第9章+光電式式傳感器2014

1、第第9 9章光電式傳感器章光電式傳感器第第9章光電式傳感器章光電式傳感器9.1 9.1 光電器件光電器件 9.2 9.2 光纖傳感器光纖傳感器 9.3 9.3 紅外傳感器紅外傳感器 9.4 9.4 超聲波傳感器超聲波傳感器 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 概述概述光電傳感器是將光電傳感器是將被測(cè)量被測(cè)量的變化通過(guò)的變化通過(guò)光信號(hào)光信號(hào)變化轉(zhuǎn)變化轉(zhuǎn)換成換成電信號(hào)電信號(hào)，具有這種功能的材料稱(chēng)為，具有這種功能的材料稱(chēng)為光敏材料光敏材料，做成的器件稱(chēng)做成的器件稱(chēng)光敏器件光敏器件。光敏器件種類(lèi)很多，如：。光敏器件種類(lèi)很多，如： 光電管、光電管、 光敏二極管、光敏二極管、 光電倍增管、光電倍增管、 光敏三極管、

2、光敏三極管、 光敏電阻、光敏電阻、 光電池、光電池、 光電耦合器、光電耦合器、 光纖等等。光纖等等。 在計(jì)算機(jī)、自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。在計(jì)算機(jī)、自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。指紋鎖指紋鎖門(mén)禁門(mén)禁光光電電鼠鼠標(biāo)標(biāo)9.1 光電器件光電器件光電開(kāi)關(guān)9.1 光電器件光電器件光柵光柵光纖光纖光電管光電管光敏電阻光敏電阻9.1 光電器件光電器件n指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。n 可分為可分為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)和和內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)兩種。兩種。1 1、 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子

3、在光的作用下，物體內(nèi)的電子( (光電子光電子) )逸出物逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。如體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管等。等。9.1 光電器件光電器件9.1.1.光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電管光電管: :由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成,并且封裝并且封裝在真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁在真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁,其上涂其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極常用金屬絲彎曲成矩形或有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極常用金屬絲彎曲成矩形或圓形圓形,置于玻璃管中央。置于玻璃管中央。9.1 光電器件光電器件當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體

4、為本征半導(dǎo)本征半導(dǎo)體材料體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電導(dǎo)材料價(jià)帶，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖9-2所示：所示： 圖圖9-2 9-2 電子能級(jí)示意圖電子能級(jí)示意圖從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電率變大。為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光率變大。為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度電導(dǎo)材料的禁帶寬度E Eg g，即：，即：1.24ghchvERUI光強(qiáng) 當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，

5、如果光子的能量E E大于電子的逸出功大于電子的逸出功A A（E EA A），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽(yáng)極吸引，電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽(yáng)極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻電流在回路電阻R R上產(chǎn)生上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。正比于電流大小的壓降。因此因此 補(bǔ)充補(bǔ)充 （2）符號(hào)：）符號(hào)： 真空管、光電陰極真空管、光電陰極 K K和光電陽(yáng)極和光電陽(yáng)極 A A光電倍增管光電倍增管 當(dāng)入射光很微弱時(shí)，當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流普通光電管產(chǎn)生的光電流很小很小, ,只有零點(diǎn)幾微安只有零點(diǎn)幾微安, ,不不易探測(cè)易探測(cè)常用光

6、電倍增常用光電倍增管放大光電流管放大光電流。 工作原理建立在工作原理建立在二次電二次電子發(fā)射和光電發(fā)射子發(fā)射和光電發(fā)射的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上。上。9.1 光電器件光電器件光電倍增管測(cè)量電路光電倍增管測(cè)量電路光電倍增管：放大光電流光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極組成：光電陰極+若干倍若干倍增極增極+陽(yáng)極陽(yáng)極具有足夠動(dòng)能的電子轟擊某些具有足夠動(dòng)能的電子轟擊某些材料時(shí)，材料表面將發(fā)射新的材料時(shí)，材料表面將發(fā)射新的電子這種現(xiàn)象稱(chēng)為電子這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次電子發(fā)二次電子發(fā)射射。轟擊材料的入射電子稱(chēng)為。轟擊材料的入射電子稱(chēng)為一次電子一次電子。9.1 光電器件光電器件 光照射物體時(shí)光照射物體時(shí), ,當(dāng)物體中電子吸收

7、的入射光子當(dāng)物體中電子吸收的入射光子能量超過(guò)逸出功能量超過(guò)逸出功A A0 0時(shí)時(shí), ,電子就會(huì)逸出物體表面電子就會(huì)逸出物體表面, ,形成形成光電子發(fā)射光電子發(fā)射, ,光子能量超過(guò)逸出功的部分為逸出電光子能量超過(guò)逸出功的部分為逸出電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒有子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒有02021Amvh 或或02021AhmvEk 稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程9.1 光電器件光電器件02021AhmvEk注意：注意：光電子能否產(chǎn)生光電子能否產(chǎn)生, ,取決于光電子的能量是否取決于光電子的能量是否大于該物體表面電子逸出功大于該物體表面電子逸出功A A0 0。不同材料具有不同的逸出功不同

8、材料具有不同的逸出功, ,因此對(duì)于某種因此對(duì)于某種材料而言便有一個(gè)材料而言便有一個(gè)頻率限頻率限。 當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí),無(wú)論光強(qiáng)多大,也不能激發(fā)電子;反之,當(dāng)入射光的頻率高于此頻率限時(shí),即使光線微弱也會(huì)有光電子發(fā)射出來(lái)。2 2、 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下在光線作用下, ,受光照的物體的受光照的物體的電阻率電阻率發(fā)生變化發(fā)生變化, ,或或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)在光照時(shí)在光照時(shí), ,半導(dǎo)體材料吸收了入射光子的能半導(dǎo)體材料吸收了入射光子的能量。當(dāng)光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬量。當(dāng)光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時(shí)度時(shí), ,就激發(fā)

9、電子就激發(fā)電子- -空穴對(duì)空穴對(duì), ,增加了載流子的濃度增加了載流子的濃度, ,半導(dǎo)體半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大電導(dǎo)率增大, ,該現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。如該現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。如光敏電阻光敏電阻 等。等。9.1 光電器件光電器件 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)物體受光照而產(chǎn)生一定方向的物體受光照而產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象的現(xiàn)象, ,稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。 光生伏特型光電器件是自發(fā)電式光生伏特型光電器件是自發(fā)電式, ,屬于有源屬于有源器件。常用的有光電池等。器件。常用的有光電池等。9.1 光電器件光電器件u光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體

10、材料吸收光能后，在PNPN結(jié)上產(chǎn)生結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。的效應(yīng)。為什么為什么PNPN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？有下面兩種情況：有下面兩種情況： 當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PNPN結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度（禁帶寬度（E0 E0 EgEg）, ,可激發(fā)出電子可激發(fā)出電子空穴對(duì)，空穴對(duì)，在在PNPN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向P P區(qū)，而電子移向區(qū)，而電子移向N N區(qū)，區(qū)， 使使P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，區(qū)之間產(chǎn)生電壓， 這個(gè)電壓就是這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì). . 基于這種效應(yīng)的器件有基于這種

11、效應(yīng)的器件有 2)2)處于反偏的處于反偏的PNPN結(jié)：結(jié)： 無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小； 有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子光生電子空穴對(duì)空穴對(duì)， 在在PNPN結(jié)電場(chǎng)作用下，形成光電流，結(jié)電場(chǎng)作用下，形成光電流， 電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。 具有這種性能的器件有：具有這種性能的器件有： 光敏二極管、光敏晶體管光敏二極管、光敏晶體管. .光電器件的性能：光電器件的性能：主要從主要從伏安特性、伏安特性、光照光照特性、特性、光譜特性、光譜特性、溫度特性和溫度特性

12、和頻率特性來(lái)頻率特性來(lái)描述。描述。9.1.2 9.1.2 光敏電阻光敏電阻9.1.3 9.1.3 光敏二極管光敏二極管/ /光敏三極管光敏三極管9.1.4 9.1.4 光電池光電池9.1.5 9.1.5 光電耦合器件光電耦合器件9.1 光電器件光電器件1. 1. 原理與結(jié)構(gòu)原理與結(jié)構(gòu)光敏電阻又稱(chēng)為光敏電阻又稱(chēng)為光導(dǎo)管光導(dǎo)管, ,由由半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料制成制成, ,是純電阻器件。光敏電阻不受光照時(shí)是純電阻器件。光敏電阻不受光照時(shí), ,電阻值很電阻值很大大, ,電路中電流很小電路中電流很小; ;受到一定波長(zhǎng)的光照射時(shí)受到一定波長(zhǎng)的光照射時(shí), ,阻值急劇減小。阻值急劇減小。9.1.2 光敏電阻光敏

13、電阻外形外形9.1.2 光敏電阻光敏電阻 光敏電阻靈敏度高、體積小、重量輕，光光敏電阻靈敏度高、體積小、重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)、譜響應(yīng)范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。(1)(1)暗電阻與暗電流暗電阻與暗電流光敏電阻在不受光照射時(shí)光敏電阻在不受光照射時(shí)的電阻的電阻1M-100M,1M-100M,此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流；此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流；(2)(2)亮電阻與亮電流亮電阻與亮電流在受光照射時(shí)的電阻在受光照射時(shí)的電阻, ,此時(shí)此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。(3)(3)光電流光電流

14、亮電流與暗電流之差稱(chēng)為。亮電流與暗電流之差稱(chēng)為。9.1.2 光敏電阻光敏電阻原理與結(jié)構(gòu)原理與結(jié)構(gòu)基本概念：基本概念：1M100M 通常通常, ,暗電阻越大越好暗電阻越大越好, ,亮電阻越小越好亮電阻越小越好, ,也也就是說(shuō)：暗電流越小就是說(shuō)：暗電流越小, ,光電流越大，這樣的光敏光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度高。電阻的靈敏度高。 實(shí)際光敏電阻的暗電阻一般在兆歐級(jí)實(shí)際光敏電阻的暗電阻一般在兆歐級(jí), ,亮電亮電阻在幾千歐以下。阻在幾千歐以下。9.1.2 光敏電阻光敏電阻原理與結(jié)構(gòu)原理與結(jié)構(gòu)基本概念：基本概念：2.2.光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性(1) (1) 伏安特性伏安特性在一定的照

15、度下在一定的照度下, ,光敏電阻兩光敏電阻兩端的電壓與電流的關(guān)系。硫化鎘光敏電阻的伏安特端的電壓與電流的關(guān)系。硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線如圖。性曲線如圖。9.1.2 光敏電阻光敏電阻圖圖9-2 9-2 硫化鎘光敏電阻的伏安特性硫化鎘光敏電阻的伏安特性n曲線在一定范圍內(nèi)呈直線。曲線在一定范圍內(nèi)呈直線。n偏壓一定時(shí)偏壓一定時(shí),光照度越大光照度越大,光光電流越大；電流越大；n光照度一定時(shí)光照度一定時(shí),所加電壓越大所加電壓越大,光電流越大光電流越大,且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。能無(wú)限大么？能無(wú)限大么？阻值與電壓、阻值與電壓、電流無(wú)關(guān)電流無(wú)關(guān)不能不能,因?yàn)槿魏喂庖驗(yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定敏電阻都受額

16、定功率、最高工作功率、最高工作電壓和額定電流電壓和額定電流的限定。的限定。(2) (2) 光譜特性光譜特性也稱(chēng)光譜響應(yīng)也稱(chēng)光譜響應(yīng), ,指光敏電阻指光敏電阻的光電流與入射波長(zhǎng)的關(guān)系。與光敏電阻的材的光電流與入射波長(zhǎng)的關(guān)系。與光敏電阻的材料有關(guān)。料有關(guān)。9.1.2 光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性波長(zhǎng)不同波長(zhǎng)不同, 靈敏度不同靈敏度不同。n硫化鎘光敏電阻光譜響應(yīng)硫化鎘光敏電阻光譜響應(yīng)的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域,常用常用于光度量的測(cè)量于光度量的測(cè)量,如照度計(jì)如照度計(jì);n硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)紅外和中紅外區(qū),常用于火常用于火焰探測(cè)器。焰探測(cè)器。圖圖9-3

17、 9-3 光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性(2) (2) 光譜特性光譜特性9.1.2 光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性根據(jù)光譜特性的不同根據(jù)光譜特性的不同,依據(jù)依據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同檢測(cè)對(duì)象的不同()選擇合選擇合理的光敏電阻。理的光敏電阻。圖圖9-3 9-3 光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性圖圖9-4 9-4 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性(3) (3) 溫度特性溫度特性反映的是溫度變化對(duì)光敏反映的是溫度變化對(duì)光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度、暗電阻等的影響。電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度、暗電阻等的影響。9.1.2 光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性n峰值隨著溫度的上升向峰值隨

18、著溫度的上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)波長(zhǎng)短的方向移動(dòng),故該故該光敏電阻要在光敏電阻要在低溫、恒低溫、恒溫溫的條件下使用。的條件下使用。n為了提高靈敏度或者為為了提高靈敏度或者為了能夠接收較長(zhǎng)波段的了能夠接收較長(zhǎng)波段的輻射輻射,將元件降溫使用。將元件降溫使用。圖圖9-5 9-5 硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線(4) (4) 光照特性光照特性在一定外加電壓作用下在一定外加電壓作用下, ,光光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。9.1.2 光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性n光照特性曲線的斜率光照特性曲線的斜率( (光光電流與入射光光通量之比電流與入射光光通量之比)

19、 )稱(chēng)為稱(chēng)為光電管的靈敏度光電管的靈敏度或或光光敏電阻的靈敏度敏電阻的靈敏度。光通量: 光源單位時(shí)間內(nèi)所輻射的光能叫光源的光通量，其單位是流明.圖圖9-5 9-5 硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線(4) (4) 光照特性光照特性在一定外加電壓作用下在一定外加電壓作用下, ,光光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。9.1.2 光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性n光照特性曲線呈光照特性曲線呈非線性非線性關(guān)系關(guān)系, ,因此因此不宜作為測(cè)量不宜作為測(cè)量元件元件, ,而多用于而多用于開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)的傳遞。的傳遞。n不同材料的光敏電阻光不同材料的光敏電阻光照特性不同

20、。照特性不同。(5) (5) 頻率特性頻率特性當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí), ,光電流要經(jīng)過(guò)一段光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定; ;而在停止光照時(shí)而在停止光照時(shí), ,光電流也光電流也不立刻為零不立刻為零光敏電阻的光敏電阻的時(shí)延特性時(shí)延特性。不同材。不同材料的光敏電阻時(shí)延特性不同料的光敏電阻時(shí)延特性不同, ,所以其頻率特性也所以其頻率特性也就不同。就不同。9.1.2 光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性圖圖9-6 9-6 光敏電阻的頻率特性光敏電阻的頻率特性硫化鉛比硫化鎘的硫化鉛比硫化鎘的使用頻率高得多；使用頻率高得多；多數(shù)光敏電阻的時(shí)多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，光敏延

21、都比較大，光敏電阻不能用于要求電阻不能用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。快速響應(yīng)的場(chǎng)合。9.1.2 光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性(5) (5) 頻率特性頻率特性應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例圖為圖為路燈自動(dòng)電熄裝置路燈自動(dòng)電熄裝置，分兩部分組成，電阻，分兩部分組成，電阻R R、電容、電容C C和二極和二極管管D D組成半波整流濾波電路；組成半波整流濾波電路；CdSCdS光敏電阻和繼電器組成光控繼光敏電阻和繼電器組成光控繼電器。路燈接在繼電器常閉觸點(diǎn)上，由光控繼電器來(lái)控制路燈電器。路燈接在繼電器常閉觸點(diǎn)上，由光控繼電器來(lái)控制路燈的點(diǎn)燃和熄滅。的點(diǎn)燃和熄滅。J光敏電阻光敏電阻應(yīng)用應(yīng)用光敏電阻在聲、光控開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用光敏

22、電阻在聲、光控開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用 光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。 特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 廣泛廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。 9.1.3 光敏二極管和晶體管光敏二極管和晶體管1.1.結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理(1) (1) 光敏二極管光敏二極管9.1.3 光敏二極管和晶體管光敏二極管和晶體管圖圖9-7 光敏二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和符號(hào)光敏二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和符號(hào)硅

23、光敏二極管結(jié)構(gòu)硅光敏二極管結(jié)構(gòu) 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個(gè)相似，它們都有一個(gè)PNPN結(jié)，并結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，PNPN結(jié)面積比一般二極管大。結(jié)面積比一般二極管大。光敏二極管在電路中一般光敏二極管在電路中一般處于處于反向偏置狀態(tài)反向偏置狀態(tài)。無(wú)光照射。無(wú)光照射時(shí)時(shí), ,反向電阻很大反向電阻很大, ,反向電流很反向電流很小小; ;光照射在光照射在PNPN結(jié)上時(shí)結(jié)上時(shí), ,形成光形成光電流。光的照度越大電流。光的照度越大, ,光電流越光電流越大。大。電流一般為

24、幾電流一般為幾u(yù)AuA到幾十到幾十uAuA。9.1.3 光敏二極管光敏二極管圖圖 9-8 9-8 光敏二極管接線圖光敏二極管接線圖光電流方向與光電流方向與反向電流一致反向電流一致 按材料分，光電二極管有硅、鍺、砷化鎵、按材料分，光電二極管有硅、鍺、砷化鎵、 銻化銦光電二極管多種。目前在銻化銦光電二極管多種。目前在可見(jiàn)光區(qū)可見(jiàn)光區(qū)用的用的最多的是最多的是硅光電二極管硅光電二極管。 國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類(lèi)型襯底材料的導(dǎo)電類(lèi)型不同分為不同分為2CU2CU和和2DU2DU兩種系列。兩種系列。 2CU 2CU系列光電二極管有兩條引線系列光電二極管有兩條引線, ,而而2DU2

25、DU系列系列光電二極管有三條引線光電二極管有三條引線( (環(huán)線環(huán)線, ,減少暗電流和噪減少暗電流和噪聲等影響，聲等影響，應(yīng)用時(shí)需要接電源正極應(yīng)用時(shí)需要接電源正極) )。9.1.3 光敏二極管光敏二極管光敏晶極管結(jié)構(gòu)光敏晶極管結(jié)構(gòu) 與普通晶體管不同的是，與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極光敏晶體管是將基極集電極集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，受光結(jié)，為適應(yīng)光電轉(zhuǎn)換要求，為適應(yīng)光電轉(zhuǎn)換要求，基區(qū)面積做的較大，發(fā)射區(qū)面基區(qū)面積做的較大，發(fā)射區(qū)面積較小積較小。 大多數(shù)光敏晶體管的基極大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引線，集電結(jié)加反偏。玻璃無(wú)引線，集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上

26、有個(gè)小孔，讓光照射到封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)?；鶇^(qū)。9.1.3 光敏晶體管光敏晶體管(2) 光敏晶體管光敏晶體管圖圖9-9 NPN9-9 NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路( (a a) )光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；( (b b) )光敏晶體管基本電路光敏晶體管基本電路(2) (2) 光敏晶體管光敏晶體管9.1.3 光敏晶體管光敏晶體管n 當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)壓而不接基極時(shí), ,集電結(jié)就是反向偏壓集電結(jié)就是反向偏壓; ;n 當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí), ,會(huì)產(chǎn)生電子會(huì)產(chǎn)生

27、電子- -空穴對(duì)空穴對(duì), ,光生電子被拉到集電極光生電子被拉到集電極, ,基區(qū)留下基區(qū)留下空穴空穴, ,使基極和發(fā)射極間的電壓升高使基極和發(fā)射極間的電壓升高, ,相當(dāng)相當(dāng)于基極電流增加于基極電流增加, ,集電極形成輸出電流集電極形成輸出電流, ,是是光生電流的光生電流的倍。倍?？梢?jiàn)可見(jiàn), ,光敏晶體管也具光敏晶體管也具有放大作用。有放大作用。n 硅光電三極管有硅光電三極管有3CU3CU和和3DU3DU兩種系列。兩種系列。9.1.3 光敏晶體管光敏晶體管光敏二極管和光敏三極管的特性比較：光敏二極管和光敏三極管的特性比較：光照特性光照特性光電流和照度之間的關(guān)系。光電流和照度之間的關(guān)系。n光敏二極管

28、的光照光敏二極管的光照特性是線性特性是線性, ,適合檢適合檢測(cè)。測(cè)。n光敏三極管的光照光敏三極管的光照特性是近似線性特性是近似線性, ,當(dāng)當(dāng)光照足夠大光照足夠大( (幾十幾十Klx)Klx)時(shí)時(shí), ,會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因此既可作為線性轉(zhuǎn)因此既可作為線性轉(zhuǎn)換元件換元件, ,也可作開(kāi)關(guān)也可作開(kāi)關(guān)元件。元件。9.1.3 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管2.2.基本特性基本特性(1) (1) 伏安特性伏安特性: :硅光敏管在不同照度下的伏安特性。硅光敏管在不同照度下的伏安特性。圖圖9-10 9-10 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性(a) 光敏二極管的伏安特性光敏二極管的

29、伏安特性(b)硅光敏晶體管的伏安特性硅光敏晶體管的伏安特性光電流不受偏壓影光電流不受偏壓影響響恒流源。恒流源。偏壓對(duì)光電流有影響。偏壓對(duì)光電流有影響。 在同樣的照度下在同樣的照度下, ,光敏晶體管輸出的光電光敏晶體管輸出的光電流比相同管型的二極管流比相同管型的二極管大上百倍。大上百倍。9.1.3 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管(2) (2) 光譜特性光譜特性實(shí)際應(yīng)用時(shí)實(shí)際應(yīng)用時(shí),n可見(jiàn)光或赤熱狀態(tài)可見(jiàn)光或赤熱狀態(tài)物體的探測(cè)物體的探測(cè),一般都一般都用硅管用硅管;n對(duì)紅外光的探測(cè)對(duì)紅外光的探測(cè),鍺管較適合。鍺管較適合。圖圖9-11 9-11 光敏二極管和晶體管的光譜特性光敏二極管和晶

30、體管的光譜特性9.1.3 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管(3) (3) 頻率特性頻率特性光電流與光電流與光照調(diào)制頻率光照調(diào)制頻率之間的之間的關(guān)系關(guān)系圖圖9-12 9-12 光敏晶體管的頻率特性光敏晶體管的頻率特性減小負(fù)載電阻減小負(fù)載電阻可提高頻率響可提高頻率響應(yīng)應(yīng), ,但輸出電壓但輸出電壓響應(yīng)亦減小。響應(yīng)亦減小。9.1.3 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管光電三極管的頻光電三極管的頻率響應(yīng)比光電二率響應(yīng)比光電二極管差。極管差。(3) (3) 頻率特性頻率特性光電流與光照調(diào)制頻率之間光電流與光照調(diào)制頻率之間的關(guān)系的關(guān)系9.1.3 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶

31、體管對(duì)于鍺管對(duì)于鍺管,入射光的調(diào)制頻入射光的調(diào)制頻率要求在率要求在2KHz以下以下.硅管硅管的頻率響應(yīng)比鍺管好的頻率響應(yīng)比鍺管好.(4) (4) 溫度特性溫度特性指光敏管的暗電流及光電流與指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度的關(guān)系。9.1.3 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管圖圖9-13 9-13 光敏晶體管的溫度特性光敏晶體管的溫度特性光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示 光電池工作原理也是基于光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)，可以直，可以直接接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電。有光線作用時(shí)就是電源，廣泛用于宇航電源，另一

32、類(lèi)用于檢測(cè)和自動(dòng)控源，廣泛用于宇航電源，另一類(lèi)用于檢測(cè)和自動(dòng)控制等。制等。 光電池種類(lèi)很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光光電池種類(lèi)很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。電池、砷化鎵、氧化銅等等。光光電電池池符符號(hào)號(hào)9.1.4 光電池光電池（有源器件）（有源器件）太陽(yáng)能手機(jī)充電器太陽(yáng)能手機(jī)充電器太陽(yáng)能供LED電警示太陽(yáng)能電池9.1.4 光電池光電池1. 1. 結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)入射光照射當(dāng)入射光照射PNPN結(jié)時(shí)結(jié)時(shí), ,若光子的能量足夠大若光子的能量足夠大, ,則可則可以在以在PNPN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)空穴對(duì), ,在結(jié)電場(chǎng)的作用下在結(jié)電場(chǎng)的作用下,

33、 ,空穴空穴移向移向P P型區(qū)型區(qū), ,電子移向電子移向N N型區(qū)型區(qū), ,在在N N區(qū)和區(qū)和P P區(qū)之間出現(xiàn)電位區(qū)之間出現(xiàn)電位差差光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì)9.1.4 光電池光電池圖圖9-14 9-14 硅光電池結(jié)構(gòu)原理圖及等效電路硅光電池結(jié)構(gòu)原理圖及等效電路 結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PNPN結(jié)，上電極為柵結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。 原理：當(dāng)光照射原理：當(dāng)光照射PNPN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對(duì)空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)

34、。一般可產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。一般可產(chǎn)生0.2V0.2V0.6V0.6V電壓電壓50mA50mA電流。電流。 光電池結(jié)構(gòu)光電池結(jié)構(gòu) 光電池工作原理圖光電池工作原理圖 9.1.4 光電池光電池1. 結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理2.2.光電池的基本特性光電池的基本特性(1) (1) 光譜特性光譜特性: :取決于光電池的材料取決于光電池的材料9.1.4 光電池光電池圖圖9-15 9-15 光電池的光譜特性光電池的光譜特性n硒光電池在可見(jiàn)光譜硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高靈敏度范圍內(nèi)有較高靈敏度, ,適適合測(cè)可見(jiàn)光。合測(cè)可見(jiàn)光。n硅光電池應(yīng)用范圍在硅光電池應(yīng)用范圍在400nm400nm1200nm,1200n

35、m,可在很可在很寬的范圍內(nèi)使用。寬的范圍內(nèi)使用。2.2.光電池的基本特性光電池的基本特性(1) (1) 光譜特性光譜特性: :取決于光電池的材料取決于光電池的材料9.1.4 光電池光電池圖圖9-15 9-15 光電池的光譜特性光電池的光譜特性n光電池的選用與光光電池的選用與光 源結(jié)合。源結(jié)合。n光譜特性的峰值與光譜特性的峰值與使用溫度有關(guān)使用溫度有關(guān)(T(T升高升高, ,圖形左移圖形左移) )。(2) (2) 光照特性光照特性指在光電流與照度之間的關(guān)系指在光電流與照度之間的關(guān)系以及光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的關(guān)系以及光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的關(guān)系9.1.4 光電池光電池基本特性基本特性圖圖9-16 9-

36、16 硅光電池的光照特性硅光電池的光照特性n短路電流與光照強(qiáng)度短路電流與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系; ;n開(kāi)路電壓與光照度呈開(kāi)路電壓與光照度呈非線性關(guān)系非線性關(guān)系, ,且當(dāng)照度在且當(dāng)照度在2000 Lx2000 Lx時(shí)趨于飽和。時(shí)趨于飽和。(2) (2) 光照特性光照特性指在光電流與照度之間的關(guān)系指在光電流與照度之間的關(guān)系以及光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的關(guān)系以及光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的關(guān)系9.1.4 光電池光電池基本特性基本特性圖圖9-16 9-16 硅光電池的光照特性硅光電池的光照特性n光電池作為測(cè)量元件光電池作為測(cè)量元件時(shí)時(shí), ,應(yīng)當(dāng)作為應(yīng)當(dāng)作為 源源, ,不宜不宜作為作為 源。源。電流電流電壓

37、電壓n光電池在不同照度下光電池在不同照度下,其內(nèi)阻也不同其內(nèi)阻也不同,應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇電阻使?jié)M足擇電阻使?jié)M足“短路短路”的的條件條件充分利用照度與充分利用照度與光電流的線性關(guān)系。光電流的線性關(guān)系。n負(fù)載電阻越小負(fù)載電阻越小, ,兩者的兩者的線性關(guān)系越好線性關(guān)系越好, ,其線性范其線性范圍越寬。圍越寬。9.1.4 光電池光電池基本特性基本特性(3) (3) 頻率特性頻率特性光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常采用光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常采用調(diào)調(diào)制光制光輸入。即光電池的頻率特性是指輸出電流隨調(diào)輸入。即光電池的頻率特性是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。制光頻率變化的關(guān)系。9.1.4

38、光電池光電池基本特性基本特性(3) (3) 頻率特性頻率特性9.1.4 光電池光電池基本特性基本特性圖圖9-17 9-17 硅光電池和硒光電池的頻率特性硅光電池和硒光電池的頻率特性n頻率特性與材料、頻率特性與材料、結(jié)構(gòu)、使用條件有關(guān)。結(jié)構(gòu)、使用條件有關(guān)。n硅光電池具有較硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)高的頻率響應(yīng),而硒光而硒光電池則較差。電池則較差。(4)(4)溫度特性溫度特性開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。的情況。9.1.4 光電池光電池基本特性基本特性圖圖9-18 9-18 硅光電池的溫度特性硅光電池的溫度特性n開(kāi)路電壓隨溫度的開(kāi)路電壓隨溫度的升高而下降的速度較升

39、高而下降的速度較快快,而短路電流隨溫度而短路電流隨溫度的升高而緩慢增加。的升高而緩慢增加。n該特性關(guān)系到應(yīng)用該特性關(guān)系到應(yīng)用光電池的設(shè)備的光電池的設(shè)備的溫度溫度漂移漂移,影響到測(cè)量和控影響到測(cè)量和控制精度等指標(biāo)。制精度等指標(biāo)。(4)(4)溫度特性溫度特性開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。的情況。9.1.4 光電池光電池基本特性基本特性圖圖9-18 9-18 硅光電池的溫度特性硅光電池的溫度特性n當(dāng)光電池作為測(cè)量元當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)件時(shí),最好能最好能保持溫度保持溫度恒定恒定或或采取溫度補(bǔ)償采取溫度補(bǔ)償措施措施。v 電路連接電路連接光電池作為控制元件時(shí)通常接非線性

40、負(fù)載，光電池作為控制元件時(shí)通常接非線性負(fù)載，控制晶體管工作?？刂凭w管工作。光電池作為電源使用時(shí)，根據(jù)使用要求進(jìn)行光電池作為電源使用時(shí)，根據(jù)使用要求進(jìn)行連接。連接。 需要高電壓時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)使用；需要高電壓時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)使用； 需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。 9.1.4 光電池光電池 硅管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為硅管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.6V0.6V0.7V0.7V，光電池的，光電池的 0.5V0.5V電壓起不到控制作用，可將兩個(gè)光電池串聯(lián)電壓起不到控制作用，可將兩個(gè)光電池串聯(lián) 后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。 有光照

41、度變化時(shí)，引起基極電流有光照度變化時(shí)，引起基極電流IbIb變化，集電極變化，集電極 電流發(fā)生電流發(fā)生倍的變化。電流倍的變化。電流IcIc與光照近似線性關(guān)系與光照近似線性關(guān)系。光電池電路連接光電池電路連接 9.1.4 光電池光電池 電路電路光電池用作太陽(yáng)能電池時(shí)的電路如圖 所示。在黑夜或光線微弱時(shí)，為防止蓄電池經(jīng)過(guò)光電池放電而設(shè)置二極管D。1光電池用作太陽(yáng)能電池光電池用作太陽(yáng)能電池1.1.光電耦合器光電耦合器將發(fā)光元件和接收元件同時(shí)封裝將發(fā)光元件和接收元件同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)而組成的轉(zhuǎn)換元件。在一個(gè)外殼內(nèi)而組成的轉(zhuǎn)換元件。發(fā)光器件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管,隨著二極管正向電壓的不斷增大,正向電流不

42、斷增加,發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也不斷增加,達(dá)到一定閾值時(shí),接收元件開(kāi)始工作。9.1.5 光電耦合器件光電耦合器件通過(guò)電通過(guò)電光、光光、光電，電，兩次轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入輸出耦合。兩次轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入輸出耦合。 以光為媒介進(jìn)行耦合來(lái)傳遞電信號(hào)以光為媒介進(jìn)行耦合來(lái)傳遞電信號(hào),可實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)電隔離電隔離, 因而因而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于它。由于它具有具有單向信號(hào)傳輸功能單向信號(hào)傳輸功能,因而多用于電路隔離、因而多用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。9.1.5 光電耦合器件光電耦合器件光耦光耦(a)(a)光敏三極管型光耦光敏三極管型光耦(b)

43、(b)達(dá)林頓型光耦達(dá)林頓型光耦 “ “光耦光耦”集成器件的特點(diǎn)：輸入輸出完全隔離，集成器件的特點(diǎn)：輸入輸出完全隔離，有獨(dú)立的輸入輸出抗，器件有很強(qiáng)的抗干擾能有獨(dú)立的輸入輸出抗，器件有很強(qiáng)的抗干擾能力和隔離性能可避免振動(dòng)、噪聲干擾。力和隔離性能可避免振動(dòng)、噪聲干擾。 特別適宜特別適宜做數(shù)字電路做數(shù)字電路 開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸、邏輯開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸、邏輯 電路隔離器、計(jì)算機(jī)電路隔離器、計(jì)算機(jī) 測(cè)量、控制系統(tǒng)中做測(cè)量、控制系統(tǒng)中做 無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。9.1.5 光電耦合器件光電耦合器件光耦光耦2.2.光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)當(dāng)有不透光的物體位于當(dāng)有不透光的物體位于透射式開(kāi)關(guān)透射式開(kāi)關(guān)中間或物體中間或物體經(jīng)過(guò)經(jīng)

44、過(guò)反射式開(kāi)關(guān)反射式開(kāi)關(guān)時(shí)時(shí), ,接收元件收到的信號(hào)將發(fā)生變接收元件收到的信號(hào)將發(fā)生變化化, ,產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)脈沖。產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)脈沖。9.1.5 光電耦合器件光電耦合器件圖圖9-20 9-20 光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)透射式透射式反射式反射式光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射與接受器件光軸在與接受器件光軸在同一平面上，以某同一平面上，以某一角度相交，交點(diǎn)一角度相交，交點(diǎn)處為待測(cè)點(diǎn)，當(dāng)有處為待測(cè)點(diǎn)，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)待測(cè)點(diǎn)時(shí)，物體經(jīng)過(guò)待測(cè)點(diǎn)時(shí)，接受元件接收到物接受元件接收到物體表面反射的光線。體表面反射的光線。透射式：當(dāng)不透明物質(zhì)位于中間時(shí)會(huì)阻斷光路，接受器產(chǎn)透射式：當(dāng)不透明物質(zhì)位于中間時(shí)會(huì)阻斷光路，接受器

45、產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。生相應(yīng)的電信號(hào)。電梯平層用光電梯平層用光電開(kāi)關(guān)電開(kāi)關(guān) 電荷耦合器件，又稱(chēng)電荷耦合器件，又稱(chēng)CCDCCD圖象傳感器，是一種圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件電荷耦合器件。具大規(guī)模集成電路光電器件電荷耦合器件。具有光電轉(zhuǎn)換，信息存儲(chǔ)、延時(shí)、傳輸、處理有光電轉(zhuǎn)換，信息存儲(chǔ)、延時(shí)、傳輸、處理等功能。等功能。 特點(diǎn)：集成度高、尺寸小、電壓低（特點(diǎn)：集成度高、尺寸小、電壓低（DC 7DC 712V12V）、功耗小。）、功耗小。 該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化，應(yīng)用微型化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、遍及航天、遙感、天文、通訊、

46、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個(gè)領(lǐng)域。等各個(gè)領(lǐng)域。9.1.6電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 9.1.6電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 基于基于CCDCCD光電耦器件的輸入光電耦器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)9.1.6電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices CCDCCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：基本結(jié)構(gòu)分兩部分： MOSMOS（金屬（金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體）半導(dǎo)體） 光敏元陣列；光敏元陣

47、列； 讀出移位寄存器。讀出移位寄存器。 電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光片上制作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱(chēng)一個(gè)像敏元，一個(gè)光敏元又稱(chēng)一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。按線陣或面陣有規(guī)則地排列。CCDCCD結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面9.1.6電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices . CCD原理原理構(gòu)成構(gòu)成CCD的基本單元是的基本單元是MOS電容器，與其它電容器一電容器，與其它電容器一樣，樣，MOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷電容器能夠存儲(chǔ)電荷

48、 。圖圖8-26 MOS電容的結(jié)構(gòu)電容的結(jié)構(gòu) MOSMOS電容的結(jié)構(gòu)電容的結(jié)構(gòu)v 電荷存儲(chǔ)原理：電荷存儲(chǔ)原理：1 1）表面勢(shì)阱的形成：）表面勢(shì)阱的形成： 如果如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓時(shí)，在其電極下形成所謂屬電極上施加一個(gè)正電壓時(shí)，在其電極下形成所謂耗盡層，由于電子在那里勢(shì)能較低，形成了耗盡層，由于電子在那里勢(shì)能較低，形成了電子的電子的“勢(shì)阱勢(shì)阱”，如圖所示，成為蓄積電荷的場(chǎng)所。，如圖所示，成為蓄積電荷的場(chǎng)所。 勢(shì)阱的形成勢(shì)阱的形成一個(gè)一個(gè)MOSMOS光敏元結(jié)構(gòu)光敏元結(jié)構(gòu) 9.1.6電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） Cha

49、rgeCoupled Devices 2 2）勢(shì)阱對(duì)電子吸收：）勢(shì)阱對(duì)電子吸收： 有光線入射到硅片上時(shí)，有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生光子作用下產(chǎn)生電子電子空穴對(duì)，空穴被電空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢(shì)阱（俘獲），電子被附近勢(shì)阱（俘獲），此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。光強(qiáng)度成正比。 一個(gè)一個(gè)MOSMOS結(jié)構(gòu)元為結(jié)構(gòu)元為MOSMOS光敏元光敏元或一個(gè)或一個(gè)像素像素， 把一個(gè)勢(shì)阱所收集的光生電子稱(chēng)為一個(gè)把一個(gè)勢(shì)阱所收集的光生電子稱(chēng)為一個(gè)電荷電荷包；包； CCDCCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千

50、的MOSMOS元，元，每個(gè)金屬電極加電壓，就形成成百上千個(gè)勢(shì)阱；每個(gè)金屬電極加電壓，就形成成百上千個(gè)勢(shì)阱； 如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。電荷圖象。這就是電荷耦合器件的這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)光電物理效應(yīng)基本原理?；驹怼?.1.6電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 26526518018013313390906666454533332222分辨率不同的圖象比較分辨率不同的圖象比較光電

51、耦合器演示的形成勢(shì)阱9.1.6電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 3、CCD電荷的產(chǎn)生方式電荷的產(chǎn)生方式(信號(hào)輸入信號(hào)輸入) CCD在用作信號(hào)處在用作信號(hào)處理或存儲(chǔ)器件時(shí)，電荷理或存儲(chǔ)器件時(shí)，電荷輸入采用電注入。輸入采用電注入。n CCDCCD通過(guò)輸入通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷?；螂娏鬓D(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。 9.1.6電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 當(dāng)光信號(hào)照射到當(dāng)光信號(hào)照射到CCDCCD硅片表面時(shí)硅片表面時(shí), , 在柵極附

52、近在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)空穴對(duì), , 其多數(shù)載流子（空穴其多數(shù)載流子（空穴）被排斥進(jìn)入襯底）被排斥進(jìn)入襯底, , 而少數(shù)載流子（電子）則被收集在而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢(shì)阱中勢(shì)阱中, , 形成信號(hào)電荷形成信號(hào)電荷, , 并存儲(chǔ)起來(lái)。并存儲(chǔ)起來(lái)。 存儲(chǔ)電荷的多少正比于照射的光強(qiáng)存儲(chǔ)電荷的多少正比于照射的光強(qiáng)背面光注人CCD用作固態(tài)圖像傳感器時(shí), 信號(hào)電荷由光生載流子產(chǎn)生。4、信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移 nCCD的基本功能是的基本功能是存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷n為實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換：為實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換： 1、必須使、必須使MOS電容陣列的

53、排列足夠緊密，以致相電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰鄰MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合相互耦合。2、控制相鄰、控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱深電容柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺的地方流向勢(shì)阱深處。淺，使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺的地方流向勢(shì)阱深處。3、在、在CCD中中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。 光敏元光敏元上的電荷需要經(jīng)過(guò)電路進(jìn)行輸出，上的電荷需要經(jīng)過(guò)電路進(jìn)行輸出，CCDCCD電荷電荷 耦合器件是以耦合器件是以電荷為信號(hào)電荷為信號(hào)而不是電壓電流。而不是電壓電流。 電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存

54、器）讀出移位寄存器讀出移位寄存器也是也是MOSMOS結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化 物、半導(dǎo)體三部分組成。物、半導(dǎo)體三部分組成。 它與它與MOSMOS光敏元的光敏元的區(qū)別區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆蓋了一在于，半導(dǎo)體底部覆蓋了一 層遮光層，防止外來(lái)光線干擾。層遮光層，防止外來(lái)光線干擾。 由三個(gè)十分鄰近的電極組成一個(gè)耦合單元；由三個(gè)十分鄰近的電極組成一個(gè)耦合單元； 在在三個(gè)電極上分別施加脈沖波三相時(shí)鐘脈沖三個(gè)電極上分別施加脈沖波三相時(shí)鐘脈沖 123.123.三相三相CCD信息電荷傳輸原理圖信息電荷傳輸原理圖 當(dāng)當(dāng)t = t1t = t1時(shí)刻，時(shí)刻，11電極下出現(xiàn)勢(shì)阱存入光電荷電極下出現(xiàn)勢(shì)

55、阱存入光電荷當(dāng)當(dāng)t = t2t = t2時(shí)刻，兩個(gè)勢(shì)阱形成大的勢(shì)阱存入光電荷。時(shí)刻，兩個(gè)勢(shì)阱形成大的勢(shì)阱存入光電荷。當(dāng)當(dāng)t = t3t = t3時(shí)刻，時(shí)刻，11中電荷全部轉(zhuǎn)移至中電荷全部轉(zhuǎn)移至22。當(dāng)當(dāng)t = t4t = t4時(shí)刻，時(shí)刻，22中電荷向中電荷向33勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。當(dāng)當(dāng)t = t5t = t5時(shí)刻，時(shí)刻，33中電荷向下一個(gè)中電荷向下一個(gè)11勢(shì)阱轉(zhuǎn)移勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。 讀出移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖讀出移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖 9.1.6電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 6、CCD圖像傳感器n利用利用CCD的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能，得到的光

56、電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在照射在CCD上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)移成了電信號(hào)上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)移成了電信號(hào)“圖像圖像”。n由于由于CCD能實(shí)現(xiàn)低噪聲的電荷轉(zhuǎn)移，并且所有光生能實(shí)現(xiàn)低噪聲的電荷轉(zhuǎn)移，并且所有光生電荷都通過(guò)一個(gè)輸出電路檢測(cè)，且具有良好的電荷都通過(guò)一個(gè)輸出電路檢測(cè)，且具有良好的致致性，因此，對(duì)圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。性，因此，對(duì)圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。nCCD圖像傳感器有圖像傳感器有線列和面陣線列和面陣(1)CCD線列圖像器件線列圖像器件1CCD轉(zhuǎn)移寄存器轉(zhuǎn)移寄存器 2轉(zhuǎn)移控制柵轉(zhuǎn)移控制柵 3積蓄

57、控制電極積蓄控制電極 4PD陣列陣列 SH轉(zhuǎn)移控制柵輸入端轉(zhuǎn)移控制柵輸入端 RS復(fù)位控制復(fù)位控制 VOD漏極輸出漏極輸出 OS圖像信號(hào)輸出圖像信號(hào)輸出 OG輸出控制柵輸出控制柵線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)將一維光信號(hào)轉(zhuǎn)換為將一維光信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻輸出，若要采集視頻輸出，若要采集二維圖像，必須用掃二維圖像，必須用掃描方法實(shí)現(xiàn)。描方法實(shí)現(xiàn)。 典型的線型典型的線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件和兩列圖像傳感器由一列光敏元件和兩列電荷轉(zhuǎn)移部件組成，在它們之間設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，電荷轉(zhuǎn)移部件組成，在它們之間設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，（1）線陣）線陣CCD 線陣線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸可分為

58、雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)。下圖兩種結(jié)構(gòu)。下圖(a)為單溝道，為單溝道，(b)為雙溝道。為雙溝道。將一維光信號(hào)轉(zhuǎn)換為將一維光信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻輸出，若要采集視頻輸出，若要采集二維圖像，必須用掃二維圖像，必須用掃描方法實(shí)現(xiàn)。描方法實(shí)現(xiàn)。(a)x-y 選址選址 (b)行選址行選址 (c)幀場(chǎng)傳輸式幀場(chǎng)傳輸式 (d)行間傳輸式行間傳輸式將二維圖像轉(zhuǎn)將二維圖像轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)換為視頻信號(hào)輸出。輸出。按一定的方式將一維線按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成面型可以構(gòu)成面型CCD圖像圖像傳感器。傳感器。CCDCCD傳感器應(yīng)用時(shí)是將不同光

59、源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)傳感器應(yīng)用時(shí)是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來(lái)裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。要用來(lái)裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。CCDCCD應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種非常有效的非接觸檢測(cè)方法，術(shù)，作為一種非常有效的非接觸檢測(cè)方法，CCDCCD被廣泛用于再線檢測(cè)尺寸、位移、速度、定位和被廣泛用于再線檢測(cè)尺寸、位移、速度、定位和自動(dòng)調(diào)焦等方面。自動(dòng)調(diào)焦等方面。舉例（補(bǔ)充）一、 CCD傳感器應(yīng)用傳感器應(yīng)用線陣CCD進(jìn)行工件尺寸測(cè)量

60、實(shí)例：實(shí)例： 舉例（補(bǔ)充）M2A膠囊 CCD在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用實(shí)例：實(shí)例： 舉例（補(bǔ)充）M2A攝影膠囊（攝影膠囊（Mouth anus）,由發(fā)光二由發(fā)光二極管做光源，極管做光源，CCD做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門(mén)，信號(hào)發(fā)射到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器取下后接入門(mén)，信號(hào)發(fā)射到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器取下后接入計(jì)算機(jī)將圖像進(jìn)行下載。計(jì)算機(jī)將圖像進(jìn)行下載。 尺寸測(cè)量尺寸測(cè)量被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度LpnfanpML) 1(1pnllL21l1 視場(chǎng)視場(chǎng)l2傳感器的長(zhǎng)度傳感器的長(zhǎng)度舉例（補(bǔ)充）5 用于光學(xué)文字識(shí)別裝置用于光學(xué)文字識(shí)別裝置光學(xué)文字識(shí)別裝置光學(xué)文字識(shí)別裝置(OCR)原理原理 舉例（補(bǔ)充）1.