第四章光电检测工作器件与应用二

第四章光电检测工作器件与应用二光电隔离器的类型二极管型三极管型达林顿型晶闸管驱动型3.2.4光电耦合器件达林顿管：又称复合管，是将二只三极管连接在一起，组成一只等效的新的三极管。这个等效三极管的放大倍数是二者之积。达林顿管常用于功率放大器和稳压电源中。晶闸管：是四层三端器件，是PNPN四层半导体结构。2发光器件光敏器件被测物体槽式光电传感器器示意图槽式光电传感器实物图+EC3.2.4光电耦合器件光电耦合器的电路符号3绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂光电耦合器件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。(a)金属密封型(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，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。金属密封型塑料密封型4光电耦合器的组合形式

(a)(b)(c)(d)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。该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。5光电耦合器的特点具有电隔离（１０１０－１０１２欧姆）功能；信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟／数字信号；具有抗干扰和噪声能力；响应速度快（微／纳秒，直流－１０兆赫兹）；使用方便，可靠性高，体积小，寿命长；既有耦合特性，又有隔离功能；6光电耦合器的特性参数直流电流传输比主要特性：传输特性和隔离特性交流电流传输比是指直流工作状态下，耦合器件中光电器件的输出电流与发光原件输入电流之比。工作点的选择不同，电流传输比不同。7光电耦合器的特性参数最高工作频率取决于发光器件和光电器件的频率特性。光电耦合器件的频率特性测试电路：输入等幅度的可调频信号，当测得输出信号电压的相对幅值降至0.707时，所对应的频率。8光电耦合器的抗干扰特性输入阻抗很低；干扰源的内阻很大，形成的电流很微弱；器件密封包装，不受外界光的干扰；器件寄生电容很小，绝缘电阻很大，很难通过器件的反馈引入干扰。光电耦合器件能抑制尖脉冲及各种噪声等干扰，实现信息传输的高信噪比。原因如下：9光电耦合器件的应用代替脉冲变压器，可以耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小；代替继电器，做光电开关用；把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移；电流驱动器件与光驱动器件相结合，实现高信噪比；作为计算机主机运输部与输入／输出端的接口，提高计算机的可靠性；在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。103.2.5光电位置敏感器件（PSD）工作原理：当入射光点落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。入射光点的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。用途：ＰＳＤ是一种可直接对其光敏面上的光斑位置进行检测的光电器件，可构成非接触高精度动态测量系统。11光入射位置XA：P型层电流I1、I2：N型层电流I0：3.2.5光电位置敏感器件（PSD）1213PSD分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标；二维PSD可测光点的平面位置坐标。3.2.5光电位置敏感器件（PSD）14vCCD图像传感器：用CCD的光电转换和电荷转移功能制成的。CCD（charge-coupleddevices)电荷耦合器件。vMOS图像传感器：用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的，又称自扫描光电二极管列阵（SSPA）。固态图像传感器CCD图像传感器MOS图像传感器固态图像传感器15固态图像传感器特点：v高度集成，包括光电信号转换、信号存储和传输、处理。v以电荷转移为核心。v体积小、重量轻、功耗小、成本低。v广泛用于图像识别和传送。分类：v电荷耦合器件(CCD)vMOS型图像传感器(自扫描光电二极管阵列)v电荷注入器件16将光信号变为电荷包，以电荷包的形式存贮和传递信息。又称为“排列起来的MOS电容阵列”。一、MOS光敏元的结构及原理

半导体与SiO2界面电荷分布图工艺：先在P-Si片上氧化一层SiO2介质层，其上再沉积一层金属Al作为栅极，在P-Si半导体上制作下电极。电荷耦合器件（CCD）固态图像传感器17

给栅极加VG正脉冲，金属电极充一些正电荷；电场将P-Si的SiO2界面附近的空穴排斥走，SiO2附近出现耗尽层；半导体表面处于非平衡状态，表面有贮存电荷的能力。将表面的这种状态称为电子势阱或表面势阱。1、势阱的形成固态图像传感器182、电子的堆积光照MOS电容器时，产生电子空穴对，少子电子会被吸收到势阱中；光强越大，势阱中收集的电子数就越多；MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号同时变为电荷包阵列，反映图像的明暗程度。固态图像传感器19二、电荷转移原理

若两个相邻MOS光敏元加的栅压分别为VG1、VG2，且VG1<VG2。因VG2高，表面形成的负离子多，则表面势φ2>φ1,则VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，则1中电子有向2中下移的趋势。电子转移示意图

固态图像传感器若串联很多光敏元，且使VG1<VG2<……<VGN,可形成一个输运电子路径,实现电子的转移。

20三、CCD图像传感器的特性参数1、转移效率

当CCD中电荷包转移时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，转移效率定义为：

2、分辨率

指分辨图像细节的能力，光像的两个相邻光强度最大值之间的间隔，主要取决于感光单元的尺寸和间隔。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即：固态图像传感器213、暗电流

起因于热激发产生的电子-空穴对。电荷的积累时间越长，影响越大。暗电流产生不均匀总出现在固定图形、相同的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROM（可编程只读存贮器）中，就能消除影响。

限制了器件的灵敏度和动态范围。4、灵敏度指单位发射照度H下，单位时间、单位面积A收集的电量。NS为t时间内收集的载流子数，单位为mA/W。固态图像传感器225、噪声