光电式与光导式传感器par课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电式与光导式传感器par优秀课件,*,第七章,光电式与光导式传感器,1,光电式与光导式传感器par优秀课件,概 述,一、光的特性,光波是波长为,1010,6,nm,的电磁波。其中可见光的波长范围在,380780nm,，紫外线的波长范围是,10380nm,，红外线的波长范围是,78010,6,nm,。,2,光电式与光导式传感器par优秀课件,光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为,的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为,h,普朗克常数，,6.62610-34Js,；,光的频率（单位,s,-1,）。,可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。,3,光电式与光导式传感器par优秀课件,二、 光源（发光器件）,1.,白炽光源,用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射,光谱是连续的,。 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。,4,光电式与光导式传感器par优秀课件,2.,气体放电光源,定义：,利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。,气体放电灯的光谱是,不连续,的，,光谱与气体的种类及放电条件有关,。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。,5,光电式与光导式传感器par优秀课件,低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为,光谱灯,。例如低压汞灯的辐射波长为,254nm,，钠灯的辐射波长为,589nm,，可,被用作,单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量为白炽灯,1/2-1/3,6,光电式与光导式传感器par优秀课件,由,半导体,PN,结,构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。,3.,发光二极管（,LEDLight Emitting Diode,）,7,光电式与光导式传感器par优秀课件,半导体中，由于空穴和电子的扩散，在,PN,结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。,当,PN,结上加有正向电压时,，势垒降低，电子由,N,区注入到,P,区，空穴则由,P,区注入到,N,区，称为少数载流子注入。所注入到,P,区里的电子和,P,区里的空穴复合，注入到,N,区里的空穴和,N,区里的电子复合，这种,复合同时伴随着以光子形式放出能量,，因而有发光现象。,8,光电式与光导式传感器par优秀课件,电子和空穴复合，所释放的能量,E,g,等于,PN,结的,禁带宽度,（即能量间隙）。所放出的光子能量用,h,表示，,h,为普朗克常数，,为光的频率。则,普朗克常数,h,=6.610,-34,J.s,； 光速,c,=310,8,m/s,；,E,g,的单位为电子伏（,eV,），,1eV=1.610,-19,J,。,9,光电式与光导式传感器par优秀课件,hc,=19.810,-26,mWs=12.410,-7,meV,可见光的波长,近似地认为在,710,-7,m,以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于,h c,/=1.8 eV,普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度,E,g,分别为,0.67eV,和,1.12eV,，显然不能使用。,10,光电式与光导式传感器par优秀课件,通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作,GaAs,1-x,P,x,，,x,代表磷化镓的比例，当,x,0.35,时，可得到,Eg1.8eV,的材料。改变,x,值还可以决定发光波长，使,在,550,900nm,间变化，它已经进入红外区。,11,光电式与光导式传感器par优秀课件,与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：,材料,波长,/nm,材料,波长,/nm,ZnS,340,CuSe-ZnSe,400,630,SiC,480,Zn,x,Cd,1-x,Te,590,830,GaP,565,680,GaAs,1-x,P,x,550,900,GaAs,900,InP,x,As,1-x,910,3150,InP,920,In,x,Ga,1-x,As,850,1350,LED,材料,12,光电式与光导式传感器par优秀课件,发光二极管的,光谱特性,如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长,p,。除,峰值波长,p,决定发光颜色之外，峰,的宽度,（用,描述）决定光的色彩纯度，,越小，其光色越纯。,13,光电式与光导式传感器par优秀课件,发光二极管的光谱特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0,600,700,800,900,1000,GaAsP,p=670nm,p=655nm,GaAsP,p=565nm,GaP,p=950nm,GaAs,/,nm,相对灵敏度,14,光电式与光导式传感器par优秀课件,发光二极管的,伏安特性,与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为,1.7V,开启，绿色约为,2.2V,。,15,光电式与光导式传感器par优秀课件,U,/V,I,/mA,-10,-5,0,1,2,GaAsP(,红,),GaAsP(,绿,),图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于,5V,，为了安全起见，使用时反向电压应在,5V,以下。,16,光电式与光导式传感器par优秀课件,4,、激光器,激光是,20,世纪,60,年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从,0.24m,到远红外整个光频波段范围。,17,光电式与光导式传感器par优秀课件,激光器种类繁多，按工作物质分类：,固体激光器,（如红宝石激光器）,气体激光器,（如氦,-,氖气体激光器、二氧化碳激光器）,半导体激光器,（如砷化镓激光器）,液体激光器,。,18,光电式与光导式传感器par优秀课件,（,1,）固体激光器,典型实例是红宝石激光器，是,1960,年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。,种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称,YAG,激光器）和钕玻璃激光器等。,19,光电式与光导式传感器par优秀课件,特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。,固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。,20,光电式与光导式传感器par优秀课件,（,2,）气体激光器,工作物质是气体。,种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有,氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器,等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。,21,光电式与光导式传感器par优秀课件,（,3,）半导体激光器,与前两种相比出现较晚，其成熟产品是,砷化镓激光器,。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。,22,光电式与光导式传感器par优秀课件,（,4,）液体激光器,种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。,23,光电式与光导式传感器par优秀课件,24,光电式与光导式传感器par优秀课件,一、 外光电效应,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做,外光电效应,。,基于外光电效应的光电器件有,光电管、光电倍增管,。,第一节 光电效应与光电器件,25,光电式与光导式传感器par优秀课件,爱因斯坦光电效应方程：,1.,光电子能否产生，取决于光子的能量是,否大于该物体的表面电子逸出功,A,。,2.,一定时，产生的光电流和光强成正比。,3.,逸出的光电子具有动能。,26,光电式与光导式传感器par优秀课件,二、 内光电效应,当光照在物体上，使物体的,电导率,发生变化，或,产生光生电动势,的效应。,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度到自由状态，而引起材料电导率的变化。,基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,27,光电式与光导式传感器par优秀课件,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,禁带,导带,价带,Eg,电子能量,E,h,E,g,当光照射到光电导体上时，若这个光电导,体为本征半导体材料，且光辐射能量又足,够强,光电材料价带上的电子将被激发到导,带上去，使光导体的电导率变大。,28,光电式与光导式传感器par优秀课件,势垒效应（结光电效应）,光照射,PN,结时，若,hEg,，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，电子偏向,N,区外侧，空穴偏向,P,区外侧，使,P,区带正电，,N,区带负电，形成光生电动势。,光生伏特效应：,在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。,基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管,。,P,N,29,光电式与光导式传感器par优秀课件,侧向光电效应,当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。,当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的大，就出现了,浓度梯度,，因而载流子要扩散。,30,光电式与光导式传感器par优秀课件,1.,光电管及其基本特性,(,),结构与工作原理,三、,外光电效应器件,光电管和光电倍增管,31,光电式与光导式传感器par优秀课件,(,),主要性能,a,）光电管的伏安特性,在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。,真空光电管 充气光电管,150,100,50,2,0,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,4,6,8,10,12,阴极电压,/V,I,A,/A,2,0,100,50,弱光,强光,150,4,6,8,10,12,阴极电压,/V,I,A,/A,32,光电式与光导式传感器par优秀课件,b,）光电管的光照特性,当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,光电管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,I,A,/ A,1.0,2.5,1,33,光电式与光导式传感器par优秀课件,c),光电管的光谱特性,一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。,以,GD-4,型光电管为例，阴极是用,锑铯,材料制成，其,红限,c,=700nm,，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。,34,光电式与光导式传感器par优秀课件,对,红外光源,，常用,银氧铯,阴极，构成红外探测器。,对,紫外光源,，常用,锑铯阴极和镁镉,阴极。,还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼不能胜任的工作，如夜视镜等。,35,光电式与光导式传感器par优秀课件,国产光电管的技术参数,36,光电式与光导式传感器par优秀课件,由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成,阴极由半导体光电材料,锑铯,做成，次阴极是,在镍或铜,-,铍的衬底上涂上锑铯材料,形成。次阴极可达,30,级。通常为,1214,级。,使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。,2.,光电倍增管及其基本特性,37,光电式与光导式传感器par优秀课件,I,A,K,D,1,D,2,D,3,D,4,A,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,L,U,OUT,38,光电式与光导式传感器par优秀课件,入射光,阴极,K,第一倍增极,第二倍增极,第三倍增极,第四倍增极,阳极,A,39,光电式与光导式传感器par优秀课件,40,光电式与光导式传感器par优秀课件,光电倍增管的电流放大倍数为,如果,n,个倍增电极二次发射电子的数目相同,则,i,n,因此阳极电流为,i,i,n,M,与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为,10002500V,，两个相邻的倍增电极的电位差为,50100V,。,主要参数：,a),倍增系数,M,：等于各个倍增电极的,2,次发射电子数,i,的乘积。,41,光电式与光导式传感器par优秀课件,一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。,一个光子在阳极上产,生的平均电子数叫光,电倍增管的总灵敏度,.,b),光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度,最大灵敏度可达,10A/lm,不能受强光照射。,图,8-7,光电倍增管的特性曲线,25 50 75 100 125,10,6,极间电压,/V,倍增系数,M,10,5,10,4,10,3,42,光电式与光导式传感器par优秀课件,c,）暗电流和本底电流,由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。,在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管就会有电流信号输出,即本底脉冲。,d),光电倍增管的光谱特性,与相同材料的光电管的相似。,43,光电式与光导式传感器par优秀课件,国产光电倍增管的技术参数,44,光电式与光导式传感器par优秀课件,四、内光电效应器件,1.,光敏电阻,（,1,）光敏电阻的结构和工作原理,A,E,电极,半导体,玻璃底板,R,L,E,I,R,G,光敏电阻的结构与电路连接图,光敏电阻、光电池和光敏二极管与光敏三极管,45,光电式与光导式传感器par优秀课件,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：,46,光电式与光导式传感器par优秀课件,光敏电阻具有,很高的灵敏度,、,很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单,，故应用广泛。,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。,47,光电式与光导式传感器par优秀课件,（,2,） 光敏电阻的主要参数和基本特性,a,）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流,光敏电阻在未受到光照时的阻值称为,暗电阻,，此时流过的电流为,暗电流,。,在受到光照时的电阻称为,亮电阻,，,此时的电流称为,亮电流,。,亮电流与暗电流之差为光电流。,48,光电式与光导式传感器par优秀课件,b,）光照特性,用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,光通量,/lm,光电流,/mA,图,8-9,光敏电阻的光照特性,49,光电式与光导式传感器par优秀课件,c,）光谱特性,硫化镉,的峰值在,可见光,区域，,硫化铅,的峰值在,红外,区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。,图,8-10,光敏电阻的光谱特性,0 500 1000 1500 2000 2500,20,40,60,80,100,硫化镉,硫化铊,硫化铅,入射光波长,/nm,相对灵敏度,/%,50,光电式与光导式传感器par优秀课件,d),伏安特性,所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。,在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,0 10 20 30 40 50,50,100,150,200,250,I,/ A,U,/V,图,8-11,光敏电阻的伏安特性,51,光电式与光导式传感器par优秀课件,e,） 频率特性,时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的,63%,所需要的时间。,入射光调制频率,/Hz,相对灵敏度,/%,0 10 10,2,10,3,10,4,20,40,60,80,100,硫化镉,硫化铅,图,8-12,光敏电阻的频率特性,多数光敏电阻的时间常数都很大。,52,光电式与光导式传感器par优秀课件,f),温度特性,峰值随温度上升向波长短的方向移动。,20,40,60,80,100,0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0,/m,相对灵敏度（,%,）,+20 C,-20 C,光敏电阻的光谱温度特性图,53,光电式与光导式传感器par优秀课件,初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。,光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。,g,）稳定性,54,光电式与光导式传感器par优秀课件,2 .,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器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为,太阳能电池,。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。故光电池是,有源元件。,55,光电式与光导式传感器par优秀课件,光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是,硅光电池,和,硒光电池,。,硅光电池,的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。,硒光电池,的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。,砷化镓光电池,转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，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、太空探测器等的电源方面应用最广。,56,光电式与光导式传感器par优秀课件,(1),光电池的结构和工作原理,光电池的结构图,下电极,梳状电极,SiO,2,抗反射膜,P,N,硅光电池的结构如图。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。,57,光电式与光导式传感器par优秀课件,光电池的工作原理示意图,R,L,I,-,-,-,mA,V,+,+,+,P N,当光照到,PN,结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子,-,空穴对，,在,N,区聚积负电荷，,P,区聚积正电荷，,这样,N,区和,P,区之间出现电位差。,若将,PN,结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出,光生电动势。,58,光电式与光导式传感器par优秀课件,(2),基本特性,a,）光谱特性,故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。,硅光电池的光谱峰值在,800nm,附近，硒的在,540nm,附近。,20,40,60,80,100,硒,硅,入射光波长,/nm,0 400 600 800 1000 1200,相对灵敏度,/%,光电池的光谱特性图,59,光电式与光导式传感器par优秀课件,b),光照特性,不同光照射下有不同光电流和光生电动势。,短路电流,在很大范围内与光强成线性关系。,光电池的光照特性图,开路电压,0.1,0.3,0.2,照度,/lx,0 2000 4000,光生电流,/,mA,0.2,0.6,0.4,光生电压,/,V,短路电流,开路电压,与光强是非线性的，且在,2000 lx,时趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作为,电流源,的形式来使用，不宜用作电压源，且,负载电阻越小越好,。,60,光电式与光导式传感器par优秀课件,c),频率特性,硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。,光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。,光电池的频率特性图,20,40,60,80,100,硒光电池,硅光电池,0 1500 3000 4500 6000 7500,相对光电流,/%,入射光调制频率,/Hz,61,光电式与光导式传感器par优秀课件,d),温度特性,主要描述光电池的,开路电压,和,短路电流,随温度变化的情况。,开路电压,随温度升高而下降的速度较快。,短路电流,随温度升高而缓慢增加。 因此作测量元件时应考虑进行温补。,光电池的温度特性图,开路电压,温度,/,光生电流,/,mA,1.8,2.2,2.0,光生电压,/,V,短路电流,100,200,300,400,500,0 20 40 60 80 100,62,光电式与光导式传感器par优秀课件,3.,光敏晶体管,(1),光敏二极管,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。,光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,R,L,光,P,N,P,N,光,63,光电式与光导式传感器par优秀课件,P,N,R,E,+,-,I,f,64,光电式与光导式传感器par优秀课件,P,N,R,E,-,+,I,s,65,光电式与光导式传感器par优秀课件,R,E,-,+,I,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。,P,N,66,光电式与光导式传感器par优秀课件,67,光电式与光导式传感器par优秀课件,(2),光敏三极管,集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。,P,P,N,b,e,c,N,N,P,e,b,c,68,光电式与光导式传感器par优秀课件,普通三极管,I,C,I,B,e,E,B,E,C,I,E,R,C,R,b,c,b,N,N,P,69,光电式与光导式传感器par优秀课件,光敏三极管,基区很薄，,基极一般不接引线；,集电极面积较大。,I,C,e,E,C,I,E,R,C,c,N,N,P,b,70,光电式与光导式传感器par优秀课件,当集电极加上正电压，基极开路,时，集电结处于反向偏置状态。,当光线照射在集电结的基区时，,产生电子、空穴对，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，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的,倍。,基本工作线路：,c,b,e,R,L,71,光电式与光导式传感器par优秀课件,(3),光敏晶体管的主要特性,a),光谱特性,存在一个最佳灵敏度波长,20,40,60,80,100,4,00,8,00,12,00,16,00,入射光,波长,/,nm,锗,硅,相对灵敏度（,%,）,0,72,光电式与光导式传感器par优秀课件,b),伏安特性,0,1,2,3,4,5,外加电压（,V,）,20,40,60,80,I,（,mA),2500Lx,2000Lx,1500Lx,1000Lx,500Lx,与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特,性一样。只需把光电流看作基极电流即可。,73,光电式与光导式传感器par优秀课件,c),光照特性,1.0,2.0,3.0,200,400,600,800,1000,Lx,0,I(,A),故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做开关元件,近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。,74,光电式与光导式传感器par优秀课件,d),温度特性,暗电流（,mA),10,30,50,70,0,25,50,C,200,400,100,300,500,光电流（,A),10,30,50,70,0,C,温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。,75,光电式与光导式传感器par优秀课件,e),频率特性,减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要,根据频率选择最佳的负载电阻,。,硅管的响应频率比锗管的好,。,20,40,60,80,100,相对灵敏度（,%,）,f(k,HZ,),1,10,100,0,RL=1k,RL=10k,RL=100k,76,光电式与光导式传感器par优秀课件,5 .,新型光电传感器,1.,高速光电二极管,(1)PIN,结光电二极管,P,I,N,P,、,N,间加了层很厚的高电阻率 的本征半 导体,I,。,P,层做的很薄,。,比普通的光电二极管施加较高的反偏压。,77,光电式与光导式传感器par优秀课件,入射光照射在,P,层上，,由于,P,层很薄，大量的,光被较厚的,I,层吸收，,激发较多的载流子形,成光电流；又,PIN,结,光电二极管比,PN,结光,电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当,P,型和,N,型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，,N,区的电子要向,P,区扩散，,P,区空穴向,N,区扩散。,图,8-28 PIN,光电二极管,偏压,价带,导带,信号光,信号光,电极,电极,输出端,P I N,78,光电式与光导式传感器par优秀课件,P,区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，,N,区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在,PN,交界面形成空间电荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，,PN,结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。,PIN,结光电二极管仍然具有一般,PN,结光电二极管的线性特性。,79,光电式与光导式传感器par优秀课件,80,光电式与光导式传感器par优秀课件,(2),雪崩式光电二极管（,APD,）,在,PN,结的,P,区外增加一层掺杂浓度极高的,P,+,层，且在其上加上,高反偏压。,偏压,输出端,价带,导带,信号光,信号光,电极,电极,P,+,I N,雪崩式二极管示意图,81,光电式与光导式传感器par优秀课件,当光入射到,PN,结时， 光子被吸收而产生电子,-,空穴对。如果电压增加到使电场达到,200 kV/cm,以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。,高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生新的电子,-,空穴对,。 新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，,82,光电式与光导式传感器par优秀课件,2.,色敏光电传感器,不同区域对不同波长分别具有不同 灵敏度，浅结对紫外光灵敏度高。,N,P,1,2,3,P,+,1,2,3,83,光电式与光导式传感器par优秀课件,根据光学性能，不同颜色的光在不同的介质中的穿透能力不同。利用不同介质对某一色光的吸收，用这种色光去投射液体管道，根据接收到的光强来判断管道中的液流介质。,84,光电式与光导式传感器par优秀课件,第二节 固态图象传感器,光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件,CTD,（,Charge Transfer Device,），最常用的是电荷耦合器件,CCD,（,Charge Coupled Device,）。由于它具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。,85,光电式与光导式传感器par优秀课件,一、,CCD,的结构和基本原理,CCD,是一种半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。,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,SiO,2,，再在,SiO,2,层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属,-,氧化物,-,半导体的电容式转移器。其中，“金属”为,SiO,2,层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体,SiO,2,。,86,光电式与光导式传感器par优秀课件,二、光固态图象传感器,光固态图象传感器由,光敏元件阵列,和,电荷转移器件,集合而成。它的核心是,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,CCD,的结构和基本原理,P,型,Si,耗尽区,电荷转移方向,1,2,3,输出栅,输入栅,输入二极管,输出二极管,SiO,2,CCD,的,MOS,结构,87,光电式与光导式传感器par优秀课件,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,SiO,2,，再在,SiO,2,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,SiO,2,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。,88,光电式与光导式传感器par优秀课件,如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法，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,P,1,P,1,P,2,P,2,P,3,P,3,P,1,P,1,P,2,P,2,P,3,P,3,P,1,P,1,P,2,P,2,P,3,P,3,P,1,P,1,P,2,P,2,P,3,P,3,(,a,),1,2,3,t,0,t,1,t,2,t,3,t,(,b,),电荷转移过程,t=t,0,t=t,1,t=t,2,t=t,3,0,89,光电式与光导式传感器par优秀课件,三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极,P,1,P,2,P,3,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,P,1,极施加高电压时，在,P,1,下方产生电荷包（,t,=,t,0,）；当,P,2,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,P,1,下的电荷将在,P,1,、,P,2,两电极下分布（,t,=,t,1,）；当,P,1,回到低电位时，电荷包全部流入,P,2,下的势阱中（,t,=,t,2,）。然后，,p,3,的电位升高，,P,2,回到低电位，电荷包从,P,2,下转到,P,3,下的势阱（,t=t,3,），以此控制，使,P,1,下的电荷转移到,P,3,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,。,90,光电式与光导式传感器par优秀课件,2,线型,CCD,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。,91,光电式与光导式传感器par优秀课件,目前，实用的线型,CCD,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,92,光电式与光导式传感器par优秀课件,3,面型,CCD,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。,93,光电式与光导式传感器par优秀课件,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,P,1,P,2,P,3,P,1,P,2,P,3,P,1,P,2,P,3,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,),94,光电式与光导式传感器par优秀课件,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。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。,95,光电式与光导式传感器par优秀课件,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,),96,光电式与光导式传感器par优秀课件,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,。,97,光电式与光导式传感器par优秀课件,98,光电式与光导式传感器par优秀课件,99,光电式与光导式传感器par优秀课件,100,光电式与光导式传感器par优秀课件,101,光电式与光导式传感器par优秀课件,