第8章光电式传感器

第八章光电传感器

1第一节

概述第二节光源第三节

常用光电器件第四节

新型光电器件-固态图像传感器第五节光电式感器2光电传感器是采用光电器件作为转换元件的传感器，它首先把被测量的变化转化为光信号的变化，然后借助光电器件进一步将光信号转化成电信号。3第一节概述光电传感器通常由光源、光学通路、光电器件和测量电路组成。

光电传感器原理框图4第二节光源一、对光源的要求1、光源必须有足够的照度2、光源应保证均匀、无遮挡或阴影3、光源的照射方式应符合传感器的测量要求4、光源的发热量应尽可能小5、光源发出的光必须具有合适的光谱范围5光谱的有关知识光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm，

波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线，红外线：波长780—106nm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。6二、常用光源1、热辐射光源--钨丝灯泡（白炽灯）2、气体放电光源—荧光灯（节能灯）3、发光二极管（LED-lightemittingdiode）：由半导体PN结构成，能将电能转换成光能的半导体器件。7LED发光机理：在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，由于扩散作用，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。注入到P区的电子和P区里的空穴复合，注入到N区的空穴和N区的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式释放出能量，因而在PN结有发光现象。84、激光器--氦氖激光器激光的特性：教材P180教材P312激光检测9一、光电效应第三节常用光电器件二、外光电效应器件三、内光电效应器件101、概念一、光电效应光电效应：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。每个光子具有的能量为：11（1）外光电效应在光线作用下能使电子逸出物体表面向外发射的现象。也称光电发射。根据能量守恒定理该方程称为爱因斯坦光电效应方程。2、类型12爱因斯坦光电效应方程描述了外光电效应的基本规律：A）光电子能否产生，取决于入射光子能量是否大于该物体的逸出功A。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产生外光电效应的最低频率，称为红限或波长限。13B）当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强越强，意味着入射光子的数目越多，逸出的光电子数目也就越多。C）光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。14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。（2）内光电效应15

B)

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。A）

光电导效应在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象被称为光电导效应。16所谓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而产生的电效应。通常分为两类：

1)外光电效应：在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象，如光电管、光电倍增管等。2)内光电效应光电导效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。如光敏电阻、光敏晶体管等。光生伏特效应：在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象，如光电池等。17一)光电管光电管的结构示意图光阳极光电阴极光窗光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。结构相似，如图。二、外光电效应器件18光电管正常工作时，阳极A电位高于阴极K。如图。在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。光电管测量电路图

19光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成。依分装方法，分成端窗式和侧窗式两大类。光电倍增管结构示意图

二)光电倍增管20三、内光电效应器件利用物质在光的照射下导电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）光电导效应器件1、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。211--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)符号为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图CdS光敏电阻的结构和符号1）光敏电阻的工作原理和结构222）光敏电阻的主要参数和基本特性（1）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。23（2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。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。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mAL/lx1000200024（3）光谱特性

光谱特性与光敏电阻的材料有关。204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅25（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分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。5010015020012U/V02040I/μA26（5）频率特性20406080100I/%f/Hz010102103104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。硫化铅硫化镉27（6）温度特性随着温度的升高，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。光电流I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC283）光敏电阻的检测：A、用黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近无穷大。此值越大说明光敏电阻性能越好。B、将光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减小，此值越小说明光敏电阻性能越好。

C、将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。292.光敏二极管光敏二极管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，如图所示。PN光光敏二极管符号RL

光PN光敏二极管接线

30光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流。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。313.光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。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。PPNNNPeb

bcRLEec32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。1）光电池的结构和工作原理+光PN－SiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图PN二）光生伏特效应器件--光电池

利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。33IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路及等效电路34下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0（1）光照特性2）.基本特性勒克斯(lx)：光照度的单位。光照度是受光表面上光通量的面密度，即单位面积的光通量。35204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光谱特性从曲线可看出，硒光电池适宜测可见光。硅光电池可以在很宽的范围内应用。1——硒光电池2——硅光电池36(3)频率特性频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光电池2——硅光电池37（4）温度特性温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。2004060904060UOC/mVT/ºCISCUOCISC

/μA600400200UOC——开路电压ISC——短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线38一、CCD的基本结构第四节新型光电器件-固态图像传感器二、CCD工作原理三、CCD图像传感器39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最常用的是电荷耦合器件。40CCD是一种高性能光电图像传感器件，由若干个电荷耦合单元组成，其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器结构。一、CCD的基本结构CCD单元结构41P1P4P2P5P3P6P1P4P2P5P3P6P1P4P2P5P3P6P1P4P2P5P3P6(a)Ф1Ф2Ф3t1t2t3t4tФ(b)电荷转移过程t=t1t=t2t=t3t=t40二、CCD工作原理——转移原理421．线型CCD图像传感器转移栅光敏单元不透光的电荷转移结构光敏单元输出转移栅(a)(b)线型CCD图像传感器输出三、CCD图象传感器432．面型CCD图像