光电检测器件及应用.ppt
1,3.2.4 光电耦合器件,将发光器件与光电器件组合成一体，以光作媒质把输入端得到信号耦合到输出端的器件。,光电隔离器：电气隔离、消除噪声光电传感器：检测物体位置、有无,分类,发光器件：发光二极管、半导体激光器、微形钨丝灯光电器件：光电二极管、光电三极管 光敏电阻、光电池,2,光电隔离器的类型,二极管型,三极管型,达林顿型,晶闸管驱动型,3.2.4 光电耦合器件,达林顿管：又称复合管，是将二只三极管连接在一起，组成一只等效的新的三极管。这个等效三极管的放大倍数是二者之积。达林顿管常用于功率放大器和稳压电源中。,晶闸管：是四层三端器件，是 PNPN四层半导体结构。,3,槽式光电传感器器示意图,槽式光电传感器实物图,3.2.4 光电耦合器件,光电耦合器的电路符号,4,绝缘玻璃,发光二极管,透明绝缘体,光敏三极管,塑料,发光二极管,光敏三极管,透明树脂,光电耦合器件的结构,采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。,(a)金属密封型,(b)塑料密封型,采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。,金属密封型,塑料密封型,5,光电耦合器的组合形式,该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。,该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。,该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。,该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。,6,光电耦合器的特点,具有电隔离（欧姆）功能；信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；具有抗干扰和噪声能力；响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹）；使用方便，可靠性高，体积小，寿命长；既有耦合特性，又有隔离功能；,7,光电耦合器的特性参数,直流电流传输比,主要特性：传输特性和隔离特性,交流电流传输比,是指直流工作状态下，耦合器件中光电器件的输出电流与发光原件输入电流之比。,工作点的选择不同，电流传输比不同。,8,光电耦合器的特性参数,最高工作频率,取决于发光器件和光电器件的频率特性。,光电耦合器件的频率特性测试电路：输入等幅度的可调频信号，当测得输出信号电压的相对幅值降至0.707时，所对应的频率。,9,光电耦合器的抗干扰特性,输入阻抗很低；干扰源的内阻很大，形成的电流很微弱；器件密封包装，不受外界光的干扰；器件寄生电容很小，绝缘电阻很大，很难通过器件的反馈引入干扰。,光电耦合器件能抑制尖脉冲及各种噪声等干扰，实现信息传输的高信噪比。原因如下：,10,光电耦合器件的应用,代替脉冲变压器，可以耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小；代替继电器，做光电开关用；把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移；电流驱动器件与光驱动器件相结合，实现高信噪比；作为计算机主机运输部与输入输出端的接口，提高计算机的可靠性；在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。,11,3.2.5 光电位置敏感器件（PSD）,工作原理：当入射光点落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。入射光点的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。,用途：是一种可直接对其光敏面上的光斑位置进行检测的光电器件，可构成非接触高精度动态测量系统。,12,光入射位置XA：P型层电流I1、I2：N型层电流I0：,3.2.5 光电位置敏感器件（PSD）,13,14,PSD分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标；二维PSD可测光点的平面位置坐标。,3.2.5 光电位置敏感器件（PSD）,15,v CCD图像传感器：用CCD的光电转换和电荷转移功能制成的。CCD（charge-coupled devices)电荷耦合器件。v MOS图像传感器：用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的，又称自扫描光电二极管列阵（SSPA）。,固态图像传感器,CCD图像传感器MOS图像传感器,固态图像传感器,16,固态图像传感器,特点：v 高度集成，包括光电信号转换、信号存储和传输、处理。v 以电荷转移为核心。v 体积小、重量轻、功耗小、成本低。v 广泛用于图像识别和传送。,分类：v 电荷耦合器件(CCD)v MOS型图像传感器(自扫描光电二极管阵列)v 电荷注入器件,17,将光信号变为电荷包，以电荷包的形式存贮和传递信息。又称为“排列起来的MOS电容阵列”。,一、MOS光敏元的结构及原理,半导体与SiO2界面电荷分布图,工艺：先在P-Si片上氧化一层SiO2介质层，其上再沉积一层金属Al作为栅极，在P-Si半导体上制作下电极。,电荷耦合器件（CCD）,固态图像传感器,18,给栅极加VG正脉冲，金属电极充一些正电荷；电场将P-Si的SiO2界面附近的空穴排斥走，SiO2附近出现耗尽层；半导体表面处于非平衡状态，表面有贮存电荷的能力。将表面的这种状态称为电子势阱或表面势阱。,1、势阱的形成,固态图像传感器,19,2、电子的堆积 光照MOS电容器时，产生电子空穴对，少子电子会被吸收到势阱中；光强越大，势阱中收集的电子数就越多；MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号同时变为电荷包阵列，反映图像的明暗程度。,固态图像传感器,20,二、电荷转移原理,若两个相邻MOS光敏元加的栅压分别为VG1、VG2，且VG11,则VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，则1中电子有向2中下移的趋势。,电子转移示意图,固态图像传感器,若串联很多光敏元，且使VG1VG2VGN,可形成一个输运电子路径,实现电子的转移。,21,三、CCD图像传感器的特性参数,1、转移效率,当CCD中电荷包转移时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，转移效率定义为：,2、分辨率,指分辨图像细节的能力，光像的两个相邻光强度最大值之间的间隔，主要取决于感光单元的尺寸和间隔。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即：,固态图像传感器,22,3、暗电流,起因于热激发产生的电子-空穴对。电荷的积累时间越长，影响越大。暗电流产生不均匀总出现在固定图形、相同的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROM（可编程只读存贮器）中，就能消除影响。限制了器件的灵敏度和动态范围。,4、灵敏度,指单位发射照度H下，单位时间、单位面积A收集的电量。,NS为t时间内收集的载流子数，单位为mA/W。,固态图像传感器,23,5、噪声,CCD是低噪声器件。由于噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷受到干扰。噪声的来源有转移噪声、电注入噪声、信号输出噪声、散粒噪声等。前三种可以采用有效措施来降低或消除，但散粒噪声不能消除，决定了图像传感器的噪声极限值。在低照度、低反差下应用时更为显著。,固态图像传感器,24,谢 谢！,
