傳感器與信號(hào)檢測(cè)技術(shù)共8章第2章光敏傳感器課件

第2章光敏傳感器

2.0基本概念2.1外光電效應(yīng)及器件2.2

內(nèi)光電效應(yīng)及器件2.3

光生伏特效應(yīng)及器件2.4紅外熱釋電傳感器2.5固態(tài)圖像傳感器CCD

2.6光纖傳感器

2.7光電耦合器件

2.0基本概念

1.光譜可見(jiàn)光波長(zhǎng)0.38μm～0.78μm光速C=f.λ紫外線0.01μm～0.38μm具有熒光作用（熒光燈），生理作用（醫(yī)用紫光燈）光學(xué)玻璃透射弱石英玻璃透射強(qiáng)紅外線0.78μm～1000μm具有熱輻射作用（人體保?。┙t外λ<3μm,遠(yuǎn)紅外λ>3μm（人體輻射9.4μm――遠(yuǎn)紅外內(nèi)衣）2.色譜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，由于波長(zhǎng)的不同。而對(duì)視覺(jué)產(chǎn)生的顏色差異。（人眼的光譜）0.38～0.435～0.49～0.58～0.60～0.65～0.78紫藍(lán)綠黃橙紅電視、電子表、光纖、激光器等產(chǎn)品都有應(yīng)用軍事上：夜視儀，熱像儀，多光譜遙感等。

電磁波譜圖4.光的特性幾何光學(xué)研究光路，透鏡物理光學(xué)研究光的本質(zhì)，光的波動(dòng)，粒子說(shuō)◎把光看作具有一定質(zhì)量、能量、動(dòng)量的粒子（又稱(chēng)光子）又可看作按光速運(yùn)動(dòng)的粒子流。C=f.λ◎光電效應(yīng)：光照射到物體上后，光子轟擊物體表面，物體吸收了光子能量，而產(chǎn)生電的效應(yīng)?！蚬怆娦?yīng)分類(lèi)：⑴外光電效應(yīng)：在光的作用下，使電子溢出物體表面。如光電管、光電倍增管⑵內(nèi)光電效應(yīng)：在光的作用下，使物體的電阻率發(fā)生變化。如光敏電阻⑶光生伏特效應(yīng)：在光的作用下，物體上產(chǎn)生具有一定方向的電動(dòng)勢(shì)。如人造衛(wèi)星上光電池、光敏二極管、三極管。5.發(fā)光器件1）、鎢絲白熾燈光譜連續(xù)（可見(jiàn)光、大量紅外線及少量紫外線）對(duì)光敏器件要求不高，都可使其收到光信號(hào)（某種）工作電壓比額定電壓低10%：光通量減少30%，壽命增3倍工作電壓比額定電壓高10%：光通量增大40%，壽命降1/3倍光電實(shí)驗(yàn)6V12W（連續(xù)可調(diào)）DB雙向觸發(fā)二極管32V導(dǎo)通可調(diào)光臺(tái)燈電路2）、氣體放電燈依靠水銀蒸汽的氣體放電產(chǎn)生紫外線，再利用特殊熒光粉，把紫外線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光啟輝電壓500V工作電壓100V3）、發(fā)光二極管（LED）由半導(dǎo)體組成的，PN結(jié)構(gòu)成，封裝于透明外殼中，所用材料不同，顏色也不同（鎵、砷等）紅、綠、蘭三基色，紅綠較見(jiàn)，藍(lán)色發(fā)明較晚，市面還有白色LED紅色LED開(kāi)啟電壓1.7V“剛剛亮，即為開(kāi)啟”綠色LED開(kāi)啟電壓2.2V紅外LED開(kāi)啟電壓<1.5V反向擊穿電壓<5V注：不能反接，會(huì)損壞件電阻300—10K工作電流IF=10mA（經(jīng)典）最大電流IFm=40mA~25mA4）、激光器1960年激光問(wèn)世，廣泛用于工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)、“非電量電測(cè)”等常用激光器有固體、液體、氣體、半導(dǎo)體激光器2.1外光電效應(yīng)及器件2.2.1外光電效應(yīng)在光照射下,電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng),亦稱(chēng)光電發(fā)射效應(yīng)。它是在1887年由德國(guó)科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)的?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍培管等。2.2.2光電管

光電管是一種具有悠久歷史的光傳感器。光電管是一個(gè)裝有光電陰極和陽(yáng)極的真空玻璃管,有很多種,如圖2.2所示。圖中左邊的一種,光電陰極是在玻璃管內(nèi)壁涂上陰極涂料構(gòu)成的;右邊的一種,光電陰極是在玻璃管內(nèi)裝入涂有陰極涂料的柱面形極板構(gòu)成的。

圖2.2光電管示意圖◎原理:當(dāng)入射光照在陰極上時(shí)，陰極發(fā)射出電子，陽(yáng)極收集電子在整個(gè)電路中形成光電流IΦ，RL兩端就有輸出電壓。當(dāng)光通量一定時(shí),陽(yáng)極電壓與陽(yáng)(陰)極電流的關(guān)系,叫光電管的伏安特性曲線,如圖2.3所示。當(dāng)入射光比較弱時(shí),由于光電子較少,只用較低的陽(yáng)極電壓就能收集到所有的光電子,而且輸出電流很快就可以達(dá)到飽和;當(dāng)入射光比較強(qiáng)時(shí),使輸出電流達(dá)到飽和,則需要較高的陽(yáng)極電壓。光電管的工作點(diǎn)應(yīng)選在光電流與陽(yáng)極電壓無(wú)關(guān)的飽和區(qū)域內(nèi)。由于這部分動(dòng)態(tài)阻抗(dU/dI)非常大,以致可以看作恒定電流源,能通過(guò)大的負(fù)載阻抗取出輸出電壓。光電管的靈敏度較低,有一種充氣光電管,在管內(nèi)充以少量的惰性氣體,如氬或氖(或充氦,也有充混合氣體的)。當(dāng)光電陰極被光照射發(fā)射電子時(shí),光電子在趨向陽(yáng)極的途中撞擊惰性氣體的原子,使其電離(湯姆生放電),從而使陽(yáng)極電流急速增加(電子倍增作用),提高了光電管的靈敏度。充氣光電管的電壓-電流特性不具有真空光電管的那種飽和特性,而是達(dá)到充氣離子化電壓附近時(shí),陽(yáng)極電流急速上升,如圖2.4所示。急速上升部分的特性就是氣體放大特性,放大系數(shù)為5~10。充氣光電管的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,但其靈敏度隨電壓顯著變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差。所以在測(cè)試中一般選用真空光電管。圖2.4充氣光電管的電壓-電流特性真空光電管的時(shí)間響應(yīng)特性很好,從光子變換為光電子只需10-12s的時(shí)間,因此可以忽略不計(jì)。占時(shí)間比較多的是光電子從陰極到陽(yáng)極的時(shí)間Δt。在外加電壓為U,平板電極間隔為d時(shí),Δt值的粗略估算為

2.2.3光電倍增管用光電管對(duì)微弱光進(jìn)行檢測(cè)時(shí),光電管產(chǎn)生的光電流很小,由于放大部分所產(chǎn)生的噪聲比決定光電管本身檢測(cè)能力的光電流散粒效應(yīng)噪聲大得多,檢測(cè)極其困難。若要解決對(duì)微弱光的檢測(cè),就要用光電倍增管。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng),將光電流在管內(nèi)部進(jìn)行放大。所謂二次電子釋放效應(yīng)是指高速電子撞擊固體表面,再發(fā)射出二次電子的現(xiàn)象。圖2.5為光電倍增管示意圖。它由光電陰極、若干倍增極和陽(yáng)極三部分組成。圖2.5光電倍增管示意圖倍增極的形狀和位置設(shè)計(jì)得正好能使前一級(jí)倍增極發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊后一級(jí)倍增極。從陰極開(kāi)始及在每個(gè)倍增極間依次加上加速電壓。設(shè)每級(jí)的倍增率為δ,經(jīng)過(guò)N個(gè)倍增極后,光電倍增管的光電流倍增率將為δN。δ稱(chēng)為二次電子發(fā)射比。δ不僅與物質(zhì)的種類(lèi)和表面狀態(tài)有關(guān),而且隨著一次電子能量以及光的入射角的不同有很大的差異。表2.1列出了幾種物質(zhì)的δmax值。圖2.6倍增器電極間電壓與總放大倍數(shù)的關(guān)系圖2.7給出幾種常見(jiàn)的光電倍增管結(jié)構(gòu)。(a)是很早就得到應(yīng)用的側(cè)窗聚焦型,光電面是不透明的,從光的入射側(cè)取出電子。(b)是直接定向線性聚焦型,(c)是直接定向百葉窗型,(d)是直接定向柵格型。(b)~(d)都是直接定向型,光電面是透明的。這幾種類(lèi)型的電極構(gòu)造各有特點(diǎn)。在(a)、(b)中電極的配置起到光學(xué)透鏡的作用,叫作聚焦型,由于電子飛行的時(shí)間短,時(shí)間滯后也小,所以響應(yīng)速度快。(c)是百葉窗型,(d)是柵格型,電子飛行時(shí)間都比較長(zhǎng),但不必要細(xì)致地調(diào)整倍增器電極間的電壓分配就能獲得較大的增益。圖2.8為幾種光電倍增管的外形。

圖2.7幾種常見(jiàn)光電倍增管的結(jié)構(gòu)倍增極的電壓是由分壓電阻鏈R1、R2、…、RN+1獲得,如圖2.9所示。由流經(jīng)負(fù)載電阻RL的放大電流輸出電壓。總的外加電壓通常在300~700V范圍內(nèi)。如果光電倍增管用來(lái)連續(xù)監(jiān)控很穩(wěn)定的光源,電容C1、C2等可以省去。使用中往往將電源正極接地,使陽(yáng)極可以直接接到放大器的輸入端,而不使用隔離電容。這樣系統(tǒng)將能響應(yīng)變化很慢的光強(qiáng)。如果將穩(wěn)定的光源加以調(diào)制,則可用電容器耦合。圖2.9光電倍增管倍增極的分壓電阻鏈在脈沖應(yīng)用時(shí),最好把電源負(fù)極接地,這樣有利于降低噪聲。這時(shí)輸出可通過(guò)電容和下一級(jí)放大器耦合。電容器C1、C2等常用來(lái)穩(wěn)定最后幾個(gè)倍增極在脈沖期間的電壓,這些電容器有助于穩(wěn)定增益和防止飽和,它們通過(guò)電源去耦電容C對(duì)脈沖電壓接地。光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。在光線作用下,物體的電導(dǎo)性能改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）,如光敏電阻等就屬于這類(lèi)光電器件。2.3.1光敏電阻1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)原理光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng):在無(wú)光照時(shí),光敏電阻具有很高的阻值;在有光照時(shí),當(dāng)光子的能量大于材料禁帶寬度,價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶,激發(fā)出可以導(dǎo)電的電子-空穴對(duì),使電阻降低;光線愈強(qiáng),激發(fā)出的電子-空穴對(duì)越多,電阻值越低;光照停止后,自由電子與空穴復(fù)合,導(dǎo)電性能下降,電阻恢復(fù)原值。制作光敏電阻的材料常用硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）和銻化銦（InSb）等。2.2內(nèi)光電效應(yīng)及器件光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖2.10所示。由于光電導(dǎo)效應(yīng)只限于光照表面的薄層,一般都把半導(dǎo)體材料制成薄膜,并賦予適當(dāng)?shù)碾娮柚?電極構(gòu)造通常做成梳形,如圖2.11所示。這樣,光敏電阻電極之間的距離短,載流子通過(guò)電極的時(shí)間Tc少,而材料的載流子壽命τc又比較長(zhǎng),于是就有很高的內(nèi)部增益G,從而可獲得很高的靈敏度。為了避免外來(lái)干擾,外殼的入射孔用能透過(guò)所需光譜光線的透明保護(hù)窗(如玻璃),有時(shí)用專(zhuān)門(mén)的濾光片作保護(hù)窗。光敏電阻管芯怕潮濕,為了避免受潮,光電半導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在殼體中或在其表面涂防潮樹(shù)脂涂料。光敏電阻具有靈敏度高,光譜響應(yīng)范圍寬,體積小,重量輕,機(jī)械強(qiáng)度高,耐沖擊,抗過(guò)載能力強(qiáng),耗散功率大,以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。圖2.10光敏電阻結(jié)構(gòu)圖圖2.11光敏電阻的電極構(gòu)造2.光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)1)暗電阻和暗電流室溫條件下,光敏電阻在全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)得的電阻值,稱(chēng)為暗電阻。此時(shí)在給定工作電壓下流過(guò)光敏電阻的電流稱(chēng)為暗電流。光敏電阻在某一光照下的阻值,稱(chēng)為該光照下的亮電阻,此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。2)光照特性

光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系,稱(chēng)為光敏電阻的光照特性。不同類(lèi)型的光敏電阻,光照特性不同。但多數(shù)光敏電阻的光照特性類(lèi)似于圖2.12中的曲線形狀。圖2.12光敏電阻的光照特性3)光譜特性光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光,光譜靈敏度不同,而且不同種類(lèi)光敏電阻峰值波長(zhǎng)也不同。光敏電阻的光譜靈敏度和峰值波長(zhǎng)與所采用材料、摻雜濃度有關(guān)。圖2.13為硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈光敏電阻的光譜特性曲線。由圖可見(jiàn),硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值在可見(jiàn)光區(qū)域,接近人的視覺(jué)特性;而硫化鉛在紅外區(qū)域。在選用光敏電阻時(shí),應(yīng)和光源的光譜特性相匹配,以取得好的效果。

圖2.13光敏電阻的光譜靈敏度4)伏安特性在一定照度下,光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系,稱(chēng)為伏安特性。硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線如圖2.14所示。由曲線可知,在給定的偏壓下,光照度越大,光電流也越大;在一定的光照度下,電壓越大,光電流越大,且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。但是不能無(wú)限制地提高電壓,任何光敏電阻都有最大額定功率,最高工作電壓和最大額定電流。超過(guò)最大工作電壓和最大額定電流,都可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的,而光敏電阻的耗散功率又與面積大小以及散熱條件等因素有關(guān)。圖2.14光敏電阻的伏安特性5)穩(wěn)定性初制成的光敏電阻,光電性能不穩(wěn)定,需進(jìn)行人工老化處理,即人為地加溫、光照和加負(fù)載,經(jīng)過(guò)一至二星期的老化,使其光電性能趨向穩(wěn)定。人工老化后,光電性能就基本上不變了。常用材料光敏電阻的典型參數(shù)如表2.3所示，以供參考。表2.3光敏電阻的典型參數(shù)3.基本電路分析計(jì)算

基本電路的分析計(jì)算,通常是從等效電路和伏安特性曲線進(jìn)行分析。光敏電阻在受到的光照變化時(shí)其電阻值將作相應(yīng)變化。為了引出信號(hào)常將其和負(fù)載電阻串聯(lián),從光敏電阻的兩端或負(fù)載電阻的兩端引出信號(hào)。其在電路中的作用,可借助圖2.19所示的基本電路來(lái)進(jìn)行分析。一個(gè)實(shí)際的光敏電阻開(kāi)關(guān)電路如圖2.20所示。圖2.19光敏電阻的基本電路圖2.20一個(gè)實(shí)際的光敏電阻開(kāi)關(guān)電路在光線作用下,能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng),即阻擋層光電效應(yīng),如光電池、光敏晶體管等就屬于這類(lèi)光電器件。2.3.1光電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)的。是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源,電路中有了這種器件就不需要外加電源。 光電池的種類(lèi)很多,有硒光電池、氧化亞銅光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。其中硅光電池的光電轉(zhuǎn)換效率高,壽命長(zhǎng),價(jià)格便宜,適合紅外波長(zhǎng)工作,是最受重視的光電池。2.3光生伏特效應(yīng)器件1.光電池工作原理

硅光電池是在N型硅片中摻入P型雜質(zhì)形成一個(gè)大面積的PN結(jié),如圖2.45所示。光電池的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于光電二極管,區(qū)別在于硅光電池用的襯底材料的電阻率低,約為0.1~0.01Ω·cm,而硅光電二極管襯底材料的電阻率約為1000Ω·cm。上電極為柵狀受光電極,下電極為襯底鋁電極。柵狀電極能減少電極與光敏面的接觸電阻,增加透光面積。其上還蒸鍍抗反射膜,既減少反射損失,又對(duì)光電池起保護(hù)作用。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí),如果在兩電極間串接負(fù)載電阻,則電路中便產(chǎn)生了電流,如圖2.46所示。

圖2.45硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖圖2.46硅光電池電原理圖2.光電池的基本特性1)光譜特性光電池的光譜特性如圖2.47所示。從圖中可知,不同材料的光電池,峰值波長(zhǎng)不同。圖2.47光電池的光譜特性2)光照特性

硅光電池的光照特性,如圖2.48所示。由圖可見(jiàn),硅光電池的短路電流與光照有較好的線性關(guān)系,而開(kāi)路(負(fù)載電阻RL趨于無(wú)限大時(shí))電壓與照度的關(guān)系是非線性的（呈對(duì)數(shù)關(guān)系）,而且在光照度2000lx時(shí)就趨向飽和了。圖2.48硅光電池的光照特性因此,光電池作為測(cè)量元件使用時(shí),應(yīng)利用短路電流與照度有較好線性關(guān)系的特點(diǎn),可當(dāng)作電流源使用,而不宜當(dāng)作電壓源使用。所謂短路電流是指外接負(fù)載電阻遠(yuǎn)小于光電池內(nèi)阻時(shí)的電流。從實(shí)驗(yàn)可知,負(fù)載越小,光電流與照度之間的線性關(guān)系越好,而且線性范圍越寬。負(fù)載在100Ω以下,線性還是比較好的,負(fù)載電阻太大,則線性變壞,如圖2.49所示。圖2.49硅光電池光照特性與負(fù)載的關(guān)系3)頻率特性光電池的頻率特性是指相對(duì)輸出電流與光的調(diào)制頻率之間的關(guān)系。所謂相對(duì)輸出電流是指高頻輸出電流與低頻最大輸出電流之比。圖2.50是光電池的頻率特性曲線。在光電池作為測(cè)量、計(jì)算、接收器件時(shí),常用調(diào)制光作為輸入。由圖可知硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)（曲線2）,而硒光電池則較差（曲線1）。因此,在高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采用硅光電池。圖2.50光電池的頻率特性曲線4)溫度特性光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓Uoc和短路電流Isc隨溫度變化的關(guān)系。圖2.51為硅光電池在照度為1000lx下的溫度特性曲線。由圖可知,開(kāi)路電壓隨溫度上升下降很快,但短路電流隨溫度的變化較慢。溫度特性影響應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移,以及測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)。當(dāng)其用作測(cè)量器件時(shí),最好能保持溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。圖2.51硅光電池的溫度特性曲線5)伏安特性所謂伏安特性,是在光照一定的情況下,光電池的電流和電壓之間的關(guān)系曲線。圖2.52畫(huà)出了按圖2.46所示電路測(cè)量的、硅光電池在受光面積為1cm2的伏安特性曲線。圖中還畫(huà)出了0.5、1、3kΩ的負(fù)載線。負(fù)載線（如0.5kΩ）與某一照度(如900lx)下的伏安特性曲線相交于一點(diǎn)(如A),該點(diǎn)(A)在I和U軸上的投影即為在該照度（900lx)和該負(fù)載（0.5kΩ）時(shí)的輸出電流和電壓。圖2.52硅光電池的伏安特性曲線6)穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí),光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的,使用壽命也很長(zhǎng)。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有關(guān)外,在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切關(guān)系。如在高溫和強(qiáng)光照射下,會(huì)使光電池的性能變壞,而且降低使用壽命,這在使用中要加以注意。表2.7給出了幾種硅光電池的性能參數(shù),以供參考。

表2.7幾種硅光電池的性能參數(shù)3.電路分析和計(jì)算1)作電流源使用光電池短路電流與照度有較好的線性關(guān)系,作為測(cè)量元件使用時(shí),常當(dāng)作電流源使用。光電池的受光面積,一般要比光電二極管和光電三極管大得多,因此它的光電流比后兩者大,受光面積越大光電流也越大,適于需要輸出大電流的場(chǎng)合。前面圖2.52已給出了硅光電池的輸出伏安特性曲線。由圖可見(jiàn),對(duì)于0.5kΩ的負(fù)載線,照度每變化100lx時(shí),相應(yīng)的負(fù)載線上的線段基本上相等,輸出電流和電壓隨照度變化有較好的線性。而對(duì)于3kΩ的負(fù)載線,照度每變化100lx時(shí),相應(yīng)的負(fù)載線上的線段不等,輸出電流和電壓與照度的關(guān)系就會(huì)出現(xiàn)非線性。在光電檢測(cè)中,在一定的負(fù)載下工作,希望輸出電流和電壓與照度成線性關(guān)系。要確定這樣的負(fù)載線,只要將工作中最大照度(圖中為900lx)的伏安特性曲線上的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)A與原點(diǎn)O連成直線,就是所需的負(fù)載線。在檢測(cè)中,如要求光電池性能穩(wěn)定,有好的線性關(guān)系,則負(fù)載電阻應(yīng)取得小一些,電阻越小性能越好,即負(fù)載線應(yīng)在OA線的左面。這時(shí)輸出的電壓雖有所減少,但光電流基本不變。反之,如果光電池的負(fù)載電阻已定,例如0.5kΩ,則線性關(guān)系成立的最大的照度(在圖中為900lx)可從伏安特性曲線確定,照度超過(guò)此值,則電流和電壓與照度成非線性關(guān)系。圖中伏安特性曲線是在受光面積為1cm2的情況下得到的。如果受光面積不是1cm2,則光電流的大小應(yīng)作相應(yīng)改變。另外,由于不同光源頻譜不同,當(dāng)光源的種類(lèi)不同(例如太陽(yáng)光、白熾燈、螢光燈等)時(shí),即使照度相同,光電池的輸出也不相同,輸出與照度成比例的范圍(或最大照度)亦有區(qū)別。圖2.53光電池接非線性負(fù)載的情況光電池有時(shí)接非線性負(fù)載,例如接至晶體管基極,如圖2.53(a)所示的情況。當(dāng)硅光電池與鍺管相接時(shí),鍺管的基極工作電壓在0.2~0.3V之間,而硅光電池的開(kāi)路電壓可達(dá)0.5V左右(有負(fù)載時(shí)電壓小于0.5V),因此,可把光電池直接接至鍺管的基極使它工作。利用圖2.53(b)的圖解分析可知,當(dāng)照度自100lx變至800lx時(shí),鍺管中的基極電流IB(圖中光電池伏安曲線與鍺管輸入特性曲線AB的交點(diǎn))和集電極電流IC=βIB與照度Eν幾乎成線性變化。對(duì)于硅管,其基極的工作電壓為0.6~0.7V,一個(gè)光電池不能直接控制它的工作。這時(shí)可用兩個(gè)光電池串聯(lián);也可用如圖2.54所示的電路。圖中(a)和(b)分別用可變電阻RW和二極管D產(chǎn)生所需的附加電壓,假設(shè)為0.3V至0.5V。這樣光電池本身只需0.2V至0.4V的光電動(dòng)勢(shì)就可以控制晶體管的工作了。圖2.54(a)中采用了可變電阻RW,其優(yōu)點(diǎn)是光電池所需的附加電壓可任意調(diào)節(jié);(b)中采用了二極管D,其特點(diǎn)是對(duì)晶體管的工作點(diǎn)隨溫度的變化有補(bǔ)償作用,但二極管的正向壓降為確定的數(shù)值,不能任意調(diào)節(jié)。其工作情況,亦可用圖2.53(b)的類(lèi)似方法進(jìn)行圖解分析。光電計(jì)數(shù)器、光電繼電器等開(kāi)關(guān)電路經(jīng)常采用圖2.54所示的線路。圖2.54用可變電阻RW、二極管D產(chǎn)生所需的附加電壓2)作電壓源使用硅光電池的開(kāi)路（負(fù)載電阻RL趨于無(wú)限大時(shí)）電壓與照度的關(guān)系是非線性的,因此,作為測(cè)量元件使用時(shí),一般不宜當(dāng)作電壓源使用。而且硅光電池的開(kāi)路電壓最大也只有0.6V左右,因此如果希望得到大的電壓輸出,不如采用光電二極管和光電三極管,因?yàn)樗鼈冊(cè)谕饧臃聪螂妷合鹿ぷ?可得到幾伏甚至十幾伏的電壓輸出。但如果照度跳躍式變化,如從零跳變至某值,對(duì)電壓的線性關(guān)系無(wú)要求,光電池可有0.5V左右(開(kāi)路電壓)的電壓變化,亦可適合于開(kāi)關(guān)電路或繼電器工作狀態(tài)。若要增加光電池的輸出電壓,類(lèi)似于光電二極管可加反向電壓,如圖2.55(a)所示,有時(shí)為了改善線性亦可加反向電壓。為加以說(shuō)明,光電池的伏安特性曲線畫(huà)于圖2.55(b)。圖中畫(huà)出了光電池加反向電壓時(shí)的負(fù)載線A′B′和不加反向電壓時(shí)的負(fù)載線AB。在相同負(fù)載電阻RL情況下,這兩條負(fù)載線互相平行。顯然,工作于A′B′段要比工作于AB段為好,在同樣的照度變化下(自0變至3Φ),不論電壓或電流變化的大小都成線性關(guān)系。但光電池加反向電壓后的暗電流和噪聲有所增大,因而要選用反向暗電流小的光電池,并注意光電池不能因加反向電壓而擊穿。圖2.55加反向電壓的光電池(a)電路；(b)伏安特性曲線圖2-59路燈自動(dòng)控制器電路

2.3.2光電二極管和光電三極管光電二極管是利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件,結(jié)構(gòu)與一般二極管類(lèi)似。PN結(jié)安裝在管的頂部,便于接受光照。外殼上面有一透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上。為了獲得盡可能大的光生電流,PN結(jié)的面積比一般二極管要大。為了光電轉(zhuǎn)換效率高,PN結(jié)的深度較一般二極管淺。光電二極管電路原理如圖2.33所示。光電二極管可工作在兩種工作狀態(tài)。大多數(shù)情況下工作在反向偏壓狀態(tài)。圖2.33光電二極管結(jié)構(gòu)原理圖光電三極管與光電二極管相似,不過(guò)內(nèi)部有兩個(gè)PN結(jié),類(lèi)似一般三極管也有PNP型和NPN型。和一般三極管不同的是它的發(fā)射極一邊尺寸很小,以擴(kuò)大光照面積,如圖2.34（a）所示。它可以等效看作一個(gè)光電二極管和一只晶體三極管的結(jié)合,如圖2.34（b）所示。當(dāng)基極開(kāi)路時(shí),基極集電極處于反偏,有光照時(shí)形成的光電流ICO作為基極電流被晶體管放大,其放大原理與一般晶體三極管相同,這樣ICO被放大β倍,一般放大倍數(shù)β為幾十,因此光電三極管的靈敏度比光電二極管的靈敏度高幾十倍。圖2.34光電三極管結(jié)構(gòu)原理圖1.光電管的基本特性1)光譜特性

圖2.35為光電二極管的光譜特性曲線,光電三極管的光譜特性曲線與光電二極管的相似。由圖可見(jiàn),當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí),相對(duì)靈敏度要下降,這是因?yàn)楣庾拥哪芰縣ν太小,不足以激發(fā)出電子-空穴對(duì)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)相對(duì)靈敏度也下降,這是因?yàn)楣庾釉诎雽?dǎo)體表面附近激發(fā)的電子—空穴在半導(dǎo)體表面附近便被吸收,不能達(dá)到PN結(jié)。由圖可知,材料不同,響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)也不同。因此,應(yīng)根據(jù)光譜特性來(lái)確定光源和光電器件的最佳匹配。一般來(lái)講，鍺管的暗電流較大,因此性能較差,故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí),一般都用硅管。但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí),則鍺管較為適宜。圖2.35光電管的光譜特性曲線2)光照特性光照特性反映集電極輸出電流IC和照度EC之間的關(guān)系,如圖2.36所示。三極管的光照特性曲線線性不太好,在大電流時(shí)有飽和現(xiàn)象。光電二極管在反向偏壓的作用下,光照特性曲線有良好的線性。圖2.36光電三極管的光照特性曲線3)伏安特性圖2.37為光電管的伏安特性。由圖可見(jiàn),光電管的伏安特性與一般晶體三極管類(lèi)似,差別在于參變量不同:晶體三極管的參變量為基極電流,而光電管的參變量是入射的光照度。

光電三極管的光電流比相同管型的二極管大好幾十倍,而且在零偏壓時(shí),二極管有光電流輸出(如(a)所示),而三極管沒(méi)有(如(b)所示)。圖2.37光電管的伏安特性（a）二極管；（b）三極管4)溫度特性溫度對(duì)光電管暗電流和光電流的影響,如圖2.38所示。從圖可見(jiàn),溫度變化對(duì)光電流的影響很小,而對(duì)暗電流影響很大。暗電流隨溫度升高是由于熱激發(fā)造成的。在高溫低照度下工作時(shí),由于溫度升高而產(chǎn)生的電流變化是一個(gè)必須考慮的誤差信號(hào)。當(dāng)交流放大時(shí),由于隔直電容的作用,暗電流被隔斷,因此消除了溫度升高及暗電流增加對(duì)輸出的影響。圖2.38溫度對(duì)光電管暗電流和光電流的影響5)頻率響應(yīng)(特性)和時(shí)間常數(shù)光電管的頻率響應(yīng)是指,一定頻率的調(diào)制光照射時(shí),光電管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系。光電管的頻率響應(yīng)與其物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。圖2.39為硅光電三極管的頻率響應(yīng)曲線。圖2.39硅光電三極管的頻率響應(yīng)曲線光電管的時(shí)間常數(shù)一般在10-10~10-4s之間,硅管時(shí)間常數(shù)較小,響應(yīng)頻率高。有些特殊用途的光電管,如硅PIN光電二極管其響應(yīng)頻率高達(dá)幾百兆赫茲,暗電流小到1nA。表2.4給出了幾種硅光電二極管的特性參數(shù),表2.5給出了幾種硅PIN光電二極管的特性參數(shù),表2.6給出了幾種硅（鍺）光電三極管的特性參數(shù),以供參考。表2.4幾種硅光電二極管的特性參數(shù)表2.5幾種硅PIN光電二極管的特性參數(shù)表2.6幾種硅（鍺）光電三極管的特性參數(shù)圖2-55光電控制電路+V圖2-56光電控制電路

2.3.3PIN型硅光電二極管

PIN型硅光電二極管是一種高速光電二極管。設(shè)計(jì)思想是,為了得到高速響應(yīng),需要減小二極管的PN結(jié)的電容。為此,PIN光電二極管是在大量摻入雜質(zhì)的P型和N型硅片層之間插入高阻抗的本征半導(dǎo)體材料層(I層),如圖3.56所示。插入高阻抗的本征半導(dǎo)體材料層(I層)可提高二極管的響應(yīng)速度和靈敏度。各層結(jié)合面的電容很小,對(duì)受光面積加以限制則能把電容進(jìn)一步減小,各層結(jié)合面的電容是通常的PN結(jié)的1/100~1/1000。圖3.56PIN型硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.4雪崩式光電二極管(APD)

雪崩式光電二極管具有高速響應(yīng)和放大功能。其結(jié)構(gòu)如圖3.57所示,是在PN結(jié)的P層一側(cè)再設(shè)置一層摻雜濃度極高的P+(重?fù)诫s)層而構(gòu)成,是在PN結(jié)光電二極管上施加較大的反偏壓,利用PN結(jié)處產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)而制成的電子倍增管。使用時(shí),在元件兩端加上近于擊穿的反偏壓。外來(lái)的光線通過(guò)薄的P+層,然后被P層吸收,產(chǎn)生載流子。由于P層存在著105V/cm的電場(chǎng),電荷載流子能從電場(chǎng)獲取足夠的能量,將位于價(jià)帶上的電子沖擊離子化,就不斷地產(chǎn)生(雪崩效應(yīng)),使光電流在管內(nèi)部得到倍增。圖3.57雪崩式光電二極管有倍增時(shí)的光電流Is與無(wú)倍增時(shí)的光電流Is0之比稱(chēng)為光電倍增因子M。有經(jīng)驗(yàn)公式式中,UＢ為擊穿電壓,U為外加電壓,α為與材料、摻雜情況及入射波長(zhǎng)有關(guān)的系數(shù)。對(duì)于硅α=1.5~4;鍺α=2.5~3。光電倍增因子M可從數(shù)十到數(shù)百。采用硅和鍺材料的雪崩式光電二極管的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍分別為0.4～1μm和0.5～1.5μm。這種元件的優(yōu)點(diǎn)是它提供的高電流增益能極大地提高靈敏度,能有效地讀取微弱光線,常用作0.8μm范圍的光纖通信的受光裝置和光磁盤(pán)的受光元件。其不足之處是,線性較差,工作時(shí)要求很高的電壓建立必要的極電場(chǎng),而且其增益對(duì)偏置電壓和溫度十分敏感,因此要求非常穩(wěn)定的工作環(huán)境。

2.3.5半導(dǎo)體色敏傳感器

半導(dǎo)體色敏傳感器可用來(lái)直接測(cè)量從可見(jiàn)光到紅外波段內(nèi)單色輻射的波長(zhǎng)。半導(dǎo)體色敏傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.58(a)所示。它有兩個(gè)深淺不同的PN結(jié),形成反向連接的兩個(gè)光電二極管PD1和PD2,故又稱(chēng)為雙結(jié)光電二極管。當(dāng)外部光照射到色敏器件上時(shí),P1層吸收光子產(chǎn)生電子—空穴對(duì),電子擴(kuò)散到P1N結(jié),形成電流I1。在N層中吸收透過(guò)P1層的長(zhǎng)波光,產(chǎn)生電子—空穴對(duì),其中一半向P1層一側(cè)擴(kuò)散,另一半向P2層一側(cè)擴(kuò)散,分別形成電流I2和I3。到達(dá)P2層的紅外光區(qū)域的光在這里被吸收,產(chǎn)生電子,擴(kuò)散到P2N結(jié),形成電流I4。光電二極管PD1和PD2的短路電流Isc1和Isc2為圖3.58半導(dǎo)體色敏傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路(a)結(jié)構(gòu);(b)等效電路光電二極管的光譜特性與PN結(jié)的結(jié)深有關(guān),在靠近表面的PN結(jié)的PD1對(duì)短波長(zhǎng)的光比較靈敏,而遠(yuǎn)離表面的PN結(jié)的PD2對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)比較靈敏。上面的一個(gè)PN結(jié)距離上表面約0.5μm,對(duì)580nm波長(zhǎng)具有峰值靈敏度,距上表面深度為10μm的另一PN結(jié),對(duì)900nm波長(zhǎng)具有峰值靈敏度。圖3.59示出了兩個(gè)光電二極管的光譜靈敏度特性曲線。為了測(cè)定入射光的波長(zhǎng),僅有這兩個(gè)光電二極管的光譜靈敏度特性曲線還不夠。為此,將這兩個(gè)光電二極管等效電路串聯(lián)連接,先取出PD1的短路電流Isc1及PD2的短路電流Isc2,然后測(cè)出它們的電流比Isc2/Isc1,如圖3.58(b)所示。該短路電流比與波長(zhǎng)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,如圖3.60所示。因此,如果測(cè)出短路電流比,就可以求出對(duì)應(yīng)的入射光的波長(zhǎng),即可分辨出不同的顏色。實(shí)際應(yīng)用的比較電路如圖3.61所示。c1和Ic2分別由各自的運(yùn)算放大器放大,同時(shí)也進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮。將信號(hào)引入下一級(jí)的比較電路,就可得到Isc2/Isc1之比值。這樣得出的輸出電壓U0,也是與波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)的,如圖3.62所示。可檢測(cè)出從400~1000nm以上范圍內(nèi)的波長(zhǎng)。圖3.59光電二極管的光譜靈敏度特性圖3.60短路電流比與波長(zhǎng)的關(guān)系圖3.61具體的比較電路圖3.62輸出電壓與波長(zhǎng)的關(guān)系

2.3.6光電閘流晶體管

光電閘流晶體管是由入射光觸發(fā)而導(dǎo)通的可控硅,簡(jiǎn)稱(chēng)光控晶閘管,通常又稱(chēng)光激可控硅。其結(jié)構(gòu)如圖3.63(a)所示。在硅片上作成NPNP四個(gè)薄層,陽(yáng)極置于基片上,最上面的N區(qū)為陰極,緊接著陰極的P層為控制極,在表面上作一層SiO2保護(hù)膜,再密封在有透光窗口的管殼中,最后接出引線。其工作原理電路及常用符號(hào)如圖3.63(b)所示。當(dāng)P1接電源正極,N2接電源負(fù)極時(shí),J1結(jié)和J3結(jié)處于正向,J2結(jié)處于反向。其等效電路類(lèi)似于可控硅,四層結(jié)構(gòu)可以看成P1N1P2和N2P2N1兩個(gè)晶體管在內(nèi)部連接在一起而構(gòu)成,且每個(gè)晶體管的基極均與另一個(gè)晶體管的集電極相連。等效電路中的二極管D用來(lái)表示J2的PN結(jié)的反向漏電流。設(shè)兩個(gè)三極管V1和V2的共基極(短路)電流放大系數(shù)(小于1)為α1、α2,則有如下的關(guān)系:圖3.63光電閘流晶體管結(jié)構(gòu)以及原理電路和常用符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)；(b)原理電路則光控晶閘管的導(dǎo)通電流IA為因

IP的大小取決于光照射,IG可為零。當(dāng)滿足α1+α2=1,在光照射時(shí)IP增加,IA將急劇增大,晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。

2.3.7達(dá)林頓光電三極管達(dá)林頓光電三極管是光電三極管與普通三極管內(nèi)部采用達(dá)林頓接線方式集成在一起的組件,如圖3.68所示。達(dá)林頓管為兩個(gè)NPN三極管組成的復(fù)合電路,輸入晶體管是光電三極管,輸出是普通的NPN晶體管。達(dá)林頓管的增益很大,其電流放大系數(shù)近似為兩個(gè)管子分離時(shí)電流放大系數(shù)的乘積。能更可靠地使輸出為開(kāi)關(guān)狀態(tài),也更容易驅(qū)動(dòng)負(fù)載。例如,所獲終端集電極電流可以驅(qū)動(dòng)繼電器等。達(dá)林頓管所需的入射光非常小,當(dāng)輸入為0.1mW/cm2時(shí),可獲得2mA的集電極電流。其缺點(diǎn)是響應(yīng)速度低,當(dāng)負(fù)載電阻為幾千歐時(shí),響應(yīng)時(shí)間為毫秒量級(jí)。圖3.682.4紅外熱釋電光敏器件2.4.1熱釋電效應(yīng)及器件熱釋電傳感器利用熱釋電效應(yīng)來(lái)檢測(cè)受光面的溫度升高值,得知光的輻射強(qiáng)度,工作在紅外波段內(nèi)。這種傳感器在常溫下工作穩(wěn)定可靠,使用簡(jiǎn)單,時(shí)間響應(yīng)能到微秒數(shù)量級(jí),已得到普遍使用。其原理圖如圖3.64所示。在垂直極化軸的方向上把具有熱釋電效應(yīng)的晶體切成薄片,再研磨成厚度為5~50μm的極薄片,在兩面蒸鍍上電極,類(lèi)似于電容器的構(gòu)造。晶體本身能很好地吸收從紅外波段到毫米波段的電磁波,必要時(shí)也用黑化以后的晶體或在透明電極表面涂上黑色膜。圖3.65為一個(gè)熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3.66表示熱釋電材料的自發(fā)極化P和溫度T的關(guān)系。傳感器工作在曲線ΔP大（熱釋電系數(shù)q=dP/dT大）的部分。為得到好的時(shí)間響應(yīng),希望熱釋電材料的介電常數(shù)ε和tanδ要小,比熱CP和密度ρ越小越好。圖3.64熱釋電傳感器原理圖圖3.65熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖3.66溫度和自發(fā)極化的關(guān)系圖3.67熱釋電傳感器的等效電路

當(dāng)熱釋電材料由于熱釋電傳感器受到頻率為f的調(diào)制光照射時(shí),自發(fā)極化P也以頻率f作周期性變化。如果f>1/τ（τ為中和平均時(shí)間）,就會(huì)輸出頻率為f的電信號(hào)。熱釋電傳感器可以看作電流源,等效電路如圖3.67所示。圖中電流其中,A為電極面積;Rd,Cd為絕緣電阻和電容;RL和CL為外接負(fù)載。傳感器輸出電壓為式中,Z為Rd,Cd,RL,CL的并聯(lián)阻抗。熱釋電傳感器絕緣電阻高達(dá)幾十到幾百兆歐,容易引入外部噪聲,在實(shí)際使用中,要求有輸入阻抗高、噪聲小的前置放大器。通常把前放的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和輸入電阻裝入管殼內(nèi)。場(chǎng)效應(yīng)管起到阻抗變換,同時(shí)起到抗干擾的作用。2.5CCD圖像傳感器 電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,簡(jiǎn)稱(chēng)CCD)是貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的,由于它有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號(hào)按順序傳送等功能,且集成度高、功耗低,因此隨后得到飛速發(fā)展,是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關(guān)鍵器件,廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費(fèi)領(lǐng)域。CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列,其構(gòu)造如圖3.71所示。在P型或N型硅襯底上生長(zhǎng)一層很?。s1200）的二氧化硅,再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極）,形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。圖3.71CCD芯片的構(gòu)造圖3.71中所示為64位CCD結(jié)構(gòu)。每個(gè)光敏元（像素）對(duì)應(yīng)有三個(gè)相鄰的轉(zhuǎn)移柵電極1、2、3,所有電極彼此間離得足夠近,以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢(shì)阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。所有的1電極相連并施加時(shí)鐘脈沖φ1,所有的2、3也是如此,并施加時(shí)鐘脈沖φ2、φ3。這三個(gè)時(shí)鐘脈沖在時(shí)序上相互交迭,如圖3.72所示。圖3.72三個(gè)時(shí)鐘脈沖的時(shí)序MOS電容器和一般電容器不同的是,其下極板不是一般導(dǎo)體而是半導(dǎo)體。假定所用半導(dǎo)體是P型硅,其中多數(shù)載流子是空穴,少數(shù)載流子是電子。若在柵極上加正電壓,襯底接地,則帶正電的空穴被排斥離開(kāi)Si-SiO2界面,帶負(fù)電的電子被吸引到緊靠Si-SiO2界面。當(dāng)電壓高到一定值,形成對(duì)電子而言的所謂勢(shì)阱,電子一旦進(jìn)入就不能復(fù)出。電壓愈高,產(chǎn)生的勢(shì)阱愈深?？梢?jiàn)MOS電容器具有存儲(chǔ)電荷的功能。如果襯底是N型硅,則在電極上加負(fù)電壓,可達(dá)到同樣目的。光照射到光敏元上,會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)（光生電荷）,電子被吸引存儲(chǔ)在勢(shì)阱中。入射光強(qiáng)則光生電荷多,弱則光生電荷少,無(wú)光照的光敏元?jiǎng)t無(wú)光生電荷。這樣就在轉(zhuǎn)移柵實(shí)行轉(zhuǎn)移前,把光的強(qiáng)弱變成與其成比例的電荷的數(shù)量,實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。若停止光照,電荷在一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失,可實(shí)現(xiàn)對(duì)光照的記憶。轉(zhuǎn)移柵實(shí)行轉(zhuǎn)移的工作原理是,t1時(shí)刻φ1是高電平,于是在電極1下形成勢(shì)阱,并將少數(shù)載流子(電子)吸引至聚集在Si-SiO2界面處,而電極2、3卻因?yàn)榧拥氖堑碗娖?形象地稱(chēng)為壘起阱壁。圖3.71所示的情況是,第62、64位光敏元受光,而第1、2、63位等單元未受光照。t2時(shí)刻,φ1的高電平有所下降,φ2變?yōu)楦唠娖?而φ3仍是低電平。這樣在電極2下面勢(shì)阱最深,且和電極1下面勢(shì)阱交迭,因此儲(chǔ)存在電極1下面勢(shì)阱中的電荷逐漸擴(kuò)散漂移到電極2下的勢(shì)阱區(qū)。由于電極3上的高電平無(wú)變化,所以仍高筑勢(shì)壘,勢(shì)阱里的電荷不能往電極3下擴(kuò)散和漂移。t3時(shí)刻,φ1變?yōu)榈碗娖?φ2為高電平,這樣電極1下面的勢(shì)阱完全被撤除而成為阱壁,電荷轉(zhuǎn)移到電極2下的勢(shì)阱內(nèi)。由于電極3下仍是阱壁,所以不能繼續(xù)前進(jìn),這樣便完成了電荷由電極1下轉(zhuǎn)移到電極2下的一次轉(zhuǎn)移,如圖3.73所示。圖3.73完成一次轉(zhuǎn)移的過(guò)程CCD也可在輸入端用電形式輸入被轉(zhuǎn)移的電荷,或用以補(bǔ)償器件在轉(zhuǎn)移過(guò)程中的電荷損失,從而提高轉(zhuǎn)移效率。電荷輸入的多少,可用改變二極管偏置電壓,即改變Gi來(lái)控制。CCD輸出經(jīng)由輸出二極管。輸出二極管加反向偏壓的大小由輸出柵控制電壓G0來(lái)控制。目前商品CCD器件,一維的有512,1024,2048位等,二維的有256×320,512×340像素等。2.5.2光導(dǎo)攝像管光導(dǎo)攝像管出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代,以后性能得到很大改善,廣泛應(yīng)用于電視攝像等方面。作為攝像裝置,必須有三個(gè)功能:把圖像的像素圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電荷圖的功能，把電荷圖暫存器起來(lái)的功能和把各個(gè)像素依次讀出的功能。光導(dǎo)攝像管就具備這三個(gè)功能。光導(dǎo)攝像管的結(jié)構(gòu)如圖3.70(a)所示。在真空管的前屏幕上設(shè)置有光電導(dǎo)膜和透明導(dǎo)電膜的陣列小單元。由電子槍射出的電子經(jīng)電子透鏡聚焦成電子束射向光電導(dǎo)膜。通過(guò)電子束掃描,讀取儲(chǔ)存在光導(dǎo)電子靶面上的由于入射光的激勵(lì)所產(chǎn)生的電子圖像。圖3.70光導(dǎo)攝像管的結(jié)構(gòu)和等效電路圖3.70(b)示出了原理性的等效電路。R與C并聯(lián)電路代表光電導(dǎo)膜的像素小單元,并假定為射束的撞擊面積。工作時(shí),用電子束逐點(diǎn)掃描像素小單元,把各小單元均充至電源電壓V,然后中斷。在光的照射下,由于光電導(dǎo)效應(yīng),R會(huì)變小,C則會(huì)放電,電壓降低。電壓降低的多少與光強(qiáng)成比例,實(shí)現(xiàn)把圖像的像素圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電荷圖,并把電荷圖暫存起來(lái)。當(dāng)用電子束再次逐點(diǎn)掃描時(shí),如圖3.70(b)所示形成閉合電路,(電子束)所放出的電荷量使C充電。充電電流大小與小單元電壓降低的程度成正比。充電電流流過(guò)負(fù)載電阻RL,從而輸出與強(qiáng)弱程度不同的光成正比的電壓信號(hào)。根據(jù)這樣的工作原理來(lái)掃描二維的光電膜表面,就可獲得二維圖像信號(hào),完成各個(gè)像素信號(hào)的依次讀出。電子束的偏轉(zhuǎn)有電磁方式和靜電方式兩種。為使電子加速必須外加300~600V的電壓。2.6光纖傳感器

一、概述光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù),它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類(lèi)傳感器相比有一系列優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾,體積小,重量輕,可撓曲,靈敏度高,耐腐蝕,電絕緣、防爆性好,易與微機(jī)連接,便于遙測(cè)等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等各種物理量的測(cè)量,具有極為廣泛的應(yīng)用前景。光纖傳感器可以分為兩大類(lèi):一類(lèi)是功能型（傳感型）傳感器;另一類(lèi)是非功能型（傳光型）傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制,使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化,再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào),從而得出被測(cè)信號(hào)。非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化,光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為2~12μm,很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長(zhǎng)的長(zhǎng)度,僅能維持一種模式傳播,一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖;光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。

為了滿足特殊要求,出現(xiàn)了保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。所以采用新材料研制特殊結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用光纖是光纖傳感技術(shù)發(fā)展的方向。

二、光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

1．光纖的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱(chēng)為光纖,目前基本上還是采用石英玻璃,其結(jié)構(gòu)示于圖2-27。中心的圓柱體叫纖芯,圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2,在包層外面還常有一層保護(hù)套,多為尼龍材料。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì),而光纖的機(jī)械強(qiáng)度由保護(hù)套維持。

2．光纖的傳輸原理眾所周知,光在空間是直線傳播的。在光纖中,光的傳輸限制在光纖中,并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離,光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。當(dāng)光纖的直徑比光的波長(zhǎng)大很多時(shí),可以用幾何光學(xué)的方法來(lái)說(shuō)明光在光纖內(nèi)的傳播。設(shè)有一段圓柱形光纖,如圖2-28所示,它的兩個(gè)端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成θ角時(shí),根據(jù)斯涅耳光的折射定律,在光纖內(nèi)折射成θ′,然后以φ角入射至纖芯與包層的界面。若要在界面上發(fā)生全反射,則纖芯與界面的光線入射角φ應(yīng)大于臨界角φc,即φ≥φc=arcsin(2-２)并在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射,直至傳播到另一端面。為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射,光入射到光纖端面的臨界入射角θc應(yīng)滿足下式:所以實(shí)際工作時(shí)需要光纖彎曲,但只要滿足全反射條件,光線仍繼續(xù)前進(jìn)?？梢?jiàn)這里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的。一般光纖所處環(huán)境為空氣,則n0=1。這樣在界面上產(chǎn)生全反射,在光纖端面上的光線入射角為θ≤θc=arcsin說(shuō)明光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語(yǔ)叫數(shù)值孔徑NA,即NA=sinθc=（2-5）數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。其意義是:無(wú)論光源發(fā)射功率有多大,只有入射光處于2θc的光錐內(nèi),光纖才能導(dǎo)光。如入射角過(guò)大,如圖2-28中角θr,經(jīng)折射后不能滿足式（2-2）的要求,光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。所以NA是光纖的一個(gè)重要參數(shù)。一般希望有大的數(shù)值孔徑,這有利于耦合效率的提高,但數(shù)值孔徑過(guò)大,會(huì)造成光信號(hào)畸變,所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。

三、光纖傳感器光纖傳感器由于它的獨(dú)特的性能而受到廣泛的重視,它的應(yīng)用正在迅速地發(fā)展。下面我們介紹幾種主要的光纖傳感器。

１．光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖2-29所示。它是一種簡(jiǎn)諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過(guò)分光板后分為兩束光,透射光作為參考光束,反射光作為測(cè)量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí),由于質(zhì)量塊M對(duì)光纖的作用,從而使光纖被拉伸,引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀的干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過(guò)處理電路處理后便可正確地測(cè)出加速度值。

２．光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型、光強(qiáng)調(diào)制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強(qiáng)調(diào)制型的半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器,圖2-30為這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖,它的敏感元件是一個(gè)半導(dǎo)體光吸收器,光纖用來(lái)傳輸信號(hào)。傳感器是由半導(dǎo)體光吸收器、光纖、發(fā)射光源和包括光控制器在內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)等組成。它體積小、靈敏度高、工作可靠,廣泛應(yīng)用于高壓電力裝置中的溫度測(cè)量等特殊場(chǎng)合。這種傳感器的基本原理是利用了多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升高而減小的特性,如圖2-31所示,材料的吸收光波長(zhǎng)將隨溫度增加而向長(zhǎng)波方向移動(dòng),如果適當(dāng)?shù)剡x定一種波長(zhǎng)在該材料工作范圍內(nèi)的光源,那么就可以使透射過(guò)半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度而變化,從而達(dá)到測(cè)量溫度的目的。這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低、便于推廣應(yīng)用,可在-10~300℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,響應(yīng)時(shí)間約為2s。

３．光纖旋渦流量傳感器光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入流管,當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時(shí),光纖受到流體渦流的作用而振動(dòng),振動(dòng)的頻率與流速有關(guān)系,測(cè)出頻率便可知流速。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-32所示。當(dāng)流體流動(dòng)受到一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的非流線體阻礙時(shí),根據(jù)流體力學(xué)原理,在某些條件下,在非流線體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,其旋渦的頻率f近似與流體的流速成正比，即f≈(2-6)式中:v——流速;d——流體中物體的橫向尺寸大小;S——斯特羅哈（Strouhal）數(shù),它是一個(gè)無(wú)量綱的常數(shù),僅與雷諾數(shù)有關(guān)。式（2-6）是旋渦流體流量計(jì)測(cè)量流量的基本理論依據(jù)。由此可見(jiàn),流體流速與渦流頻率呈線性關(guān)系。在多模光纖中,光以多種模式進(jìn)行傳輸,在光纖的輸出端,各模式的光就形成了干涉花樣,這就是光斑。一根沒(méi)有外界擾動(dòng)的光纖所產(chǎn)生的干涉圖樣是穩(wěn)定的,當(dāng)光纖受到外界擾動(dòng)時(shí),干涉圖樣的明暗相間的斑紋或斑點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)。如果外界擾動(dòng)是由流體的渦流引起的,那么干涉圖樣的斑紋或斑點(diǎn)就會(huì)隨著振動(dòng)的周期變化來(lái)回移動(dòng),這時(shí)測(cè)出斑紋或斑點(diǎn)移動(dòng),即可獲得對(duì)應(yīng)于振動(dòng)頻率f的信號(hào),根據(jù)式（2-6）推算流體的流速。這種流量傳感器可測(cè)量液體和氣體的流量,因?yàn)閭鞲衅鳑](méi)有活動(dòng)部件,測(cè)量可靠,而且對(duì)流體流動(dòng)不產(chǎn)生阻礙作用,所以壓力損耗非常小。這些特點(diǎn)是孔板、渦輪等許多傳統(tǒng)流量計(jì)所無(wú)法比擬的。光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用,以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管,光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。

1．光電耦合器光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi),一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器常見(jiàn)的組合形式如圖2-15所示。2.7光電耦合器件圖(a)所示的組合形式結(jié)