【正文】 構(gòu)圖。隔離轉(zhuǎn)移型 (b)線轉(zhuǎn)移型； 面型 CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu) 這種轉(zhuǎn)移方式具有有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，轉(zhuǎn)移效率高等特點，但電路比較復雜， 行掃描發(fā)生器將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，驅(qū)動脈沖將信號電荷一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出寄存器， 圖 728（ a）為線轉(zhuǎn)移面型 CCD的結(jié)構(gòu)圖。93所示。幀轉(zhuǎn)移型和行間轉(zhuǎn)移型， 按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成面型 CCD圖像傳感器。(2) 線型 CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出，為了得到整個二維圖像的視頻信號， 這種結(jié)構(gòu)與長度相同的單行結(jié)構(gòu)相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率；同時由于轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，使 CCD電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少；雙行結(jié)構(gòu)在獲得相同效果情況下，又可縮短器件尺寸。圖 727（ b）為 CCD的雙行結(jié)構(gòu)圖。91（ b） 單行結(jié)構(gòu)； 線型 CCD圖像傳感器 當轉(zhuǎn)移控制柵關(guān)閉時， MOS光敏元陣列又開始下一行的光電荷積累。當轉(zhuǎn)移控制柵開啟時，各光敏單元收集的信號電荷并行地轉(zhuǎn)移到 CCD移位寄存器的相應單元。在光積分周期里，各個光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強度和光積分時間成正比， 線型 CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列 CCD移位寄存器構(gòu)成的，光敏單元與移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵， 固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號 “圖像 ”，即將光強的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強成正比的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號 “圖像 ”傳送， 光敏單元簡稱 “像素 ”。CCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。 電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中， 87圖 726 CCD輸出端結(jié)構(gòu) 88 2. CCD的應用（ CCD固態(tài)圖像傳感器）輸出電流的大小與信號電荷大小成正比，并通過負載電阻 RL變?yōu)樾盘栯妷?Uo輸出。圖 726是 CCD輸出端結(jié)構(gòu)示意圖。86實現(xiàn)了電荷的耦合與轉(zhuǎn)移。 在 t=t3時，有更多的電荷轉(zhuǎn)移到電極 5下勢阱內(nèi)。隨著 Φ1電壓下降，電極 4下的勢阱相應變淺。5下面勢阱轉(zhuǎn)移。5下面的勢阱互相耦合，使電極 由于相鄰電極之間的間隙很小，電極 電極 5下面出現(xiàn)勢阱。當 t=t1時， Φ1相處于高電平， Φ Φ3相處于低電平，在電極 4下面出現(xiàn)勢阱，存儲了電荷。 85(b)(a)84圖 725(b)(a)83圖 72525（ a）所示?？刂齐妷?Φ Φ Φ3的波形見圖 8把 MOS光敏元電極分成三組， 為保證信號電荷按確定方向和路線轉(zhuǎn)移，在各電極上所加的電壓嚴格滿足相位要求。 并在其上制作許多互相絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小的距離，保證相鄰勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。CCD最基本的結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷?MOS電容器， 82（ b） 背面光注入； 724 圖 724（ b）是用輸入二極管進行電注入，該二極管是在輸入柵襯底上擴散形成的。 實現(xiàn)光信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換。 形成信號電荷， 即光信號注入。 CCD用作固態(tài)圖像傳感器時， CCD的信號是電荷，那么信號電荷是怎樣產(chǎn)生的呢？ CCD的信號電荷產(chǎn)生有兩種方式： 如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導體硅產(chǎn)生了電子 空穴對，由此產(chǎn)生的光生電子就被附近的勢阱所吸收，勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢阱附近的光強成正比，存儲了電荷的勢阱被稱為電荷包，而同時產(chǎn)生的空穴被排斥出耗盡區(qū)。對帶負電的電子來說，耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域。與其它電容器一樣， MOS電容器能夠存儲電荷。工作原理 79（ b） MOS電容截面； 78圖 723輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了 CCD器件。這樣一個 MOS結(jié)構(gòu)稱為一個光敏元或一個像素。它以 P型（或 N型）半導體為襯底，上面覆蓋一層厚度約 120其基本單元是 MOS（金屬 氧化物 半導體）電容器， 結(jié)構(gòu) 77 工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文及通訊等軍用及民用領域信息存儲及信息處理等方面，尤其適用以上領域中的圖像識別技術(shù)。轉(zhuǎn)移并讀出信號電荷的功能。具有光電信號轉(zhuǎn)換、 縮寫為 CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導體（ MOS）集成電路光電器件。Couple光電開關(guān)的基本電路 反射式 透射式； 74圖 721 安全報警及計算機輸入接口等。 產(chǎn)品計數(shù)， 光電開關(guān)廣泛應用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測裝置。 是光電開關(guān)的基本電路示例。 (10) 光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，而且與TTL、 圖 (b)是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測作用。圖 721為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。 并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出 “開 ”、 2. 光電開關(guān)7271圖 720應使發(fā)光元件和接收元件的波長匹配。圖 720為光敏三極管和達林頓光敏管輸出型的光電耦合器。發(fā)光器件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，其管芯由一個 PN結(jié)組成，隨著正向電壓的增大，正向電流增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也增加。光電耦合器的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)， 根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，它又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。68表 74 硅光電池 2CR型特性參數(shù) 69表 74 硅光電池 2CR型特性參數(shù) 70 光電耦合器件 719 從圖中看出，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。因此溫度特性是光電池的重要特性之一。光電池的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情況。(4)66圖 718 圖 718分別給出硅光電池和硒光電池的頻率特性，橫坐標表示光的調(diào)制頻率。（ 3） 硅光電池的光照特性 64圖 63圖 716不宜用作電壓源。因此用光電池作為測量元件時， 短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度呈線性關(guān)系，開路電壓（即負載電阻 RL無限大時）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當照度在 2023圖 717為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線。光電池在不同光照度下， (2)62可見，硅光電池可以在很寬的波長范圍內(nèi)得到應用。不同材料的光電池，光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的，硅光電池波長在 ，硒光電池在 。圖 716為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。(1)光電池基本特性有以下幾種： 等效電路 結(jié)構(gòu)示意圖； 硅光電池原理圖 60圖 圖 715為硅光電池原理圖。 在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。 若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么 P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴， 光電池的工作原理是基于 “光生伏特效應 ”。光電池在有光線作用時實質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。57表 72 2CU型硅光敏二極管的基本參數(shù) 58表 73 3DU型硅光敏晶體管的基本參數(shù) 59 光電池 所以在電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。光敏晶體管的溫度特性曲線如圖 714所示。溫度特性 714光敏晶體管的頻率特性受負載電阻的影響，圖 713為光敏晶體管頻率特性，減小負載電阻可以提高頻率響應范圍，但輸出電壓響應也減小。光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。（ 3） 5453圖 713(b)(a)712 圖 712（ b）為硅光敏晶體管的伏安特性。圖 712（ a）為硅光敏二極管的伏安特性，橫坐標表示所加的反向偏壓。(2)光敏二極 (晶體 )管的光譜特性5150圖 用鍺管較為適宜。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。一般來講， μm， 硅和鍺光敏二（晶體）極管的光譜特性曲線如圖 711所示。光敏管的光譜特性是指在一定照度時， (1)基本電路 結(jié)構(gòu)簡化模型； 達林頓光敏管的等效電路 ?NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路 98 由于增加了一級電流放大，所以輸出電流能力大大加強，甚至可以不必經(jīng)過進一步放大，便可直接驅(qū)動靈敏繼電器。光敏晶體管的光電靈敏度雖然比光敏二極管高得多，但在需要高增益或大電流輸出的場合，需采用達林頓光敏管。46 當光照射在集電結(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。 光敏二極管接線圖 44圖 77 光的照度越大，光電流越大。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。 此外許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。其溫度影響要小一些。因此，硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改變，尤其是響應于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。溫度特性 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 39圖 圖 75為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性，相比較，硫化鉛的使用頻率范圍較大。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數(shù)（毫秒數(shù)量級）， 大多數(shù)的光敏電阻時間常數(shù)都較大， 實驗證明，光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示。（ 4） 光敏電阻的頻率特性 而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區(qū)， 對應于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應曲線也不同。為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應。光譜特性 3635圖 7434圖 7333圖 圖 73為硫化鎘光敏電阻的光照特性。（ 2）光照特性 由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其 IU曲線為直線。在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。(1)32 3. 光敏電阻的基本特性 光電流 光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。(2) 光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻， (1)(c)(b)(a)71 為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案， 半導體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡單，圖 71（ a）為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。29亮電阻值在幾千歐以下。此時光敏電阻的靈敏度高。 無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。光敏電阻沒有極性， 1. 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應。（ 2） 光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度， （ 1） 內(nèi)光電效應又可分為以下兩類： E2E1E2E1入射光 hυ＝ E2－ El受激輻射光 hυ＝ E2－ El入射光 hυ＝ E2－ El27E2E1E2E1自發(fā)輻射光 hυ＝ E2－ ElE2E1E2E1入射光 hυ＝ E2－ El原子吸收入射光子并躍遷到高能級26n 處于高能級 E2的原子，受能量為 hυ＝ E2－ El的外來光子作用而躍遷到低能級 E1，并發(fā)射一個與外來一樣的光子。大量處于高能級的原子，它們各自獨立地發(fā)射一列列頻率相同的光波。n 同一種元素的原子，能級的情況是相同的。但是，原子內(nèi)部的電子可以通過與外界交換能量而從一種運動狀態(tài)改變?yōu)榱硪环N運動狀態(tài)。 光子能量必須超過逸出功 A0，才能產(chǎn)生光電子；入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強成正比；光電子逸出物體表面時具有初始動能 ，因此對于外光電效應器件，即使不加初始陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零， 由式可知：