傳感技術(shù)光電第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日一、光敏電阻l．光敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，工作機(jī)理：光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受到光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)；光線越強(qiáng)，半導(dǎo)體的阻值越低。這種光照射后電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料（如：硅、鍺、硫化鎘、硫化鉛、銻化銦、硒化鎘等）制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大，故稱之為光電導(dǎo)器件或光電導(dǎo)探測器，用于測量一定波長的光強(qiáng)。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)如圖。它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)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。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日2.光敏電阻的特性1）暗電阻、亮電阻與光電流暗電阻：光敏電阻在未受到光照射時(shí)的阻值，對應(yīng)的電流為暗電流。亮電阻：光敏電阻在受到光照射時(shí)的阻值，對應(yīng)的電流為亮電流。光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下，暗電阻與亮電阻之比一般在102~106之間。2）伏安特性：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。所加的電壓越高，光電流越大，線性，且無飽和現(xiàn)象。3）光照特性：在給定電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性是非線性的。由圖可見。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日4）光譜特性：光敏電阻的相對光靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不相同的，反映了光敏電阻材料對光的波長選擇性。5）溫度特性：溫度升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，同時(shí)峰值向波長短的方向移動(dòng)。

第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日二、光敏二極管和光敏晶體管1.結(jié)構(gòu)原理

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，可以直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在無光照射時(shí)，反向電阻很大（高達(dá)4MΩ），反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，少數(shù)載流子在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度越大，光電流線性增加。因此光敏二極管在不受光照射時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)光——電轉(zhuǎn)換。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對，從而形成光電流（幾微安），相當(dāng)于三極管的基極電流，由于基極電流的增加，因此集電極電流是光生電流的β倍（幾毫安），所以光敏晶體管有放大作用。

第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日2.基本特性1）光譜特性光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖所示。從曲線可以看出，硅的峰值波長約為0.9μm，鍺的峰值波長約為1.5μm，此時(shí)靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長增加或縮短時(shí)，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對紅外光進(jìn)行探測時(shí)，則鍺管較為適宜。第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日2)伏安特性光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。3)溫度特性光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大，所以在電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日三、光電池1.光電池結(jié)構(gòu)原理

光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，例如P型面時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢。光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池。其中硅光電池由于性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉(zhuǎn)換效率高，耐高溫輻射，所以最受人們重視。第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日2.光電池的特性1）光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。圖為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，不同材料的光電池，光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不同的，硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近，硅光電他的光譜響應(yīng)波長范圍從0.4~01.2μm

，而硒光電池只能在0.34~0.75μm

?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)得到應(yīng)用。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日2）光照特性光電池在不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。下圖為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線。從圖中看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系，開路電壓（負(fù)載電阻RL無限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lX時(shí)就趨于飽和了。因此把光電池作為測量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，不能用作電壓源。第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日3）頻率特性光電池的頻率特性反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。當(dāng)用光電池對交變光照進(jìn)行測量、計(jì)數(shù)、接收，頻率特性不容忽視。4)溫度特性光電池的溫度特性描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。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。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量器件應(yīng)用時(shí)，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日四、光電管

光電管結(jié)構(gòu)如圖。在抽真空或充有惰性氣體的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：陽極和光電陰極（簡稱陰極）。當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)便發(fā)射光電子，光電子被帶正電位的陽極吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電子流，輸出電壓。當(dāng)光通量一定時(shí)，真空光電管、充氣光電管陽極電壓與陽極電流的伏安特性如圖：第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

真空光電管光電流的大小與照射在光電陰極上的光強(qiáng)成正比，并與光電陰極的材料有關(guān)。充氣光電管當(dāng)光電極被光照射而發(fā)射電子時(shí)，光電子在趨向陽極的途中撞擊惰性氣體的原子，使其電離，從而使陽極電流急速增加，提高了光電管的靈敏度。但充氣光電管的穩(wěn)定性、頻率特性比真空管差。第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日五、光電倍增管i=iφσnUSC=iR=iφσnR

光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)是放大倍數(shù)很高（106），線性好，頻率特性好；缺點(diǎn)是體積大，需數(shù)百伏至1KV的直流電壓供電。光電倍增管一般用于微弱光輸入、要求反映速度很快的場合。第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日8.2CCD（ChargeCoupledevice）圖像傳感器

電荷耦合元件（CCD）是圖象傳感器最常用的核心部件，它是由陣列式排列在襯底上的MOS電容器組成，具有光生電荷、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷的功能，是七十年代發(fā)展起來的新型元件。結(jié)構(gòu)及工作原理

電荷耦合元件（CCD）是在P型（或N型）硅的襯底（作為襯底電極）上生長一層厚度約120nm的SiO2絕緣層，再在絕緣層上依一定次序沉積一系列間隙很小（小于0.3μm）的金屬（鋁）電極（稱為柵極）制成的。每個(gè)金屬電極和它下面的絕緣層及半導(dǎo)體硅襯底形成一個(gè)MOS電容器，所以CCD基本上是由一系列MOS電容器組成陣列，再加上輸入與輸出端構(gòu)成。由于MOS電容器之間靠得很近，因此相互間可以發(fā)生耦合，被注入的電荷可以有控制地從一個(gè)電容移到另一個(gè)電容，電荷轉(zhuǎn)移的過程，實(shí)際是電荷耦合的過程，故將其稱之為電荷藕合元件。MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖。第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日1.CCD的存儲(chǔ)電荷功能

CCD的基本構(gòu)成單元是MOS電容器。同其它電容器一樣，MOS電容器具有存儲(chǔ)電荷的功能。當(dāng)MOS電容器上未加電壓時(shí)，半導(dǎo)體硅的界面層到內(nèi)部能帶相同。若金屬電極（柵極）上加正電壓時(shí)（襯底電極接地），對P型半導(dǎo)體來說，Si-SiO2界面處的電勢（稱為表面勢）發(fā)生相應(yīng)的變化，附近的多數(shù)載流子——空穴被排斥離開表面，而留下受主雜質(zhì)離子，使半導(dǎo)體表面層形成帶負(fù)電荷的耗盡層，在耗盡層中電子能量從體內(nèi)到界面由高到低變化。當(dāng)所加電壓增大超過MOS的開啟電壓（也稱閾值電壓）時(shí)，半導(dǎo)體表面聚集電子濃度大大增加。由于電子大量聚集在電極下的半導(dǎo)體處，且具有的勢能較低，故通常形象地稱為半導(dǎo)體表面形成對電子的勢阱，右圖所示。在一定條件下，所加電壓越大，耗盡層就越深，Si表面吸收少數(shù)載流子的勢也就越大。第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

當(dāng)半導(dǎo)體表面存在勢阱時(shí)，如果有電子來到勢阱及其附近，它們便可以聚集在表面，來到勢阱中，使表面勢降低，耗盡層變薄。這個(gè)過程稱為電子填充勢阱。勢阱中能夠容納多少電子，取決于勢阱的“深淺”，即表面勢的大小，而表面勢的大小又隨所加?xùn)艍捍笮∽兓?。勢阱形成以后，耗盡區(qū)及附近區(qū)域在一定溫度下有熱激發(fā)產(chǎn)生的電子——空穴對中的電子進(jìn)入勢阱。這種熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子稱為暗電流。而熱產(chǎn)生的多數(shù)載流子—空穴將通過襯底跑掉。如上所述，我們把在柵極加偏壓后在金屬電極下的半導(dǎo)體表面形成的耗盡層稱為勢阱。勢阱內(nèi)存儲(chǔ)少數(shù)載流子。對于P型硅襯底的CCD元件，柵極加正偏壓，少數(shù)載流子為電子；對于N型硅襯底的CCD元件，柵極加負(fù)偏壓，少數(shù)載流子為空穴。

2.CCD的光生電荷功能

CCD的信號電荷有兩種產(chǎn)生方式：光信號注入和電信號注入。當(dāng)CCD用作光學(xué)圖象傳感器時(shí)，它接受的是光信號，故采用光信號注入。當(dāng)光照射到CCD的半導(dǎo)體表面時(shí)，能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子將激發(fā)光生電子—空穴對。在柵極電壓作用下，空穴被排斥進(jìn)入襯底，而電子被收集在電極下的勢阱中，形成信號電荷存儲(chǔ)起來，存儲(chǔ)電荷的多少正比于入射的光強(qiáng)。第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日3.CCD的電荷轉(zhuǎn)移功能

CCD元件是由大量的在同一襯底上集成的MOS電容器陣列，它除具有光生電荷，電荷存儲(chǔ)功能外，還有電荷轉(zhuǎn)移功能，且能把光生電荷及存儲(chǔ)同電荷轉(zhuǎn)移在時(shí)間上分割開，以較長時(shí)間（數(shù)十ms）進(jìn)行感光積累電荷，以很短時(shí)間（數(shù)百μs）將電荷轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器，并在移位寄存器部分采取遮光措施（由不透光的鋁層覆蓋），使電荷轉(zhuǎn)移過程不照光，以防止轉(zhuǎn)移過程中因感光而引起圖象模糊。為了實(shí)現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)移，首先要使MOS電容器陣列的排列足夠緊密（一般小于μm級），以使相鄰MOS電容器的勢阱相互溝通（耦合）。其次，為了使電荷按規(guī)定方向轉(zhuǎn)移，在MOS電容器陣列上要加滿足一定相位要求的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖電壓，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)，每一單元稱為一位，形成一個(gè)象素，將每一位中對應(yīng)位置上的電容器柵極分別連到各自共同的電極上，該共同電極稱為相線。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)。最直接明了的是三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖所示。第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

設(shè)在某時(shí)刻t1，第一相φ1為高電壓，而φ2、φ3處低電壓，在φ1相控制下的電極1和電極4等下面形成較深的勢阱。若此時(shí)有光照射到硅片上，在光子的作用下產(chǎn)生電子—空穴對，其中空穴被排斥到襯底，而電子被勢阱收集。通常把一個(gè)勢阱收集的光生電荷叫一個(gè)電荷包。在t=t2時(shí)刻，φ1電壓下降，電極1、4等下面的勢阱變淺，φ2相升至高電壓，此時(shí)，φ2相控制下的電極2和電極5等下面的勢阱深度比電極1、4等下面的勢阱深度深，原來存儲(chǔ)在電極1、4等下面勢阱中的信號電荷開始趨于向電極2、5等下面的勢阱移動(dòng)。在t=t3時(shí)刻，電極1、4等下面勢阱中存儲(chǔ)的信號電荷全面轉(zhuǎn)移到電極2、5等下面的勢阱中。t3時(shí)刻之后，φ2電平開始下降，而φ3相處于高電壓，電極2、5等下面的勢阱中的電子轉(zhuǎn)移至下一相電極的勢阱。如此下去，在時(shí)鐘脈沖控制下，信號電荷順序由一個(gè)勢阱轉(zhuǎn)移至下一個(gè)勢阱，直到輸出。第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日4電荷輸出

N+區(qū)與P型硅形成PN結(jié)，通過施加反向偏置，形成電子電荷的深勢阱。轉(zhuǎn)移到φ2相電極下的電荷包越過輸出柵流入深勢阱。若dt時(shí)間內(nèi)流入的信號電荷為Qs，則二極管輸出電流ID為：ID=Qs/dtA點(diǎn)電位為：UA=UD-IDR

轉(zhuǎn)移到φ2極下電荷包的電子越多，流入反偏二極管深勢阱的電子電荷越多，則ID越大，A點(diǎn)的電位越低。經(jīng)放大器輸出反映光強(qiáng)的UA。

第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日8.2光電傳感器的應(yīng)用1.火焰探測報(bào)警器

采用硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測報(bào)警器原理如圖所示。第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日2.燃?xì)鉄崴髦忻}沖點(diǎn)火控制器由于煤氣是易燃、易爆氣體，所以對燃?xì)馄骶咧械狞c(diǎn)火控制器的要求是安全、穩(wěn)定、可靠，為此電路中有這樣一個(gè)功能，即打火針確認(rèn)產(chǎn)生火花，才可打開燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y門關(guān)閉，這樣就保證使用燃?xì)馄骶叩陌踩浴Ｏ聢D為燃?xì)鉄崴髦械母邏捍蚧鸫_認(rèn)電路原理圖。在高壓打火時(shí)，火花電壓可達(dá)一萬多伏，這個(gè)脈沖高電壓對電路工作影響極大，為了使電路正常工作，采用光電耦合器VB進(jìn)行電平隔離，大