAD的关系，典型光电倍增管伏安特性如图所示。它是在不同光通量下的一组曲线族。,光电倍增管的伏安特性,象光电管一样，光

12、电倍增管的伏安特性曲线也有饱和区，照射在光电阴极上的光通量越大，饱和阳极电压越高，当阳极电压非常大时，由于阳极电位过高，使倒数第二级倍增极发出的电子直接奔向阳极，造成最后一级倍增极的入射电子数减少，影响了光电倍增管的倍增系数，因此，伏安特性曲线过饱和区段后略有降。,光电倍增管的光电特性,图中当光通量在10-1310-4lm（流明）之间，光电特性曲线具有较好的线性关系，当光通量超过10-4lm时曲线就明显向下弯曲，其主要原因是强光照射下，较大的光电流使后几级倍增极疲劳，灵敏度下降，因此，使用时光电流不要超过1毫安。,（3）光电倍增管的光照特性 光电倍增管的光照特性是指阳极电流（光电流）与光电阴极

13、接收到的光通量之间的关系。,（3）暗电流和本底（脉冲）电流 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用。但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。,5.2.3 光敏电阻 1光敏电阻的结构和工作原理 光敏电阻是利用光导材料的光电导效应制成的

14、没有极性的电阻器件。光敏电阻的结构比较简单，如图所示。它是在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上可靠接触的金属电极，然后将它们压入塑料封装体内。,(a)(b)光敏电阻的结构(a)和工作原理(b),为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，光照就能改变电路中电流的大小。,当无光照时，虽然不同的材料光敏电阻的数据不大相同，但它们的阻值一般可在1100M之间，由于其阻值 太大，使得流过电路中的电流很小；当有光照射时，光敏电阻的阻值变小，电路中的电流增大。根据

15、电路中电流的变化值，便可测出照射光线的强弱。当光照停止时，光电效应自动消失，电阻又恢复到原值。,光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱特性好、使用寿命长、稳定性高、体积小以及制造工艺简单，所以，被广泛地应用于照相机、防盗报警器、火灾报警器以及自动化控制技术中。,2光敏电阻的技术特性和主要参数（1）暗电阻、暗电流 将光敏电阻置于室温、无光照射的全暗条件下，经过一定稳定时间之后，测得的阻值称为暗电阻。此时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流称为暗电流。,（2）亮电阻、光电流 光敏电阻在受到光照射时，测得的电阻值称为亮电阻。这时在给定工作电下测得光敏电阻中的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光敏电阻的

16、光电流。实用中光敏电阻的暗电阻值一般在1100M之间，而亮电阻通常在几k以下。暗电阻与亮电阻之差越大，光敏电阻性能越好，灵敏度也越高。,（3）光敏电阻的光照特性 在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I与照射光通量的关系，称为光照特性，如图所示。不同材料的光敏电阻其光电特性是不同的，绝大多数光敏电阻的光电特性是非线性的，当光照强度较大时有饱和趋向。因此，光敏电阻不宜作测量元件，只能作光电导开关元件使用。,CdS光敏电阻的光照特性,（4）光谱特性,每种半导体材料的内光电效应对入射光的光谱都具有选择作用，因此，不同材料制成的光敏电阻都有自己的光谱特性，即每种光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度，而

17、且对应最大灵敏度的光波长也不同。,从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,（4）伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。,在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定

18、电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,光敏电阻的伏安特性曲线,（5）响应时间,当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性，通常用响应时间t表示。它又包括上升时间t1和下降时间t2。一般光敏电阻的响应时间都较大，约几十到几百毫秒。,光敏电阻的时间响应曲线,（6）频率特性,由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图所示。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,光敏电阻的频率特性曲线,（7）温度特性 光敏电阻性能(灵敏度、暗电阻)受温度的

19、影响较大。随着温度升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,硫化镉光敏电阻的温度特性曲线,（8）稳定性 初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。,光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限

20、长的。,硫化镉光敏电阻的时间特性曲线,5.2.4 光敏二极管和光敏晶体管 1.光敏二极管（1）光敏二极管结构及原理 光敏二极管结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,光敏二极管符号,光敏二极管接线,光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为

21、增加，这就形成了光电流。该电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A。,光敏二极管PN结面积小，因此它的频率特性特别好。光敏二极管的光照特性是线性的，即光电流 I 与照度之间呈线性关系，所以适合检测等方面的应用。,（2）光敏二极管主要特点,（3）光敏二极管实例 PIN管光敏二极管 PIN管是光敏二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小，时间常数也越小，频带将变宽。,PIN管结构示意图,PIN管光敏二极管的最大特点是工作频带宽，可达10GHz；另一个特点是线性

22、输出范围宽。因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。其不足之处是I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。,雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可

23、达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。APD响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光敏二极管。,噪声大是APD目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。尽管如此，由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。,2.光敏三极管（1）光敏三极管结构及工作原理 光敏三极管有PNP型和NPN型两种。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益。不过它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积，且其基极不接引线。当集电极加上正电压，基

24、极开路时，发射极处于反向偏置状态。,当光线照射在集电结的基区时，会产生电子-空穴对，在内电场的作用下，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便有大量的电子从发射极被集电极收集形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍：,光敏三极管工作原理,无光照射时，在外电路中有暗电流，此电流即为光电三极管集电极与发射级之间的穿透电流：,（2）光敏三极管的主要特性,光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，在表面激发的电子空穴对不

25、能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,光谱特性,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。在可见光探测时，一般选用硅管；对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,伏安特性,光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,光敏三极管的输出电流 I 和照度L之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(103lx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,光照特

26、性,光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以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。,温度特性,时间常数 光电三极管由于存在发射结电容，加之载流子通过面积较大的基区时间较长，因此，它的时间常数比光电二极管要长，一般在10-510-4s之间。,光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,光敏三极管的频率特性,5.2.5 光电池,光电池

27、是在光照下，能直接将光通量转变为电动势的一种光电元件。在光照作用下，光电池实质上就是一个电压源。光电池的种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、氧化铊光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池和硒光电池，下面着重以硅光电池为例加以介绍。,硅光电池的结构如图所示。它是在一块P型硅片上用扩散的办法掺入一些N型杂质形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,1

28、.光电池的结构和工作原理,（1）光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。,2.基本特性,其中短路电流是指外接负载相对于光电池内阻而言很小。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。,硒光电池电流光照特性,特点：负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,(2)光谱特性 光电池的光谱特性决定于材料。,光电池光谱响应特性,从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测

29、可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,1硒光电池2硅光电池,(3)频率特性 光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。,1硒光电池2硅光电池,硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池则较差。,光电池频率响应特性,（4）温度特性 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标。,因此，当

30、光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,5.2.6 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。,1.光电耦合器的结构,采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。,采用双列直插式用塑料封装的结构。管芯先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。,2.光电耦合器件的分类 根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔

31、离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。,光电耦合器,按照组合形式的不同，光电耦合器大致可分为如下四种类型。,该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。,该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。,该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。,该形式采用功率器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。,光电开关的结构：(a)透射式；(b)反射式。,(a)(b),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

32、号的器件。,光电开关的特点是小型、高速、非接触，与TTL、MOS等电路容易结合。,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。如图(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。,光电开关的基本电路,(a)(b)(c),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。,5.2.7 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

33、来，由于其低噪声等特点而发展迅速，广泛应用于在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。,.CCD的结构和工作原理（1）结构 构成CCD的基本单元是MOS电容器，如图所示。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。,MOS电容的结构,1.金属 2.SiO2绝缘层,将若干个MOS基本单元组成阵列并加上输入、输出结构就构成了CCD器件。,(2)电荷存储原理,构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。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Vg时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从

34、而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。,在一定的条件下，所加正电压Vg越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。,（3）电荷转移原理,CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MO

35、S光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。,(b)电荷转移过程,(a)三相时钟脉冲波形,（4）电荷注入方法,光注入,-材料的量子效率；q-电子电荷；Neo-入射光子速率；A-光敏元的受光面积；Tc-注入时间。,电注入,ID-注入电极（输入二极管）；IG-选通脉冲电极（输入栅）。,（5）电荷的输出,UAUD-IdR,电流输出方式,2.CCD固体图像传感器的分类,（1）线阵型CCD图像传感器,结构特点：光敏单元与转移单元一一对应。工作特点：转移效率低。,单沟道,结构特点：单/双数光敏元件中分别对应上/下方的移位寄存器；工作特点：转移效率提高一倍。,双沟道,结构特点：光敏区和存储区分开，

36、存储区负责电荷的存储和转移。工作特点：曝光和数据传输可以同时进行。,（2）面型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出寄存器三部分组成。目前存在三种典型结构形式。,帧转移型,全帧扫描型,结构特点：光敏区和存储区在同一区域。工作特点：曝光和数据传输必须分开进行。即曝光时不能转移电荷，转移电荷时不能曝光，必须用快门遮挡。,结构特点：光敏单元和存储单元相邻；工作特点：曝光和数据传输可以进行。,行间传输型,3.CCD图像传感器的特性参数,转移效率,式中，Q0Q1分别为前后两个栅极下的电荷量。经过N次转移后的总转移效率：,电荷包从一个栅转移到下一个栅时，只有百分比转移过去，余下没

37、有被转移，则即为该电荷包的转移效率，可以如下表示：,分辨率,分辨率是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，是图像传感器最重要的特性之一，主要取决于感光单元之间的距离。,灵敏度,单位照度下，单位时间、单位面积发射的电量称为CCD传感器的灵敏度。,动态范围,CCD传感器能分辨的最强光信号与最弱光信号强度之比。的动态范围一般在103104数量级。,暗电流,在无光照情况下CCD传感器的输出电流称为暗电流。暗电流起因于热激发产生的电子-空穴对，是缺陷产生的主要原因。光信号电荷的积累时间越长，其影响就越大。暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围。,噪声,CCD是

38、低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声会叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输入噪声等。,噪声,CCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声会叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输入噪声等。,5.3 光电传感器的应用,5.3.1 灯光亮度自动控制器,晶闸管,输出脉冲宽度反比于环境光照度，从而达到改变晶闸管导通角的目的。,(a)透射式,光电数字式转速表工作原理图,5.3.2 光电转速传感器,5.3.2 邮政信函过戳装置,工作原理：当信函未到来时，光源的光线照在光电三极管上，光电流增大，使

39、三极管T1导通饱和，三极管T2截止，继电器释放，过戳机构不动作。当信函到来把光线挡住，光电三极管的电流为暗电流，由于暗电流很小，使三极管T1截止，三极管T2导通，继电器吸合使常开触点闭合，过戳机构动作。,5.3.3 条形码扫描笔,扫描笔输出序列 条形码扫描笔结构,发光二极管,5.3.4 照度计,光电池:VOC=2V，ISC=08A。,调整R7的大小，使得输出电压为1mVl x。,显示电路,TFA1001W(西门子公司生产)是内含光敏二极管与放大器的集成。由于具有5uA/lx的灵敏度，因此通过连接200负载电阻的方法，可以得到5uA200=1mV/lx的输出电压。TFA1001W的驱动电压为2.

40、515V，可以用干电池作为电源进行工作。,基于集成传感器的便携式照度计电路图,5.3.5 主回路与控制回路的隔离电路（一）照明回路控制,主回路与控制回路的隔离电路（二）燃气热水器的高压打火电路,5.3.6 CCD图像传感器工件尺寸检测系统,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。,1光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。与之对应的光电器件有哪些？2试述用光敏电阻检测光的原理？3简述光敏三极管有哪些基本特性？4光敏电阻和光敏三极管伏安特性的特点是什么？5试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。,思考题,