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1、传感技术光电第1页，本讲稿共29页一、光敏电阻l光敏电阻的工作原理与结构 光敏电阻又称光敏电阻又称光导管光导管，工作机理：光电导效应。，工作机理：光电导效应。光电导效应：半导体受到光照射时会产生电子光电导效应：半导体受到光照射时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强；空穴对，使其导电性能增强；光线越强，半导体的阻值越低。这种光照射后电导率发生变化的现象，称为光电导光线越强，半导体的阻值越低。这种光照射后电导率发生变化的现象，称为光电导效应。效应。光敏电阻几乎都是用半导体材料（如：硅、锗、硫化镉、硫化铅、锑化铟、硒化光敏电阻几乎都是用半导体材料（如：硅、锗、硫化镉、硫化铅、锑化铟、硒化镉等）制成的
2、光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加镉等）制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大，故称之为光电导器件或光电导探测器，电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大，故称之为光电导器件或光电导探测器，用于测量一定波长的光强。用于测量一定波长的光强。一般
3、希望一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。，此时光敏电阻的灵敏度高。第2页，本讲稿共29页 光敏电阻的原理结构如图。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。第3页，本讲稿共29页2.光敏电阻的特性1）暗电阻、亮电阻与光电流 暗电阻：光敏电阻在未受到光照射时的阻值，对应的电流为暗电流。亮电阻：光敏电阻在受到光照射时的阻值，对应的电流为亮电流。光电流：亮
4、电流与暗电流之差称为光电流。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下，暗电阻与亮电阻之比一般在102106之间。2）伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。所加的电压越高，光电流越大，线性，且无饱和现象。3）光照特性：在给定电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。绝大多数光敏电阻的光照特性是非线性的。由图可见。第4页，本讲稿共29页4）光谱特性：光敏电阻的相对光灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不相同的，反映了光敏电阻材料对光的波长选择性。5）温度特性：温度升高，光敏电阻的暗
5、电阻和灵敏度都要下降，同）温度特性：温度升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，同 时峰值向波长短的方向移动时峰值向波长短的方向移动。第5页，本讲稿共29页第6页，本讲稿共29页二、光敏二极管和光敏晶体管1.结构原理 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结装结装在管顶，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于在管顶，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工反向工作状态作状态，在无光照射时，反向电阻很大（高达，在无光照射时，反向电阻很大（高达4M），反向电流很小，这反向），反向电流很小，这反
6、向电流称为暗电流。当光照射在电流称为暗电流。当光照射在PN结上，光子打在结上，光子打在PN结附近，使结附近，使PN结附近产生结附近产生光生电子和光生空穴对光生电子和光生空穴对，少数载流子少数载流子在在PN结处的内电场作用下作定向运动，形结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流线性增加。成光电流。光的照度越大，光电流线性增加。因此光敏二极管在不受光照射时，因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态，受光照射时，处于导通状态，处于截止状态，受光照射时，处于导通状态，实现光实现光电转换。电转换。第7页，本讲稿共29页 光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极
7、一边做得很大，以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子空穴对，从而形成光电流（几微安），相当于三极管的基极电流，由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电流的倍（几毫安），所以光敏晶体管有放大作用。第8页，本讲稿共29页第9页，本讲稿共29页2.基本特性1）光谱特性 光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图所示。从曲线可以看出，硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰值波长约为1.5m，此时灵敏度最大，而当入射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能
8、较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，则锗管较为适宜。第10页，本讲稿共29页2)伏安特性 光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。3)温度特性 光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。第11页，本讲稿共29页三、光电池1.光电池结构原理 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。质就是电源，电
9、路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于光电池的工作原理是基于“光生伏特效应光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的。它实质上是一个大面积的PN结，结，当光照射到当光照射到PN结的一个面，例如结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子空穴型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。关的电动势。光电池的种类很多，有硒
10、光电池、氧化亚铜光电池、锗光电池、硅光光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池。其中硅光电池由于性能稳定，光谱范围宽，频率特电池、砷化镓光电池。其中硅光电池由于性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，耐高温辐射，所以最受人们重视。性好，转换效率高，耐高温辐射，所以最受人们重视。第12页，本讲稿共29页2.光电池的特性1）光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池在0.8m附近，硒光电池在0.5m附近，硅光电他的光谱响应波长范围从0
11、.401.2m，而硒光电池只能在0.340.75m。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。第13页，本讲稿共29页2）光照特性 光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。下图为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。从图中看出，短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系，开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lX时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不能用作电压源。第14页，本讲稿共29页3）频率特性 光电池的频率特性反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。当用光电池对交变
12、光照进行测量、计数、接收，频率特性不容忽视。4)温度特性 光电池的温度特性描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量器件应用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。第15页，本讲稿共29页四、光电管 光电管结构如图。在抽真空或充有惰性气体的玻璃泡内装有两个电极：阳极和光电阴极（简称阴极）。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射光电子，光电子被带正电位的阳极
13、吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电子流，输出电压。当光通量一定时，真空光电管、充气光电管阳极电压与阳极电流的伏安特性如图：第16页，本讲稿共29页 真空光电管光电流的大小与照射在光电阴极上的光强成正比，并与光电阴极的材料有关。充气光电管当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，从而使阳极电流急速增加，提高了光电管的灵敏度。但充气光电管的稳定性、频率特性比真空管差。第17页，本讲稿共29页五、光电倍增管 i=i n USC=iR=i nR 光电倍增管的优点是放大倍数很高（106），线性好，频率特性好；缺点是体积大，需数百伏至1KV的直流电压供
14、电。光电倍增管一般用于微弱光输入、要求反映速度很快的场合。第18页，本讲稿共29页8.2 CCD（Charge Couple device）图像传感器）图像传感器 电荷耦合元件（电荷耦合元件（CCD）是图象传感器最常用的核心部件，它是由阵列式是图象传感器最常用的核心部件，它是由阵列式排列在衬底上的排列在衬底上的MOS电容器组成，具有光生电荷、存储和转移电荷的功能，是七电容器组成，具有光生电荷、存储和转移电荷的功能，是七十年代发展起来的新型元件。十年代发展起来的新型元件。结构及工作原理结构及工作原理 电荷耦合元件（电荷耦合元件（CCD）是在）是在P型（或型（或N型）硅的衬底（作为衬底电极）型）硅
15、的衬底（作为衬底电极）上生长一层厚度约上生长一层厚度约120nm的的SiO2绝缘层，再在绝缘层上依一定次序沉积一绝缘层，再在绝缘层上依一定次序沉积一系列间隙很小（小于系列间隙很小（小于0.3m）的金属（铝）电极（称为栅极）制成的。每个金）的金属（铝）电极（称为栅极）制成的。每个金属电极和它下面的绝缘层及半导体硅衬底形成一个属电极和它下面的绝缘层及半导体硅衬底形成一个MOS电容器，所以电容器，所以CCD基基本上是由一系列本上是由一系列MOS电容器组成阵列，再加上输入与输出端构成。电容器组成阵列，再加上输入与输出端构成。由于由于MOS电电容器之间靠得很近，因此相互间可以发生耦合，被注入的电荷可以有
16、容器之间靠得很近，因此相互间可以发生耦合，被注入的电荷可以有控制地从一个电容移到另一个电容，电荷转移的过程，实际是电荷耦控制地从一个电容移到另一个电容，电荷转移的过程，实际是电荷耦合的过程，故将其称之为电荷藕合元件。合的过程，故将其称之为电荷藕合元件。MOS电容器的结构如图。电容器的结构如图。第19页，本讲稿共29页1.CCD的存储电荷功能的存储电荷功能 CCD的基本构成单元是的基本构成单元是MOS电容器。同其它电容器一样，电容器。同其它电容器一样，MOS电容器具电容器具有存储电荷的功能。当有存储电荷的功能。当MOS电容器上未加电压时，半导体硅的界面层到内部能带电容器上未加电压时，半导体硅的界
17、面层到内部能带相同。若金属电极（栅极）上加正电压时（衬底电极接地），对相同。若金属电极（栅极）上加正电压时（衬底电极接地），对P型半导体来说，型半导体来说，Si-SiO2界面处的电势（界面处的电势（称为表面势称为表面势）发生相应的变化，附近的多数载流子）发生相应的变化，附近的多数载流子空空穴被排斥离开表面，而留下受主杂质离子，使半导体表面层形成带负电荷穴被排斥离开表面，而留下受主杂质离子，使半导体表面层形成带负电荷的耗尽层，在耗尽层中电子能量从体内到界面由高到低变化。当所加电压的耗尽层，在耗尽层中电子能量从体内到界面由高到低变化。当所加电压增大超过增大超过MOS的开启电压（也称阈值电压）时，半
18、导体表面聚集电子浓度大大增的开启电压（也称阈值电压）时，半导体表面聚集电子浓度大大增加。由于电子大量聚集在电极下的半导体处，且具有的势能较低，故通常形象地称加。由于电子大量聚集在电极下的半导体处，且具有的势能较低，故通常形象地称为半导体表面形成对电子的为半导体表面形成对电子的势阱势阱，右图所示。，右图所示。在一定条件下，所加电压越大，耗尽在一定条件下，所加电压越大，耗尽层就越深，层就越深，Si表面吸收少数载流子的势也就越大。表面吸收少数载流子的势也就越大。第20页，本讲稿共29页 当半导体表面存在势阱时，如果有电子来到势阱及其附近，它们当半导体表面存在势阱时，如果有电子来到势阱及其附近，它们便
19、可以聚集在表面，来到势阱中，使表面势降低，耗尽层变薄。这个便可以聚集在表面，来到势阱中，使表面势降低，耗尽层变薄。这个过程称为电子填充势阱。势阱中能够容纳多少电子，取决于势阱的过程称为电子填充势阱。势阱中能够容纳多少电子，取决于势阱的“深浅深浅”，即表面势的大小，而表面势的大小又随所加栅压大小变化。，即表面势的大小，而表面势的大小又随所加栅压大小变化。势阱形成以后，耗尽区及附近区域在一定温度下有热激发产生的电子势阱形成以后，耗尽区及附近区域在一定温度下有热激发产生的电子空穴对中的电子进入势阱。这种热产生的少数载流子称为暗电流。空穴对中的电子进入势阱。这种热产生的少数载流子称为暗电流。而热产生的
20、多数载流子而热产生的多数载流子空穴将通过衬底跑掉。空穴将通过衬底跑掉。如上所述，我们把在栅极加偏压后在金属电极下的半导体表面形成的耗尽层如上所述，我们把在栅极加偏压后在金属电极下的半导体表面形成的耗尽层称为势阱。势阱内存储少数载流子。对于称为势阱。势阱内存储少数载流子。对于P型硅衬底的型硅衬底的CCD元件，栅极加正偏元件，栅极加正偏压，少数载流子为电子；对于压，少数载流子为电子；对于N型硅衬底的型硅衬底的CCD元件，栅极加负偏压，少数元件，栅极加负偏压，少数载流子为空穴。载流子为空穴。2.CCD的光生电荷功能的光生电荷功能 CCD的信号电荷有两种产生方式：光信号注入和电信号注入。当的信号电荷有
21、两种产生方式：光信号注入和电信号注入。当CCD用作光学图象传感器时，它接受的是光信号，故采用光信号注入。当光用作光学图象传感器时，它接受的是光信号，故采用光信号注入。当光照射到照射到CCD的半导体表面时，能量大于半导体禁带宽度的光子将激发光生电子的半导体表面时，能量大于半导体禁带宽度的光子将激发光生电子空穴对。在栅极电压作用下，空穴被排斥进入衬底，而电子被收集在空穴对。在栅极电压作用下，空穴被排斥进入衬底，而电子被收集在电极下的势阱中，形成信号电荷存储起来，电极下的势阱中，形成信号电荷存储起来，存储电荷的多少正比于入射的光存储电荷的多少正比于入射的光强。强。第21页，本讲稿共29页3.CCD的
22、电荷转移功能 CCD元件是由大量的在同一衬底上集成的MOS电容器阵列，它除具有光生电荷，电荷存储功能外，还有电荷转移功能，且能把光生电荷及存储同电荷转移在时间上分割开，以较长时间（数十ms）进行感光积累电荷，以很短时间（数百s）将电荷转移到读出移位寄存器，并在移位寄存器部分采取遮光措施（由不透光的铝层覆盖），使电荷转移过程不照光，以防止转移过程中因感光而引起图象模糊。为了实现信号电荷的转移，首先要使MOS电容器阵列的排列足够紧密（一般小于m级），以使相邻MOS电容器的势阱相互沟通（耦合）。其次，为了使电荷按规定方向转移，在MOS电容器阵列上要加满足一定相位要求的驱动时钟脉冲电压，在CCD的MO
23、S阵列上划分成以几个相邻MOS为一单元的无限循环结构，每一单元称为一位，形成一个象素，将每一位中对应位置上的电容器栅极分别连到各自共同的电极上，该共同电极称为相线。通常CCD有二相、三相、四相等几种结构。最直接明了的是三相时钟脉冲驱动结构，如图所示。第22页，本讲稿共29页第23页，本讲稿共29页 设在某时刻t1，第一相1为高电压，而2、3处低电压，在1相控制下的电极1和电极4等下面形成较深的势阱。若此时有光照射到硅片上，在光子的作用下产生电子空穴对，其中空穴被排斥到衬底，而电子被势阱收集。通常把一个势阱收集的光生电荷叫一个电荷包。在t=t2时刻，1电压下降，电极1、4等下面的势阱变浅，2相升
24、至高电压，此时，2相控制下的电极2和电极5等下面的势阱深度比电极1、4等下面的势阱深度深，原来存储在电极1、4等下面势阱中的信号电荷开始趋于向电极2、5等下面的势阱移动。在t=t3时刻，电极 1、4等下面势阱中存储的信号电荷全面转移到电极2、5等下面的势阱中。t3时刻之后，2电平开始下降，而3相处于高电压，电极2、5等下面的势阱中的电子转移至下一相电极的势阱。如此下去，在时钟脉冲控制下，信号电荷顺序由一个势阱转移至下一个势阱，直到输出。第24页，本讲稿共29页4电荷输出 N+区与P型硅形成PN结，通过施加反向偏置，形成电子电荷的深势阱。转移到2相电极下的电荷包越过输出栅流入深势阱。若dt时间内
25、流入的信号电荷为Qs，则二极管输出电流ID为：ID=Qs/dt A点电位为：UA=UD-IDR 转移到2极下电荷包的电子越多，流入反偏二极管深势阱的电子电荷越多，则ID越大，A点的电位越低。经放大器输出反映光强的UA。第25页，本讲稿共29页8.2光电传感器的应用1.火焰探测报警器 采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器原理如图所示。第26页，本讲稿共29页2.燃气热水器中脉冲点火控制器 由于煤气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定、可靠，为此电路中有这样一个功能，即打火针确认产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀门关闭，这样就保证使用燃气器具的安全性。下图为
26、燃气热水器中的高压打火确认电路原理图。在高压打火时，火花电压可达一万多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大，为了使电路正常工作，采用光电耦合器VB进行电平隔离，大大增强了电路抗干扰能力。当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光，耦合器中的光敏三极管导通，经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。若打火针与确认针之间不放电，则光电耦合器不工作，V1等不导通，燃气阀门关闭。第27页，本讲稿共29页3.CCD图像传感器测量物体尺寸 图为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数
27、据处理，整个过程由微机控制完成。根据几何光学原理，可以推导检测物体尺寸计算公式，即：D=np/M 式中：p像素间距，n覆盖光敏像素数，M倍率。微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。第28页，本讲稿共29页作业：一、习题、二、判断题：1、根据光谱特性知，硅光敏二极管感光频谱范围宽、暗电流小，而锗光敏二极管的感光频谱范围窄、暗电流大，故硅光敏二极管的特性优于硅光敏二极管。2、根据光照特性知，把硅光电池作为测量元件时，应把它当作电压源的形式来使用，不能用作电流源。3、光电倍增管之所以能够使电子数及电流成倍增加，关键在于光电子轰击倍增极时，产生二次电子。4、就CCD而言，在一定条件下，所加栅极电压越大，耗尽层就越深，Si表面吸收少数载流子的势也就越大。三、简述燃气热水器中脉冲点火控制器的控制原理。第29页，本讲稿共29页