【文章內(nèi)容簡介】 在 不受光照射 時處于 截止 狀態(tài)， 受光照射 時處于 導(dǎo)通 狀態(tài)。 光敏二極管 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 ??電 場勢 壘 區(qū)P 　 　 N光RLEPN（ b ） 符 號（ c ) 基 本 電 路（ a ) 結(jié) 構(gòu) 原 理+P N 結(jié)第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 ? 光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個 PN結(jié)，只是它的基極做得很大，以擴大光的照射面積。 ? 大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電極就是反向偏壓， 當(dāng)光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子 —空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的 β倍，所以光敏晶體管有放大作用。 光敏三極管 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 ( a ) 結(jié) 構(gòu) ( b ) 符 號becN Pc光Neb（ P ） be （ N ）c （ N ）RLE( c ) 基 本 電 路becRLE( d ) 工 作 原 理 示 意 圖bI cI第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) ?硅（ Si）光敏晶體極管 一般都是 NPN結(jié)構(gòu)，光照射在集電結(jié)的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。 N N P c b e + 光電效應(yīng)與光電器件 光敏晶體管的基本特性 ? 光敏晶體管的光譜特性 1 0 08 06 04 02 004 1 028 1 021 2 1 021 6 1 022 0 1 02入 射 光鍺硅? / n mS / (%) 對一定材料和工藝制成的光敏管，必須對應(yīng)一定的波長范圍，入射光才會響應(yīng)，硅光敏晶體管適用于 長，而鍺光敏晶體管適用于。 對于 可見光源 ，使用 硅管比較合適；對于 紅外光源 ， 鍺管 較合適。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 ? 伏安特性 0 . 1 00 . 0 80 . 0 60 . 0 40 . 0 2I / mA1 2 0 0 1 x1 0 0 0 1 x8 0 0 1 x6 0 0 1 x4 0 0 1 x2 0 0 1 x0－ 1 0 － 2 0 － 3 0 － 4 0 － 5 01 0864201 0 2 0 3 0 4 0 5 0500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反 向 電 壓 / V 集 電 極 － 發(fā) 射 極 電 壓 / V( a ) 硅 光 敏 二 極 管 ( b ) 硅 光 敏 晶 體 管在一定照度下，流過光敏晶體管的電流與兩端的電壓的關(guān)系。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 光照特性 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 001 . 02 . 03 . 0o μAIlx?第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 頻率特性 高頻應(yīng)用時應(yīng)降低負載電阻 . 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 1008060402001 10 1001 0 0 k 1 0 kRL＝ 1 kS / (%)f / k H z光敏晶體管的頻率特性 光電效應(yīng)與光電器件 光敏二極管和三極管的主要差別： ? 光電流 ? 光敏二極管一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過 1uA。 ? 響應(yīng)時間 ? 光敏二極管的響應(yīng)時間在 100ns以下，而光敏三極管為 5～10us。因此，當(dāng)工作頻率較高時，應(yīng)選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時，才選用光敏三極管。 ? 輸出特性 ? 光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 光敏管的應(yīng)用 路燈自動控制器原理圖 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 光電效應(yīng)與光電器件 四、光電耦合器 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) “光耦”器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光管輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。通過電 ——光、光 ——電，兩次轉(zhuǎn)換進行輸入輸出耦合。 又稱光電隔離器（ 器件的光信號封閉 ） 光電效應(yīng)與光電器件 四、光電耦合器 輸入輸出端必須使用獨立電源 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) “光耦”集成器件的特點： 輸入輸出完全隔離，有獨立的輸入輸出抗，絕緣電阻在 1萬兆以上。器件有很強的抗干擾能力和隔離性能，可避免振動、噪聲干擾。特別適宜工業(yè)現(xiàn)場做數(shù)字電路開關(guān)信號傳輸、邏輯電路隔離器、計算機測量、控制系統(tǒng)中做無觸點開關(guān)等。 光電效應(yīng)與光電器件 光電耦合器的應(yīng)用 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) 燃氣灶熱水器的高壓打火確認電路 V2R7R6VDVccR5R4C2R3R2R1C1TVB高 壓 打 火針 打 火 確 認針V3強 吸 閥 線圈V1 光電效應(yīng)與光電器件 光電器件光 電 效 應(yīng)內(nèi) 光 電 效 應(yīng)外 光 電 效 應(yīng) ： 光 電 管 、 光 電 倍 增 管光 生 伏 特 效 應(yīng) ： 光 電 池光 能電 能? ?光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) ： 光 敏 電 阻五、總結(jié) 光敏二極管、三極管 第 9章 光電式傳感器 檢測技術(shù) CCD固體圖像傳感器 圖像測量系統(tǒng) 控制中樞、圖像處理 照明 鏡頭 、 圖像傳感器 圖像采集 視頻信號 CCD固體圖像傳感器 ? 圖像傳感器是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號 的器件，分為真空管圖像傳感器和半導(dǎo)體圖像傳感器。 ? 固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導(dǎo)體光電器件，在一個器件上可以完成光電信號的轉(zhuǎn)換、傳輸和處理。 ? 固態(tài)圖像傳感器的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件，有五種類型： ? 電荷耦合器件（ CCD） ? 互補式金屬 氧化物 半導(dǎo)體（ CMOS）型 ? 電荷注入器件（ CID） ? 電荷引發(fā)器件（ CPD） ? 疊層型成像器件 CCD固體圖像傳感器 電荷耦合器件 （ Charge Couple Device, 縮寫為 CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（ MOS）集成電路光電器件。它以電荷為信號， 具有光電信號 轉(zhuǎn)換 、 存儲 、 轉(zhuǎn)移 并 讀出 信號電荷的功能。 + U金 屬二 氧 化 硅P 型 硅勢 阱 ( 光 生 電 子 )MOS 光敏單元電荷生成 CCD以 電荷 作為信號的載體，而不是電壓或電流。 CCD的工作原理 CCD固體圖像傳感器 CCD固體圖像傳感器 以 P型襯底 MOS結(jié)構(gòu)為例，如果在 金屬電極 —— 柵極 上施加一足夠大的正點壓，半導(dǎo)體表面將處于深耗盡狀態(tài)，在半導(dǎo)體表面形成電子 勢阱 。半導(dǎo)體表面相對于體內(nèi)的電勢差稱為勢阱深度。勢阱可以存儲少數(shù)載流子（在 P型襯底情況下少數(shù)載流子是電子），勢阱越深存儲電荷越多。 當(dāng)光照射到硅片上時，在光子作用下產(chǎn)生電子 空穴對，自由電子會被勢阱收集，電子數(shù)主要取決于光照強度和收集（積分）時間的長短。 + U金 屬二 氧 化 硅P 型 硅勢 阱 ( 光 生 電 子 )CCD電荷的產(chǎn)生 CCD固體圖像傳感器 為了將勢阱中的電荷轉(zhuǎn)移并輸出，每個光敏單元一般包括 3個相鄰的電極 ，電極上的脈沖電壓相位依次相差 120176。 ，波形都是前緣陡峭后緣傾斜。 + U輸 出φ1φ3φ2電荷積蓄、轉(zhuǎn)移 φ1φ3φ2t1t5t4t3t2CCD電荷的收集和移位 CCD固體圖像傳感器 φ1φ3φ2t1t5t4t3t21 98765432 在 t1時刻，電極 7下方出現(xiàn)勢阱，并收集到光生電荷，電荷的多少與光強有關(guān)。在 t2時刻，電壓φ1下降，電壓 φ2最高，電極 8下方勢阱最深，原來存儲在電極 7下方的電荷將在電場作用下轉(zhuǎn)移到 8下方。到 t3時刻，電荷全部向右轉(zhuǎn)移的一步。依次類推，在 t5時刻，電荷將轉(zhuǎn)移到電極 9下方。 CCD電荷的收集和移位 CCD固體圖像傳感器 CCD電荷的收集和移位 CCD的分類 CCD固體圖像傳感器 （ 1）線陣型 CCD圖像傳感器 主要應(yīng)用于 產(chǎn)品外部尺寸非接觸檢測，產(chǎn)品質(zhì)量評定，傳真和光學(xué)文字識別技術(shù)等方面。 轉(zhuǎn) 移 柵轉(zhuǎn) 移 柵光 積 分 單 元不 透 光光 積 分 單 元輸 出輸 出( a ) 單 溝 道移 位 寄 存 器 1移 位 寄 存 器 2移 位 寄 存 器( b ) 雙 溝 道 CCD固體圖像傳感器 （ 2）面陣型 CCD圖像傳感器 檢測二維圖像，有行傳輸，幀傳輸和行間傳輸三種形式 。 感 光 區(qū)輸 出輸出寄存器輸 出 寄 存 器輸 出光感光區(qū)暫存器輸 出 寄 存 器輸 出暫存列光 敏 單 元( a ) 行 傳 輸 ( b ) 幀 傳 輸 ( c ) 行 間 傳 輸行選址電路感光列有效面積大，速度快，需要行選址電路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜有重影 無重影，與電視