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1、第二章,光敏傳感器 PHOTOSENSORS,1、光敏傳感器----用光照射材料后材料本身的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化制成的器件。 感應(yīng)光信號的材料稱為----光電材料 對光信號的變化反應(yīng)迅速，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?2、光信號具有粒子性，光子具有一定的能量（h）， 光敏傳感器是將光能變換為相應(yīng)電能的裝置，又稱光電式傳感器； 3、 它們還是探測光信號的器件，也稱為光電探測器。,定義：,-----通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。,----是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電

2、信號的器件。,光譜: 光波：波長為10106nm的電磁波 可見光：波長380780nm 紫外線：波長10380nm， 波長300380nm稱為近紫外線 波長200300nm稱為遠(yuǎn)紫外線 波長10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線， 紅外線：波長780106nm 波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線 波長超過3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 光譜分布如圖所示。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,遠(yuǎn)紫外,近紫外,可見光,近紅外,遠(yuǎn)紅外,極遠(yuǎn)紫外,0.01,0.1,1,10,0.05,0.5,,5,波長/m,波數(shù)/cm-1,頻率/

3、Hz,光子能量/eV,106,105,104,103,5105,5104,5103,1015,51014,1014,51013,100,10,1,50,5,0.5,51015,1016,,31018,光的波長與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波長和頻率的關(guān)系為 的單位為Hz，的單位為cm。,=31010cm / s,二、紅外熱釋電探測器： 對光譜中長波（紅外）敏感的器件。 紅外光電器件---光電效應(yīng)紅外器件和熱釋電器件,三、固態(tài)圖像傳感器：結(jié)構(gòu)上分為兩大類， 一類---用CCD的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成的CCD圖像傳感

4、器， 一類---用光敏二極管與MOS晶體管構(gòu)成的將光信號變成電荷或電流信號的MOS圖像傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣（SSPA）。,四、光纖傳感器：是唯一的有光源的光敏傳感器,一、光電效應(yīng)傳感器：用光敏材料的光電效應(yīng)制成的光敏器件。 分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)器件,按工作原理將光敏傳感器分為四類：,CCD傳感器,光敏傳感器,反射式光敏傳感器,光敏傳感器(Photosensors),2.1 外光電效應(yīng)及器件 photoemissive effect and its devices,2.2 光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用 Photoconductor and its apllication,2

5、.3 光生伏特效應(yīng)器件 Photovoltaic effect device,2.4 紅外熱釋電器件 Infrared discharge device,2.5 固態(tài)圖像傳感器 Solid image sensors,2.6 光纖傳感器 Fiber optic sensors,2.7 新型光傳感器 New-typle photosensors,2.1 外光電效應(yīng)及器件 photoemissive effect and its devices,2.1.1 外光電效應(yīng) photoemissive effect,2.1.2 光電發(fā)射二極管 photoemissive cell,2.

6、1.3 光電倍增管 photoemissive multiplier,2.1.4 光電倍增管在閃爍計(jì)數(shù)器中的 應(yīng)用Application of photoemissive multiplier to scintillation countor,2.1.1 外光電效應(yīng),一、原理：在光照下某些材料中的電子逸出表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象----稱為外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）。,愛因斯坦假設(shè)：一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子，一部分能量用以克服物質(zhì)對電子的束縛（表面逸出功），一部分轉(zhuǎn)化為電子的能量，且此過程必須滿足能量守恒定律：,,若電子得到的能量全都變?yōu)殡娮拥膭幽?，光電子的最大動能為?表明，光

7、電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān),？,二、實(shí)驗(yàn)總結(jié),,2、光電流隨光強(qiáng)的變化曲線： 在足夠的外加E下，若入射光的頻率一定或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（IL）與光強(qiáng)成正比。 入射光強(qiáng)越大，光子數(shù)越多，發(fā)射的電子數(shù)越多，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的電量越大。,1、檢測裝置： 發(fā)射材料上放一電子接收板連成一光電發(fā)射檢測裝置，測定逸出電流隨光強(qiáng)度和光頻率的變化。,3、存在一個(gè)極限頻率0 ：若入射光子能量h小于h0，即0時(shí)，無論光強(qiáng)多大都無光電子發(fā)射，光電流為0。 證明愛因斯坦假設(shè)，電子吸收h0后能量完全用于克服表面逸出功，此波長為閾波長：,,4、逸出電子的最大能量：給光電發(fā)射材料

8、加反壓，以阻止電子運(yùn)動到吸收板上，測出無電子到達(dá)時(shí)的電壓。 若光子的波長或頻率不變，光強(qiáng)增加只是照射材料的光子數(shù)目增多，逸出電子的最大能量保持不變。,,光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)逸出功不同，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。 光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射； 反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。,當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。,光電子

9、逸出物體表面具有初始動能mv02 /2 ，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。,2.1.2 光電發(fā)射二極管 photoemissive cell,光電二極管----把檢測裝置中發(fā)射電子的極板（陰極）和吸收電子的極板（陽極）封于同一殼內(nèi)，連上電極。 按照原理可分真空光電二極管 和充氣光電二極管兩類。,一、真空光電二極管,----將陽極和陰極同裝于一真空玻璃殼內(nèi)，兩個(gè)電極。,陰極：為有效地吸收最大光強(qiáng)一般具有一定的幾何形狀（球面或半圓筒狀），其凹面上鍍有光電發(fā)射材料。 陽極：既吸收陰極發(fā)

10、射的電子，又不妨礙照射到陰極上的光線，用細(xì)金屬絲（或棒）做陽極。,真空光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖,同一光強(qiáng)下曲線在020V范圍內(nèi)，電壓增大達(dá)到陽極的光電子數(shù)目也增大，陽極電流急劇增大； 當(dāng)電壓大于20V后，幾乎全部發(fā)射電子都巳到達(dá)陽極，電壓再增大，電流幾乎不變，曲線平坦(飽和區(qū))。 一般工作電壓選擇在飽和區(qū)但要盡可能小一些，而隨著光強(qiáng)的增加，產(chǎn)生的光電子數(shù)就增多，所以光電流與光強(qiáng)成正比。,真空光電二極管測量電路圖,,其伏安特性曲線圖,光電管： 真空光電管和充氣光電管 或稱電子光電管和離子光電管兩類。 兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。 由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。 陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其

11、上涂有光電發(fā)射材料。 陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。,二、充氣光電二極管,結(jié)構(gòu):與真空光電二極管類似,只是管殼內(nèi)充有低壓惰性氣體(氬氣和氖氣)。,V,a,比較:充氣光電二極管的靈敏度高，但其靈敏度隨電壓而顯著變化，使其穩(wěn)定性和頻率特性都比真空光電二極管差，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇合適的電壓。,光線照到陰極上產(chǎn)生光電子,陽極電壓使其加速,加速的電子使氣體分子電離,形成更多的電子和離子，又被加速與另外氣體分子碰撞使其電離產(chǎn)生更多電子,即發(fā)生了倍增效應(yīng), 此外,氣體電離的正離子又與陰極碰撞產(chǎn)生光電子,因此達(dá)到陽極的電子數(shù)目增大很多，相當(dāng)于具有一定的放大倍數(shù)，可達(dá)10倍左右。,三、

12、實(shí)用光電陰極的光電材料應(yīng)該具備三個(gè)基本條件,1、光吸收系數(shù)大 2、光電子在體內(nèi)傳輸?shù)襟w外的過程中能量損失小， 使逸出深度大，即一旦產(chǎn)生就能夠逸出 3、電子親和勢較低，使表面的逸出幾率提高。,純金屬反射強(qiáng)，吸收少，且逸出功大，光電發(fā)射效率低， 大多數(shù)金屬只適于做紫外靈敏的光電器件。 半導(dǎo)體光電材料，逸出功較小，對可見光、紅外光都很敏感， 如Ge 、CdSe、(Ag-O-Cs)，（Cs3Sb）、Bi -Cs、 AgBi-O-Cs、Na-K-Cs-Sb、Na2KSb、GaAs:Cs-O、 GaP:Cs和GaAs:Cs等負(fù)電親和勢的材料。,光電管光譜特性： 由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜

13、也有選擇性。 保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率0，因此它們可用于不同的光譜范圍。 除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率0，且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。 對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。,國產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是銻銫材料制成的。其紅限0=7000，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率：25%30%。適用于白光光源，被廣泛用于各種光電式自動檢測儀表中。 對

14、紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。 對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。 另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為30008500，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極； 但有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，在測量和控制技術(shù)中可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。 一般充氣光電管當(dāng)入射光頻率大于8000Hz時(shí)，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。,2.1.3 光電倍增管當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾A，很不容易探測。常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大,,1、基本原理：光照到陰極上產(chǎn)生光電子,在真空電場作

15、用下被加速投射到第一個(gè)“打拿極”上，一個(gè)光電子可以產(chǎn)生多個(gè)電子,多次被加速而激發(fā)打拿極后電子數(shù)目得到倍增。,一、工作原理,2、工作電壓：一般有11個(gè)左右的打拿極，工作時(shí)，電極電位從陰極到陽極經(jīng)過各個(gè)打拿極逐級升高，即每個(gè)打拿極電壓應(yīng)滿足：V11V3V2V1，,3、二次電子發(fā)射----當(dāng)具有足夠動能的電子轟擊打拿極時(shí)，該打拿極表面將有電子發(fā)射出來的現(xiàn)象。 一次電子：轟擊打拿極的電子 二次電子發(fā)射系數(shù)表示為：,ns為發(fā)射出的二次電子數(shù)，np為打在物體上的電子數(shù)。,3、光電倍增管基本特性,由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂

16、上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級；,陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。 光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。 光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。 因此在很微弱的光照時(shí)，能產(chǎn)生很大的光電流。,4 光電管的伏安特性,光電管的伏安特性,在一定的光照射下，光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系,5、總增益G： 若第一打拿極對光電子收集效率為f-----收集到的光電子數(shù)與光照產(chǎn)生光電子數(shù)的比率 n個(gè)打拿極的分別為n、3、2、1, 若極間傳遞效益分別為gng3、g2、g1， 則總增益G為：,如各個(gè)打拿極的增益均為,極間傳遞

17、效益均為g，總增益G為：,三、光電倍增管的實(shí)例結(jié)構(gòu),據(jù)工作原理分為兩大類：聚焦型、非聚焦型。 所謂聚焦----不是指電子束聚焦成一點(diǎn)，而是指由前一級倍增極的電子被加速后會聚在下一級倍增極上，在兩個(gè)倍增極之間可能發(fā)生電子束軌跡的交叉。 聚焦型倍增系統(tǒng)： 有圓環(huán)瓦片式(或鼠籠式) 和直線瓦片式。 非聚焦型倍增系統(tǒng)：電子軌跡多是平行的， 有盒柵式和百葉窗式。,,1. 直線瓦片式倍增系統(tǒng),其電極形似半圓柱狀的瓦片,電子軌跡在極間會聚，交叉點(diǎn)落在下一級靠近中心處。 其幾乎能使全部二次電子得到利用，放大倍率很高。 通過電極形狀的調(diào)整---使較長路徑的軌跡和較短路徑的軌跡在極間交錯(cuò)行進(jìn)，到

18、達(dá)收集極的總渡越時(shí)間近于一致。,入 射 光,2. 圓環(huán)瓦片式倍增系統(tǒng),各瓦片倍增極排列為圓環(huán)狀，側(cè)窗式結(jié)構(gòu)是入射光通過柵網(wǎng)打在不透明光電陰極0上，倍增極共九個(gè)，第十級是收集極。,3盒柵式倍增系統(tǒng),,1-2-4-3-5-6-8-7-9-10-A,倍增極是一個(gè)圓柱面的1/4 為提高入射倍增極的收集效率，防止二次電子往入射方向逸散，在電子入口處加一個(gè)與盒子具有相同電位的金屬柵網(wǎng)。 優(yōu)點(diǎn)是收集效率高可達(dá)95%結(jié)構(gòu)緊湊，多用于噪聲較低、增益較高的光電倍增管中。,三、光電倍增管的性能參數(shù),1.靈敏度,分為陰極靈敏度SK和陽極靈敏度SA ， 有時(shí)標(biāo)出陰極的藍(lán)光、紅光或紅外光靈敏度。測量時(shí)所用的光源是鎢絲白熾

19、燈，,SK---光電陰極本身的積分靈敏度。指一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù) 測量時(shí)給光電陰極K和陽極A間加一定電壓，照在陰極上的光通量選在10-2-10-5lm范圍。,,式中iK為陰極電流，K為到陰極上的光通量， 單位取Alm。,光電倍增管陽極靈敏度----即總靈敏度 SA---是一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)，即在一定工作電壓下陽極輸出電流與照射到陰極面上光通量的比值，包括了放大倍數(shù)的貢獻(xiàn)，表示為： 光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會損壞。,

20、,式中iA為陽極電流，K為光通量,2.放大倍數(shù)G （電流增益G）,----一定工作電壓下，陽極電流和陰極電流的比值。主要由倍增系統(tǒng)的能力決定。 可由一定工作電壓下，陽極靈敏度和陰極靈敏度的比值，即：,式中iA是陽極電流，iK是陰極電流,倍增系數(shù)M ==n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)的乘積。如果n個(gè)倍增電極的都相同，則M=n M與所加電壓有關(guān)，M在105108之間，穩(wěn)定性為1左右， 加速電壓穩(wěn)定性要在0.1以內(nèi)。如果有波動，M也要波動， 因此,M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。 一般陽極和陰極間電壓為10002500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50100V。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而

21、減小測量誤差。,,,,,,,,,,,,103,104,105,106,25,50,75,100,125,極間電壓/V,放大倍數(shù),光電倍增管的特性曲線,,3.暗電流,----在全暗條件下工作時(shí),陽極上收集到的輸出電流的直流成分。它決定了光電倍增管可測光通量的最小值。 形成主要原因：, 歐姆漏電, 熱電子發(fā)射, 反饋效應(yīng), 場致發(fā)射, 其它因素,所以，一般在使用時(shí)必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用； 但由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，造成的這種暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除。,光電倍增管使用時(shí)，一般即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極 仍有電流，此電流稱為暗電流,本底電流： 指如

22、果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下出現(xiàn)的電流，其值大于暗電流。 增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。 本底電流具有脈沖形式。,光電倍增管的光照特性,,,,,與直線最大偏離是3%,1013,1010,109,107,105,103,101,在45mA處飽和,,,1014,1010,106,102,光通量/1m,陽極電流/ A,,,,,,4. 光電倍增管的光譜特性 ----反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。 對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，是線性的關(guān)系， 即入射光通量小于10-4lm時(shí)，有

23、較好的線性關(guān)系。 光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。,四、光電倍增管的偏置bias voltage與放大電路,工作電壓要保證陽極電流與光照在線性范圍，電流放大倍數(shù)要滿足系統(tǒng)的要求。 總陽極電壓一般在9002000V間，打拿極間電壓在80150V間,光電倍增管的電路圖,1.分壓電阻RL的確定,當(dāng)工作時(shí)，各打拿級之間的內(nèi)阻隨信號電流的增加而減小，對分壓電阻鏈RL有分流作用，會引起極間電壓變小，電流放大倍數(shù)降低。 為減小分流作用， RL取值要適當(dāng)?shù)販p小，RL：R1Rn的電壓就大,通常極間分壓電阻取值為20K1M。,,2.光電倍增管與前放的耦合,其輸出電壓或電流從其陽極取出，而陽極與陰極間一般有90

24、02000V的直流高壓，存在電源接地的問題。,正高壓供電，負(fù)端接地。 優(yōu)點(diǎn)：光、磁和電的屏蔽罩電壓很低,可直接接近管子外殼，暗電流和噪聲較低，但因陽極的正電壓必須通過耐高壓的隔直電容才能與前放耦合，只能輸出交流信號。,負(fù)高壓供電，陽極電位近于0，從陽極取出電壓或電流可與前放直接耦合。但由于陰極有負(fù)高壓存在，屏蔽罩應(yīng)離開管子玻璃殼12cm，否則陽極輸出的暗電流和噪聲增大。,1、原理 閃爍計(jì)數(shù)器是一種通用的精密核輻射探測器 核輻射的粒子能量被閃爍體（熒光體）吸收轉(zhuǎn)換為閃光（光子），閃光傳輸?shù)奖对龉艿墓怅帢O轉(zhuǎn)換為光電子，經(jīng)倍增放大后輸出電脈沖信號至記錄設(shè)備中。 只要探測出脈沖信號的數(shù)目及幅度，可測出

25、射線的強(qiáng)弱與能量的大小。,閃爍計(jì)數(shù)器原理圖,2.1.4 在閃爍計(jì)數(shù)器中的應(yīng)用,采用兩種放大器圖。左圖中180K的負(fù)載電阻將倍增管的電流脈沖變?yōu)殡妷好}沖，送入射隨器。右圖共基極電路特點(diǎn)是輸入阻抗很?。s為幾十歐姆）。,高輸入阻抗的電壓放大器電路圖,低輸入阻抗的電流放大器電路圖,2、輸出的脈沖信號放大,2.2 光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用 Photoconductor and its application,2.2.1 光電導(dǎo)效應(yīng)Photoconductive effect,2.2.2 光敏電阻器Photoresistor,2.2.3 光敏電阻的參數(shù)及特性 parameter and charact

26、erisitic,2.2.4 光敏電阻器的直流偏置與放大接口電路 direct current bias voltage and amplify interface circuit,2.2.5 光敏電阻的應(yīng)用 application,2.2.1 光電導(dǎo)效應(yīng),一、定義:光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子而產(chǎn)生電子-空穴對，使電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象,即其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng) 。 又稱內(nèi)光電效應(yīng),,1、光照本征半導(dǎo)體時(shí)，若光子能量h大于此材料的Eg，價(jià)帶中電子越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，使載流子數(shù)目增多。,二、原理,,過程：當(dāng)光照射

27、到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。,,導(dǎo)帶,價(jià)帶,禁帶,,自由電子所占能帶,不存在電子所占能帶,價(jià)電子所占能帶,,,,Eg,,,,,,為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即,2、光照摻雜的半導(dǎo)體材料時(shí)，除本征價(jià)帶電子激發(fā)外，雜質(zhì)能帶中的電子受光子激發(fā)也到達(dá)導(dǎo)帶形成電子和離子，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生改變。 把光照引起的電導(dǎo)率的變化直接歸結(jié)為載流子密度的變化。,n0 和p0為熱平衡時(shí)自由電子和空穴的濃度， n、p分別為電子和空穴其遷移率。

28、,3、暗電導(dǎo)0 ----沒有光照時(shí)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率，為：,4、亮電導(dǎo) ---在光照后材料中電導(dǎo)率，因載流子濃度發(fā)生變化引起，為：,5、附加電導(dǎo)：光照前后電導(dǎo)的增量。由光照而產(chǎn)生的附加電導(dǎo)又稱為光電導(dǎo)。為：,式中n和p分別為光照后自由電子和空穴的增量。,6、相對光電導(dǎo)---將光電導(dǎo)與暗電導(dǎo)的比值，表達(dá)式為：,對于不同的半導(dǎo)體材料，可簡化如下:,1.n型： 光照前后電子濃度的變化量為n=ni+n0，n0是本征躍遷所產(chǎn)生的, ni為雜質(zhì)電離增加的。 實(shí)際材料中：nin0 ， p0=n0近似等于0；nni 故相對光電導(dǎo)為：,,2.p型，光電導(dǎo)為=qpp ，相對光電導(dǎo)為：,,3.本征：n0=p0 ，p

29、=n，相對光電導(dǎo)為：,,,?光照后電導(dǎo)是否變化主要由材料對光子的吸收決定。 令I(lǐng)為照射到物體某一位置x的單位面積的光強(qiáng)，是吸收系數(shù)， 光吸收公式為：II0e-x 說明在樣品的不同深度，光強(qiáng)不同。 則單位時(shí)間單位體積中材料所吸收的功率=I 若照射光頻率為，則吸收的光子數(shù)為Ih 吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)稱為量子產(chǎn)額(通常1)。 電子空穴對的產(chǎn)生率為：,,,在穩(wěn)態(tài)條件下，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)目等于這段時(shí)間內(nèi)復(fù)合的數(shù)目，即GR，因此：,G是深度的函數(shù)，由決定。 為簡化假定光吸收是均勻的，光電導(dǎo)率才是均勻的。,若材料中不存在電子或空穴的陷阱，非平衡載流子n和P壽命相同，,2.2.2

30、光敏電阻Photoresistor,是利用光敏材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電元件。,1、晶體，2、玻璃，3、支架，4、引線，5、透光窗,工藝：晶體貼于玻璃上后，固定到支架上引出電極引線，封上透光窗,1、單晶光敏電阻結(jié)構(gòu)圖,2、實(shí)際結(jié)構(gòu)： 光電阻測試中測出其電流較小。因面積小，光電流小，誤差大。 大面積感光面光敏電阻的表面結(jié)構(gòu)：折線式光敏電阻和梳狀電極結(jié)構(gòu)，得到比較大的光電流。,,光導(dǎo)管的整體 折線式光敏電阻 梳狀電極結(jié)構(gòu),工藝：在玻璃（或陶瓷）基片上均勻地涂敷一薄層光電導(dǎo)多晶材料，經(jīng)燒結(jié)后光刻，放上掩蔽膜，蒸鍍上兩個(gè)金（或銦）電極，再在電阻表面覆蓋一層漆保護(hù)膜。 要求：1、漆膜在光敏材料的

31、最敏感波長范圍內(nèi)透射率最大、吸收少、減少光敏電阻表面的反射。 2、為防潮：將整個(gè)管子密封于金屬外殼和玻璃窗內(nèi) 3、為光敏電阻散熱：給內(nèi)部充入氫氣。,在兩極間加上電壓(直流或交流),就會有電流流過。 暗電流--在給定的工作電壓下，沒有光照時(shí)測得電路的電流 亮電流---有光照時(shí)電流 光電流---亮電流與暗電流之差即所增加的電流 因當(dāng)光強(qiáng)增大光電導(dǎo)增大，光電流就成比例增大。 在外加電壓為10V，照度為50lX時(shí)，多晶光敏電阻可獲得10mA左右的光電流； CdS、CdSe單晶光敏電阻用于可見光及近紅外區(qū)的檢測；大面積多晶的光譜范圍較寬可由紫光延伸到紅光。,3、光敏電阻電流測量電路圖,2.2.3

32、 光敏電阻的參數(shù)及特性,1.暗電阻和亮電阻： 暗電阻R0---在全暗條件下所測得的電阻值，一般超過1M，甚至達(dá)100 M。 亮電阻RL-----受到光照時(shí)測得的電阻值，一般在幾千歐以下 一般暗電阻與亮電阻之差越大，其光電流差越大，靈敏度越高。暗電阻與亮電阻之比一般在102106之間。,2. 光電靈敏度----單位光通量時(shí)光敏電阻能輸出的光電流的大小，即：S=dI/d。 最大靈敏度Smax---在給光敏電阻加上最大電壓時(shí)光電流Imax與光通量的比值。 電壓相對靈敏度KS---在單位外加電壓下入射單位光通量時(shí)所輸出的光電流值，為：,,,,,7.光譜溫度特性,光敏電阻多為半導(dǎo)體材料，暗電阻和靈敏度

33、都受T影響。 圖中T升高時(shí)峰值波長max向短波長方向移動；下降時(shí)max向長波長方向移動。 T高時(shí)晶格振動加強(qiáng)，電子運(yùn)動受阻，電子從產(chǎn)生點(diǎn)運(yùn)動到陽極所需能量加大，向短波方向移動。且n增加I增。 測量長波段光時(shí)應(yīng)對光敏電阻采用制冷措施。,,8.響應(yīng)時(shí)間,一般光電流不能隨著光照量的改變而立刻改變，即產(chǎn)生光電流有一定惰性。時(shí)間常數(shù)----光敏電阻自停止光照到電流下降為原來的63所需的時(shí)間。越小，響應(yīng)越迅速。,照相機(jī)自動測光 光控?zé)?工業(yè)控制,,,2.2.4 直流偏置與放大接口電路,,,,一、匹配偏置,輻射熱計(jì)的匹配偏置電壓放大電路圖,光敏元件RL對T變化很敏感可用作熱探測器，溫漂和信號一起輸入到放大器

34、，會產(chǎn)生測量誤差。 熱敏電阻匹配--偏置放大機(jī)理：補(bǔ)償熱敏電阻R0與RL隨T產(chǎn)生相同變化，輸出信號點(diǎn)T引起的電位不變,UB為偏置電源；R1、C1和R2、C2分別構(gòu)成T型濾波器，以減小UB不穩(wěn)的影響；R3、R4、R0和RL接成電橋。后接具有電流負(fù)反饋的結(jié)型場效應(yīng)管共源放大器。,,三、恒壓偏置,,,電阻構(gòu)成的恒壓偏置-電流放大電路圖,直流電源電壓加到硫化鉛光敏電阻上，負(fù)載電阻RL10K 硫化鉛暗電阻R0200K，構(gòu)成恒壓偏置。 后接電流并聯(lián)負(fù)反饋電流型放大器,,2.曝光定時(shí)電路原理,CdS的阻值隨外光源變化，時(shí)間常數(shù)由RCdSC決定。 用RP1設(shè)置設(shè)定值，控制VT1的通斷時(shí)間，形成具有設(shè)定時(shí)間寬度

35、的單穩(wěn)脈沖。 若VT2、VT3導(dǎo)通，J工作S2合上， VT1 截止VT2、VT3截止。 單穩(wěn)脈沖由VT3集電極輸出，脈沖開始時(shí)刻由開關(guān)S1確定，結(jié)束時(shí)刻由電路時(shí)間常數(shù)確定。,,2.3 光生伏特效應(yīng)器件 Photovoltaic effect device,2.3.1 光生伏特效應(yīng)Photovoltaic effect,2.3.2 主要的光生伏特探測器 main Photovoltaic effect prober,2.3.3 光生伏特效應(yīng)器件的應(yīng)用 application,2.3.1 光生伏特效應(yīng),定義---光照PN結(jié)，在結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，制成很多光生伏特效應(yīng)器件。早期用丹倍效

36、應(yīng)----光照射半導(dǎo)體材料的一半，在兩端可測到電位差的現(xiàn)象。,原理,1、半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級EF：,由于p型半導(dǎo)體中電子是少子，則p型半導(dǎo)體EFp低于其本征半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級EFi；而n型半導(dǎo)體中電子是多子，則EFn高于EFi，說明兩種材料的能帶不同。,EF與其中電子濃度關(guān)系為：,,,當(dāng)兩者接觸時(shí)，n型半導(dǎo)體中電子向p型中擴(kuò)散，邊界因失去電子帶正電成為正離子，p型的邊界得到電子使空穴減少而帶負(fù)電成為負(fù)離子，正負(fù)離子形成自建電場E自，E自阻止電子空穴的擴(kuò)散，而促進(jìn)漂移運(yùn)動，當(dāng)擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡時(shí)，兩邊電子空穴數(shù)目恒定，PN結(jié)形成，此時(shí)，EFp=EFn，產(chǎn)生接觸電勢差：,2、半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)

37、,,光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。,勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。,3、PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu),側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。 當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)

38、生電子空穴對時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢。 基于該效應(yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。,,正向偏壓時(shí)，E外使E自減小，耗盡區(qū)中和了部分空間電荷，正負(fù)離子數(shù)少而變薄。使內(nèi)建電場的勢壘高度降低，P區(qū)空穴向n區(qū)移動,n區(qū)電子向p區(qū)移動都更容易，正向電流增大 反向偏壓時(shí)，E外使E自增加，耗盡區(qū)變厚。,光照耗盡區(qū)時(shí)，吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，且在E自下向相反方向運(yùn)動，電子

39、穿過PN結(jié)進(jìn)入n區(qū)，空穴進(jìn)入p區(qū)，形成自n向p的光生電流IL，P端因堆積了空穴而呈高電位，n端因堆積了電子呈低電位，相當(dāng)于一個(gè)電壓源； 而耗盡層外的P區(qū)、N區(qū)光生電子空穴對受到的電場很小，運(yùn)動很慢在到達(dá)厚耗盡區(qū)外就復(fù)合掉，不能形成光電流。 若光照穩(wěn)定時(shí)，此電流一直存在。,4、PN結(jié)光電檢測原理,,, 當(dāng)PN結(jié)斷路---不接任何外設(shè)時(shí)，正向電流為零，即：,即正向電流等于光電流：,則：PN結(jié)上光產(chǎn)生的開路電壓為：,可直接在PN結(jié)兩端并聯(lián)一個(gè)電壓表，測光照時(shí)的電勢差的值。,2.3.2 主要的光生伏特探測器,一、PN結(jié)光電池,若給PN結(jié)連接一個(gè)用電器，只要光照不停止，可連續(xù)產(chǎn)生電子空穴對，電路中就有源

40、源不斷的電流。PN結(jié)就起到電源的作用，稱為光電池。 Si光電池結(jié)構(gòu)：P型區(qū)為受光區(qū)，面積很大的特點(diǎn),伏安特性：PN結(jié)內(nèi)光電流由N向P流，PN結(jié)外光電流由P向N流，與正向電流相反。 有光照時(shí)在一定反向電壓下反向電流增大，光照強(qiáng)度越大、下移越大，且下移幅度與光強(qiáng)成正比，-----IL與光強(qiáng)成正比，一般可達(dá)十幾微安。,二、PIN管：為保證耗盡層能吸收大量的入射光，避免耗盡層以外的光吸收以降低吸收損耗。,P+區(qū)和N+區(qū)要很?。s0.8m），之間有一厚的I區(qū)（為30m），穿越式結(jié)構(gòu)。光子可透過p區(qū)在I區(qū)被吸收產(chǎn)生電子空穴對，在E自下，PI結(jié)中電子向I區(qū)漂移，空穴向P+漂移；IN結(jié)中電子向n+區(qū)漂移，

41、空穴向I區(qū)漂移；形成光電流。 要使IL升高，應(yīng)增加空間電荷區(qū)寬度，即加反偏電壓U反，I區(qū)比P+、N+區(qū)電阻高，承受大部分壓降，耗盡區(qū)加寬，因耗盡層通過耗盡過程“穿越”I區(qū)到達(dá)重?fù)诫s的襯底處停止，VOC加大，靈敏度提高。,光照PIN結(jié)光電流的產(chǎn)生,加反壓的示意圖,PIN管結(jié)構(gòu),,因輕度摻雜的I層在較低電壓下就能達(dá)到耗盡狀態(tài)，更可取。 圖a用于長波長探測器，將重?fù)诫s的表面層做得很薄。 圖b用襯底輸入結(jié)構(gòu)，由于InP襯底材料的Eg大，對光輻射幾乎是透明的，光吸收在n-GaInAs層內(nèi)發(fā)生，使該層完全耗盡以避免光電流有擴(kuò)散分布。,(a) 前端輸入,(b) 襯底輸入,如GaInAs PIN光電二極管的結(jié)

42、構(gòu),,三、雪崩光電二極管（APD：Avalanche Photoelectric Diode ）,----是利用PN結(jié)加上高反偏壓時(shí)發(fā)生的雪崩效應(yīng)而獲得電流增益的光電器件。 雪崩效應(yīng)：加高反偏壓使耗盡層加厚在無光入射時(shí)無電子空穴對，不會發(fā)生雪崩現(xiàn)象；光照到PN結(jié)產(chǎn)生電子空穴對，強(qiáng)場使載流子加速獲得足夠能量，與原子碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對，又加速，再與晶格碰撞，再一次產(chǎn)生電子空穴對，這樣連鎖反應(yīng)，獲得載流子的雪崩，光電流很大。,常用倍增因子描述。 雪崩二極管的倍增因子------雪崩倍增光電流與無雪崩時(shí)的反向飽和電流之比。,雪崩效應(yīng)示意圖,實(shí)驗(yàn)證明：,四、光敏三極管,發(fā)射極:很小的n，集電極:n區(qū)

43、 基區(qū):很大的p受光區(qū)，無電極，結(jié)深淺 工作時(shí)與正常晶體管一樣，所加電源必須讓集電結(jié)np反偏，發(fā)射結(jié)pn正偏.,工作原理圖,1. 結(jié) 構(gòu),無光照:集電結(jié)反偏，熱激發(fā)少數(shù)載流子---熱電子從基區(qū)b漂移入c，空穴自c到b，形成暗電流Icbo； 發(fā)射結(jié)正偏自建電場很小，Icbo擴(kuò)散越過此結(jié)。b區(qū)電子漂移留下的正離子吸引e區(qū)電子，被c收集形成ce間的暗電流即反向截止電流Iceo ，表示為：,2. 原 理,npn:,+,,原 理,無光照時(shí)，,,光照時(shí)：產(chǎn)生光生載流子。在反偏場+E自下大量光生電子漂移到c，b留下正離子會吸引e的大量電子，又被c收集而形成放大的電流。此時(shí)集電結(jié)產(chǎn)生的光電子空穴對形成的光電流

44、為IL（方向自c流向b），則射極電流為：,為提高靈敏度，給光敏三極管再連接一個(gè)晶體管T，使射極電流進(jìn)一步放大，表示為：,,圖光敏三極管的光譜特性曲線， 與二極管相同，有一峰值。 光電三極管的材料不同，摻雜不同，光譜響應(yīng)不同。,溫度特性,五、光敏場效應(yīng)晶體管,結(jié)構(gòu)和原理圖,看作光敏二極管與場效應(yīng)晶體管的組合。 當(dāng)受均勻光照射時(shí)，短波長紫光P1在P區(qū)被吸收，長波長P2在n區(qū)被吸收，波長更長的光將在下面P區(qū)被吸收。,首先通過電阻Rg給柵極加一定負(fù)電壓VG，無光照時(shí)，二極管截止，負(fù)載RD上流過很小的反向電流；,工 作 原 理,光照時(shí)，柵源間的p-n結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，在E自+同向EVG下分別向柵源

45、極運(yùn)動，產(chǎn)生光生電動勢，形成柵極光電流IP，且IP正比于光強(qiáng)， 則Rg上產(chǎn)生壓降即為信號電壓。FET放大作用-----在RD上得到放大的信號。,特性及參數(shù),,(1) 柵壓與照度的關(guān)系：由于光電流IP在RG上壓降為：,光照引起負(fù)柵壓減少，且減少量VGS與照度的曲線如圖。,(2) VD與RG的關(guān)系：光照使ID增大，增加量為：,,Gm為場效應(yīng)管的跨導(dǎo)，與材料和器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。,,,引起RD上壓降變化為：,,,,照度上升VGS上升（不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通）。 ID與VD的關(guān)系，與三極管類似，ID增加使強(qiáng)光下光增益下降，曲線變密，輸出與光照成非線性關(guān)系。適當(dāng)選擇偏壓可使大照度下器件工作在線性區(qū)。,ID與電壓VG

46、S的關(guān)系,,(3) 靈敏度SP：是指單位入射光功率所產(chǎn)生的漏極電位的變化?？杀硎緸椋?在其它參數(shù)一定的情況下，SP與IP成正比。 放大后信號很大，靈敏度很高,六、半導(dǎo)體色敏傳感器,1、結(jié)構(gòu)：三層結(jié)構(gòu)同縱向pnp Si片上重疊著兩個(gè)反向光敏二極管。其中p1-n1結(jié)對短波580nm靈敏；p2-n2結(jié)對長波900nm靈敏。且兩個(gè)結(jié)的結(jié)深不同 當(dāng)受均勻光照射時(shí)，短波長的如紫光在P1區(qū)被吸收，長波長的光在n1區(qū)被吸收，波長更長的光將在P2區(qū)被吸收。,當(dāng)外部光照射器件時(shí)，p1n1層吸收光子產(chǎn)生電子空穴對，電子向下擴(kuò)散，空穴向上擴(kuò)散，形成電流I1； n1層吸收長波光，產(chǎn)生電子空穴對，因載流子向兩個(gè)方向的擴(kuò)

47、散幾率相同，一半向p1擴(kuò)散，一半向p2擴(kuò)散，形成電流I2和I3； 達(dá)到p2n1區(qū)的紅外光被吸收，產(chǎn)生電子空穴，擴(kuò)散形成的電流為I4,,,,,圖中光電二極管PD1和PD2的短路電流ISC1和ISC2表示如下：,2、色敏傳感器等效電路,,,可以看出，ISC1、ISC2均有一個(gè)最靈敏的波長范圍，ISC2/ISC1與關(guān)系曲線。 應(yīng)用時(shí)只要測出ISC1、ISC2，就可查出入射光的波長，即知顏色。,3、色敏傳感器波長與ISC的關(guān)系,2.3.3 光生伏特效應(yīng)器件的應(yīng)用Application,在沒有光照射時(shí), 反向電阻很大, 反向電流很小。 當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí), 產(chǎn)生光生電子空穴對,在內(nèi)電場作用下作定向運(yùn)動,

48、 形成光電流。 光的照度越大, 光電流越大。 總之，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)。 ,一、光敏二極管的應(yīng)用,,,,,,1.光電控制電路,圖為一路燈的自動控制電路。無光照時(shí)，光敏二極管截止， R1上的壓降VR1很小，則T1截止、T2截止，J不動作，路燈保持亮。 有光照時(shí)，光敏管產(chǎn)生光電流IL，R1電壓VR1上升，光強(qiáng)達(dá)到某一值時(shí)T1、T2導(dǎo)通，J動作常閉端打開，燈滅,2.光強(qiáng)測量電路,,圖由穩(wěn)壓管，光敏二極管D2和電橋組成的測量電路。無光照時(shí)，VA很大，F(xiàn)ET導(dǎo)通，調(diào)整RW，使電橋平衡，即指針為0。有光照時(shí)，D2產(chǎn)生IL，A點(diǎn)電位VA

49、下降，光照不同，IL不同，VA不同，R2上壓降不同，光強(qiáng)可通過電流計(jì)讀數(shù)顯示出來。,,,,,,3. 照度計(jì),便攜式照度計(jì)電路。9V電池供電，光電傳感器TFA1001W是將光電二極管與放大器Rf集成在一起，使輸出為線性。負(fù)載電阻RL的輸出電壓為：,VO=SIRL,SI為TFA1001W光電集成傳感器的光照靈敏度， 是光照度。,,,,二、光電池的應(yīng)用,1.光電池電源,結(jié)構(gòu)：主要由光電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制器和阻塞二極管組成。若需向交流負(fù)載供電，可加一個(gè)直流-交流變換器---逆變器。 光電池方陣是按輸出功率和電壓的要求,選用若干片性能相近的光電池,經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)后封裝的組件。有硅光電池和硒光電池,

50、原理：有光照時(shí)，電池方陣對負(fù)載供電、也對蓄電池組充電，以儲存能量，供無光照射時(shí)使用。無光照時(shí)，蓄電池組給負(fù)載供電，阻塞二極管反偏防止給光電池供電即經(jīng)二極管（放電）。 調(diào)節(jié)控制器實(shí)現(xiàn)蓄電池組充、放電自動控制。在充電電壓達(dá)到蓄電池上限電壓時(shí)能自動切斷充電；當(dāng)蓄電池電壓低于下限值時(shí)能自動切斷輸出電路；使蓄電池供電電壓保持在一定范圍，防止蓄電池因充電電壓過高或過低而損傷。,,,,2.路燈光電自動開關(guān),主回路由交流接觸器CJD-10的三個(gè)常開頭并聯(lián)以適應(yīng)較大的負(fù)荷，其通斷由控制回路控制。 天黑時(shí)，光電池2CR本身的電阻和R1、R2組成分壓器，使BG1基極電位為負(fù)，BG1導(dǎo)通，經(jīng)BG2、BG3、BG4構(gòu)成

51、多級直流放大，BG4導(dǎo)通J動作，常開頭合路燈亮。天亮?xí)r2CR受光照后，產(chǎn)生0.20.5V電動勢，使BG1正偏而截止，后面多級放大器不工作，J釋放燈滅。 調(diào)節(jié)R1可調(diào)整BG1的截止電壓，以調(diào)節(jié)自動開關(guān)的靈敏度。,光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用,可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。,,,,,相機(jī)測距反射式光電傳感器,,,,三、光電耦合器件的應(yīng)用,定義----發(fā)光器件與光接收器件組裝在同一密閉管殼內(nèi)，或用一根光導(dǎo)纖維把兩部分連接起來。 完成以光為媒介的電信號的傳輸。輸入電信號加到發(fā)光器，光接收器件上輸出電信號為輸出電信號。器件的輸入與輸出之間是電絕緣的。 金屬封裝和塑料封裝

52、兩種,是70年代發(fā)展起來的新型電子器件。 具有輸入輸出電隔離、抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、靈敏度高、無觸點(diǎn)，可靠性好、體積小、耐沖擊、容易與邏輯電路配合等特點(diǎn)。 應(yīng)用于電壓和阻抗不同的電路之間的信號傳輸，系統(tǒng)噪聲的抑制，電平轉(zhuǎn)換、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等方面,具有輸入輸出電隔離、抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、靈敏度高、無觸點(diǎn)，可靠性好、體積小、耐沖擊、容易與邏輯電路配合等特點(diǎn)， 應(yīng)用于電壓和阻抗不同的電路之間的信號傳輸，系統(tǒng)噪聲的抑制，電平轉(zhuǎn)換、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等方面，能使電路簡化且性能提高。,,,,1、光電耦合器與TTL與非門連接,2、光電耦合器與運(yùn)放的連接,圖用射級輸出，VT把光電耦合

53、器的通斷信號變?yōu)門TL的高低電平?？芍苯优cTTL集成電路連接。,采用射極輸出與比較器A預(yù)先設(shè)定的b點(diǎn)電位比較。如果a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，A輸出為高電平；反之輸出為低電平。,,工 作 原 理,,,,3.光電耦合器與集成電路的接口,圖集電極輸出接入由IC1和IC2構(gòu)成的施密特電路，可獲得上升較陡的脈沖波形。IC3是緩沖器，即使不接也不會影響電路的基本工作。,,工作原理,四、光電轉(zhuǎn)速傳感器,,圖(a)是透光式，在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的調(diào)置盤，白熾燈產(chǎn)生恒定光，與光敏三極管組成光電轉(zhuǎn)換器 圖 (b)是反光式，在待測轉(zhuǎn)速的盤上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射信號，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號,,

54、1、光路工作原理圖,頻率可用一般的頻率計(jì)測量。,2、電路原理：BG1為光敏三極管，光照BG1時(shí)產(chǎn)生光電流，使R1上壓降增大，導(dǎo)致BG2導(dǎo)通，觸發(fā)由BG3和BG4組成的射極耦合觸發(fā)器，使U0為高電位。反之，U0為低電位。該脈沖信號可送到計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)。,每分鐘轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f的關(guān)系式為：,光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移。,,,,,五、紅外光敏三極管的應(yīng)用,1印刷紙張自動監(jiān)控電路,紅外發(fā)光二極管VD1和VT1構(gòu)成紅外檢測光電路，利用雙張紙比單張紙厚一倍，其透光率將小一半的原理實(shí)現(xiàn)對紙張監(jiān)控,當(dāng)單張紙通過VD1和VT1之間時(shí)，透光率較高，使VT1的光電流較大，RP2上的壓降較大，A

55、點(diǎn)電位低于門D1的轉(zhuǎn)換電壓，D2輸出低電平，音頻振蕩器不能振蕩，揚(yáng)聲器B不發(fā)聲；同時(shí)VT3因其基極為低電位而截止，J不吸合。 當(dāng)雙張或多張紙通過VD1和VT1之間時(shí)透光率較低使VT1的光電流較小，A點(diǎn)電位高于門D1的轉(zhuǎn)換電壓，D1輸出低電平，D2輸出高電平，由門D3、D4等構(gòu)成音頻振蕩器產(chǎn)生音頻振蕩，由VT2驅(qū)動揚(yáng)聲器B發(fā)出告警聲。同時(shí)，由于VT3飽和導(dǎo)通，J吸合，其常閉觸點(diǎn)可將印刷機(jī)停止，待整理好紙張?jiān)龠M(jìn)行印刷。,,2聽指揮的紅外線光控玩具汽車,指揮棒電路圖,指揮棒指揮光控玩具汽車向前、向左、向右前進(jìn)，當(dāng)指揮棒離開時(shí)自動停車。 當(dāng)按下開關(guān)S時(shí)，紅外發(fā)光二極管VD發(fā)出恒定的紅外光。 用三個(gè)同樣

56、的電路發(fā)出不同波長的光，控制不同的運(yùn)動方式,,汽車實(shí)際的電路。由兩組簡單紅外光控電路及閃光電路構(gòu)成 VT1和VT2分別裝于玩具車的前燈左右側(cè)，VT1與CMOS非門D1、D2等組成左轉(zhuǎn)彎光控電路；非門D5、D6以及發(fā)光二極管VD3、VD4等組成閃光電路。,當(dāng)指揮棒指向VT1時(shí)，僅。 當(dāng)指揮棒指向VT2時(shí)，右轉(zhuǎn)彎。 非門D5和D6等構(gòu)成超低頻振蕩器，當(dāng)J1吸合時(shí)，在接通M1電源的同時(shí)也將發(fā)光二極管VD3的正極接正電源，使VD3隨著1Hz的超低頻脈沖閃閃發(fā)光。,當(dāng)指揮棒指向VT1和VT2時(shí)，VT1和VT2的呈現(xiàn)低電阻M1和M2均旋轉(zhuǎn)，帶動汽車向前移動。,3雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)：樓道和走廊里開關(guān)電路原理

57、圖,,VD1與VT1構(gòu)成光控電路；VT3與自然光構(gòu)成一路光控電路。時(shí)基集成電路555與R4、C1等的單穩(wěn)態(tài)電路。穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出3腳為低，當(dāng)觸發(fā)端2腳有負(fù)脈沖或?yàn)榈蜁r(shí)3腳輸出高，單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)一段時(shí)間電路自動翻回初始穩(wěn)定態(tài)，3腳又變?yōu)榈汀?白天，VT3、VT4導(dǎo)通，強(qiáng)迫復(fù)位端4腳為低，被迫3腳輸出低，雙向可控硅VS的控制極無觸發(fā)電壓，關(guān)斷，燈泡EL不亮。,夜晚，VT3、VT4截止，使4腳為高，電路退出復(fù)位狀態(tài)，3腳高。 無人經(jīng)過時(shí)VT1導(dǎo)通、VT2截止，2腳高，3腳低，燈泡EL仍不亮。 有人經(jīng)過時(shí)VT1截止、VT2導(dǎo)通，2腳為低，3腳高，通過限流電阻R7觸發(fā)雙向可控硅由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通，燈泡點(diǎn)亮

58、。 經(jīng)30s后，電路暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，3腳變?yōu)榈?，EL熄滅。,3腳輸出高的持續(xù)時(shí)間TW----即為暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間，TW 1.1R4C1(s)，可選用圖中參數(shù)計(jì)算TW約30s。,2.4.1 熱釋電效應(yīng)及單元器件 heat discharge effect and device,2.4.2 雙元型紅外傳感器 Twain infrared discharge sensors,2.4 紅外熱釋電光敏器件 Infrared discharge device,2.4.1 熱釋電效應(yīng)及器件,,一些陶瓷（如鐵電晶體）能自發(fā)極化，且自發(fā)極化強(qiáng)度 在T稍許變化時(shí)變化很大。在T長時(shí)間恒定時(shí)自發(fā)極化產(chǎn)生的表面極化電

59、荷密度一定，它吸附空氣中相反的電荷達(dá)平衡；若T因吸收紅外光而升高，相應(yīng)減少，釋放定量的吸附電荷。 這種因T變化引起自發(fā)極化變化而釋放電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)（原理示意圖 ） 若與一個(gè)電阻連成回路，會形成電流IS，電阻上可產(chǎn)生一定的壓降（U）。,一、熱釋電效應(yīng),,,,,,,1、光吸收： 光照到材料上后,一部分被吸收，且光通量隨透入材料的深度x而指數(shù)衰減，x處的光通量為：,是吸收系數(shù)，也稱為相對衰減梯度， 它與材料和光的波長有關(guān)。,為使光照引起整個(gè)材料的T易達(dá)到熱平衡，一般采用陶瓷薄片。,,2、輸出： 當(dāng)連續(xù)光照達(dá)熱平衡----吸熱=放熱時(shí),T不變化，不再釋放電荷，R上壓降就為零----

60、無信號輸出。 熱釋電效應(yīng)只能探測輻射的變化。 電阻上壓降的變化為：,S為電極面積，dPs/dt為自發(fā)極化矢量隨時(shí)間的變化, dPs/dT是熱釋電系數(shù),dT/dt是溫度對時(shí)間的變化率（速度）。,dT/dt紅外線強(qiáng)度的變化，U紅外線強(qiáng)度的變化。 靜止物輻射一定、溫度恒定，無溫度變化，無輸出。 環(huán)境T變化很慢無輸出； 輻射紅外線、運(yùn)動物有輸出。 輸出的熱釋電信號是有極性的，與極化方向相反。,3、元件結(jié)構(gòu) 將熱釋電元件（絕緣體）粘于有導(dǎo)電層的支座上，用一透紅外線單晶硅窗的金屬殼封裝。 熱釋電元件電阻很大，一般與輸入電阻R1、場效應(yīng)放大管一起裝入管殼內(nèi)。 為增加元件對紅外線的吸收，常在元件表面被覆一

61、層黑化膜。,,典型結(jié)構(gòu):由敏感單元、場效應(yīng)管、高阻抗變換管、濾光窗等組成，并在氦氣環(huán)境下封裝而成。,1.敏感單元,熱釋電材料：鋯鈦酸鉛（PZT）。 先制成很薄的薄片材料，兩面各引出電極，構(gòu)成有極性的小電容。 原理: UdT/dt 且對各種波長具有一定的敏感性,把兩個(gè)極性相反的敏感單元固定在同一基片上。 環(huán)境使晶片T變化時(shí)極性相反的敏感單元產(chǎn)生的電信號相互抵消，無輸出-------抗可見光及其絕大部分紅外線的干擾； 當(dāng)人體靜止在檢測范圍內(nèi)時(shí)也無信號輸出； 只對運(yùn)動的人體敏感。,一、結(jié)構(gòu)與部件原理,2.4.2 雙元型紅外傳感器Twain infrared discharge sensors,2.高

62、阻抗電阻（RG）：敏感材料的阻抗高達(dá)1013，高阻抗電阻RG起釋放柵極電荷的作用,,4.濾光窗：光窗薄玻璃片上鍍多層濾光層薄膜，能讓人體輻射的紅外線通過而阻止其它射線(陽光、電燈光,對其有一定的抗干擾性)。能有效地濾除人體的紅外線7.0-14m波長以外的紅外線。,,物體發(fā)出紅外輻射最強(qiáng)時(shí)的波長m與T的關(guān)系： mT=2989（mK） 而人體溫度為36-37 ，輻射紅外線最強(qiáng)波長為9.67-9.64m，恰好落在濾光窗的響應(yīng)波長范圍內(nèi)。,3.場效應(yīng)管（BG）：BG進(jìn)行阻抗變換和放大，一般采用2SK303V3等構(gòu)成源極跟隨器。,4.菲涅爾透鏡,與菲涅爾透鏡配合，可使探測半徑從不足2m提高到至少10

63、m范圍。 人體輻射的紅外線經(jīng)菲爾透鏡傳到敏感單元上，形成一個(gè)不斷交替變化的盲區(qū)和亮區(qū)，使敏感單元的T不斷變化，相當(dāng)于進(jìn)入一個(gè)視場后，又走出這個(gè)視場，再進(jìn)入另一視場，不斷有輸出信號。,,圖(d)，當(dāng)運(yùn)動到即將離開視野時(shí), 能量變化是ba,離開b的信號與a相反，故符號為“+”。 圖(e)輸出信號波形是連續(xù)的，第二個(gè)正峰值低于第一個(gè)正峰值。由于元件b蒸有紅外反射膜，它產(chǎn)生的輸出信號較小。 圖(f)：如果人體運(yùn)動方向相反，可將不同運(yùn)動方向通過輸出信號波形區(qū)分。 再利用信號處理電路將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谶M(jìn)行計(jì)數(shù)的數(shù)字信號,圖（a）為反向串聯(lián)型的兩個(gè)紅外敏感元件。其中a為檢測元件，b為噪聲補(bǔ)償元件。

64、圖（b），當(dāng)人體剛剛進(jìn)入傳感器視野，因人到兩個(gè)元件的距離及角度不同，入射到兩元件的能量變化速率不同，輸出信號應(yīng)以a的信號為主，可設(shè)符號為“+”。 圖（c），當(dāng)運(yùn)動到視野中央附近時(shí)，對兩個(gè)元件一個(gè)是離開一個(gè)是接近，各自產(chǎn)生的信號符號不同，二者信號的迭加，符號為“一”，值比任一元件單獨(dú)產(chǎn)生的信號都要大。,,,三、運(yùn)動計(jì)數(shù)控制系統(tǒng)及工作流程設(shè)計(jì),系統(tǒng)的工作過程：紅外傳感器探測到人體發(fā)出的紅外線后產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的輸出信號；經(jīng)信號處理電路處理判斷人的運(yùn)動方向，信號轉(zhuǎn)變?yōu)槔谟?jì)數(shù)的數(shù)字信號；輸入單片機(jī)由相應(yīng)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，單片機(jī)通過比較，決定是否開燈或發(fā)出控制命令。,系統(tǒng)基本框圖：,2.5 固態(tài)圖像傳感器So

65、lid image sensors,2.5.1 電荷耦合器件（CCD：charge-coupled device）,2.5.2 MOS圖像傳感器 (MOS image sensor),2.5.3 CCD器件的應(yīng)用 (Application),2.5.1 電荷耦合器件（CCD）,,,,----一種將光信號變成電荷包的形式并存貯和傳遞的半導(dǎo)體表面器件 感光部分:“排列起來的MOS電容陣列”， 一MOS電容器=====一個(gè)光敏元，感應(yīng)一個(gè)象素點(diǎn) 一個(gè)圖像有10241024=1048，576個(gè)象素點(diǎn) 傳遞一幅圖像需要由許多MOS元大規(guī)模集成的器件。,一、MOS光敏元的結(jié)構(gòu)及原理,光敏元結(jié)構(gòu)、半

66、導(dǎo)體與SiO2界面電荷分布圖,工藝：先在P-Si片上氧化一層SiO2介質(zhì)層，其上再沉積一層金屬Al作為柵極，在P-Si半導(dǎo)體上制作下電極。,,,,柵極突然加一VG正脈沖（VGVT閾值電壓），金屬電極上會充一些正電荷，電場將排斥P-Si中SiO2界面附近的空穴，出現(xiàn)耗盡層，耗盡區(qū)中的電離受主為負(fù)離子，半導(dǎo)體表面處于非平衡狀態(tài)，若襯底電位為0，分析表面區(qū)狀態(tài)：,半導(dǎo)體空間電荷區(qū)，電位的變化由泊松方程來解: 設(shè)半導(dǎo)體與SiO2界面為原點(diǎn)，耗盡層厚度為Xd，泊松方程及邊界條件為：,,V(x)為距離表面x處的電勢，E為x處的電場，NA為P-Si中摻雜受主的濃度，0、s分別為真空和半導(dǎo)體的介電常數(shù) 。,,原理,1、陷阱的形成,,,,,結(jié)論：（1）s0，電子位能-qs<0最小，則表面處有貯存電荷的能力。 表面的這種狀態(tài)------電子勢阱或表面勢阱。 （2）、若VG增加，柵上正電荷數(shù)增加，SiO2附近P-Si中負(fù)離子數(shù)增加，耗盡區(qū)加寬，表面勢阱加深。 （3）、若MOS電容的半導(dǎo)體是N-Si，則VG加負(fù)電壓時(shí)SiO2附近的N-Si中形成空穴勢阱。,2、電子的堆積：a.光照時(shí)產(chǎn)生電子空穴對，少子電子被吸