第8章光电式传感器

光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。应用：1、检测直接引起光量变化的非电量，如光强；2、检测能转换成光量变化的其他非电量，如位移、速度。特点：非接触、响应快、性能可靠。被测量的变化光信号的变化电信号的变化当前1页，总共164页。光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、。当前2页，总共164页。当前3页，总共164页。当前4页，总共164页。当前5页，总共164页。主要内容8.1光基础知识8.2光电效应8.3外光电效应器件8.4内光电效应器件8.5新型光电传感器8.6光电传感器的应用举例当前6页，总共164页。8.1光基础知识8.1.1光的特性光波是波长为10~106nm的电磁波。1000,000nm10nm780nm380nm可见光红外光紫外光性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。当前7页，总共164页。1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。每个光子的能量为E=hνh-普朗克常数，v-光的频率可见，光的频率愈高，光子的能量愈大。当前8页，总共164页。8.2.2光源（发光器件）1.白炽光源最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：320nm~2500nm,

所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。当前9页，总共164页。2.气体放电光源利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯。它的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。当前10页，总共164页。汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3。当前11页，总共164页。构成：由半导体PN结构成。特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。

3.发光二极管（LED——LightEmittingDiode）当前12页，总共164页。RUNP++++++++++++++++----------------UiD++__原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。当前13页，总共164页。当前14页，总共164页。

电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，有普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV当前15页，总共164页。Eg的单位为eV，1eV=1.6╳10-19J。可见光的波长近似地认为在7×10-7m以下，所以制作可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大于hc/=1.8eV普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为1.12eV和0.67

eV，显然不能使用。当前16页，总共164页。通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使

在550～900nm间变化。当前17页，总共164页。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料当前18页，总共164页。发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用Δ描述）决定光的色彩纯度，Δ越小，其光色越纯。当前19页，总共164页。发光二极管的光谱特性0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度Δ当前20页，总共164页。U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(红)GaAsP(绿)反向电压应在5V以下!发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。砷磷化镓发光二极管的伏安曲线当前21页，总共164页。4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从0.15μm到远红外整个光频波段范围。当前22页，总共164页。激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）液体激光器（染料激光器）。半导体激光器（如砷化镓激光器）当前23页，总共164页。（1）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器（T.Maiman）。工作物质为红宝石---掺0.05%Cr+3的Al2O3棒。当前24页，总共164页。Nd:YAG激光器

掺Nd+3

离子的激光器有三种:

•玻璃钇铝石榴石氟化钇锂（

YLF：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活离子基质钇铝石榴石当前25页，总共164页。（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。当前26页，总共164页。当前27页，总共164页。（3）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。当前28页，总共164页。（4）半导体激光器与前几种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。当前29页，总共164页。思考与讨论发光二极管的工作原理。激光器有哪些种类？当前30页，总共164页。两类：外光电效应和内光电效应。8.2.1外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。8.2光电效应当前31页，总共164页。1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。当前32页，总共164页。当前33页，总共164页。爱因斯坦光电效应方程：1.光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功AO。

2.一定时，产生的光电流和光强成正比。3.逸出的光电子具有动能。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。当前34页，总共164页。8.2.2内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。1．光电导效应

在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当前35页，总共164页。自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价带

Eg电子能量Eh≧Eg当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。当前36页，总共164页。当前37页，总共164页。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。当前38页，总共164页。①势垒效应（结光电效应）

光照射PN结时，若h≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。２．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。PN当前39页，总共164页。②侧向光电效应

当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。当前40页，总共164页。思考与讨论外光电效应。内光电效应。当前41页，总共164页。

光电管及其基本特性１．结构与工作原理8.3

外光电效应器件当前42页，总共164页。当前43页，总共164页。２．主要性能（1）光电管的伏安特性

在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性真空光电管充气光电管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012阴极电压/VIA/μA2010050弱光强光1504681012阴极电压/VIA/μA当前44页，总共164页。（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。图8-5光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.511-氧铯阴极2-锑铯阴极当前45页，总共164页。(3)光电管的光谱特性一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限λc=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。当前46页，总共164页。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。国产光电管的技术参数当前47页，总共164页。由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为12~14级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。8.3.2光电倍增管及其基本特性当前48页，总共164页。IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT当前49页，总共164页。入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A当前50页，总共164页。当前51页，总共164页。光电倍增管的电流放大倍数为如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则Ｍ＝δin因此阳极电流为Ｉ＝i·δin,M与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V主要参数：（1）倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子数δi的乘积。当前52页，总共164页。图8-7光电倍增管的特性曲线255075100125106极间电压/V倍增系数M105104103当前53页，总共164页。一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度.(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度光电倍增管最大灵敏度可达10A/lm。灵敏度很高，不能受强光照射。当前54页，总共164页。（3）暗电流和本底脉冲由于环境温度、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。在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管会有电流信号输出—本底脉冲。（4）光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似。当前55页，总共164页。国产光电倍增管的技术参数当前56页，总共164页。思考与讨论论述光电管的工作原理与基本特性。论述光电倍增管的工作原理与基本特性。当前57页，总共164页。8.4内光电效应器件8.4.1光敏电阻1.光敏电阻的结构和工作原理AE电极半导体玻璃底板RLEIRG图8-8光敏电阻的结构与电路连接当前58页，总共164页。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：当前59页，总共164页。光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。当前60页，总共164页。2.光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差为光电流。当前61页，总共164页。（2）光照特性用于描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光电流/mA图8-9光敏电阻的光照特性当前62页，总共164页。（3）光谱特性硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。图8-10光敏电阻的光谱特性0500100015002000250020406080100硫化镉硫化铊硫化铅入射光波长/nm相对灵敏度/%当前63页，总共164页。(4)伏安特性所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。0102030405050100150200250I/μAU/V图8-11光敏电阻的伏安特性当前64页，总共164页。（5）频率特性时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。入射光调制频率/Hz相对灵敏度/%01010210310420406080100硫化镉硫化铅图8-12光敏电阻的频率特性多数光敏电阻的时间常数都很大。当前65页，总共164页。(6)温度特性峰值随温度上升向波长短的方向移动。2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm相对灵敏度（%）+20ºC-20ºC图8-13光敏电阻的光谱温度特性当前66页，总共164页。初制成的光敏电阻，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这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长的。（7）稳定性当前67页，总共164页。思考与讨论论述光敏电阻的工作原理与基本特性。当前68页，总共164页。8.4.2光电池光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。当前69页，总共164页。光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。当前70页，总共164页。1.光电池的结构和工作原理图8-14光电池的结构图下电极梳状电极SiO2抗反射膜PN硅光电池的结构如图。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。当前71页，总共164页。当前72页，总共164页。图8-15光电池的工作原理示意图RLI---mAV+++

PN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，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。

当前73页，总共164页。2.基本特性（１）光谱特性故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波长λ/nm040060080010001200相对灵敏度/%图8-16光电池的光谱特性当前74页，总共164页。(2)光照特性①不同光照射下有不同光电流和光生电动势。②短路电流在很大范围内与光强成线性关系。图8-17光电池的光照特性开路电压0.10.30.2照度/lx020004000光生电流/mA0.20.60.4光生电压/V短路电流③开路电压与光强是非线性的，且在2000lx时趋于饱和。④光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。当前75页，总共164页。(3)频率特性硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。图8-18光电池的频率特性20406080100硒光电池硅光电池015003000450060007500相对光电流/%入射光调制频率/Hz当前76页，总共164页。(4)温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。开路电压随温度升高而下降的速度较快。

短路电流随温度升高而缓慢增加。

因此作测量元件时应考虑进行温补。图8-19光电池的温度特性开路电压温度/℃光生电流/mA1.82.22.0光生电压/V短路电流100200300400500020406080100当前77页，总共164页。思考与讨论论述光电池的工作原理与基本特性。当前78页，总共164页。8.4.3光敏晶体管1.光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。RL

光PNPN光当前79页，总共164页。当前80页，总共164页。PNRE+-If当前81页，总共164页。PNRE-+Is当前82页，总共164页。当光照射时，光敏二极管处于导通状态。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。RE-+IPN当前83页，总共164页。当前84页，总共164页。2.光敏三极管集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。PPN

becNNPe

bc当前85页，总共164页。普通三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP当前86页，总共164页。光敏三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。当前87页，总共164页。ICeECIERCcNNPb当前88页，总共164页。当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，产生电子、空穴对，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，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的ß倍。基本工作线路：cbeRL当前89页，总共164页。3.光敏晶体管的主要特性(1)光谱特性

存在一个最佳灵敏度波长2040608010040080012001600入射光波长/nm锗硅相对灵敏度（%）0当前90页，总共164页。(2)伏安特性01234

5外加电压(V)20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需把光电流看作基极电流即可。当前91页，总共164页。(3)光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(μA)故光敏三极管既可做线性转换元件，也可做开关元件近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。当前92页，总共164页。(4)温度特性暗电流（mA)1030507002550ºC200400100300

500光电流（μA)103050700ºC温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。当前93页，总共164页。(5)频率特性减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。20

406080100相对灵敏度（%）f(kHZ)

110

1000RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ当前94页，总共164页。思考与讨论光敏二极管和光敏三极管的工作原理与基本特性。当前95页，总共164页。8.5新型光电传感器8.5.1高速光电二极管1.PIN结光电二极管PIN

P、N间加了层很厚的高电阻率的本征半导体I。P层做的很薄。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。当前96页，总共164页。入射光照射在P层上，因P层很薄，大量的光被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流；又PIN结光电二极管比PN结光电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当P型和N型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此N区的电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散图8-28PIN光电二极管偏压价带导带信号光信号光电极电极输出端PIN当前97页，总共164页。P区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。当前98页，总共164页。

2.雪崩式光电二极管（APD）在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。偏压输出端价带导带信号光信号光电极电极P+PN图8-29雪崩式二极管当前99页，总共164页。当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，当前100页，总共164页。8.5.2色敏光电传感器不同区域对不同波长分别具有不同灵敏度，浅结对紫外光灵敏度高。NP123P+123当前101页，总共164页。根据光学性能，不同颜色的光在不同的介质中的穿透能力不同。利用不同介质对某一色光的吸收，用这种色光去投射液体管道，根据接收到的光强来判断管道中的液流介质。当前102页，总共164页。8.5.3光固态图象传感器光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD（ChargeTransferDevice），最常用的是电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）。由于它具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。当前103页，总共164页。1．CCD的结构和基本原理CCD是一种半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚约120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属-氧化物-半导体的电容式转移器。其中，“金属”为SiO2层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体SiO2。当前104页，总共164页。当前105页，总共164页。

CCD的MOS结构P型Si耗尽区电荷转移方向Ф1Ф2Ф3输出栅输入栅输入二极管输出二极管

SiO2当前106页，总共164页。当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中Ф1极下），形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。当前107页，总共164页。电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下图以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30当前108页，总共164页。三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；当前109页，总共164页。当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。当前110页，总共164页。思考与讨论PIN结光电二极管的工作原理。雪崩式光电二极管的工作原理。CCD的结构和基本原理。当前111页，总共164页。2．线型CCD图像传感器

线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如图所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构输出(a)线型CCD图像传感器当前112页，总共164页。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳状电极电压恢复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。当前113页，总共164页。实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。(b)线型CCD图像传感器光积分区输出转移栅当前114页，总共164页。3．面型CCD图像传感器

面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种形式。图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊当前115页，总共164页。面型CCD图像传感器结构(a)(b)二相驱动视频输出

行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3感光区存储区析像单元视频输出输出栅串行读出当前116页，总共164页。图（b）增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。当前117页，总共164页。光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)当前118页，总共164页。图(c)是将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列，即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。当前119页，总共164页。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达1024×1024像元。我国也能生产512×320像元的面型CCD图像传感器。当前120页，总共164页。思考与讨论线型CCD图像传感器的工作原理。面型CCD图像传感器的工作原理。当前121页，总共164页。8.6光电传感器的应用举例由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。当前122页，总共164页。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。下图表明了四种形式的工作方式。当前123页，总共164页。当前124页，总共164页。例1：直射式光电转速传感器它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上，光敏元件将其转为电信号输出。通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得被测转速

n=f/Nn—转速；f—脉冲频率；N—圆盘孔数。当前125页，总共164页。当前126页，总共164页。测速也可以采用反射式：只要用白纸画上黑道的圆纸贴在旋转体上即可。其测量电路与透射式相同当前127页，总共164页。例2：光电液位检测在液体未升到发光二极管及光电三极管平面时，红外发光二极管发出的红外线不会被光电三极管接收；当液位上升到发光二极管及光电三极管平面时，出于液体的折射，光电三极管接收到红外信号由此获得液位信号。当前128页，总共164页。例3：感烟传感器(火灾报警器的一部分)由红外发光二极管及光电三极管组成，但二者不在同一平面上(有一定角度)。在无烟时，光电三极管接收不到红外线；当发生火灾时，产生大量烟雾，烟雾粒子进入感烟传感器时，由于红外线受烟雾粒于折射作用，光电三极管接收到红外线，给出烟雾报警信号。当前129页，总共164页。例4：光电开关的应用下图为检测生产流水线上瓶盖及商标的实例。除记数外，还可进行位置检测(如装配体有没有到位)、质量检查(如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等)。当前130页，总共164页。下图为为自动切断控制的实例。可以根据被测物的特定标记进行自动控制(如根据特定的标记检测后进行自动切断、封口等)。光电开关主要用于自动包装机、自动灌装机、自动封装机、自动或半自动装配流水线等自动化机械装置。当前131页，总共164页。例5：防盗报警电路将光电断路器安装于抽屉的背后，并设一电源开关于隐蔽的地方，当需要防盗时将开关合上。平时由于挡板插入槽口，光电三极管仅有暗电流，BG不导通，继电器J不吸合。当小偷撬开抽屉时，一拉开抽屉则挡板离开槽口，光电三极管的光电流使R2上产生接近电源的电压，BG导通，继电器吸合，发出报警信号。当前132页，总共164页。这种装置同样可以安装在门窗上起防盗报警作用。当前133页，总共164页。例6：自动照明灯D1为触发二极管，触发电压约30v左右。在白天时，光敏电阻的阻值低，其分压低于30v(A点)，触发二极管截止，双向可控硅无触发电流，T1、T2之间呈断开状态；天暗后，光敏电阻阻值增加，A点电压大于30v，触发二极管导通，双向可控硅呈导通状态，电灯亮。

R1

、C1为保护双向可控硅的吸收电路。当前134页，总共164页。正常强度光照在光敏电阻上，因阻值较小，端压小于0.5V，电路中三极管截止，即流过三极管T和小白炽灯泡的电流趋于零，灯暗，当光照逐渐变暗，光敏电阻阻