第9章+光电式式传感器

1、第第9 9章光电式传感器章光电式传感器第第9章光电式传感器章光电式传感器9.1 9.1 光电器件光电器件 9.2 9.2 光纤传感器光纤传感器 9.3 9.3 红外传感器红外传感器 9.4 9.4 超声波传感器超声波传感器 思考题与习题思考题与习题 概述概述光电传感器是将光电传感器是将被测量被测量的变化通过的变化通过光信号光信号变化转变化转换成换成电信号电信号，具有这种功能的材料称为，具有这种功能的材料称为光敏材料光敏材料，做成的器件称做成的器件称光敏器件光敏器件。光敏器件种类很多，如：。光敏器件种类很多，如： 光电管、光电管、 光敏二极管、光敏二极管、 光电倍增管、光电倍增管、 光敏三极管、

2、光敏三极管、 光敏电阻、光敏电阻、 光电池、光电池、 光电耦合器、光电耦合器、 光纤等等。光纤等等。 在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。指纹锁指纹锁门禁门禁光光电电鼠鼠标标9.1 光电器件光电器件光电开关9.1 光电器件光电器件光栅光栅光纤光纤光电管光电管光敏电阻光敏电阻9.1 光电器件光电器件n指物体吸收了光能后转换为该物体中某指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。些电子的能量而产生的电效应。n 可分为可分为外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应两种。两种。1 1、 外光电效应外光电效应在光的作用下，物体内的电子

3、在光的作用下，物体内的电子( (光电子光电子) )逸出物逸出物体表面向外发射的现象。如体表面向外发射的现象。如光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管等。等。9.1 光电器件光电器件9.1.1.光电效应光电效应光电管光电管: :由一个阴极和一个阳极构成由一个阴极和一个阳极构成,并且封装并且封装在真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁在真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁,其上涂其上涂有光电发射材料。阳极常用金属丝弯曲成矩形或有光电发射材料。阳极常用金属丝弯曲成矩形或圆形圆形,置于玻璃管中央。置于玻璃管中央。9.1 光电器件光电器件当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为当光照射到光电导体上时，若这个光电导体

4、为本征半导本征半导体材料体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图上的电子将被激发到导带上去，如图9-2所示：所示： 图图9-2 9-2 电子能级示意图电子能级示意图从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光率变大。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电导材料的禁带宽度宽度E Eg g，即：，即：1.24ghchvERUI光强 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，

5、如果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产生），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻电流在回路电阻R R上产生上产生正比于电流大小的压降。正比于电流大小的压降。因此因此 补充补充 （2）符号：）符号： 真空管、光电阴极真空管、光电阴极 K K和光电阳极和光电阳极 A A光电倍增管光电倍增管 当入射光很微弱时，当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流普通光电管产生的光电流很小很小, ,只有零点几微安只有零点几微安, ,不不易探测易探测常用光

6、电倍增常用光电倍增管放大光电流管放大光电流。 工作原理建立在工作原理建立在二次电二次电子发射和光电发射子发射和光电发射的基础的基础上。上。9.1 光电器件光电器件光电倍增管测量电路光电倍增管测量电路光电倍增管：放大光电流光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极组成：光电阴极+若干倍若干倍增极增极+阳极阳极具有足够动能的电子轰击某些具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的材料时，材料表面将发射新的电子这种现象称为电子这种现象称为二次电子发二次电子发射射。轰击材料的入射电子称为。轰击材料的入射电子称为一次电子一次电子。9.1 光电器件光电器件 光照射物体时光照射物体时, ,当物体中电子吸收

7、的入射光子当物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功能量超过逸出功A A0 0时时, ,电子就会逸出物体表面电子就会逸出物体表面, ,形成形成光电子发射光电子发射, ,光子能量超过逸出功的部分为逸出电光子能量超过逸出功的部分为逸出电子的动能。根据能量守恒有子的动能。根据能量守恒有02021Amvh 或或02021AhmvEk 称为爱因斯坦光电效应方程称为爱因斯坦光电效应方程9.1 光电器件光电器件02021AhmvEk注意：注意：光电子能否产生光电子能否产生, ,取决于光电子的能量是否取决于光电子的能量是否大于该物体表面电子逸出功大于该物体表面电子逸出功A A0 0。不同材料具有不同的逸出功不同

8、材料具有不同的逸出功, ,因此对于某种因此对于某种材料而言便有一个材料而言便有一个频率限频率限。 当入射光的频率低于此频率限时,无论光强多大,也不能激发电子;反之,当入射光的频率高于此频率限时,即使光线微弱也会有光电子发射出来。2 2、 内光电效应内光电效应在光线作用下在光线作用下, ,受光照的物体的受光照的物体的电阻率电阻率发生变化发生变化, ,或或产生光生电动势产生光生电动势的现象。的现象。光电导效应光电导效应在光照时在光照时, ,半导体材料吸收了入射光子的能半导体材料吸收了入射光子的能量。当光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽量。当光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度时度时, ,就激发

9、电子就激发电子- -空穴对空穴对, ,增加了载流子的浓度增加了载流子的浓度, ,半导体半导体电导率增大电导率增大, ,该现象称为光电导效应。如该现象称为光电导效应。如光敏电阻光敏电阻 等。等。9.1 光电器件光电器件 光生伏特效应光生伏特效应物体受光照而产生一定方向的物体受光照而产生一定方向的电动势电动势的现象的现象, ,称为光生伏特效应。称为光生伏特效应。 光生伏特型光电器件是自发电式光生伏特型光电器件是自发电式, ,属于有源属于有源器件。常用的有光电池等。器件。常用的有光电池等。9.1 光电器件光电器件u光生伏特效应：光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在光生伏特效应是半导体

10、材料吸收光能后，在PNPN结上产生结上产生电动势电动势的效应。的效应。为什么为什么PNPN结会因光照产生光生伏特效应呢？结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：有下面两种情况： 当光照射在当光照射在PNPN结时，如果电子能量大于半导体结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（禁带宽度（E0 E0 EgEg）, ,可激发出电子可激发出电子空穴对，空穴对，在在PNPN结内电场作用下空穴移向结内电场作用下空穴移向P P区，而电子移向区，而电子移向N N区，区， 使使P P区和区和N N区之间产生电压，区之间产生电压， 这个电压就是这个电压就是光生电动势光生电动势. . 基于这种效应的器件有基于这种

11、效应的器件有 2)2)处于反偏的处于反偏的PNPN结：结： 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，光子能量足够大产生有光照时，光子能量足够大产生光生电子光生电子空穴对空穴对， 在在PNPN结电场作用下，形成光电流，结电场作用下，形成光电流， 电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有：具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管光敏二极管、光敏晶体管. .光电器件的性能：光电器件的性能：主要从主要从伏安特性、伏安特性、光照光照特性、特性、光谱特性、光谱特性、温度特性和温度特性

12、和频率特性来频率特性来描述。描述。9.1.2 9.1.2 光敏电阻光敏电阻9.1.3 9.1.3 光敏二极管光敏二极管/ /光敏三极管光敏三极管9.1.4 9.1.4 光电池光电池9.1.5 9.1.5 光电耦合器件光电耦合器件9.1 光电器件光电器件1. 1. 原理与结构原理与结构光敏电阻又称为光敏电阻又称为光导管光导管, ,由由半导体材料半导体材料制成制成, ,是纯电阻器件。光敏电阻不受光照时是纯电阻器件。光敏电阻不受光照时, ,电阻值很电阻值很大大, ,电路中电流很小电路中电流很小; ;受到一定波长的光照射时受到一定波长的光照射时, ,阻值急剧减小。阻值急剧减小。9.1.2 光敏电阻光敏

13、电阻外形外形9.1.2 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻，光光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻，光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长、价格便宜等优点，应用广泛。寿命长、价格便宜等优点，应用广泛。(1)(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光敏电阻在不受光照射时的电阻的电阻1M-100M,1M-100M,此时流过的电流称为暗电流；此时流过的电流称为暗电流；(2)(2)亮电阻与亮电流亮电阻与亮电流在受光照射时的电阻在受光照射时的电阻, ,此时此时流过的电流称为亮电流。流过的电流称为亮电流。(3)(3)光电流光电流

14、亮电流与暗电流之差称为。亮电流与暗电流之差称为。9.1.2 光敏电阻光敏电阻原理与结构原理与结构基本概念：基本概念：1M100M 通常通常, ,暗电阻越大越好暗电阻越大越好, ,亮电阻越小越好亮电阻越小越好, ,也也就是说：暗电流越小就是说：暗电流越小, ,光电流越大，这样的光敏光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度高。电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧级实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧级, ,亮电亮电阻在几千欧以下。阻在几千欧以下。9.1.2 光敏电阻光敏电阻原理与结构原理与结构基本概念：基本概念：2.2.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性(1) (1) 伏安特性伏安特性在一定的照

15、度下在一定的照度下, ,光敏电阻两光敏电阻两端的电压与电流的关系。硫化镉光敏电阻的伏安特端的电压与电流的关系。硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线如图。性曲线如图。9.1.2 光敏电阻光敏电阻图图9-2 9-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性硫化镉光敏电阻的伏安特性n曲线在一定范围内呈直线。曲线在一定范围内呈直线。n偏压一定时偏压一定时,光照度越大光照度越大,光光电流越大；电流越大；n光照度一定时光照度一定时,所加电压越大所加电压越大,光电流越大光电流越大,且没有饱和现象。且没有饱和现象。能无限大么？能无限大么？阻值与电压、阻值与电压、电流无关电流无关不能不能,因为任何光因为任何光敏电阻都受额定敏电阻都受额

16、定功率、最高工作功率、最高工作电压和额定电流电压和额定电流的限定。的限定。(2) (2) 光谱特性光谱特性也称光谱响应也称光谱响应, ,指光敏电阻指光敏电阻的光电流与入射波长的关系。与光敏电阻的材的光电流与入射波长的关系。与光敏电阻的材料有关。料有关。9.1.2 光敏电阻光敏电阻基本特性基本特性波长不同波长不同, 灵敏度不同灵敏度不同。n硫化镉光敏电阻光谱响应硫化镉光敏电阻光谱响应的峰值在可见光区域的峰值在可见光区域,常用常用于光度量的测量于光度量的测量,如照度计如照度计;n硫化铅光敏电阻响应于近硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区红外和中红外区,常用于火常用于火焰探测器。焰探测器。图图9-3

17、 9-3 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性(2) (2) 光谱特性光谱特性9.1.2 光敏电阻光敏电阻基本特性基本特性根据光谱特性的不同根据光谱特性的不同,依据依据检测对象的不同检测对象的不同()选择合选择合理的光敏电阻。理的光敏电阻。图图9-3 9-3 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性图图9-4 9-4 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性(3) (3) 温度特性温度特性反映的是温度变化对光敏反映的是温度变化对光敏电阻的光谱响应、灵敏度、暗电阻等的影响。电阻的光谱响应、灵敏度、暗电阻等的影响。9.1.2 光敏电阻光敏电阻基本特性基本特性n峰值随着温度的上升向峰值随

18、着温度的上升向波长短的方向移动波长短的方向移动,故该故该光敏电阻要在光敏电阻要在低温、恒低温、恒温温的条件下使用。的条件下使用。n为了提高灵敏度或者为为了提高灵敏度或者为了能够接收较长波段的了能够接收较长波段的辐射辐射,将元件降温使用。将元件降温使用。图图9-5 9-5 硫化镉光敏电阻的光照特性曲线硫化镉光敏电阻的光照特性曲线(4) (4) 光照特性光照特性在一定外加电压作用下在一定外加电压作用下, ,光光电流和光照强度之间的关系。电流和光照强度之间的关系。9.1.2 光敏电阻光敏电阻基本特性基本特性n光照特性曲线的斜率光照特性曲线的斜率( (光光电流与入射光光通量之比电流与入射光光通量之比)

19、 )称为称为光电管的灵敏度光电管的灵敏度或或光光敏电阻的灵敏度敏电阻的灵敏度。光通量: 光源单位时间内所辐射的光能叫光源的光通量，其单位是流明.图图9-5 9-5 硫化镉光敏电阻的光照特性曲线硫化镉光敏电阻的光照特性曲线(4) (4) 光照特性光照特性在一定外加电压作用下在一定外加电压作用下, ,光光电流和光照强度之间的关系。电流和光照强度之间的关系。9.1.2 光敏电阻光敏电阻基本特性基本特性n光照特性曲线呈光照特性曲线呈非线性非线性关系关系, ,因此因此不宜作为测量不宜作为测量元件元件, ,而多用于而多用于开关信号开关信号的传递。的传递。n不同材料的光敏电阻光不同材料的光敏电阻光照特性不同

20、。照特性不同。(5) (5) 频率特性频率特性当光敏电阻受到光照时当光敏电阻受到光照时, ,光电流要经过一段光电流要经过一段时间才能达到稳定时间才能达到稳定; ;而在停止光照时而在停止光照时, ,光电流也光电流也不立刻为零不立刻为零光敏电阻的光敏电阻的时延特性时延特性。不同材。不同材料的光敏电阻时延特性不同料的光敏电阻时延特性不同, ,所以其频率特性也所以其频率特性也就不同。就不同。9.1.2 光敏电阻光敏电阻基本特性基本特性图图9-6 9-6 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性硫化铅比硫化镉的硫化铅比硫化镉的使用频率高得多；使用频率高得多；多数光敏电阻的时多数光敏电阻的时延都比较大，光敏延

21、都比较大，光敏电阻不能用于要求电阻不能用于要求快速响应的场合。快速响应的场合。9.1.2 光敏电阻光敏电阻基本特性基本特性(5) (5) 频率特性频率特性应用举例应用举例图为图为路灯自动电熄装置路灯自动电熄装置，分两部分组成，电阻，分两部分组成，电阻R R、电容、电容C C和二极和二极管管D D组成半波整流滤波电路；组成半波整流滤波电路；CdSCdS光敏电阻和继电器组成光控继光敏电阻和继电器组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控制路灯电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控制路灯的点燃和熄灭。的点燃和熄灭。J光敏电阻光敏电阻应用应用光敏电阻在声、光控开关中的应用光敏

22、电阻在声、光控开关中的应用 光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 广泛广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。自动报警、自动计数等领域和装置。 9.1.3 光敏二极管和晶体管光敏二极管和晶体管1.1.结构及工作原理结构及工作原理(1) (1) 光敏二极管光敏二极管9.1.3 光敏二极管和晶体管光敏二极管和晶体管图图9-7 光敏二极管结构简图和符号光敏二极管结构简图和符号硅

23、光敏二极管结构硅光敏二极管结构 光敏二极管结构与一般二极管光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个相似，它们都有一个P PN N结，并结，并且都是单向导电的非线性元件。且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，为了提高转换效率大面积受光，PNPN结面积比一般二极管大。结面积比一般二极管大。光敏二极管在电路中一般光敏二极管在电路中一般处于处于反向偏置状态反向偏置状态。无光照射。无光照射时时, ,反向电阻很大反向电阻很大, ,反向电流很反向电流很小小; ;光照射在光照射在PNPN结上时结上时, ,形成光形成光电流。光的照度越大电流。光的照度越大, ,光电流越光电流越大。大。电流一

24、般为几电流一般为几uAuA到几十到几十uAuA。9.1.3 光敏二极管光敏二极管图图 9-8 9-8 光敏二极管接线图光敏二极管接线图光电流方向与光电流方向与反向电流一致反向电流一致 按材料分，光电二极管有硅、锗、砷化镓、按材料分，光电二极管有硅、锗、砷化镓、 锑化铟光电二极管多种。目前在锑化铟光电二极管多种。目前在可见光区可见光区用的用的最多的是最多的是硅光电二极管硅光电二极管。 国产硅光电二极管按国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型衬底材料的导电类型不同分为不同分为2CU2CU和和2DU2DU两种系列。两种系列。 2CU2CU系列光电二极管有两条引线系列光电二极管有两条引线, ,而而2DU

25、2DU系列系列光电二极管有三条引线光电二极管有三条引线( (环线环线, ,减少暗电流和噪减少暗电流和噪声等影响，声等影响，应用时需要接电源正极应用时需要接电源正极) )。9.1.3 光敏二极管光敏二极管光敏晶极管结构光敏晶极管结构 与普通晶体管不同的是，与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极光敏晶体管是将基极集电极集电极结作为光敏二极管，集电结做结作为光敏二极管，集电结做受光结，受光结，为适应光电转换要求，为适应光电转换要求，基区面积做的较大，发射区面基区面积做的较大，发射区面积较小积较小。 大多数光敏晶体管的基极大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃无引线，集电结加反偏。玻璃封装

26、上有个小孔，让光照射到封装上有个小孔，让光照射到基区。基区。9.1.3 光敏晶体管光敏晶体管(2) 光敏晶体管光敏晶体管图图9-9 NPN9-9 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路型光敏晶体管结构简图和基本电路( (a a) )光敏晶体管结构简图；光敏晶体管结构简图；( (b b) )光敏晶体管基本电路光敏晶体管基本电路(2) (2) 光敏晶体管光敏晶体管9.1.3 光敏晶体管光敏晶体管n 当集电极加上相对于发射极为正的电当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时压而不接基极时, ,集电结就是反向偏压集电结就是反向偏压; ;n 当光照射在集电结上时当光照射在集电结上时, ,会产生电子会产

27、生电子- -空穴对空穴对, ,光生电子被拉到集电极光生电子被拉到集电极, ,基区留下基区留下空穴空穴, ,使基极和发射极间的电压升高使基极和发射极间的电压升高, ,相当相当于基极电流增加于基极电流增加, ,集电极形成输出电流集电极形成输出电流, ,是是光生电流的光生电流的倍。倍。可见可见, ,光敏晶体管也具光敏晶体管也具有放大作用。有放大作用。n 硅光电三极管有硅光电三极管有3CU3CU和和3DU3DU两种系列。两种系列。9.1.3 光敏晶体管光敏晶体管光敏二极管和光敏三极管的特性比较：光敏二极管和光敏三极管的特性比较：光照特性光照特性光电流和照度之间的关系。光电流和照度之间的关系。n光敏二极

28、管的光照光敏二极管的光照特性是线性特性是线性, ,适合检适合检测。测。n光敏三极管的光照光敏三极管的光照特性是近似线性特性是近似线性, ,当当光照足够大光照足够大( (几十几十Klx)Klx)时时, ,会出现饱和现象。会出现饱和现象。因此既可作为线性转因此既可作为线性转换元件换元件, ,也可作开关也可作开关元件。元件。9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管2.2.基本特性基本特性(1) (1) 伏安特性伏安特性: :硅光敏管在不同照度下的伏安特性。硅光敏管在不同照度下的伏安特性。图图9-10 9-10 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性(a) 光敏二极管的伏安特性光敏二极管

29、的伏安特性(b)硅光敏晶体管的伏安特性硅光敏晶体管的伏安特性光电流不受偏压影光电流不受偏压影响响恒流源。恒流源。偏压对光电流有影响。偏压对光电流有影响。 在同样的照度下在同样的照度下, ,光敏晶体管输出的光电光敏晶体管输出的光电流比相同管型的二极管流比相同管型的二极管大上百倍。大上百倍。9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管(2) (2) 光谱特性光谱特性实际应用时实际应用时,n可见光或赤热状态可见光或赤热状态物体的探测物体的探测,一般都一般都用硅管用硅管;n对红外光的探测对红外光的探测,锗管较适合。锗管较适合。图图9-11 9-11 光敏二极管和晶体管的光谱特性光敏二极管和

30、晶体管的光谱特性9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管(3) (3) 频率特性频率特性光电流与光电流与光照调制频率光照调制频率之间的之间的关系关系图图9-12 9-12 光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性减小负载电阻减小负载电阻可提高频率响可提高频率响应应, ,但输出电压但输出电压响应亦减小。响应亦减小。9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管光电三极管的频光电三极管的频率响应比光电二率响应比光电二极管差。极管差。(3) (3) 频率特性频率特性光电流与光照调制频率之间光电流与光照调制频率之间的关系的关系9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏

31、晶体管对于锗管对于锗管,入射光的调制频入射光的调制频率要求在率要求在2KHz以下以下.硅管硅管的频率响应比锗管好的频率响应比锗管好.(4) (4) 温度特性温度特性指光敏管的暗电流及光电流与指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系温度的关系。9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管图图9-13 9-13 光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性光电式转速测量动画演示光电式转速测量动画演示 光电池工作原理也是基于光电池工作原理也是基于光生伏特效应光生伏特效应，可以直，可以直接接将光能转换成电能的器件将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另

32、一类用于检测和自动控源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。电池、砷化镓、氧化铜等等。光光电电池池符符号号9.1.4 光电池光电池（有源器件）（有源器件）太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池9.1.4 光电池光电池1. 1. 结构及工作原理结构及工作原理当入射光照射当入射光照射PNPN结时结时, ,若光子的能量足够大若光子的能量足够大, ,则可则可以在以在PNPN结内产生电子结内产生电子- -空穴对空穴对, ,在结电场的作用下在结电场的作用下

33、, ,空穴空穴移向移向P P型区型区, ,电子移向电子移向N N型区型区, ,在在N N区和区和P P区之间出现电位区之间出现电位差差光生电动势光生电动势9.1.4 光电池光电池图图9-14 9-14 硅光电池结构原理图及等效电路硅光电池结构原理图及等效电路 结构：光电池实质是一个大面积结构：光电池实质是一个大面积PNPN结，上电极为栅结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射原理：当光照射PNPN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动

34、势。一般可产生的电动势。一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压电压50mA50mA电流。电流。 光电池结构光电池结构 光电池工作原理图光电池工作原理图 9.1.4 光电池光电池1. 结构及工作原理结构及工作原理2.2.光电池的基本特性光电池的基本特性(1) (1) 光谱特性光谱特性: :取决于光电池的材料取决于光电池的材料9.1.4 光电池光电池图图9-15 9-15 光电池的光谱特性光电池的光谱特性n硒光电池在可见光谱硒光电池在可见光谱范围内有较高灵敏度范围内有较高灵敏度, ,适适合测可见光。合测可见光。n硅光电池应用范围在硅光电池应用范围在400nm400nm1200nm,1200

35、nm,可在很可在很宽的范围内使用。宽的范围内使用。2.2.光电池的基本特性光电池的基本特性(1) (1) 光谱特性光谱特性: :取决于光电池的材料取决于光电池的材料9.1.4 光电池光电池图图9-15 9-15 光电池的光谱特性光电池的光谱特性n光电池的选用与光光电池的选用与光 源结合。源结合。n光谱特性的峰值与光谱特性的峰值与使用温度有关使用温度有关(T(T升高升高, ,图形左移图形左移) )。(2) (2) 光照特性光照特性指在光电流与照度之间的关系指在光电流与照度之间的关系以及光生电动势与照度之间的关系以及光生电动势与照度之间的关系9.1.4 光电池光电池基本特性基本特性图图9-16 9

36、-16 硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性n短路电流与光照强度短路电流与光照强度呈线性关系呈线性关系; ;n开路电压与光照度呈开路电压与光照度呈非线性关系非线性关系, ,且当照度在且当照度在2000 Lx2000 Lx时趋于饱和。时趋于饱和。(2) (2) 光照特性光照特性指在光电流与照度之间的关系指在光电流与照度之间的关系以及光生电动势与照度之间的关系以及光生电动势与照度之间的关系9.1.4 光电池光电池基本特性基本特性图图9-16 9-16 硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性n光电池作为测量元件光电池作为测量元件时时, ,应当作为应当作为 源源, ,不宜不宜作为作为 源。源。电流电流电

37、压电压n光电池在不同照度下光电池在不同照度下,其内阻也不同其内阻也不同,应适当的选应适当的选择电阻使满足择电阻使满足“短路短路”的的条件条件充分利用照度与充分利用照度与光电流的线性关系。光电流的线性关系。n负载电阻越小负载电阻越小, ,两者的两者的线性关系越好线性关系越好, ,其线性范其线性范围越宽。围越宽。9.1.4 光电池光电池基本特性基本特性(3) (3) 频率特性频率特性光电池作为测量、计数、接收元件时常采用光电池作为测量、计数、接收元件时常采用调调制光制光输入。即光电池的频率特性是指输出电流随调输入。即光电池的频率特性是指输出电流随调制光频率变化的关系。制光频率变化的关系。9.1.4

38、 光电池光电池基本特性基本特性(3) (3) 频率特性频率特性9.1.4 光电池光电池基本特性基本特性图图9-17 9-17 硅光电池和硒光电池的频率特性硅光电池和硒光电池的频率特性n频率特性与材料、频率特性与材料、结构、使用条件有关。结构、使用条件有关。n硅光电池具有较硅光电池具有较高的频率响应高的频率响应,而硒光而硒光电池则较差。电池则较差。(4)(4)温度特性温度特性开路电压和短路电流随温度变化开路电压和短路电流随温度变化的情况。的情况。9.1.4 光电池光电池基本特性基本特性图图9-18 9-18 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性n开路电压随温度的开路电压随温度的升高而下降的速度较

39、升高而下降的速度较快快,而短路电流随温度而短路电流随温度的升高而缓慢增加。的升高而缓慢增加。n该特性关系到应用该特性关系到应用光电池的设备的光电池的设备的温度温度漂移漂移,影响到测量和控影响到测量和控制精度等指标。制精度等指标。(4)(4)温度特性温度特性开路电压和短路电流随温度变化开路电压和短路电流随温度变化的情况。的情况。9.1.4 光电池光电池基本特性基本特性图图9-18 9-18 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性n当光电池作为测量元当光电池作为测量元件时件时,最好能最好能保持温度保持温度恒定恒定或或采取温度补偿采取温度补偿措施措施。v 电路连接电路连接光电池作为控制元件时通常接非线

40、性负载，光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作。控制晶体管工作。光电池作为电源使用时，根据使用要求进行光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。连接。 需要高电压时应将光电池串联使用；需要高电压时应将光电池串联使用； 需要大电流时应将光电池并联使用。需要大电流时应将光电池并联使用。 9.1.4 光电池光电池 硅管的发射结导通电压为硅管的发射结导通电压为0.6V0.6V0.7V0.7V，光电池的，光电池的 0.5V0.5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联电压起不到控制作用，可将两个光电池串联 后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。 有光

41、照度变化时，引起基极电流有光照度变化时，引起基极电流IbIb变化，集电极变化，集电极 电流发生电流发生倍的变化。电流倍的变化。电流IcIc与光照近似线性关系与光照近似线性关系。光电池电路连接光电池电路连接 9.1.4 光电池光电池 电路电路光电池用作太阳能电池时的电路如图 所示。在黑夜或光线微弱时，为防止蓄电池经过光电池放电而设置二极管D。1光电池用作太阳能电池光电池用作太阳能电池1.1.光电耦合器光电耦合器将发光元件和接收元件同时封装将发光元件和接收元件同时封装在一个外壳内而组成的转换元件。在一个外壳内而组成的转换元件。发光器件通常采用砷化镓发光二极管,随着二极管正向电压的不断增大,正向电流

42、不断增加,发光二极管产生的光通量也不断增加,达到一定阈值时,接收元件开始工作。9.1.5 光电耦合器件光电耦合器件通过电通过电光、光光、光电，电，两次转换进行输入输出耦合。两次转换进行输入输出耦合。 以光为媒介进行耦合来传递电信号以光为媒介进行耦合来传递电信号,可实现可实现电隔离电隔离, 因而因而提高了系统的抗干扰能力提高了系统的抗干扰能力。由于它。由于它具有具有单向信号传输功能单向信号传输功能,因而多用于电路隔离、因而多用于电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关等。电平转换、噪声抑制、无触点开关等。9.1.5 光电耦合器件光电耦合器件光耦光耦(a)(a)光敏三极管型光耦光敏三极管型光耦(b

43、)(b)达林顿型光耦达林顿型光耦 “ “光耦光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，器件有很强的抗干扰能有独立的输入输出抗，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。 特别适宜特别适宜做数字电路做数字电路 开关信号传输、逻辑开关信号传输、逻辑 电路隔离器、计算机电路隔离器、计算机 测量、控制系统中做测量、控制系统中做 无触点开关等。无触点开关等。9.1.5 光电耦合器件光电耦合器件光耦光耦2.2.光电开关光电开关当有不透光的物体位于当有不透光的物体位于透射式开关透射式开关中间或物体中间或物体经过

44、经过反射式开关反射式开关时时, ,接收元件收到的信号将发生变接收元件收到的信号将发生变化化, ,产生一个检测脉冲。产生一个检测脉冲。9.1.5 光电耦合器件光电耦合器件图图9-20 9-20 光电开关的结构光电开关的结构透射式透射式反射式反射式光电开关的发射光电开关的发射与接受器件光轴在与接受器件光轴在同一平面上，以某同一平面上，以某一角度相交，交点一角度相交，交点处为待测点，当有处为待测点，当有物体经过待测点时，物体经过待测点时，接受元件接收到物接受元件接收到物体表面反射的光线。体表面反射的光线。透射式：当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器产透射式：当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受

45、器产生相应的电信号。生相应的电信号。电梯平层用光电梯平层用光电开关电开关 电荷耦合器件，又称电荷耦合器件，又称CCDCCD图象传感器，是一种图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件电荷耦合器件。具大规模集成电路光电器件电荷耦合器件。具有光电转换，信息存储、延时、传输、处理有光电转换，信息存储、延时、传输、处理等功能。等功能。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC 7DC 712V12V）、功耗小。）、功耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、遍及航天、遥感、天文、通讯

46、、工业、农业、军用工业、农业、军用等各个领域。等各个领域。9.1.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 9.1.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 基于基于CCDCCD光电耦器件的输入光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机机、平板扫描仪、指纹机9.1.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices CCDCCD基本结构分两部分：基本结构分两部分： MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）半导体） 光敏元阵列；光敏元

47、阵列； 读出移位寄存器。读出移位寄存器。 电荷耦合器件是在半导体硅电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。按线阵或面阵有规则地排列。CCDCCD结构示意图结构示意图 显微镜下的MOS元表面9.1.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices . CCD原理原理构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS电容器，与其它电容器一电容器，与其它电容器一样，样，MOS电容器能够存储电荷电容器能够存储电

48、荷 。图图8-26 MOS电容的结构电容的结构 MOSMOS电容的结构电容的结构v 电荷存储原理：电荷存储原理：1 1）表面势阱的形成：）表面势阱的形成： 如果如果MOS电容器中的半导体是电容器中的半导体是P型硅，当在金型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的电子的“势阱势阱”，如图所示，成为蓄积电荷的场所。，如图所示，成为蓄积电荷的场所。 势阱的形成势阱的形成一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 9.1.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） Ch

49、argeCoupled Devices 2 2）势阱对电子吸收：）势阱对电子吸收： 有光线入射到硅片上时，有光线入射到硅片上时，光子作用下产生光子作用下产生电子电子空穴对，空穴被电空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。光强度成正比。 一个一个MOSMOS结构元为结构元为MOSMOS光敏元光敏元或一个或一个像素像素， 把一个势阱所收集的光生电子称为一个把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷电荷包；包； CCDCCD器件内是在硅片上制作成百上千的器件内是在硅片上制作成百上

50、千的MOSMOS元，元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。电荷图象。这就是电荷耦合器件的这就是电荷耦合器件的光电物理效应光电物理效应基本原理。基本原理。9.1.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 26526518018013313390906666454533332222分辨率不同的图象比较分辨率不同的图象比较光

51、电耦合器演示的形成势阱9.1.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 3、CCD电荷的产生方式电荷的产生方式(信号输入信号输入) CCD在用作信号处在用作信号处理或存储器件时，电荷理或存储器件时，电荷输入采用电注入。输入采用电注入。n CCDCCD通过输入通过输入结构对信号电压或电流结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。或电流转换为信号电荷。 9.1.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 当光信号照射到当光信号照射到CCDCCD硅片表面时硅片表面时, , 在栅极

52、附近在栅极附近的半导体体内产生电子的半导体体内产生电子- -空穴对空穴对, , 其多数载流子（空穴其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底）被排斥进入衬底, , 而少数载流子（电子）则被收集在而少数载流子（电子）则被收集在势阱中势阱中, , 形成信号电荷形成信号电荷, , 并存储起来。并存储起来。 存储电荷的多少正比于照射的光强存储电荷的多少正比于照射的光强背面光注人CCD用作固态图像传感器时, 信号电荷由光生载流子产生。4、信号电荷转移、信号电荷转移 nCCD的基本功能是的基本功能是存储与转移信息电荷存储与转移信息电荷n为实现信号电荷的转换：为实现信号电荷的转换： 1、必须使、必须使MOS电容阵列

53、的排列足够紧密，以致相电容阵列的排列足够紧密，以致相邻邻MOS电容的势阱相互沟通，即电容的势阱相互沟通，即相互耦合相互耦合。2、控制相邻、控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。3、在、在CCD中中电荷的转移必须按照确定的方向。电荷的转移必须按照确定的方向。 光敏元光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，上的电荷需要经过电路进行输出，CCDCCD电荷电荷 耦合器件是以耦合器件是以电荷为信号电荷为信号而不是电压电流。而不是电压电流。 电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄

54、存器）读出移位寄存器读出移位寄存器也是也是MOSMOS结构，由金属电极、氧化结构，由金属电极、氧化 物、半导体三部分组成。物、半导体三部分组成。 它与它与MOSMOS光敏元的光敏元的区别区别在于，半导体底部覆盖了一在于，半导体底部覆盖了一 层遮光层，防止外来光线干扰。层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元； 在在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲 123.123.三相三相CCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图 当当t = t1t = t1时刻，时刻，11电极下出现势阱存入光电荷电极下出现

55、势阱存入光电荷当当t = t2t = t2时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。当当t = t3t = t3时刻，时刻，11中电荷全部转移至中电荷全部转移至22。当当t = t4t = t4时刻，时刻，22中电荷向中电荷向33势阱转移。势阱转移。当当t = t5t = t5时刻，时刻，33中电荷向下一个中电荷向下一个11势阱转移势阱转移。 读出移位寄存器三相时钟脉冲读出移位寄存器三相时钟脉冲 9.1.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 6、CCD图像传感器n利用利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到的

56、光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在照射在CCD上的光学图像转移成了电信号上的光学图像转移成了电信号“图像图像”。n由于由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的致致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。性，因此，对图像的传感具有优越的性能。nCCD图像传感器有图像传感器有线列和面阵线列和面阵(1)CCD线列图像器件线列图像器件1CCD转移寄存器转移寄存器 2转移控制栅转移控制栅 3积

57、蓄控制电极积蓄控制电极 4PD阵列阵列 SH转移控制栅输入端转移控制栅输入端 RS复位控制复位控制 VOD漏极输出漏极输出 OS图像信号输出图像信号输出 OG输出控制栅输出控制栅线型图像传感器结构线型图像传感器结构将一维光信号转换为将一维光信号转换为视频输出，若要采集视频输出，若要采集二维图像，必须用扫二维图像，必须用扫描方法实现。描方法实现。 典型的线型典型的线型CCD图像传感器由一列光敏元件和两列图像传感器由一列光敏元件和两列电荷转移部件组成，在它们之间设置一个转移控制栅，电荷转移部件组成，在它们之间设置一个转移控制栅，（1）线阵）线阵CCD 线阵线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输可分

58、为双沟道传输与单沟道传输两种结构。下图两种结构。下图(a)为单沟道，为单沟道，(b)为双沟道。为双沟道。将一维光信号转换为将一维光信号转换为视频输出，若要采集视频输出，若要采集二维图像，必须用扫二维图像，必须用扫描方法实现。描方法实现。(a)x-y 选址选址 (b)行选址行选址 (c)帧场传输式帧场传输式 (d)行间传输式行间传输式将二维图像转将二维图像转换为视频信号换为视频信号输出。输出。按一定的方式将一维线按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即器排列成二维阵列，即可以构成面型可以构成面型CCD图像图像传感器。传感器。CCDCCD传感器应用时是将不同

59、光源与透镜、镜头、光导传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。CCDCCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCDCCD被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。自动调焦等方面。举例（补充）一、 CCD传感器应用传感器应用线阵CCD进行工件尺寸测

60、量实例：实例： 举例（补充）M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用实例：实例： 举例（补充）M2A摄影胶囊（摄影胶囊（Mouth anus）,由发光二由发光二极管做光源，极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。计算机将图像进行下载。 尺寸测量尺寸测量被测对象长度被测对象长度LpnfanpML) 1(1pnllL21l1 视场视场l2传感器的长度传感器的长度举例（补充）5 用于光学文字识别装置用于光学文字识别装置光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理原理 举例（补充）1.