【正文】 第七節(jié) CCD光電傳感器 二、光固態(tài)圖象傳感器 光固態(tài)圖象傳感器由 光敏元件陣列 和 電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成 。 在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。 光電轉(zhuǎn)速傳感器原理圖 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。 透射式光電轉(zhuǎn)速表。其輸出信號(hào)為 0。這光束由帶材遮擋一部分，另一部分射到角矩陣反射鏡 6后被反射，又經(jīng)透鏡 半透反射鏡 3和雙凸鏡 7會(huì)聚于光敏晶體管 8上。 光電式邊緣位置傳感器由白熾燈光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電器件組成，其結(jié)構(gòu)如圖 l0． 30所示。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好 。 一般來說 ， 光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差 。 （ 5）光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示 。C 光敏晶體管的溫度特性 （ 4）溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。 暗電流 /mA 光電流 /mA 10 20 30 40 50 60 70 T /186。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。 U/V 光敏晶體管的光照特性 I / μA L/lx 200 400 600 800 1000 0 （ 3）光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示。 因此 ， 只要將入射光照在發(fā)射極 e與基極 b之間的 PN結(jié)附近 ， 所產(chǎn)生的光電流看作基極電流 ， 就可將光敏三極管看作一般的晶體管 。 0 500lx 1000lx 1500lx 2022lx 2500lx I/mA 2 4 6 20 40 60 80 光敏晶體管的伏安特性 （ 2）伏安特性 光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示 。由于鍺管的暗電流比硅管大 ， 因此鍺管的性能較差 。 4000 8000 12022 16000 100 80 60 40 20 0 硅的峰值波長(zhǎng)為 9000197。 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮短時(shí) ， 相對(duì)靈敏度也下降 ， 這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收 ， 并且在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能到達(dá) PN結(jié) ， 因而使相對(duì)靈敏度下降 。 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí) ， 相對(duì)靈敏度要下降 。 當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí) ,會(huì)產(chǎn)生電子 空穴對(duì) ,在內(nèi)電場(chǎng)的作用下 ,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。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益 ,只是它的發(fā)射極一邊做的很大 ,以擴(kuò)大光的照射面積 ,且其基極不接引線。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流； 受光照射時(shí)， PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，從而使 P區(qū)和 N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入 N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入 P區(qū)，從而使通過 PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流 。 P N 光 光敏二極管符號(hào) RL 光 P N 光敏二極管接線 光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似 、 它裝在透明玻璃外殼中 ， 其 PN結(jié)裝在管頂 ， 可直接受到光照射 。 1. 光敏二極管 光敏二極管符號(hào)如圖 。 2CU系列以 NSi為襯底， 2DU系列以 PSi為襯底。 其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管 。 按材料分 ， 光電二極管有硅 、 砷化鎵 、 銻化銦光電二極管等許多種 。 它和光電池相比 ， 重要的不同點(diǎn)是 結(jié)面積小 ， 因此它的頻率特性特別好 。 1. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 + 光 P N － SiO2 RL (a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖 I 光 (b) 光電池的工作原理示意圖 P N 光電池的表示符號(hào) 、 基本電路及等效電路如圖所示 。 若將 PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來 ， 電路中有電流流過 ， 電流的方向由 P區(qū)流經(jīng)外電路至 N區(qū) 。 它是在一塊 N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些 P型雜質(zhì) (如硼 )形成 PN結(jié) 。 因此 ，它在宇宙飛船 、 衛(wèi)星 、 太空探測(cè)器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的 。 ?砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高 ， 光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合 。 ?硅光電池價(jià)格便宜 ， 轉(zhuǎn)換效率高 ， 壽命長(zhǎng) ， 適于接受紅外光 。 如 ， 硒光電池 、 砷化鎵光電池 、 硅光電池等 。 它有較大面積的 PN結(jié) ， 當(dāng)光照射在 PN結(jié)上時(shí) ，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì) 。 由于它可把太陽能直接變電能 ， 因此又稱為太陽能電池 。C 20 186。 I / μA 100 150 200 50 10 30 50 10 30 T / 186。 有時(shí)為了提高靈敏度 ， 或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長(zhǎng)波段的輻射 ， 將元件降溫使用 。 隨著溫度的升高 ， 其暗電阻和靈敏度下降 ， 光譜特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng) 。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是 無限長(zhǎng) 的。 光敏電阻在開始一段時(shí)間的老化過程中 ， 有些樣品阻值上升 ， I / % 40 80 120 160 2 1 T/h 0 400 800 1200 1600 有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不再變了。 初制成的光敏電阻 ， 由于 體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定 ，以及 電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡 ， 所以性能是不夠穩(wěn)定的 。 硫化鉛 的使用頻率比 硫化鎘 高得多，但多數(shù)光敏電阻的 時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。 I/ μA （ 5）頻率特性 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。 但是電壓不能無限地增大 ， 因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率 、 最高工作電壓和額定電流的限制 。 由曲線可知 ， 在給定偏壓下 ,光照度較大 ， 光電流也越大 。 20 40 60 80 100 40 80 120 160 200 240 λ/μm 3 1 2 相對(duì)靈敏度 1—— 硫化鎘 2—— 硒化鎘 3—— 硫化鉛 （ 4） 伏安特性 在一定照度下 ， 加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性 。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。 一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān) 。 不同類型光敏電阻光照特性不同 ， 但光照特性曲線均呈非線性 。 （ 2）光照特性 下圖表示 CdS光敏電阻的光照特性 。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。 光電流： 亮電流與暗電流之差 。 亮電流： 光敏電阻在某一光照下的阻值 ， 稱為該光照下的亮電阻 。