第四章光電檢測工作器件與應(yīng)用二

第四章光電檢測工作器件與應(yīng)用二光電隔離器的類型二極管型三極管型達(dá)林頓型晶閘管驅(qū)動型3.2.4光電耦合器件達(dá)林頓管：又稱復(fù)合管，是將二只三極管連接在一起，組成一只等效的新的三極管。這個等效三極管的放大倍數(shù)是二者之積。達(dá)林頓管常用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中。晶閘管：是四層三端器件，是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。2發(fā)光器件光敏器件被測物體槽式光電傳感器器示意圖槽式光電傳感器實物圖+EC3.2.4光電耦合器件光電耦合器的電路符號3絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹脂光電耦合器件的結(jié)構(gòu)采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對準(zhǔn)，以此來提高靈敏度。(a)金屬密封型(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。金屬密封型塑料密封型4光電耦合器的組合形式

(a)(b)(c)(d)該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。5光電耦合器的特點具有電隔離（１０１０－１０１２歐姆）功能；信號傳輸單向（脈沖或直流），適用于模擬／數(shù)字信號；具有抗干擾和噪聲能力；響應(yīng)速度快（微／納秒，直流－１０兆赫茲）；使用方便，可靠性高，體積小，壽命長；既有耦合特性，又有隔離功能；6光電耦合器的特性參數(shù)直流電流傳輸比主要特性：傳輸特性和隔離特性交流電流傳輸比是指直流工作狀態(tài)下，耦合器件中光電器件的輸出電流與發(fā)光原件輸入電流之比。工作點的選擇不同，電流傳輸比不同。7光電耦合器的特性參數(shù)最高工作頻率取決于發(fā)光器件和光電器件的頻率特性。光電耦合器件的頻率特性測試電路：輸入等幅度的可調(diào)頻信號，當(dāng)測得輸出信號電壓的相對幅值降至0.707時，所對應(yīng)的頻率。8光電耦合器的抗干擾特性輸入阻抗很低；干擾源的內(nèi)阻很大，形成的電流很微弱；器件密封包裝，不受外界光的干擾；器件寄生電容很小，絕緣電阻很大，很難通過器件的反饋引入干擾。光電耦合器件能抑制尖脈沖及各種噪聲等干擾，實現(xiàn)信息傳輸?shù)母咝旁氡取Ｔ蛉缦拢?光電耦合器件的應(yīng)用代替脈沖變壓器，可以耦合從零到幾兆赫茲的信號，失真??；代替繼電器，做光電開關(guān)用；把不同電位的兩組電路互連，完成電平匹配和電平轉(zhuǎn)移；電流驅(qū)動器件與光驅(qū)動器件相結(jié)合，實現(xiàn)高信噪比；作為計算機主機運輸部與輸入／輸出端的接口，提高計算機的可靠性；在穩(wěn)壓電源中作為過流保護(hù)器件，簡單可靠。103.2.5光電位置敏感器件（PSD）工作原理：當(dāng)入射光點落在器件感光面的不同位置時，PSD將對應(yīng)輸出不同的電信號。入射光點的強度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關(guān)。用途：ＰＳＤ是一種可直接對其光敏面上的光斑位置進(jìn)行檢測的光電器件，可構(gòu)成非接觸高精度動態(tài)測量系統(tǒng)。11光入射位置XA：P型層電流I1、I2：N型層電流I0：3.2.5光電位置敏感器件（PSD）1213PSD分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測定光點的一維位置坐標(biāo)；二維PSD可測光點的平面位置坐標(biāo)。3.2.5光電位置敏感器件（PSD）14vCCD圖像傳感器：用CCD的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成的。CCD（charge-coupleddevices)電荷耦合器件。vMOS圖像傳感器：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，又稱自掃描光電二極管列陣（SSPA）。固態(tài)圖像傳感器CCD圖像傳感器MOS圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器15固態(tài)圖像傳感器特點：v高度集成，包括光電信號轉(zhuǎn)換、信號存儲和傳輸、處理。v以電荷轉(zhuǎn)移為核心。v體積小、重量輕、功耗小、成本低。v廣泛用于圖像識別和傳送。分類：v電荷耦合器件(CCD)vMOS型圖像傳感器(自掃描光電二極管陣列)v電荷注入器件16將光信號變?yōu)殡姾砂?，以電荷包的形式存貯和傳遞信息。又稱為“排列起來的MOS電容陣列”。一、MOS光敏元的結(jié)構(gòu)及原理

半導(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。電荷耦合器件（CCD）固態(tài)圖像傳感器17

給柵極加VG正脈沖，金屬電極充一些正電荷；電場將P-Si的SiO2界面附近的空穴排斥走，SiO2附近出現(xiàn)耗盡層；半導(dǎo)體表面處于非平衡狀態(tài)，表面有貯存電荷的能力。將表面的這種狀態(tài)稱為電子勢阱或表面勢阱。1、勢阱的形成固態(tài)圖像傳感器182、電子的堆積光照MOS電容器時，產(chǎn)生電子空穴對，少子電子會被吸收到勢阱中；光強越大，勢阱中收集的電子數(shù)就越多；MOS電容器實現(xiàn)了光信號向電荷信號的轉(zhuǎn)變。若給光敏元陣列同時加上VG，整個圖像的光信號同時變?yōu)殡姾砂嚵校从硤D像的明暗程度。固態(tài)圖像傳感器19二、電荷轉(zhuǎn)移原理

若兩個相鄰MOS光敏元加的柵壓分別為VG1、VG2，且VG1<VG2。因VG2高，表面形成的負(fù)離子多，則表面勢φ2>φ1,則VG2吸引電子能力強，形成的勢阱深，則1中電子有向2中下移的趨勢。電子轉(zhuǎn)移示意圖

固態(tài)圖像傳感器若串聯(lián)很多光敏元，且使VG1<VG2<……<VGN,可形成一個輸運電子路徑,實現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移。

20三、CCD圖像傳感器的特性參數(shù)1、轉(zhuǎn)移效率

當(dāng)CCD中電荷包轉(zhuǎn)移時，若Q1為轉(zhuǎn)移一次后的電荷量，Q0為原始電荷，轉(zhuǎn)移效率定義為：

2、分辨率

指分辨圖像細(xì)節(jié)的能力，光像的兩個相鄰光強度最大值之間的間隔，主要取決于感光單元的尺寸和間隔。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，定義圖像傳感器的最高分辨率fm等于它的空間采樣頻率f0的一半，即：固態(tài)圖像傳感器213、暗電流

起因于熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對。電荷的積累時間越長，影響越大。暗電流產(chǎn)生不均勻總出現(xiàn)在固定圖形、相同的單元上，利用信號處理，把出現(xiàn)暗電流尖峰的單元位置存貯在PROM（可編程只讀存貯器）中，就能消除影響。

限制了器件的靈敏度和動態(tài)范圍。4、靈敏度指單位發(fā)射照度H下，單位時間、單位面積A收集的電量。NS為t時間內(nèi)收集的載流子數(shù)，單位為mA/W。固態(tài)圖像傳感器225、噪聲