傳感器原理與應(yīng)用第八章 光電傳感器

傳感器原理與應(yīng)用第八章光電傳感器第1頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章光電傳感器

光電式傳感器是一種將被測(cè)量通過光量的變化再轉(zhuǎn)換成電量的傳感器，它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、精度高、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛，是一種很有發(fā)展前途的新型傳感器。一般由光源、光學(xué)器件、光電元件三部分組成，光源發(fā)射出一定光通量的光線，由光電元件接受，在檢測(cè)時(shí)，被測(cè)量使光源發(fā)射出的光通量變化，因而使接受光通量的光電元件的輸出電量也發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電量。輸出的電量可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。第2頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月光是一種電磁波，不同波長(zhǎng)的光分布如圖這些光的頻率（波長(zhǎng)）雖然不相同，但都有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。第3頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月光電傳感器常用光源有：白幟燈光源、氣體放電光源（碳燈、低壓高壓水銀燈、鈉弧燈、汕弧燈）、氣體激光器（氦氖、二氧化碳、氬離子激光器）、固態(tài)激光器、半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管等。

第一節(jié)常用光電器件

光是由具有一定能量的粒子組成，根據(jù)愛因斯坦光粒子學(xué)說，每個(gè)光子所具有的能量E

與其頻率f

的大小成正比（即E=hf，式中h=6.626×10-34J·S，為普朗克常數(shù)）。光照射在物體上可看成一連串具有能量的光子對(duì)物體的轟擊，物體吸收光子能量而產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，即光電效應(yīng)。這是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)。光電器件的作用原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。第4頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

光電效應(yīng)依其表現(xiàn)形式的不同，通?？煞譃槿箢?。

①光電導(dǎo)效應(yīng)——光照改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電率，從而引起半導(dǎo)體電阻值的變化效應(yīng)，光敏電阻屬于這類光電效應(yīng)器件。

②光生伏特效應(yīng)——光照改變半導(dǎo)體PN結(jié)電場(chǎng)，從而引起PN結(jié)電勢(shì)的變化效應(yīng)，故又稱PN結(jié)光電效應(yīng)，光電池、光敏晶體管等屬于這類光電效應(yīng)器件。

③光電發(fā)射效應(yīng)——某些物質(zhì)（如金屬絲）在光的照射下，能從表面向外部發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱之為光電發(fā)射效應(yīng)，利用這種效應(yīng)制作的光電器件有光電管和光電倍增管。光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生在物體的表面，因而又稱之為外光電效應(yīng)；相應(yīng)地，光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)被稱為內(nèi)光電效應(yīng)。本文下面僅介紹幾種常見的內(nèi)光電效應(yīng)器件及其應(yīng)用。第5頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月從陰極開始及在每個(gè)倍增極間依次加上加速電壓，設(shè)每極倍增率為δ，經(jīng)過N次倍增極后，光電倍增管的光電流倍增到δN。δ稱為二次電子反射比。因此，有非常小的光功率輸入可得到相當(dāng)大的電流。第6頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)部機(jī)理如圖8－1所示。

一、光敏電阻

1．光敏電阻的光電效應(yīng)

光敏電阻是典型的光電導(dǎo)效應(yīng)器件。無光照時(shí)，其阻值很高；有光照時(shí)，其阻值大大下降，光照越強(qiáng)阻值越低；光照停止，又恢復(fù)高阻狀態(tài)。圖8－1光電導(dǎo)效應(yīng)能帶圖第7頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

半導(dǎo)體受光照時(shí)，其共價(jià)鍵中的價(jià)電子吸收光子能量，由價(jià)帶穿越禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，成為光生自由電子，使得半導(dǎo)體中自由電子—空穴對(duì)增加，導(dǎo)電率提高，電阻值下降。光照停止時(shí)，失去光子能量的光生自由電子又重新迭落回價(jià)帶與空穴復(fù)合，自由電子—空穴對(duì)減少，導(dǎo)電率下降，電阻值提高。圖中Eg稱為禁帶寬度，價(jià)電子吸收的光子能量E＞Eg時(shí)，才能穿越禁帶成為自由電子。光照越強(qiáng)、具有能量E的光子數(shù)越多，光生自由電子-空穴對(duì)越多，電阻值越小。光照停止或光強(qiáng)減小使E＜Eg時(shí)，光生自由電子又迭回價(jià)帶成為價(jià)電子，使電阻值增加或恢復(fù)高阻狀態(tài)。每個(gè)光子所具有的能量E數(shù)學(xué)表達(dá)式：

E=hf=hc/λ頻率越高，或波長(zhǎng)越短，光子所具有的能量就越大。產(chǎn)生自由光生電子的入射光臨界波長(zhǎng)λ0為滿足E≥Eg有λ0≦1242/Eg(nm)Si的禁帶寬度Eg為1.2ev,Ge0.75ev,硫化鎘cds2.4ev,CdSe1.8ev第8頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月說明：

1、光照越強(qiáng)，表明具有hf能量的光子數(shù)越多，價(jià)帶電子吸收光子能量的機(jī)會(huì)越多，成為導(dǎo)帶電子機(jī)會(huì)越，電導(dǎo)率越大。

2、空穴在價(jià)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)參與導(dǎo)電；電子在導(dǎo)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)參與導(dǎo)電；

紫外光光子能量大于紅外光電子能量。第9頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖8－2是光敏電阻光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路，當(dāng)偏壓U一定時(shí)，檢流計(jì)指示電流I的大小決定于光敏電阻上的光照強(qiáng)度。圖8－2光敏電阻光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路第10頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

無光照時(shí)，檢流計(jì)指示的電流很小，此時(shí)的電流稱之為暗電流；此時(shí)光敏電阻的阻值很高，相應(yīng)稱之為暗電阻，暗電阻通常為兆歐級(jí)。

有光照時(shí)，檢流計(jì)指示的電流較大，此電流稱之為亮電流；此時(shí)，光敏電阻的阻值顯著減小，相應(yīng)稱之為亮電阻，亮電阻一般為千歐以內(nèi)。由光照所產(chǎn)生的自由電子—空穴流稱之為光電流，顯然光電流是亮電流與暗電流之差，由于暗電流很小，在工程分析時(shí)可把亮電流看成光電流。第11頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．光敏電阻種類光敏電阻是一個(gè)純電阻性兩端器件，適用于交、直流電路，因而應(yīng)用廣泛，種類很多。對(duì)光照敏感的半導(dǎo)體光敏元件都可以制成光敏電阻，目前人類已開發(fā)應(yīng)用的光波頻譜范圍為0.1HZ～1021HZ，相應(yīng)的波長(zhǎng)為3×109m～0.3Pm。半導(dǎo)體光敏元件的敏感光波長(zhǎng)為納米波，按其最佳工作波長(zhǎng)范圍可分為三類。（1）對(duì)紫外光敏感元件

紫外光是指紫外線（波長(zhǎng)λ=10～380nm）的內(nèi)側(cè)光波，波長(zhǎng)約300～380nm。對(duì)這類光敏感的材料有氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）、硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）等，這類敏感元件適于作α、β、γ射線檢測(cè)及光電控制電路。第12頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）對(duì)可見光敏感元件

可見光波長(zhǎng)范圍約380～760nm，對(duì)這類光敏感的材料有硒（Se）、硅（Si）、鍺（Ge）及硫化鉈（TiS）、硫化鎘（CdS）等，尤其是TiS光敏元件，它既適用于可見光，也適用于紅外光。這類敏感元件適用了光電計(jì)數(shù)、光電耦合、光電控制等場(chǎng)合。（3）對(duì)紅外光敏感元件

紅外光是紅外線（波長(zhǎng)λ=760～1×106nm）的內(nèi)側(cè)光波，波長(zhǎng)約760～6000nm。對(duì)這類光敏感的材料有硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、銻化銦（InSb）等，這類敏感元件主要用來探測(cè)不可見目標(biāo)。第13頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－3部分光敏元件的光譜特性

3．光敏電阻的基本特性

（1）光譜（響應(yīng)）特性

光敏電阻的光譜特性是指光電流對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的相對(duì)靈敏度。圖8－3表示部分光敏元件的光譜特性，其中硫化鋅對(duì)波長(zhǎng)為300nm左右的紫外光最敏感；硫化鎘光敏波長(zhǎng)的峰值在670nm左右；硫化鉈的敏感波長(zhǎng)范圍很寬，約300～1400nm，其峰值波長(zhǎng)為1000nm左右；硫化鉛具有很寬的敏感波長(zhǎng)范圍，其峰值波長(zhǎng)約2300nm。（0.7峰值左右為敏感波長(zhǎng)峰值范圍）第14頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）光照特性光敏電阻的光照特性是指在一定的電壓下，光電流I與光照強(qiáng)度E的關(guān)系。如圖8－4所示，光敏電阻具有很高的光照靈敏度，且具有明顯的非線性，可作控制元件，不宜作計(jì)量元件。圖8－4光敏電阻的光照特性光照強(qiáng)度(照度)是物體被照明的程度，也即物體表面所得到的光通量與被照面積之比，單位是Ix(l勒克斯是1流明的光通量均勻照射在1平方米面積上所產(chǎn)生的照度)光照強(qiáng)度的測(cè)量用照度計(jì)。

第15頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）伏安特性光敏電阻的伏安特性是指在一定強(qiáng)度的光照下，光敏電阻的端電壓與光電流的關(guān)系。如圖8－5所示，伏安特性是一個(gè)線性關(guān)系特性，但不同材料的光敏電阻具有不同的伏安特性，且各類光敏電阻都有最大允許功耗和最大允許電壓的要求，超過此極限值將會(huì)導(dǎo)致元件永久性損壞。

圖8－5光敏電阻的伏安特性

第16頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

(4）頻率特性頻率特性系指光敏電阻上的光電流對(duì)入射光調(diào)制頻率的響應(yīng)特性。如圖8－6所示，一般來說，調(diào)制頻率f越高，電流相對(duì)靈敏度Kr越低，這反映光敏元件具有一定的惰性，有的材料光響應(yīng)時(shí)間達(dá)幾百毫秒。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間不但與元件的材料有關(guān)，而且還與光照強(qiáng)弱有關(guān)，光照越強(qiáng)，響應(yīng)的時(shí)間越短。

圖8－6光敏電阻的頻率特性光照，產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)；光照停止，電子空穴復(fù)合，需要一定時(shí)間，第17頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5）溫度特性溫度特性系指光敏電阻工作特性受溫度的影響。例如溫度升高時(shí)，它的暗電阻減小，即暗電流增加、靈敏度下降。同時(shí)，溫度上升還引起光譜特性曲線左移，導(dǎo)致光敏電阻敏感波長(zhǎng)減小。圖8－7是硫化鉛光譜溫度特性。圖8－7硫光鉛光譜溫度特性

第18頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月燈光控制器安裝在駕駛室儀表板上方。傍晚尾燈亮，光線更暗前燈亮。會(huì)車時(shí)，還具有自動(dòng)變光功能。第20頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，如果光子能量足夠大，就將在PN結(jié)附近激發(fā)出大量的電子—空穴對(duì)。在PN結(jié)電場(chǎng)作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)；其結(jié)果在P區(qū)聚積正電荷，帶正電，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，帶負(fù)電，即在P區(qū)和N區(qū)間形成一定伏特?cái)?shù)的電位差，稱之為光生電勢(shì)。圖8－8光電池的光電效應(yīng)

二、光電池

1．光電池的光電效應(yīng)

光電池是典型的光生伏特效應(yīng)器件。無光照時(shí)，兩濃度差很大的雜質(zhì)半導(dǎo)體P和N因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)大面積的PN結(jié)，PN結(jié)電場(chǎng)方向是由N區(qū)指向P區(qū)，如圖8－8所示。

當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，如果光子能量足夠大，就將在PN結(jié)附近激發(fā)出大量的電子—空穴對(duì)。在PN結(jié)電場(chǎng)作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)；其結(jié)果在P區(qū)聚積正電荷，帶正電，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，帶負(fù)電，即在P區(qū)和N區(qū)間形成一定伏特?cái)?shù)的電位差，稱之為光生電勢(shì)。圖8－8光電池的光電效應(yīng)第22頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．光電池的基本特性

光電池的種類很多，如硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等。不同種類光電池性能差異很大，其中硅光電池性能最好，其光譜范圍寬、頻率特性好、換能效率高，且工作性能穩(wěn)定。

（1）光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)光的靈敏度是不同的，不同材料的光電池對(duì)入射光波長(zhǎng)的敏感范圍是不同的，圖8－9為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。第24頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

從圖中可知，硅光電池敏感波長(zhǎng)范圍是450～1100nm，峰值波長(zhǎng)為800nm；硒光電池敏感波長(zhǎng)范圍是380～750nm，峰值波長(zhǎng)在500附近?？梢?，硅光電池適應(yīng)光波長(zhǎng)的范圍比硒光電池寬得很多。圖8－9光電池的光譜特性

第25頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）光照特性光電池在不同光照強(qiáng)度下，有不同的光生電勢(shì)或光生電流，圖8－10所示為硅光電池的光照特性。

圖8－10硅光電池光照特性第26頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖中短路電流是指光電流輸出端短路時(shí)的電流，即光生電流。硅光電池短路電流密度約為15～30mA/cm2，此電流在很寬的光照范圍內(nèi)都具有線性關(guān)系，因而光電池宜作電流源使用。

圖中開路電壓是指光電池輸出端開路時(shí)的電壓，即光生電勢(shì)。單片硅光電池的開路電壓約為0.45～0.6V，此電壓在2000LX以內(nèi)光照下趨于線性，在2000LX以上為非線性，因而光電池不宜作電壓源使用。

圖8－11是光電池開路電壓和短路電流的實(shí)驗(yàn)電路。在此實(shí)驗(yàn)電路中，忽略了光電池PN結(jié)結(jié)電容及PN結(jié)漏電流的影響。第27頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

光電池的開路電壓等于圖（a）中的光生電勢(shì)E，光電池的短路電流等于圖（b）中的光生電流IS。實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)載電阻RL越小，光照特性的線性關(guān)系越好，因而在使用中應(yīng)盡量選擇負(fù)載電阻小的場(chǎng)合。硒光電池具有與硅光電池相似的光照特性。圖8-11光電池光照特性實(shí)驗(yàn)電路

（a）開路電壓（b）短路電流第28頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）頻率特性光電池輸出光電流隨入射光調(diào)制頻率的關(guān)系如圖8－12所示。由圖可知，硅光電池具有較穩(wěn)定的頻率特性，適用于作高速計(jì)數(shù)的運(yùn)算器電池。

圖8－12光電池的頻率特性第29頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）溫度特性

溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。圖8－13是硅光電池在1000LX照度下的溫度特性。圖8－13硅光電池的溫度特性第30頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

由圖可知，硅光電池的開路電壓隨溫度升高而迅速下降，溫度每上升1℃，開路電壓約降低3mV。硅光電池的短路電流隨溫度升高而緩慢上升，溫度每上升1℃，短路電流約增加2μA。由于溫度變化對(duì)光電池的光電轉(zhuǎn)換性能影響很大，因而光電池在作為測(cè)量元件使用時(shí)，一定要有恒溫或溫度補(bǔ)償措施。同時(shí)，在強(qiáng)光照射時(shí)必須考慮光電池PN結(jié)的熱容限及散熱措施。通常，硅光電池使用溫度不允許超過125℃。第31頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池種類很多，但主要的是硅光電池。國產(chǎn)系列有方型和圓型。適用于光電檢測(cè)，近紅外探測(cè)，光電讀出，光電耦合，光柵測(cè)距，光電開關(guān)，硅藍(lán)光電池作色探測(cè)器，及太陽能電池等。第32頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、光敏二極管和光敏晶體管

1．光敏管的光電效應(yīng)

光敏二極管和光敏晶體管也是典型的光生伏特性效應(yīng)器件。圖8－14是光敏二極管的原理結(jié)構(gòu)和基本電路。圖8－14光敏二極管原理結(jié)構(gòu)和基本電路第33頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

工作于反向偏置狀態(tài)下的光敏二極管具有典型的光生伏特效應(yīng)。無光照射時(shí)，處于反偏狀態(tài)下的光敏二極管呈高阻截止?fàn)顟B(tài)，只有少數(shù)載流子形成極小的暗電流。當(dāng)有光照射時(shí)，光生電子和空穴在PN結(jié)電場(chǎng)和外加反向偏壓的共同作用下，形成光電流I。光照越強(qiáng)，光激發(fā)的光生電子和空穴越多，形成的光電流越大，光敏二極管呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)。第35頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖8－15是光敏晶體管的原理結(jié)構(gòu)和基本電路。圖8－15光敏晶體管原理結(jié)構(gòu)和基本電路第36頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

光敏晶體管是在光敏二極管的基礎(chǔ)上，為了獲得更大的電流增益，根據(jù)一般三極管的電流放大原理，利用硅或鍺單晶制成的NPN或PNP結(jié)構(gòu)。如圖8－15所示，光敏晶體管亦有發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，基區(qū)是受光區(qū)，為了擴(kuò)大光的照射面，基區(qū)的面積比較大。光敏晶體管的基區(qū)通常無電極引線，工作時(shí)相當(dāng)于基極開路，因而無光照射，只能形成很小的暗電流。當(dāng)有光照射時(shí)，基區(qū)產(chǎn)生的光生電子和空穴形成基極電流，此電流在外加集電結(jié)反偏電壓作用下，放大而成為集電極電流。由此可見光敏晶體管有光照時(shí)的輸出電流是光生電流的β倍，因而有比光敏二極管更高的靈敏度。第37頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．光敏管的基本特性

（1）光譜特性光敏二極管和光敏晶體管都是由硅或鍺材料作敏感元件，這兩種敏感元件的光譜特性如圖8－16所示。圖8－16光敏管的光譜特性鍺管的敏感波長(zhǎng)范圍是500～1800nm，峰值波長(zhǎng)約為1500nm。顯然鍺管的敏感范圍比硅管大，由于鍺管溫度性能比較差，因而測(cè)可見光時(shí)，主要用硅管，探測(cè)紅外光時(shí)，主要用鍺管。第38頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）光照特性光敏二極管與光敏晶體管的光照特性有明顯不同，以硅管為例如圖8－17所示。光敏二極管的光照特性近似為線性關(guān)系；光敏晶體管的光照特性為非線性，照度較小時(shí)，光電流隨光照度加強(qiáng)而緩慢增加，當(dāng)光照度較大時(shí)，光電流又趨于飽和。放大倍數(shù)在小電流和大電流時(shí)都要下降的緣故，光敏晶體管不利于弱光和強(qiáng)光檢測(cè)。（a）光敏二極管（b）光敏晶體管

圖8－17硅光敏管的光照特性第39頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）伏安特性圖8－18為硅光敏管在不同照度下的伏安特性。由圖可見光敏管的輸出電流與所加的偏置電壓關(guān)系不大，具有近似的恒流特性；光敏晶體管比光敏二極管的光電流大近百倍，因而具有更高的靈敏度；光敏二極管在零偏壓下就有一定的電流輸出，光敏晶體管有一段死區(qū)電壓。（a）光敏二極管（b）光敏晶體管

圖8－18硅光敏管的伏安特性第40頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）頻率特性

光敏二極管的頻率特性較好，是半導(dǎo)體光敏器件中最好的一種，其響應(yīng)速度達(dá)0.1μs，截止頻率高，適用于快速變化的光調(diào)制信號(hào)。光敏晶體管由于基區(qū)面積大，載流子穿越基區(qū)所需的時(shí)間長(zhǎng)，因而其頻率特性比二極管差。無論是哪一類光敏管，其負(fù)載電阻越大，頻率特性愈差，圖8－19硅光敏晶體管頻率特性圖8－19為硅光敏晶體管的頻率特性。鍺光敏管比硅光敏管頻率特性差。第41頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5）溫度特性無論是硅管還是鍺管，對(duì)溫度的變化都比較敏感，溫度升高，熱激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)增加，使暗電流上升。尤其是鍺管，其暗電流較大，溫度特性較差，如圖8－20（a）所示。溫度升高對(duì)光電流影響不大，如圖8－20（b）所示。對(duì)于在高溫低照度下工作的光敏晶體管，此時(shí)暗電流上升、亮電流下降，使信噪比減??；為了提高信噪比，應(yīng)采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償或降溫措施。圖8－20光敏管的溫度特性第42頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

四、常用光電器件的應(yīng)用

常用光電器件用途很廣，可組成各種實(shí)用的光電傳感器，下面僅舉幾例。

1．光電耦合器

光電耦合器是由一個(gè)發(fā)光器件和一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件組成，一般用金屬或塑料外殼封裝。其中發(fā)光器件通常都是發(fā)光二極管，光電轉(zhuǎn)換器件一般是光敏二極管或光敏晶體管，如圖8－21所示。第43頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－21光電耦合器的組合形式（a）通用光耦（b）高速光耦（c）高效光耦（d）高速高效率光耦第44頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）光電轉(zhuǎn)換器

光電耦合器按光電轉(zhuǎn)換器的不同可分為四種類型，如圖8－21所示。圖中（a）的光電轉(zhuǎn)換器是一只光敏晶體管，這種光耦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，常用于50KHZ以下工作頻率，稱之為通用光耦。圖中（b）的光電轉(zhuǎn)換器是由一只光敏二極管和一只高速開關(guān)管組成，由于光敏二極管比光敏三極管的響應(yīng)速度快得多，光敏二極管與高速開關(guān)管配合，可獲得1μs左右的響應(yīng)速度，故稱這種光耦為高速光耦。圖中（c）的光電轉(zhuǎn)換器是由一只光敏晶體管和一只放大管組成，此時(shí)雖然入射的光很小，但輸出電流可達(dá)幾十mA，故稱其為高效光耦，可以直接驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路或執(zhí)行器。圖中（d）的光電轉(zhuǎn)換器是一個(gè)具有高速、高效率的固態(tài)光電轉(zhuǎn)換器件，稱之為高速高效光耦，用于高速大功率電路中。第45頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2）發(fā)光二極管發(fā)光二極管是只有一個(gè)PN結(jié)的半導(dǎo)體器件。最常用的發(fā)光二極管是砷化鎵發(fā)光二極管，它和普通二極管一樣，管芯是一個(gè)具有單向?qū)щ娦阅艿腜N結(jié)；在正向偏壓作用下，PN結(jié)空間電荷區(qū)勢(shì)壘下降，引起過量的載流子注入，注入的電子與空穴加速復(fù)合時(shí)釋放出光子能量，即把電能轉(zhuǎn)換成光能。砷化鎵發(fā)光二極管的峰值波長(zhǎng)約880nm～940nm，發(fā)出的是近紅外光波，對(duì)硅和鍺光敏器件都比較敏感。第46頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

砷化鎵發(fā)光二極管的伏安特性如圖8－22所示，其正向壓降約1～2V，小功率管1～1.3V，中功率管1.6V左右，正向壓降的大小與正向電流有關(guān)。砷化鎵發(fā)光二極管的反向擊穿電壓比較低，其反向電壓一般不得超過5V，否則可能引起二極管反向擊穿。圖8－22砷化鎵發(fā)光二極管伏安性

光電耦合器輸出、入電流間線性關(guān)系較差，因而不宜作運(yùn)算電路，但可以廣泛應(yīng)用于電平轉(zhuǎn)換、電路隔離、固態(tài)繼電器及無觸點(diǎn)開關(guān)等控制電路中。第47頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．光電轉(zhuǎn)速計(jì)

圖8－24是光電轉(zhuǎn)速計(jì)原理圖和計(jì)數(shù)輸出電路。這里的光源可以是自熾燈泡，光電轉(zhuǎn)換器是一只光敏晶體管。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光通過遮光盤上的透光孔照射到光敏晶體管3DU33上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)4069反向器整形輸出電脈中，根據(jù)電脈沖的個(gè)數(shù)就知道旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。第48頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖8－24光電轉(zhuǎn)速計(jì)（a）原理圖（b）電路圖第49頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．反射式固體表面粗糙度計(jì)

圖8－25是固體表面粗糙度計(jì)原理圖。光源發(fā)出一定照度的光入射到被測(cè)固定的表面上，一部分被表面吸收，一部分反射到光電池上；被測(cè)表面越光滑，反射到光電池上的光越強(qiáng)，光電池輸出電壓越大。根據(jù)電壓表指示的電壓數(shù)，就可以判斷被測(cè)表面的粗糙度。

圖8－25固體表面粗糙度計(jì)第50頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

4．透射式薄膜厚度計(jì)

圖8－26是薄膜厚度計(jì)原理圖。光源發(fā)出一定照度的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡調(diào)制成平行光束，垂直入射到被測(cè)薄膜上，一部分被薄膜吸收和反射，一部分穿過薄膜出射到光電池上；薄膜越薄，出射光越強(qiáng)，光電池輸出電壓越大。根據(jù)這種原理，不但可以用于檢測(cè)薄膜的厚度，印刷機(jī)紙張監(jiān)控，還可以檢測(cè)液體的混濁度，或氣體和固體的透明度。

圖8－26薄膜厚度計(jì)第51頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

5．紅外遙控器

紅外遙控器在現(xiàn)代工業(yè)控制和家用電器中的應(yīng)用越來越廣泛。紅外遙控器由紅外遙控信號(hào)發(fā)射器、紅外遙控信號(hào)接收器、遙控指令編碼器等部分組成。紅外遙控信號(hào)發(fā)射器電路如圖8－27所示。圖8－27紅外信號(hào)發(fā)生器電路圖第52頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

紅外遙控信號(hào)發(fā)射器由鍵盤矩陣、M50642AP集成電路信號(hào)發(fā)生器、陶瓷諧振器、砷化鎵紅外發(fā)光二極管等組成，M50642AP集成信號(hào)發(fā)生器主要由鍵輸入編碼電路、鍵位掃描脈沖電路、鍵命令譯碼電路、多重鍵判別電路、定時(shí)器電路、振蕩電路、編碼調(diào)制電路和輸出緩沖電路等組成。

圖8－28是紅外遙控信號(hào)接收器應(yīng)用電路，由光敏二極管和CX20106集成電路組成。集成電路內(nèi)部設(shè)置有放大電路、整形電路、濾波電路及限幅電路等。紅外遙控信號(hào)發(fā)射器發(fā)射出的遙控信號(hào)，被紅外信號(hào)接收器接收后，調(diào)理成二進(jìn)制數(shù)字脈沖由腳7輸出，再送入遙控器接口電路。第53頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

紅外遙控器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。紅外遙控器在室內(nèi)使用時(shí)，由于近紅外光波具有可見光的反射特性，紅外信號(hào)發(fā)射器發(fā)射的紅外光波，可以通過室內(nèi)的墻壁反射到紅外信號(hào)接射器的光敏二極管上，因而發(fā)射器不必對(duì)準(zhǔn)接收器，這樣可以提高遙控的方便性，特別適合于家用電器的遙控。圖8－28紅外信號(hào)接收器電路圖第54頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、常用光電器件及工作原理1.光敏電阻

無光照高阻

有光照電阻光照越強(qiáng)電阻2.光電池

p

N無光照無光生電勢(shì)有光照產(chǎn)生光生電勢(shì)p+n-或光生電流光照越強(qiáng)光生電勢(shì)光生電流3.光敏二極管I反偏工作無光照高阻

有光照在pn結(jié)電場(chǎng)、外加電場(chǎng)共同作用下，形成光電流4.光敏三極管

I無光照基極開路暗電流小有光照產(chǎn)生光生電流Ib

集電極電流IC＝β倍光生電流第56頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光譜特性光敏電阻－光電流對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的相對(duì)靈敏度，制成光敏電阻的材料不同，靈敏度不同。光電池－光生電勢(shì)對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的敏感程度。光敏管－光電流對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的敏感程度。三、光照特性光敏電阻－偏壓一定時(shí)，光電流I與光照強(qiáng)度E的關(guān)系。

E愈大，I愈大，非線性。光電池－光生電勢(shì)U或光生短路電流與光照強(qiáng)度E的關(guān)系。

E愈大，U愈大，非線性。E愈大，I愈大，線性。適于作電流源負(fù)載電阻小的場(chǎng)合。光敏管－光電流I與光照強(qiáng)度E的關(guān)系。E愈大，I愈大，硅光敏二極管近似線性；硅光敏三極管非線性。光照較大時(shí)，光電流I趨于飽和。第57頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月四四、伏安特性光敏電阻－光照強(qiáng)度一定時(shí)，其端電壓U與光電流I的關(guān)系。U愈大，I愈大，線性關(guān)系。有最大允許功耗、最大允許電壓參數(shù)要求。光敏管－一定照度下，光敏二極管反向偏壓與偏流關(guān)系。兩者關(guān)系不大，近似恒流。二極管零偏壓下有暗電流；光敏三極管集射間電壓與集電極電流的關(guān)系。近似恒流，有死區(qū)電壓。五、頻率特性光敏電阻－光電流I與入射光調(diào)制頻率f的響應(yīng)特性。

f愈高，Kr電流相對(duì)靈敏度愈低，光照愈強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間愈短。第58頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池－光電池輸出電流與入射光調(diào)制頻率f的關(guān)系特性。硅管頻率特性好于鍺管。光敏管－輸出電流I與入射光調(diào)制頻率f的響應(yīng)特性。光敏二極管是半導(dǎo)體光敏器件中最好的，負(fù)載電阻愈大，頻率特性愈差，硅管好于鍺管。六、溫度特性光敏電阻－工作特性受溫度影響特性。T，暗電阻，暗電流，敏感光波長(zhǎng)左移。光電池－開路電壓U、或短路電流I隨溫度變化的關(guān)系。TU，3mv/度，I,2μA/度，須恒溫，或溫度補(bǔ)償。

光敏管－輸出電流與溫度變化關(guān)系。T，暗電流，高溫低照度下，暗電流大，亮電流小，信噪比下降，須降溫或溫度補(bǔ)償。T對(duì)亮電流影響不大。第59頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)光柵傳感器

光柵傳感器是用于測(cè)位移的光電傳感器。光透過光柵照射到光電器件上，根據(jù)光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)角位移或線位移的測(cè)量。用來測(cè)量角位移的光柵稱作圓光柵，用來測(cè)量直線位移的光柵稱作直光柵，其工作原理是一樣的，這里僅介紹直線位移光柵傳感器。

一、莫爾條紋

1．光柵

光柵又稱光柵尺，光柵尺是由在光學(xué)玻璃上面均勻刻有許多線條，形成規(guī)則排列的透光和不透光的明暗條紋所組成，如圖8－29所示。第60頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖中m為暗條（不透光條）寬度，n為亮條（透光條）寬度，W=m+n

稱之為光柵的柵距或光柵常數(shù)。通常，即亮條和暗條具有相同的寬度，亮條（或暗條）密度有每毫米10、25、50、100線/mm等。圖8－29直光柵尺第61頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．莫爾條紋形成

把光柵常數(shù)W相等的兩光柵尺相對(duì)疊合在一起，并使兩光柵尺柵條之間保持很小的夾角β，如圖8－30（a）所示，在與柵條近乎垂直的方向出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱之為莫爾條紋。圖中在a－a線上的兩光柵尺重合，光線可從其縫隙中透過，形成亮帶；在b－b線上，兩光柵尺彼此錯(cuò)開，擋住光線通過，形成暗帶。圖8－30（a）

莫爾條紋的形成第62頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

由圖8－30（b）可求出莫爾條紋的間距BH與光柵常數(shù)的關(guān)系為

由圖8－30（b）還可求出α=β/2，由于角很小，即莫爾條紋的方向與x方向夾角很小，因而莫爾條紋的方向近乎垂直于直光柵尺的柵條。（8－1）圖8－30（b）莫爾條紋的間距第63頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．莫爾條紋的主要特性

（1）莫爾條紋的間距對(duì)光柵常數(shù)W具有放大作用由式（8－1）可知，由于形成莫爾條紋的兩光柵尺的夾角β<<1rad，即BH等于1/β

倍的W。例如，當(dāng)W=0.02mm，β=0.01rad時(shí)，則BH=2mm，將W放大了100倍。

（2）莫爾條紋具有消除光柵尺局部缺陷引起的誤差由于光柵尺在制作時(shí)工藝的分散性，難免有的光柵尺的柵條或柵條間距存在著局部缺陷，但這些缺陷不會(huì)引起莫爾條紋的誤差。因?yàn)樵跍y(cè)量時(shí)，光電元件上接收到的光信號(hào)，是透過眾多柵條形成亮帶的光信號(hào)，光柵尺的局部缺陷對(duì)亮帶透光量影響極小。

（3）莫爾條紋的移動(dòng)大小和方向可以反映兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)大小和方向由圖8－30可知，當(dāng)固定斜光柵尺、左右移動(dòng)直光柵尺時(shí)，莫爾條紋則作上下移動(dòng)。若被測(cè)體跟隨直光柵尺移動(dòng)，則可根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的大小和方向，判斷被測(cè)體移動(dòng)的大小和方向。第64頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、光柵傳感器的組成

根據(jù)莫爾條紋特性制作的光柵位移傳感器，按光路形成方式可分為兩大類，即反射式光柵傳感器和透射式光柵傳感器。

1．透射式光柵傳感器

圖8－31是透射式光柵傳感器原理圖。

圖8－31透射式光柵傳感器圖第65頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）透鏡的作用是把光源發(fā)出的光變換成平行光束，垂直投射到主光柵上。（3）主光柵又稱標(biāo)尺光柵，它有固定的光柵常數(shù)W、亮條寬度n和暗條寬度m，通常,測(cè)位移時(shí)，被測(cè)體保持與主光柵相同的位移大小和方向。

（1）光源常用鎢絲燈泡或砷化鎵發(fā)光二極管，鎢絲燈泡有較大的輸出功率，較寬的工作溫度范圍（-40℃～130℃），但使用壽命短，要定期更換；砷化鎵發(fā)光二極管輸出功率低，工作溫度范圍（－66℃～100℃）也略小，但其與光敏晶體管組合比鎢絲燈泡與光敏晶體管組合轉(zhuǎn)換效率高（約30%），且響應(yīng)速度快（約2μs），可使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，以減小功耗和熱耗散。第66頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）指示光柵比主光柵短得多，通常具有與主光柵相同的光柵常數(shù)和亮、暗條寬度。測(cè)位移時(shí)，指示光柵不動(dòng)，主光柵移動(dòng)。（5）光電元件常用光電池或光敏晶體管，在光電元件輸出端常接放大器，以獲得盡可能大的信號(hào)輸出，以提高抗干擾能力。

2．反射式光柵傳感器

圖8－32是反射式光柵傳感器原理圖。光源發(fā)射的光，經(jīng)聚光鏡和物鏡后形成平行光束，以一定的角度穿過指示光柵、射向主光柵。這里的主光柵不形成透射光，照射到主光柵上的光產(chǎn)生反射光后與指示光柵形成莫爾條紋，此莫爾條紋光再經(jīng)反射鏡反射、物鏡組聚焦后投射到光電元件上，以實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。第67頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月8－32反射式光柵傳感器第68頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、辨向原理

利用莫爾條紋測(cè)量位移時(shí)，由單個(gè)光電元件接收的莫爾條紋光信號(hào)，只能是隨莫爾條紋移動(dòng)而強(qiáng)弱變化的光信號(hào)，這種光強(qiáng)變化不能反映莫爾條紋的移動(dòng)方向。為了辨別莫爾條紋移動(dòng)方向，至少需要兩個(gè)光電元件接收莫爾條紋光信號(hào)，如圖8－33（a）所示。在相距1/4莫爾條紋間距BH上分別安裝一個(gè)光電元件1和2，當(dāng)主光柵移動(dòng)時(shí)，透過莫爾條紋的光照射到兩光電元件上，兩光電元件將產(chǎn)生相位差為л/2的電信號(hào)。透過莫爾條紋的光理論上是三角波，但由于光的衍射作用，其結(jié)果照射到光電元件上的光波接近正弦波，因而光電元件輸出的電壓u1和u2是相差л/2的正弦波。圖8－33（b）是辨向電路。第69頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）兩光電元件（b）辨向電路

圖8－33光柵傳感器辨向原理第70頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（c）主光柵左移（d）主光柵右移

圖8－33光柵傳感器辨向原理第71頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（c）主光柵左移（d）主光柵右移

圖8－33光柵傳感器辨向原理第72頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（8－2）

圖8－33（c）和（d）是當(dāng)主光柵移動(dòng)時(shí)辨向電路各點(diǎn)的輸出波形。當(dāng)主光柵向左移（A向）時(shí)，莫爾條紋則上移（B向）。此時(shí)光電元件感光的先后是先1后2，因而光電元件1和2輸出電壓u1超前、u2滯后，相位差為л/2，如圖8－33（c）所示，即

電壓u1和u2經(jīng)放大整形電路處理后輸出矩形波u1′和u2′，此矩形波通過辨向電路，使輸出端y1無信號(hào)，y2端輸出正脈沖。且主光柵每左移一個(gè)光柵柵距W的距離，y2輸出一個(gè)正脈沖，此正脈沖將觸發(fā)加減計(jì)數(shù)器作加1計(jì)數(shù)。第73頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

此時(shí)辨向電路輸出端y2無信號(hào)，y1端輸出正脈沖。即當(dāng)主光柵每右移一個(gè)光柵柵距W的距離，y1輸出一個(gè)正脈沖，此正脈沖將觸發(fā)加減計(jì)數(shù)器作減1計(jì)數(shù)。由此可見，根據(jù)加減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)，就可以辨別主光柵位移的大小和方向。（8－3）

當(dāng)主光柵向右移（A′向）時(shí)，莫爾條紋則下移（B′向）。此時(shí)光電元件感光的先后是先2后1，因而光電元件1和2輸出電壓u1滯后u2相位л/2

,如圖8－33（d）所示，即第74頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

四、細(xì)分技術(shù)

由前面分析可知，主光柵每位移一個(gè)柵距W，辨向電路就產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，即分辨率為一個(gè)柵距。例如，若光柵尺刻線密度為每毫米100條，則柵距W=1000μm/100=10μm，即分辨率為10μm。增加光柵尺刻線密度,可以提高分辨率，但加大了光柵尺的制作難度。為了提高分辨率，目前普遍采取的方法是：在選擇合適的柵距W前提下，對(duì)柵距W進(jìn)行細(xì)分，即使主光柵每位移一個(gè)柵距，產(chǎn)生多個(gè)脈沖輸出。即減小辨向電路輸出脈沖間隔，提高計(jì)數(shù)脈沖的頻率，故又稱倍頻細(xì)分。下面介紹兩種基本的細(xì)分技術(shù)。第75頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．四倍頻直接細(xì)分

（1）用四個(gè)相距1/4莫爾條紋間距BH

光電元件當(dāng)采用四個(gè)相距1/4莫爾條紋間距BH光電元件接收莫爾條紋的透過光時(shí)，在四個(gè)光電元件上將產(chǎn)生依次相差л/2相角的四個(gè)正弦電壓信號(hào)。用鑒零器分別取4個(gè)信號(hào)的零電平，即在每個(gè)信號(hào)有負(fù)到正過零點(diǎn)時(shí)發(fā)出一個(gè)脈沖。此時(shí)，主光柵每位移一個(gè)柵距，辨向電路將輸出四個(gè)電脈沖，實(shí)現(xiàn)四倍頻直接細(xì)分。這種細(xì)分的方法受到安裝光電元件個(gè)數(shù)的限制，不可能得到很高的細(xì)分。在采用四細(xì)分情況下，柵距為4μ（每mm250條刻線）的光柵，分辨率可從4μ提高到1μ。（2）對(duì)u1′和u2′都取反如圖8－33（b）辨向電路，若對(duì)u2′也取反，則可得到u1′、u1″和u2′、u2″四個(gè)矩形脈沖，即在主光柵位移一個(gè)柵距W期間，可以得到四個(gè)等間隔的計(jì)數(shù)觸發(fā)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)四倍頻直接細(xì)分。但這種細(xì)分的方法受到辨向電路結(jié)構(gòu)的限制，也不可能得到很高的細(xì)分。

四倍頻直接細(xì)分方法簡(jiǎn)單，可用于分辨率要求不太高的場(chǎng)合。第76頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．電阻橋路細(xì)分

圖8－34是電阻橋路細(xì)分原理圖，依彌爾曼定理得：

式中u1和u2是兩光電元件輸出電壓，式中“－”號(hào)表示u1和u2相位相反；uO是電阻橋輸出電壓。（8－4）圖8－34電阻橋路細(xì)分原理圖第77頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

此時(shí)電阻橋平衡的條件為u1R2=u2R1。（8－5）

圖8－34電阻橋路輸出端開路(RL=∞)時(shí)，式（8－4）可改寫為：

若取、，則，適當(dāng)選擇R1

或R2，就可以得到不同的θ角。此時(shí)由式（8－3）可知

，即（8－6）第78頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

此式（8－6）說明，選擇不同的R1和R2，可得到θ在0～2л范圍內(nèi)變化；對(duì)應(yīng)地可以獲得主光柵移動(dòng)量X在0～W范圍內(nèi)細(xì)分。從理論上說，在0～W范圍內(nèi)是可以任意細(xì)分，從而得到很高的位移分辨率，實(shí)際上受多方面影響，分得越細(xì)，誤差越大，因而這種細(xì)分也是有限的。光柵位移傳感器多用于機(jī)床加工及精密儀器中，直光柵移動(dòng)范圍最大為1000mm，分辨率可達(dá)0.1μm；圓光柵可測(cè)整圓角度，分辯率可達(dá)0.5s。第79頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第80頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

第三節(jié)固態(tài)圖像傳感器

固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導(dǎo)體襯底上生成若干個(gè)光敏單元與移位寄存器構(gòu)成一體的集成光電器件，其功能是把按空間分布的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換成按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)。即將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換成與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)“圖像”。固態(tài)圖像傳感器與電視攝像管相比，具有體積小、重量輕、耗電少、耐振動(dòng)、抗電磁干擾、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，目前不足之處是分辯率不高，圖像質(zhì)量還趕不上攝像管。固態(tài)圖像傳感器的敏感元件有多種類型，目前應(yīng)用最廣泛的是電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice—CCD），還有電荷注入器件CID,戽鏈?zhǔn)狡骷﨎BD及MOS等器件。電荷耦合器件CCD是一個(gè)硅光敏半導(dǎo)體器件，由MOS光敏元件陣列（光電轉(zhuǎn)換）和讀出移位寄存器組成。第81頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月感光原理：圖像是由像素組成行，由行組成幀。對(duì)于黑白圖像來說，每個(gè)像素應(yīng)根據(jù)光的強(qiáng)弱得到大小不同的電信號(hào)，并且在光照停止之后仍能把電信號(hào)的大小保持記憶，直到把信息傳送出去，這樣才能構(gòu)成圖像傳感器。（光電轉(zhuǎn)換、電荷讀出）第82頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、CCD基本結(jié)構(gòu)

CCD是由按一定規(guī)律排列的MOS（金屬一氧化物一半導(dǎo)體）陣列組成，陣列中的每一個(gè)基本單元是一個(gè)MOS電容器。MOS基本單元是在P型（或N型）硅單晶的襯底上生成一層很?。s120nm）的SiO2絕緣層，再在其上沉積一層金屬鋁電極，因而具有金屬一氧化物一半導(dǎo)體三層結(jié)構(gòu)，如圖8－35（a）所示。

（a）單元結(jié)構(gòu)（b）等效電容

圖8－35MOS基本單元第83頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)襯底采用P型Si時(shí)，金屬電極上應(yīng)加正偏壓，即AL電極為正、襯底為負(fù)。在正偏壓作用下，界面Si側(cè)的正離子（P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子）受到排斥，形成一個(gè)耗盡區(qū)，此耗盡區(qū)剩下有多余的負(fù)離子（少數(shù)載流子），故稱之為少子耗盡區(qū)。耗盡區(qū)是一個(gè)低電勢(shì)區(qū)，故又稱其為勢(shì)阱，正偏壓越大，勢(shì)阱越深，能收集的電子越多。但是，在外界沒有電荷注入的情況下，只有熱生電子掉入勢(shì)阱而形成暗電流；如此同時(shí)熱生空穴流向襯底，并很快達(dá)到熱平衡狀態(tài)，這一短暫的過程，稱之為熱馳豫過程。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的MOS基本單元可等效為一個(gè)電容器，如圖8－35（b）所示，其等效電容為：式中COX—以SiO2為介質(zhì)的電容；Cd—以襯底Si為介質(zhì)的耗盡區(qū)電容。（8－7）第84頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、CCD工作原理

1．信號(hào)電荷的注入在沒有外界電荷注入時(shí)，CCD各單元?jiǎng)葳蹇煽闯煽遮濉CD中的信號(hào)電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。CCD用作圖像傳感器時(shí)，信號(hào)電荷由光生載流子即光注入得到。當(dāng)有光照時(shí)，光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，光生電子在正偏壓下迅速注入勢(shì)阱；光照越強(qiáng)，注入的光生電子就越多，此時(shí)勢(shì)阱中的光生電子數(shù)反映光照強(qiáng)度，故稱勢(shì)阱中的電荷為信號(hào)電荷。這樣，就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量的多少，實(shí)現(xiàn)光電的轉(zhuǎn)換。勢(shì)阱中的電子是被存儲(chǔ)狀態(tài)，即使停止光照，一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)丟失，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的記憶。由于CCD的MOS單元密集（相鄰兩單元間距小于3μm），眾多單元?jiǎng)葳迨占牟坏刃盘?hào)電荷數(shù)，可以反映一幅空間的光圖像。

總之，CCD結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)微小的MOS電容，用它構(gòu)成像素，即可感光，又可留下潛影，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的積累電荷，潛影是各個(gè)像素留在電容器里的電荷不等形成的，若能設(shè)法將各個(gè)電容器里的電荷依次傳送到輸出電路，再組成行和幀，并經(jīng)過顯影，就實(shí)現(xiàn)了圖像的傳遞。CCD用作信號(hào)處理或存儲(chǔ)器件時(shí)，電荷輸入采用電注入。第85頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的讀出，首先需要將各勢(shì)阱中的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中去。信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移是在每次曝光結(jié)束時(shí)，通過轉(zhuǎn)移柵的控制，即時(shí)迅速地將各勢(shì)阱中的信號(hào)電荷一次并行轉(zhuǎn)移至移位寄存器。移位寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)，與感光區(qū)的MOS結(jié)構(gòu)完全一樣，只是多了一個(gè)遮光層（通常在襯底的底部），避免進(jìn)入移位寄存器的信號(hào)電荷再次感光。

3．信號(hào)電荷的讀出

移位寄存器中的信號(hào)電荷是在一定相序的偏置脈沖電壓作用下，按照一定的方向移位輸出。目前，偏置脈沖電壓可分二相、三相和四相,下面以三相脈沖驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為例,介紹信號(hào)電荷的讀出操作。第86頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－36三相時(shí)鐘脈沖電壓前沿陡峭、后沿傾斜

圖8－36是MOS陣列移位寄存器三相偏置脈沖電壓。各MOS單元分三組，如MOS1、4、7…為一組，MOS2、5、8…為一組，MOS3、6、9…為一組，各組的電極同接于一相脈沖電壓下，如ф1接MOS1、4、7…

，ф2接MOS2、5、8…

,

ф3接MOS3、6、9…

。

在三相時(shí)鐘脈沖電壓ф1、ф2、ф3作用下，移位寄存器中的信號(hào)電荷由左向右移位串行輸出，如圖8－37所示。第87頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第88頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第89頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)時(shí)鐘t0＜t＜t1時(shí)，ф1為高電平，接于ф1下的MOS1、4、7…各單元電極下的勢(shì)阱最深，接收的信號(hào)電荷最多。ф2和ф3均為低電平，接于ф2和ф3下的各單元電極下無勢(shì)阱，如圖8－37（a）所示。當(dāng)時(shí)鐘t1＜t＜t3時(shí)，ф1電平下降，ф2為高電平，此時(shí)接于ф1下的各單元?jiǎng)葳逯械碾姾上颛?極下右移；接于ф1下的各單元?jiǎng)葳逵缮钭儨\，接于ф2下的MOS2、5、8…各單元電極下有深阱。ф3仍為低電平，接于ф3下的各單元電極下仍無勢(shì)阱，如圖8－37（b）所示。當(dāng)時(shí)鐘t3＜t＜t5時(shí)，ф1變?yōu)榈碗娖?，接于?下的各單元?jiǎng)葳逑?。此時(shí)ф2電平下降，ф3變?yōu)楦唠娖?，接于?下的各單元?jiǎng)葳逯械碾姾上颛?極下右移；接于ф2下的各單元?jiǎng)葳逵缮钭儨\，接于ф3下的MOS3、6、9…各單元電極下的勢(shì)阱變?yōu)樯钰?。?0頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－37移位寄存器中信號(hào)電荷的左移第91頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

由上分析可知，MOS陣列中的信號(hào)電荷是按照一定的時(shí)序不斷地注入、并行轉(zhuǎn)移寄存、串行移位輸出。通常電荷注入（感光）時(shí)間較長(zhǎng)（20～30ms），以獲得足夠的光強(qiáng)信息