1、第四章第四章 光电式传感器光电式传感器 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 外光电效应器件外光电效应器件 第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件 第四节第四节 新型光电传感器新型光电传感器 第五节第五节 光敏传感器的应用举例光敏传感器的应用举例光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。第一节第一节 半导体的光电效应半导体的光电效应一、半导体的光吸收当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大
2、。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 半导体单晶材料的原子是按一定规律紧密排列的。在各个原子之间保持一定的距离，是由于在各原子之间存在着互相作用力的结构，这些结合力就是共价键。固体物理学告诉我们，单晶中各个原子的最外层轨道是互相重叠的，这样就使分立的能级变成了能带。与原子的最多层轨道的价电子相对应的能带叫做价带。价带上面的能带称为导带。在温度低至绝对零度的情况下，晶体中的电子均在价带之中，而导带是完全空着的。如果价带中的电子受热或光的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。这样一来，晶体材料就可以导电了。把导带底的能量记作EC，把价带顶的能量记作EV。在EC
3、和EV之间是不可能有电子的，故称为禁带。把EC与EV之差记作Eg，称为禁带宽度或带隙。如果Eg较大，则需要较大的激励能量把价带中的电子激发到导带中去。对于绝缘体材料，由于禁带宽度Eg很大，价带中的电子很难迁到导带中去，因而它表现出良好的绝缘性能。导体材料的Eg=0，因此它表现出良好的导电性能。半导体材料的禁带宽度介于导体和绝缘体之间，因而它的导电能力也介于两者之间。当价带中一个电子被激发到导带中，在价带中就留下了一个电子的空位。在电场的作用下，价带中邻近的电子就会填补这个空位，而把它自己的位置空出来，这就好象空位本身在电场的作用下产生移动一样。空位的作用好象一个带正电的粒子，在半导体物理学上把
4、它叫作空穴。穴带中的一个电子可以吸收外界能量而跃迁到导带中去，在价带中形成一个空穴。反之，导带中的一个电子也可以跃迁到价带中去，在价带中填补一个空穴，把这一过程叫做复合。在复合时，电子把大约等于禁带宽度Eg的能量释放出来。在辐射跃迁的情况下，释放出一个频率为：的光子，其中h是普朗克常数（6.62510-34焦耳秒）。不同的半导体单晶材料的Eg值不同，光发波长也不同，因为电子和空穴都是处于能带之中，不同的电子和空穴的能级有所差别，复合发光的波长有所差别，但其频率接近于。Ehg二、半导体的光导效应三、半导体的光生伏特效应一、光电效应一、光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而
5、产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类1 1、外光电效应、外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过
6、10-9s。根据能量守恒定理 m电子质量；v0电子逸出速度；A0表面电子逸出功02021Amh该方程称为爱因斯坦光电效应方程。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阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，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，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。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。n光电子逸出物体表面具有初始动
7、能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：（1）光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2、内光电效应过程：过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带
8、跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。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，只有波长小于0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。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，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即（2）光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和
9、PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿
10、命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。第二节第二节 内光电效应器件内光电效应器件1.1.光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h=Eg(eV)式中和入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。ch24.1 光敏电阻的结构如图10.3所示
11、。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见下图。1-光导层;2-玻璃窗口;3-金属外壳;4-电极;5-陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。RG1234567(a)结构 (b)电极 (c)符号它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，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
12、提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。RGRLEI2.2.光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电阻、亮电阻、光电流）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称
13、为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。（2 2）光照特性）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的
14、不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx10002000（3 3）光谱特性）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅（4）伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零零及照度为某值某值时的伏安特性。由曲线可
15、知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现5010015020012U/V02040象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。I/A（5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏20406080100I/%f/Hz010102103104电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但
16、多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。硫化铅硫化镉（6）稳定性 图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，I/%408012016021T/h0400 800 1200 1600有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好
17、、使用合理的情况下，几乎是无限长无限长的。（7）温度特性其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I/A100150200-50-1030 5010-30T/C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C二、光电池二、光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件器件。由于它可把太阳能直
18、接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。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、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。l硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光转换效率高，寿命长，适于接受红外光。l硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。l砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，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
19、的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。光电池的示意图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。当光照到当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子出电子-空穴对，在空穴对，在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区聚积正电荷，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。1.1.光电池的结构和工作原理光电池的结构和工
20、作原理+光PNSiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图 P N光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)图4.3-17 光电池符号和基本工作电路三、光敏二极管和光敏三极管三、光敏二极管和光敏三极管 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个基本结构也是一个PN结结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质
21、结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。1.光敏二极管光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态反向工作状态，如图所示。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻
22、很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子收其能量而产生电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，区，N区区的少数载流子渡越阻挡层进入的少数载流子渡
23、越阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的结的反向电流大为增加，这就形成了光电流反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。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。2.光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电
24、极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。PPNNNPe b bc RL Eec光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。（1 1）光谱特性）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状
25、态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性（2 2）伏安特性）伏安特性 光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。U/V光敏晶体管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0（3 3）光照
26、特性）光照特性 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。暗电流/mA光电流/mA10 20 30 40 50 60 70T/C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性（4 4）温度特性）温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行
27、温度补偿，否则将会导致输出误差。（5 5）光敏三极管的频率特性）光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%图4.3-15光敏晶体管的频率特性一、光敏电阻开关电路一、光敏电阻开关电路10.5 10.5 光电转换电路光电转换电路二、二极管和三极管的基本电路二、二极管和三极
28、管的基本电路10.6 10.6 光电传感器应用光电传感器应用 光电式带材跑偏仪由光电式模拟传感器和晶体管放大器两部分组成。光电式边缘位置传感器由白炽灯光源、光学系统和光电器件组成，其结构如图l030所示。白帜灯l所发出的光经过双凸透镜2会聚，然后由半透反射镜3反射使光路折转90度，经半凸透镜4会聚后成平行光束。这光束由带材遮挡一部分，另一部分射到角矩阵反射镜6后被反射，又经透镜4、半透反射镜3和双凸镜7会聚于光敏晶体管8上。当带材处于平行光束的中间位置时，电桥处于平衡状态。其输出信号为0。当带材向左偏移时遮光面积减少，角矩阵反射回去的光通量增加，输出电流信号为+I；带材向右偏移时光通量减小，输
29、出电流信号为 I，这个电流变换由放大器放大，作为控制电流信号，通过执行机构纠正带材的偏：10.6.2 10.6.2 光电式转速表光电式转速表分类：透射式和反射式两种。1、透射式光电转速表。2、反射式光电转速表。光电转速传感器原理图2312 31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图 下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当
30、转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。第七节第七节 CCDCCD光电传感器光电传感器二、光固态图象传感器 光固态图象传感器由光敏元件阵列光敏元件阵列和电荷转移器件电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件电荷转移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。1 1CCDCCD的结构和基本原理的结构和基本原理P型Si耗尽区电荷转移方向12
31、3输出栅输入栅输入二极管输出二极管 SiO2 CCD的MOS结构 CCD是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图所示。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中1极下），形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方
32、法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30 三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲1，2，3，见图（b）。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2
33、极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。2 2线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器 线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如图4.4-4(a)所示。在每一个光
34、敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。目前，实用的线型CCD
35、图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构光积分区输出转移栅(a)(b)线型CCD图像传感器输出3 3面型面型CCDCCD图像传感器图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出
36、信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。二相驱动视频输出 行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光区 存储区析像单元 视频输出输出栅串行读出面型CCD图像传感器结构(a)(b)图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。
37、当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管 视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面
38、积减小，图像清晰。目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达10241024像元。我国也能生产512320像元的面型CCD图像传感器。三、光电耦合器三、光电耦合器 光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂1.1.光电耦合器的结构光电耦合器的结构采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。(a)金属密封型(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定
39、，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。2.光电耦合器的组合形式 光电耦合器的组合形式有多种，如图4.4-7所示。(a)(b)(c)(d)光电耦合器的组合形式该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。一、烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通
40、过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。第五节第五节 光电传感器的应用举例光电传感器的应用举例平行光源光电探测放大显示刻度 校正报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道二、光电转速传感器2312 31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图 下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该
41、脉冲频率决定。在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。三、光电池应用 光电池主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。将光电池作光电转换器件应用，需要光电池
42、具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。光电池应用举例如下：1 1太阳电池电源太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。调节控制器逆变器 交流负载太阳电池方阵 直流负载太阳能电池电源系统阻塞二极管2 2光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作
43、时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。(a)光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 图(a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路BG2BG1+12VC J R1 R2(b)光电开关 图(b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光
44、照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。(c)光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 图(c)为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。+12V5G23(d)光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。在 实 际 应 用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。220VC1路灯CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k路灯自动控制器路灯自动控制器BG2BG3BG42CR
