光电式传感器光电器件课件.ppt

1、第8章 光电式传感器 第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 概述概述 光电器件光电器件 光纤传感器光纤传感器 8.08.18.2第8章 光电式传感器 光电效应；光电器件工作原理、基本特性；光纤传感器工作原理与应用。CCD工作原理；光纤传感器的应用。第8章 光电式传感器 8.0 概述概述 1.什么是光电传感器什么是光电传感器 光电传感器是将光电传感器是将的变化的变化的变化，再的变化，再通过光电元件把光量的变化通过光电元件把光量的变化的一种测量装置，的一种测量装置，。光电式传感器（简称光电传感器光电传感器）又称为光敏传感器；光敏传感器；从目的上讲，它是探测光电信号的器件，所以还可以称为光电探测

2、器光电探测器。第8章 光电式传感器 2.光电传感器的组成光电传感器的组成 光电传感器是以光为媒介，以光电效应为基础的传感器，光电传感器是以光为媒介，以光电效应为基础的传感器，其基本结构如图8-1所示。它一般由光源、光学通路、光电光源、光学通路、光电器件器件三部分组成。被测量作用于光源光源或者或者光学通路光学通路。从而引起光量的变化。光电传感器光电传感器第8章 光电式传感器 4.光电传感器的特点光电传感器的特点 光电传感器具有频谱宽、响应速度快、可靠性高、。3.光电传感器的类型光电传感器的类型按照工作原理，光电传感器主要分为以下四种：（1 1）光电效应传感器）光电效应传感器（2 2）固态图像传感

3、器）固态图像传感器（3 3）光纤传感器）光纤传感器（4 4）红外热释电传感器）红外热释电传感器第8章 光电式传感器 4.光电传感器基础知识光电传感器基础知识 -光电效应光电效应 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，光量子的子学说解释了光电发射效应，光量子的理论是现代物理学的基石，并为此而获理论是现代物理学的基石，并为此而获得得1921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。用光照射某一物体用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应

4、称为光电效应。光电效应分为和两大类。第8章 光电式传感器 E=h 式中：h普朗克常数=6.62610-34(Js)光的频率（s-1）。一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为。光子具有能量，每个光子具有的能量每个光子具有的能量由下式确定：所以光的波长越短波长越短，即频率越高频率越高，其光子的能量也越大光子的能量也越大；反之，光的波长越长波长越长，其光子的能量也就越小光子的能量也就越小。第8章 光电式传感器 在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电元件有光电管光电管、光电倍增管光电倍增管、光电

5、摄像管光电摄像管等。1）外光电效应外光电效应第8章 光电式传感器 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功子吸收的入射光子能量超过逸出功A A0 0时，电子就会逸出物体表面，产生光电时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。02021Amvhv式中：m电子质量；v0电子逸出速度。第8章 光电式传感器 n光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值阈

6、值，称为红限频率或波长限红限频率或波长限。红限频率为红限频率为:v=A0/h 红限波长为：红限波长为：=ch=ch/A/A0 0 由由爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程可知：可知：，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，也不会产生光电子发射；反之，也会有光电子射出。n当，。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。第8章 光电式传感器 2.内光电效应内光电效应 在光线作用下，物体的在光线作用下，物体的发生变化或产生发生变化或产生的效应称为的效应称为。内光电效应又可分为以下两类：（1）光电导效应光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量

7、，就激发出电激发出电子子-空穴对空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值半导体的导电性增加，阻值减低减低，这种现象称为光电导效应光电导效应。就是基于这种效应的光电器件。第8章 光电式传感器 导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg半导体中的能带：半导体中的能带：当光照射到半导体材料上时，价带中的受到动能动能大于或等于大于或等于禁带宽禁带宽度度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，从而使电导率变大电导率变大。第8章 光电式传感器 式中、分别为入射光的频率和波长。Eg24.1hch为了实现能级的跃迁实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度入射光

8、的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg：材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长只有波长0 0的光照射在光电导体上，才能产生电的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。第8章 光电式传感器（2）光生伏特效应光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光敏二极管、三极管、光电池光敏二极管、三极管、光电池。第8章 光电式传感器 光敏电阻光敏电阻为纯电阻元件

9、，为纯电阻元件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）等。8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻（光电导器件）光敏电阻（光电导器件）1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理（1）光敏电阻的结构）光敏电阻的结构 光敏电阻的结构很简单，图8-2（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为。半导体的两端装有金属电极金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。第8章 光电式传感器 在

10、顶部有两片梳状的金属梳状的金属电极，电极，从波纹状梳齿缝隙里露出来的物质为半导体光敏层。光敏电阻的电极采用梳状图光敏电阻的电极采用梳状图案案，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。所以提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻剖面图光敏电阻剖面图光敏电阻顶视图光敏电阻顶视图第8章 光电式传感器 光敏电阻实物图光敏电阻实物图 为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。的波长范围内透射率最大。第8章 光电式传感器 其工作原理是基于其工作原理是基于光电导效应，光电导效应，其阻

11、值随光照增强而减其阻值随光照增强而减小。小。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。加直流电压，也可以加交流电压。（2）基本工作原理）基本工作原理 无光照时，光敏电阻值很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减小，电路中电流迅速增大。光敏电阻电路光敏电阻电路第8章 光电式传感器 光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻受当光敏电阻受到光照时，光生到光照时，光生电子电子空穴对增空穴对增加，阻值减小，加，阻值减小，电流增大。电流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）第8章 光电式传感

12、器 2.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数（1）暗电阻与暗电流）暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻暗电阻，此时流过的电流成为暗电流暗电流。（2）亮电阻与亮电流）亮电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻亮电阻，此时流过的电流称为亮电流亮电流。（3）光电流）光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，即暗电流要小，亮电流要大，则光敏电阻的性能越好，灵敏度也高。第8章 光电式传感器 3.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 在一定照度下，在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端流过光敏电阻的电流与光敏电阻

13、两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。（1）伏安特性）伏安特性图图 8-3 硫化镉光敏电阻的伏安特性硫化镉光敏电阻的伏安特性 在一定的电压范围内，在一定的电压范围内，其伏安特性为直线其伏安特性为直线;不同照度时，伏安特不同照度时，伏安特性曲线的斜率不同，性曲线的斜率不同，功耗曲线功耗曲线第8章 光电式传感器 在一定光照度下，所加电压越大，光电流也越大在一定光照度下，所加电压越大，光电流也越大!同一般电阻一样，光敏电阻两端的电压也不能无限制地提高，因为，光敏电阻都有最大额定功率，超过最高工作电压和最大额定电流，就可能导致光敏电超过最高工作电压和最大额定电流，就

14、可能导致光敏电阻的永久损坏。阻的永久损坏。第8章 光电式传感器 在一定电压条件下，在一定电压条件下，光敏电阻的光照特性是描述光电光电流流 I 和和光照强度之间的关系光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。因此，它它不宜作为不宜作为测量元测量元件，一般在控制系统中常件，一般在控制系统中常常用作开关元件常用作开关元件!图图8-4 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性（2）光照特性）光照特性第8章 光电式传感器 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特

15、性，亦称为阻的光谱特性，亦称为。（3）光谱特性）光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱，即光敏电阻对不同波长的入射光有。第8章 光电式传感器 当入射光的波长增加时当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光光子在半导体表面附近就被吸收子在半导体表面附近就被吸收，因而使相对灵敏度下降。因而使相对灵敏度下降。第8章 光电式传感器 图8-5 光敏电阻的光谱特性 图8-5 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光

16、敏电阻光谱响应曲线也不同。因此，在选用光敏电阻时应当把元件在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类相结合起来考虑，和光源的种类相结合起来考虑，才能获得满意效果。才能获得满意效果。光谱响应的峰值在可见光区域可见光区域，常被用作光度常被用作光度量测量（照度量测量（照度计）的探头。计）的探头。响应于近红外响应于近红外和中红外区，和中红外区，常用做火焰探常用做火焰探测器的探头测器的探头。第8章 光电式传感器 光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流不能不能随着光强改变而立刻变化随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数这种惰性通常用时间常数表示表示。大多数的光敏电阻时间常

17、数都较大，时间常数都较大，这是它的缺点之一这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），因而它们的频率特性也就各不相同。（4）频率特性频率特性图图8-6 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 图8-6为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。相比较，硫化铅的使相比较，硫化铅的使用频率范围较大。用频率范围较大。入射光调制频率入射光调制频率第8章 光电式传感器 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化不仅温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性光谱特性也有很大的影响也有很大的影响。图8-7为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线光谱温度

18、特性曲线，它的峰值随着温度上峰值随着温度上升向波长短波的方向移动升向波长短波的方向移动。因此 （5）温度特性）温度特性为了提高光敏电阻对较长波对较长波段的红外辐射的响应，硫化铅段的红外辐射的响应，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。件下使用。（如（如热探测器型热探测器型热像仪）热像仪）而对于可见光可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些温度影响要小一些。图 8-7 硫化铅硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 第8章 光电式传感器 光敏电阻具有等优点，所以应用广泛。许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺

19、点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。常用作开关式光电信号的传感元件。4.光敏电阻特点光敏电阻特点第8章 光电式传感器 光敏二极管又称光敏二极管又称光电二极管光电二极管，是一种利用，是一种利用PN结单向导电性的结型光结单向导电性的结型光电器件。电器件。8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管（光生伏特器件）光敏二极管和光敏晶体管（光生伏特器件）1.光敏二极管光敏二极管（1）什么是光敏二极管）什么是光敏二极管（2）光敏二极管的结构）光敏二极管的结构 光电二极管光电二极管的结构与一般二极管相似，不同之处在于其其PN结装在透明结装在透明玻

20、璃外壳的顶部，可以直接受到光照玻璃外壳的顶部，可以直接受到光照射。射。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。图图 8-8 光敏二极管结构简图和符号光敏二极管结构简图和符号 第8章 光电式传感器 红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管第8章 光电式传感器 接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，便引起光电动势，这就是结光电效应结光电效应。第8章 光电式传感器 在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而是费米分布，叫做费米能级。n本征半导体的能带结构本征半导体的能带

21、结构FE。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内能带上的分布情况。体内能带上的分布情况。，费米能级在禁带的中间位，费米能级在禁带的中间位置，置，。第8章 光电式传感器 n杂质半导体的费米能级（掺杂能级）杂质半导体的费米能级（掺杂能级）杂质半导体的费米能级（掺杂能级）的位置与杂质类杂质半导体的费米能级（掺杂能级）的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系型及掺杂浓度有密切关系第8章 光电式传感器 PN结在扩散运动和漂移运动达到平衡时，P区和N区必须有统一的为什么从能带图可以看出，为什么从能带图可以看出，P区能带相对于区能带相对于N区能

22、带上移？区能带上移？这是因为这是因为PN结空间电荷区内存结空间电荷区内存在内建电场，其电场方向由在内建电场，其电场方向由NP，N区电势比区电势比P区的高，但是对于电子区的高，但是对于电子势能来说，则是势能来说，则是P区比区比N区的高。区的高。第8章 光电式传感器 以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽光子能量大于禁带宽度度E Eg g，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在在阻挡层内电场的作用下阻挡层内电场的作用下，被光激发的光激发的电子电子移向N N区外侧，区外侧，被光激发的空穴空穴移向P P区外侧区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，。第8章 光电式传感器 在无光照时

23、在无光照时，处于反偏的处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很大，反向电流很小，大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。这种反向电流称为暗电流。当有光照射到光敏二极管的当有光照射到光敏二极管的PN结时，结时，PN结附近受光子轰击，吸收其能结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子量而产生电子-空穴对，它们在反向电压和内电场的作用下，漂移越过空穴对，它们在反向电压和内电场的作用下，漂移越过PN结，形成比无光照时大得多的反向电流，结，形成比无光照时大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。该反向电流称为光电流。此时，光敏二极管的反向电阻下降。若入射光的强度

24、增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也响应增大，即光电流与光照度成即光电流与光照度成正比。正比。第8章 光电式传感器 如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的信号。如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的信号。光敏二极管的光电流光电流 I 与照度之间呈线性关系与照度之间呈线性关系。由于光敏二由于光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。光敏二极管电路光敏二极管电路其光谱特性：可见光、红外光可见光、红外光。第8章 光电式传感器 它的发射极一边做的很大发射极一边做的很大，以扩大光以扩大光的照射面积，且其基极不接引线。

25、的照射面积，且其基极不接引线。4.光敏晶体管光敏晶体管（1）什么是光敏晶体管）什么是光敏晶体管 光敏晶体管又称为光敏晶体管又称为光电晶体管光电晶体管，光敏三极管有光敏三极管有PNP型和型和NPN型两种型两种。其结构与一般三极管很相似，通常只有两个电极。通常只有两个电极。因而具有电流增益，具有比二极管更高的灵敏度。（2）光敏晶体管的结构）光敏晶体管的结构图图 8 10 NPN型光敏晶体管结构简图和外形型光敏晶体管结构简图和外形 集电结集电结第8章 光电式传感器 光敏晶体管管脚排列光敏晶体管管脚排列红外壁障传感器红外壁障传感器第8章 光电式传感器 光敏晶体管接线如图所示，大多数光敏晶体管的基极无引

26、出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压。（2）光敏晶体管的原理）光敏晶体管的原理 当光照射在集电结时光照射在集电结时，就会在结附近产生电子电子空穴对空穴对，光生电子被拉到光生电子被拉到，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流成输出电流，且集电极电流为光电流的且集电极电流为光电流的倍，倍，所以光敏晶体管有放大作用。所以光敏晶体管有放大作用。其光谱特性：其光谱特性：可见光、红外光可见光、红外光。第8章 光电式传感器（3）基本特性）基本特性 光

27、谱特性光谱特性 光敏二（晶体）极管光敏二（晶体）极管的光谱特性是指在一定照度时，的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图8-12所示。从曲线可以看出：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长最佳灵敏度的峰值波长。硅的峰值波长为硅的峰值波长为9000，可，可见光或探测赤热状态物体时，见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管一般选用硅管；锗的峰值波长为锗的峰值波长为15000，对对红外线进行探测时，则采用锗红外线进行探测时，则采用锗管较合适管较合适。图图 8-12 光

28、敏二极光敏二极(晶体晶体)管的光谱特性管的光谱特性第8章 光电式传感器 伏安特性伏安特性指在指在给定的光线照度下给定的光线照度下，光电管上电压与电流的关系。，光电管上电压与电流的关系。(a)硅光敏二极管伏安特性硅光敏二极管伏安特性当光照时，当光照时，随着光照强度的增大而增大；在相同的照度下，伏安特在相同的照度下，伏安特性曲线几乎平行性曲线几乎平行，它的输它的输出实际上不受偏压大小的出实际上不受偏压大小的影响影响。第8章 光电式传感器 图图8-13（b）为）为硅光敏晶体管硅光敏晶体管的伏的伏安特性安特性。纵坐标为光电流，横坐标为集电极-发射极电压。从图中可见，由于晶体管的放大作用，在同样照度下，

29、在同样照度下，其光电其光电流比相应的二极管大上百流比相应的二极管大上百倍。倍。(b)硅光敏晶体管伏安特性硅光敏晶体管伏安特性第8章 光电式传感器 频率特性频率特性 光敏管的频率特性（光敏管的频率特性（）是指光敏）是指光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。图图 8-14 光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性 光敏二极管的频率特性最好，响应光敏二极管的频率特性最好，响应时间达时间达10uS；光敏晶体管频率特性受光敏晶体管频率特性受影响，影响，减小负载电阻可以提高频率响应范围，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小但输

30、出电压响应也减小。硅管的频率响应要比锗管好。第8章 光电式传感器 温度特性温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流暗电流及及光电流光电流与与温度温度的关系。的关系。温度对温度对暗电流暗电流影响很大影响很大 所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差出误差！温度变化对温度变化对光电流光电流影响很小影响很小第8章 光电式传感器 8.1.3 光电池（光生伏特器件）光电池（光生伏特器件）1.光电池结构与原理光电池结构与原理（1）什么是光电池）什么是光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电

31、能的器件光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池太阳能电池。命名方式：命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前，应用最广、最有发展应用最广、最有发展前途的是前途的是硅光电池。硅光电池。第8章 光电式传感器（2）工作原理）工作原理 硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。图图 8-16 硅光电池原理图硅光电池原理图(a)结构示意图；结构示意图；(b)等效电路等效电路 第8章 光电式传感

32、器 当光照到当光照到PN结区时，结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子激发出电子-空穴对，空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样这样N区和区和P区之间出现电位差区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势若将外电路断开，就可测出光生电动势。第8章 光电式传感器 2.光电池基本特性光电池基本特性（1）光谱特性光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的，光电池的光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的，光电池的光谱特性光谱特性决定于决定于材料。材料。硒光电池硒光电池在可见光

33、谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜适宜测可见光测可见光。硅光电池硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。硅光电池可以在很宽的范围内应用。图图8-17 硅光电池的光谱特性硅光电池的光谱特性 第8章 光电式传感器 硅光电池硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外转换效率高，寿命长，适于接受红外光光。硒光电池硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可适于接收可见光见光(响应峰值波长响应峰值波长0.54m)，最适宜制造照度计。，最适宜制造照度计。砷化镓光电池砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高转换效

34、率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的应用是有发展前途的。第8章 光电式传感器（2）光照特性光照特性 光电池在不同光照度下，其光电池在不同光照度下，其光电流光电流和和光生电动势光生电动势与与光照度光照度之间的关系就是光照特性。之间的关系就是光照特性。图 8-18 硅光电池的光照特性 光电池作为测量光电池作为测量元件时，应把它作元件时，应把它作为为来使用，来使用，不宜作为电压源。不宜作为电压源。第8章 光电式传感器 开路电压曲线：开路电压曲线

35、：光生电动势与照度之间呈非线性关系非线性关系，且当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：短路电流曲线：光电流与照度之间呈线性关系线性关系。短路电流短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足当的外接负载近似地满足“短路短路”条件条件。第8章 光电式传感器 从图中可以看出，负载电阻负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5

36、I/mAL/klx 50 10010005000RL=0硒光电池硒光电池在不同负载电阻时的光照特性第8章 光电式传感器（3）频率特性频率特性 图图8-19 硅光电池和硒电池的频率特性硅光电池和硒电池的频率特性 图8-19分别给出硅光电池硅光电池和硒光电池硒光电池的频率特性，横坐标表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频硅光电池有较好的频率响应率响应。光电池作为测量测量、计数计数、接收元件接收元件时常用调制光输入时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。

37、频率特性较差。第8章 光电式传感器（4）温度特性）温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。的情况。从图中看出：从图中看出：开路电压随温度升高而下降的速度较快，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路而短路电流随温度升高而缓慢增加电流随温度升高而缓慢增加。图图 8-20 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性 由于温度对光电池的工作有很大影响，由于温度对光电池的工作有很大影响，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件作为测量元件时，最好能保持温

38、度恒定温度恒定，或采取温度补偿措施温度补偿措施。第8章 光电式传感器 光电池外形光电池外形光敏面光敏面第8章 光电式传感器 其他光电池及在照度测量中的应用其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池第8章 光电式传感器 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 光电耦合器（光电隔离器）的光电耦合器（光电隔离器）的发光元件发光元件和和接收元件接收元件都封装在一个都封装在一个外壳内外壳内。（1）光电耦合器的结构）光电耦合器的结构1.光电耦合器光电耦合器发光器件：发光器件：通常采用砷化镓红外发光二极管通常采用砷化镓红外发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，

39、正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光电接收元件：光电接收元件：可以是光敏二极管光敏二极管和光敏三极管光敏三极管，也可以是达林顿光达林顿光敏管敏管。为了保证光电耦合器有较高的灵敏度，为了保证光电耦合器有较高的灵敏度，应使发光元件和接收元件的应使发光元件和接收元件的波长匹配。波长匹配。第8章 光电式传感器 图8-21 光电耦合器组合形式 光电耦合器实光电耦合器实际是一个电量隔际是一个电量隔离器，它有抗干离器，它有抗干扰性能和单向信扰性能和单向信号传输功能。号传输功能。达林顿光敏管达林顿光敏管输出型的输出型的光电耦合器光电耦合器第8章 光电式传感器（2）光电耦合器的应用）光电耦合器的应用传

40、输隔离电路传输隔离电路实现电平转换实现电平转换第8章 光电式传感器 2.光电开关（光电断续器）光电开关（光电断续器）（1）什么是光电开关）什么是光电开关 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开开”、“关关”信号的器件。（2）光电开关的结构）光电开关的结构图8-22为典型的光电开关结构图。第8章 光电式传感器 它的发光元件和接收元件的的。当位于或经过它们之间时，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。第8章 光电式传感器 它的发光元件和接收元件的，交点一般即为待测物所在处。第8章 光电式传感器（

41、3）基本电路）基本电路驱动电流控制驱动电流控制在几十在几十mA 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高-低”(1-0)之分即可。图图8-238-23是光电开关的基本电路示例。是光电开关的基本电路示例。图（图（a a）、（）、（b b）表示负载为）表示负载为CMOSCMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况；比较器等高输入阻抗电路时的情况；图（图（c c）表示用晶体管放大光电流的情况。）表示用晶体管放大光电流的情况。第8章 光电式传感器（4）光电开关的应用）光电开关的应用 光电开关广泛应用于工业控制工业控制、自动化包装线自动化包装线及安全安全装置装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制

42、系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等。第8章 光电式传感器 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD是一种大规模。具有光电信号转换、具有光电信号转换、存储、存储、移位并读出信号移位并读出信号电荷的功能。电荷的功能。8.1.5 电荷耦合器件电荷耦合器件 CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面，尤其适用以上领域中尤其适用以上领域中的图像识别技术。的图像识别技术。第8章 光电式传感器 （1）光电转换（将光转换成电荷信

43、号）光电转换（将光转换成电荷信号）（2）电荷的存储（存储信号电荷）电荷的存储（存储信号电荷）（3）电荷的转移（转移信号电荷）电荷的转移（转移信号电荷）（4）电荷的检测（将信号电荷转换为电压信号）电荷的检测（将信号电荷转换为电压信号）CCD图像传感器的动作分解，图像传感器的动作分解，由以下四个动作构成：由以下四个动作构成：第8章 光电式传感器 CCD是由若干个电荷耦合单元电荷耦合单元组成。其基本单元是基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）光敏元。它是以P型（或N型）半导体为衬底；上面覆盖一层厚度约120nm的氧化层SiO2作为电解质；再在SiO2表面依次沉积一层金属电极为栅电极。CCD光敏元显

44、微照片光敏元显微照片CCD的结构的结构第8章 光电式传感器 在外界光照射下，在外界光照射下，CCD中的硅衬底会产生电子空穴对，中的硅衬底会产生电子空穴对，固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号光学图像转换成电信号“图像图像”。2CCD的工作原理的工作原理（1）光电转换）光电转换第8章 光电式传感器 当向SiO2表面的电极加正偏压时，在电场的作用下，靠近氧化层的P型Si区的或者说被或者说被“耗尽耗尽”了，形成一个耗尽区，了，形成一个耗尽区，它对带它对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，负电的电子而言是一个势能很低的区域，P型硅衬底中形成耗尽区（势型硅衬

45、底中形成耗尽区（势阱）。阱）。P型半导体势阱SiO2电极U（2）电荷存储）电荷存储2S0Ax2qN)x(VNA-P型半导体掺杂物质的浓度；型半导体掺杂物质的浓度；0-真空、真空、SiO2的介电常数。的介电常数。位能位能-qV(x)x第8章 光电式传感器 这种状态是瞬时的，如果如果有此时又光照射在硅片上，有此时又光照射在硅片上，在光子的作用下，半导体硅在光子的作用下，半导体硅产生电子产生电子空穴对，空穴对，由此产生的光生电子被势阱所吸收，电子被势阱所吸收，形成电荷包形成电荷包。而空穴则被电场排斥出耗尽层，该状态是稳定的。即即将光强的空间分布转换将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不为与光强

46、成比例的、大小不等的电荷包空间分布。等的电荷包空间分布。电荷包电荷包第8章 光电式传感器 ，其上制作许多保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在。（3）电荷移位）电荷移位 下面以三相（也有二相和四相）时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向下面以三相（也有二相和四相）时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向转移的过程。转移的过程。把把MOS光敏元电极分成三组光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个相位在其上面分别施加三个相位不同的控制电压不同的控制电压1、2、3，见图见图8-25（b），），控制电压控制电压1、2、3的的波形见图波形见图8-25（a）所示。）所示。第8章 光电式

47、传感器 图图8-25 三相三相CCD时钟电压与电荷转移的关系时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程电荷转移过程 有效像素有效像素进行下次进行下次光积分光积分第8章 光电式传感器 当当t=t1时时，1相处于高电平，相处于高电平，2、3相处于低电平相处于低电平，在电极1、4下面出现势阱，存储了电荷；在在t=t2时时，1、2相处于高电平相处于高电平，电极2、5下面也出现势阱。由于相邻电极之间的间隙很小，电极1、2及4、5下面的势阱互相耦合，使电极1、4下的电荷向电极2、5下面势阱转移。随着随着1电压下降，电极电压下降，电极1、4下的势阱相应变下的势阱相应

48、变浅浅；在在t=t3时时，有更多的电荷转移到电极2、5下势阱内；在在t=t4时时，只有只有2处于高电平处于高电平，信号电荷全部转移到电极2、5下面的势阱内。随着控制随着控制脉冲的变化，信号电荷便从脉冲的变化，信号电荷便从CCD的一端转移到终端，的一端转移到终端，实现了电实现了电荷的耦合与转移。荷的耦合与转移。第8章 光电式传感器 图图8-26 CCD输出端结构输出端结构（4）电荷输出结构）电荷输出结构 功能功能 结构结构 输出电路将光输出电路将光电荷信号电荷信号变成变成电压信号电压信号输出。输出。信号电荷电流输出如图8.26所示。通常输出电路由通常输出电路由输出栅输出栅OG、输出、输出反偏二极

49、管、输出跟随器组成。反偏二极管、输出跟随器组成。第8章 光电式传感器 N+区与P型硅接触处形成 PN 结，通过施加 UD 构成反向偏置二极管，输出栅极输出栅极OG 加直流偏置，转移到3 电极下MOS元中的电荷包越过输出栅流入到反向偏置二极管的深势阱。若 d t 时间内流入的信号电荷为Qs，则二极管输出电流二极管输出电流ID为dtQIsD 基本工作原理基本工作原理第8章 光电式传感器 则则A点电压为点电压为 RIUUDDA 输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻阻RL变为信号电压变为信号电压Uo输出。输出。A点电压点电压UA的变化的变化

50、UA经经C耦合至放大器放大后输出。耦合至放大器放大后输出。A第8章 光电式传感器 第8章 光电式传感器 2.CCD固态图像传感器固态图像传感器 根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器可固态图像传感器可分为分为线型线型和和面型面型两种。两种。感光部分利用感光部分利用MOS光敏元的光电转换功能光敏元的光电转换功能将投射到光敏元上的光学图光学图像转换成电信号像转换成电信号“图像图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布。利用移位寄存器利用移位寄存器的移位功能将光生电荷光生电荷“图像图像”转移出来转移出来，从输出电路上检测到幅度与光生电荷包成正比的电脉冲序列，从