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过程参数新型检测技术 授课教师: 姜 波 2011年5月18日 第七章 光电式传感器 本次课主要内容 1 概述 2 光电效应 3 光电器件的主要特性 4 常用光电器件及特性 电荷藕合器件(CCD) 光电位置敏感器件(PSD) 外光电效应 内光电效应 光敏电阻(光导管)结构与基本特性 光电池结构与基本特性 光敏晶体管结构与基本特性 光电管结构与基本特性 5 新型光电器件 6 光电器件的应用 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器. 光电器件是基于光电效应,可将光通量转换为电量. 第七章 光电式传感器 1 概述 近年来,新的光电器件不断出现,特别是CCD图像传 感器的诞生,为光电式传感器的应用开创了新的一页. 1.光电式传感器特点 光电式传感器具有反应速度快,能实现非接触测量, 而且高精度、高分辨力、高可靠性等特点,加之半导体光 敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点. 使光电式传感器在检测和控制领域获得广泛应用. 光电测量方法灵活多样,可检测直接引起光量变化的 非电量(如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等), 也可检测能转换成光量变化的其它非电量(如零件直径、 表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度等),以及 检测物体的形状、工作状态的识别等. 第七章 光电式传感器 1 概述 目前,广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动 化控制等多种领域中. 世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性 研究与应用开发.随着光电技术的日趋成熟,对光电传感器 实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键. 2.光电式传感器用途 光电元件：光敏电阻、光电二极管、光电三极管、 发光二极管(LED)、光电倍增管、光电池、 光电耦合器件等. 第七章 光电式传感器 1 概述 基于光通量对光电元件的作用原理不同可制成多种 多样的光学测控系统. 3.光电传感器的类型 按光电元件(光学测控系统)输出量性质,光电传感器可 分二类：模拟式光电传感器、脉冲(开关)式光电传感器。 其中模拟式光电传感器按检测方法又可分为三大类： 透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档). 美国：美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国 家之一,在军事和民用领域的应用发展得十分迅速.在军 事应用方面,研究和开发主要包括：水下探测、航空监测、 核辐射检测等.美国也是最早将光电传感器用于民用领域 的国家. 第七章 光电式传感器 1 概述 日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电 传感器的研究与开发. 日本：20世纪90年代,由东芝、日本电气等15家公司和研 究机构,研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器, 日本的电器产品以价格适中、质量好而响誉全球. 4.光电传感器国内外的发展状况 西欧各国：西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光 电传感器的研发和市场竞争. 中国：对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远. 目前,已有上百个单位在这一领域开展工作,主要是在光电 温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行 了大量的研究,取得了上百项科研成果,有的达到世界先进 水平. 第七章 光电式传感器 1 概述 4.光电传感器国内外的发展状况 与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要 表现在商品化和产业化方面, 大多数品种仍处于实验研制 阶段,还无法投入批量生产和工程化应用. 第七章 光电式传感器 1 概述 近年来,由于传感器的广泛应用及在日常生活中 所起的越来越重要的作用,人们对传感器提出越来越 高的要求. 21世纪初期,敏感元件与传感器发展的总趋势是 小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化. 传感器领域的主要技术：在现有基础上予以延伸 和提高,并加速新一代传感器的开发和产业化. 5.光电传感器的发展方向 第七章 光电式传感器 1 概述 5.光电传感器的发展方向 (1)开发新型传感器 包括：采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器等诸方面。 (2)开发新材料 其主要趋势有几个方面：从单晶体到多晶体、非晶体； 从单一型材料到复合材料；原子(分子)型材料的人工合成. 用复合材料来制造性能更良好的传感器是今后的发展方向之一. 半导体敏感材料；陶瓷材料；磁性材料. (3)智能材料 是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等 参数,研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料 性能的人造材料. (4)新工艺的采用 新工艺的含义范围很广,这里主要指与发展 新型传感器联系特别密切的加工技术. (5)集成化、多功能化与智能化。 第七章 光电式传感器 2 光电效应 由光的粒子可知：光可以被看成是具有一定 能量的粒子所组成, 而每个光子所具有的能量E 正比于其频率的大小.光照射在物体上可看成是 一串具有能量为E的粒子轰击在物体上. 光电效应分两类：外光电效应、内光电效应. 物体吸收了光能后转换该物体中某些电子的 能量而产生的电效应. 所谓光电效应 第七章 光电式传感器 2 光电效应 外光电效应：在外光的照射下,材料中的电子逸出表面 而产生光电子发射的现象. 1 外光电效应 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量. 因此,要使一个电子从物体表面逸出,必须 使光子能量E大于该物体的表面逸出功A0 . 每个光子具有的能量为： 为普朗克常数； 光的频率. 逸出物体表面的电子具有的动能： -光电效应方程式 电子质量； 电子逸出初速度. 第七章 光电式传感器 2 光电效应 每个光子具有的能量为： 为普朗克常数； 光的频率. 逸出物体表面的电子具有的动能： 电子质量； 电子逸出初速度. 1 外光电效应 基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管. 不同材料具有不同的逸出功A0 .对某特定材料,将有一个频率限 (或波长限 ),称为“红限”. 当入射光的频率低于 时(或波长大于 ),不论入射光有多强,也不能 激发电子； 当入射光的频率高于 时(或波长小于 ),不管入射光有多么弱也会 使被照射的物体激发光子,光越强则激发出的电子数目越多. -光电效应方程式 半导体受到光照时会产生光生电子-空穴对,使导电性能 增强,光线越强,阻值越低. 基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的 光敏二极管与三极管. -在光的照射下,材料的电阻率变化的现象. 光电导效应 第七章 光电式传感器 2 光电效应 光照射在半导体材料上(材料中处于价带的电子吸收光子 能量,通过禁带跃入导带,使导带内电子浓度和价带内空穴增 多.)激发出光生电子-空穴对,从而使半导体材料产生电效应. 光子能量必须大于材料的禁带宽度. 2 内光电效应 内光电效应按其工作原理可分为两种 光电导效应 光生伏特效应 PN结在没有外加电压时,PN结势垒区内仍然存在着内建结 电场,其方向是从N区指向P区. -在光的照射下,PN结两端产生电动势的效应. 光生伏特效应 第七章 光电式传感器 2 光电效应 当光照射在PN结区时, 光照产生的 电子-空穴对在结电场作用下,电子向N区 迁移,空穴向P区迁移,使PN结两边的电位 发生变化,PN结两端将出现一个因光照而 产生的电动势.由于它可以向电池那样为 外电路提供能源,因此常称为光电池. 2 内光电效应 基于这种效应制作的光电器件有硅光电池、硒光电池等. 第七章 光电式传感器 光照特性即光电器件的灵敏度, 它反映光电器件输入光通量与输出 光电流(光电压)之间的关系. 3 光电器件的主要特性 1.光照特性 光照特性常用响应率R来描述。 对于光生伏特器件,表示为输出电压 与光输入功率 之比, 称为电压响应率RV,即 对于光生电流器件,表示为输出电流 与光输入功率 之比, 称为电流响应率RI,即 根据光电器件的光谱特性,合理选择相匹配的光源和光电器件； 对于被测物体本身可作光源的传感器,应按被测物体辐射的光波波长 选择光电器件. 光谱特性即光电器件的相对 灵敏度K与入射波长之间的关系, 又称光谱响应. 第七章 光电式传感器 由光谱特性可知,对于包含光源与光电器件的传感器,要提高光电 传感器的灵敏度应从两个方面考虑: 3 光电器件的主要特性 2.光谱特性 光敏晶体管的光谱特性 由图可看出器件的长波限和短波限 硅的长波限为1.1um，锗为1.8 um，短波限一般在0.40.5左右. 第七章 光电式传感器 响应时间是表征器件的动态特性. 响应时间小,表示动态特性好. 3 光电器件的主要特性 3.响应时间(频率特性) 半导体光电器件,频率特性是指 器件输出电信号与调制光频率变化 的关系. 光敏电阻受到脉冲光射时, 光电流要经过一段时间 才能得到其稳态值,当光突然消失时光电流也不立刻为零. 这说明光敏电阻有时延特性,它与光照的强度有关. 光电池作为检测、计算和接收元件,常用调制光输入. 图示的两种光电池的曲线,可见硅光电池的频率响应好. 第七章 光电式传感器 无光照时,光电器件有输出的大小.(由于器件存在 固有的散粒噪声以及前置放大器输入端的热噪声).峰值 探测率源出于红外探测器,后来沿用到其它光电器件. 常以噪声等功率NEP来表征这一噪声输出. 3 光电器件的主要特性 4.峰值探测率 NEP定义为：产生与器件暗电流大小相等的光电流入射光量. NEP与器件的有效面积A和探测系统带宽 有关. 用 表征探测器件的峰值探测率. 值大噪声等功率小,光电器件性能好. 第七章 光电式传感器 温度特性表示光电器件受温度变化的影响情况. 温度不仅影响光电器件的灵敏度, 同时对光谱特性 也有很大的影响. 3 光电器件的主要特性 5.温度特性 硫化铅(PbS)光敏电阻的光谱温度特性 由图可见,光谱响应峰值随温度 升高而向短波方向移动.因此,采取 降温措施,往往可以提高光敏电阻对 长波的响应. 在室温条件下工作的光电器件 由于灵敏度随温度变化,因此,在高 精度检测时,必要时要进行温度补偿 或恒定工作温度. 第七章 光电式传感器 在一定的光照下,光电器件所加电压与光电流 之间的关系. 3 光电器件的主要特性 6.伏安特性 伏安特性是传感器设计时选择电参数的依据. 使用时应注意不要超过器件允许的功耗限. 第七章 光电式传感器 4 常用光电器件及特性 常用的光电器件有 光敏电阻、光电池、光敏晶体管、光电倍增管. 新型半导体光电器件 光电位置敏感器件(SPD)、电荷耦合器件(CCD)等. 光电器件是在光电式传感器中将光量转换成 电量的器件. 第七章 4 光电器件及特性 1.光敏电阻(光导管) 光敏电阻-用具有内光电效应的光导材料制成的纯电阻 元件,其阻值随光照增强而减小. (1)光敏电阻材料与结构 具有内光电效应的光导材料本身就称为光敏电阻, 用光敏电阻制成的器件称“光导管”,通常也简称为 光敏电阻. 光导材料内光电效应 在黑暗的环境下,它的电阻值很高,当它受到光照时, 光子能量将激发出电子-空穴对, 从而加强了导电性能, 使阻值降低,照射的光越强阻值越低. 第七章 4 光电器件及特性 1.光敏电阻(光导管) (1)光敏电阻材料与结构 光敏电阻特点:光敏电阻灵敏度高,体积小,重量轻,性能 稳定,价格便宜,因此在自动化技术中广泛应用. 光敏电阻种类:有硅、锗及硫化物、硒化物、蹄化物等很多, 不同材料及制做工艺不同,器件的性能差别很大. 光敏电阻的典型结构:光电半导体就是做成栅形的 光敏电阻,装在外壳中.引出的两电极,可加直流电压, 也可加交流电压. 光敏电阻在不受光照时的阻值称“暗电阻”,或称 暗阻,此时接通电源后流过的电流称“暗电流”. 第七章 4 光电器件及特性 1.光敏电阻(光导管) (2)光敏电阻的基本特性 ：亮电流与暗电流之差. 光电流 光敏电阻在受光照时的阻值称“亮电阻”, 或称 亮阻,此时接通电源后流过的电流称“亮电流”. 作为光电检测元件,希望暗阻越大越好,亮阻越小 越好,即光电流尽可能大-光电元件灵敏度高.一般暗 阻为兆欧级,亮阻在几千欧以下. 第七章 4 光电器件及特性 1.光敏电阻(光导管) (2)光敏电阻的基本特性 ：光敏电阻两端所加电压与通过其 电流之间的关系. 伏安特性 光敏电阻在不同光照下的伏安特性曲线不同. 在给定的光照下,电阻值的 相对变化于外加电压无关.所加 电压U的越高,光电流越大,而且 没有饱和现； 在给定的电压下,光电流随 光照强度增加而增加. ：光敏电阻的光电流I与光通量 之间的关系. 第七章 4 光电器件及特性 1.光敏电阻(光导管) (2)光敏电阻的基本特性 光照特性 光敏电阻的光照特性是 非线性的,因此在光电传感器 中不宜作光通量变化的的检 测元件,常用作开关式光电传 感器,如光电式转速传感器. ：光电器件的相对灵敏度K与入射波长 之间的关系. 又称光谱响应. 第七章 4 光电器件及特性 1.光敏电阻(光导管) (2)光敏电阻的基本特性 光谱特性 光敏电阻对于不同波长的入射光, 其相对灵敏度K不同. 不同材料的光谱特性差别也很大. -硫化镉的峰值在可见光区域； -硫化铅的峰值在红外区域. 在选用光敏电阻时,要把光电元件 与光源一起考虑,应使光源发光的波长 与光敏电阻光谱特性峰值对应的波长相 接近,使光电传感器的灵敏度高. ：器件输出的电信号与调制光频率变化 的关系.表征光敏电阻的动态特性. 第七章 4 光电器件及特性 1.光敏电阻(光导管) (2)光敏电阻的基本特性 频率特性 (响应时间) 光敏电阻响应时间(时间常数) 光敏电阻自停止光照起到光电流 下降到原来的63%所需的时间. 光敏电阻受到脉冲光射时,光电流 要经过一段时间才能得到其稳态值,当 光突然消失时光电流也不立刻为零.这 说明光敏电阻有时延特性,它与光照的 强度有关. 光敏电阻响应时间一般在10-110-3S. 光敏电阻的频率特性 硫化铅 硒 铊氧硫 从图看出：硫化铅光敏电阻有较好的频率特性. 光敏电阻的光学和电学特性受温度影响较大, 随温度升高,它的暗阻与灵敏度都下降. 同样,温度变化也影响它的光谱特性. ：表示光电器件受温度变化的影响情况. 第七章 4 光电器件及特性 1.光敏电阻(光导管) (2)光敏电阻的基本特性 温度特性 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 光谱响应峰值随温度升高而向短 波方向移动.因此,采取降温措施,往往 可以提高光敏电阻对长波的响应. 在室温条件下工作的光电器件由 于灵敏度随温度变化,因此,在高精度 检测时,必要时要进行温度补偿或恒定 工作温度. -在光的照射下,PN结两端产生电动势的效应. 第七章 4 光电器件及特性 2.光电池 (1)光电池材料与结构 光电池是基于光生伏特效应制成的一种直接将光能 转换成电能的器件.是自发电式有源器件.由于它可以向 电池那样为外电路提供能源,因此常称为光电池. 光生伏特效应 PN结在没有外加电压时,PN结 势垒区内仍然存在着内建结电场, 其方向是从P区指向N区. 第七章 4 光电器件及特性 2.光电池 (1)光电池材料与结构 光电池的种类很多,有硅、硒、硫化镉、硫化铊、 蹄化镉等,其感光灵敏度随材料和工艺方法不同也有 差异；制做不同,器件的性能差别很大. 当光照射在PN结区时,光照产生的电子-空穴对在 结电场作用下,电子向N区迁移,空穴向P区迁移,使PN结 两边的电位发生变化,出现一个因光照而产生的电动势. 目前应用最广的是硅光电池, 它有性能稳定、光谱范围宽等优点, 但对光的响应速度还不够高. 第七章 4 光电器件及特性 2.光电池 (1)光电池材料与结构 硅光电池也称硅太阳能电池,为有源器件.它轻便、 简单,不会产生气体污染或热污染,特别适用于宇宙飞 行器作仪表电源.硅光电池转换效能较低,适宜在可见 光波段工作. 硅光电池是用单晶硅 制成的. 在一块N型硅片上用 扩散的方法渗入一些P型杂质, 形成一个大面积PN结,P层极薄 能使光线透到PN结上. 第七章 4 光电器件及特性 2.光电池 (2)光电池的基本特性 ：光电器件的相对灵敏度K与入射波长 之间的关系. 又称光谱响应. 光谱特性 不同材料的光电池的光谱峰 值的位置是不同的,硅光电池可 在光波长0.451.1um范围内使用, 而硒光电池只能在光波长0.34 0.57um范围内使用. 在实际使用中是根据光源性质 来选择光电池,反之也根据光电池 性质来选择光源. 光电池的光谱特性 硅光电池 硒光电池 第七章 4 光电器件及特性 2.光电池 (2)光电池的基本特性 ：光电池的光照特性有两种表示形式. 光照特性 开路电压曲线-光生电动势E与照度Ee间的特性曲线； 短路电流曲线-光电流密度Je与照度Ee间的特性曲线. 硅光电池的光照特性曲线 从图可看出：短路电流在很大范围内 与光照度成线性关系,开路电压与光照 度的关系是非线性的,且照度在20001X 照射下就趋于饱和了. 因此,在使用光电池作为检测元件时, 应利用短路电流与光照度成线性的特性 , 即把它当作电流源的形式来使用. 硅光电池的光照特性曲线 所谓光电池的短路电流,是指外接负载电阻已到 近似地满足“短路”条件时的电流. 第七章 4 光电器件及特性 (2)光电池的基本特性 2.光电池 试验得知：负载电阻越小,光电流与光照度之间 的线性关系越好,且线性范围越宽. 对于不同的负载电阻,可在 不同的照度范围内,使光电流与 光照度保持线性关系.所以,用 光电池作为检测元件时,所用的 负载电阻大小,应根据光照的具 体情况来决定. 第七章 4 光电器件及特性 2.光电池 (2)光电池的基本特性 ：光电池的频率特性是指光的调制频率f 和光电池相对输出电流Ir间的关系。 （Ir=高频输出电流/低频最大输出电流） 频率特性 从图可看出：硅光电池具 有较高的频率响应,而硒光电池 频率响应较差. 因此,在检测动 态参数多采用硅光电池. 第七章 4 光电器件及特性 2.光电池 (2)光电池的基本特性 ：光电池的温度特性是描述光电池的 开路电压U、短路电流I随温度T变化 的关系. 温度特性 光电池的温度特性 从图可看出：开路电压随 温度增加而下降的速度较快, 短路电流随温度上升时却缓慢 地增加. 如果温度变化影响到测量 精度时,要采取相应的温度补偿 措施. 光敏晶体管利用半导体受光照时载流子增加的 半导体光电元件.它和普通晶体管一样,也具有P-N结. 第七章 4 光电器件及特性 3.光敏晶体管 (1)光敏晶体管材料与结构 通常把有一个P-N结的叫光敏二极管,把有两个 P-N结的叫光敏三极管. 光敏三极管不一定有三根引出线,有时常常只装 两根引出线.(大多数光敏三极管的基极无引出线) 第七章 4 光电器件及特性 3.光敏晶体管 (1)光敏晶体管材料与结构 为了便于接受光照,光敏 晶体管的P-N结装在管的顶部, 上面有一个用透镜制成的窗口, 以便使射入的光集中在P-N结上. 常规的二极管和三极管都是用壳体密封起来， 以防光照.而光敏二极管和三极管则必须使P-N结 能受到最大的光照射. 当光通过透镜照射到光敏 二极管时,在一定的反向偏压下, 光敏二极管的反向电流,要比 没有光照射时大几十倍甚至几 千倍,即有较大的光电流. 由于光电流是光子激发的光 生载流子形成的,所以光照越强, 光生载流子越多,光电流越大. 第七章 4 光电器件及特性 3.光敏晶体管 (1)光敏晶体管材料与结构 与光敏电阻相比,光敏晶体管具有暗电流小, 灵敏度高等优点. 常规的二极管和三极管都是用壳体密封起来， 以防光照.而光敏二极管和三极管则必须使P-N结 能受到最大的光照射. 光敏晶体管利用半导体受光照 时载流子增加的半导体光电元件. 第七章 4 光电器件及特性 3.光敏晶体管 (2)光敏晶体管的基本特性 ：光电器件的相对灵敏度K与入射波长 之间的关系. 又称光谱响应. 光谱特性 光敏晶体管的光谱特性 入射波长 很大时光子能量 太小；但波长 太短,光子在半导 体表面激发的的电子-空穴对不能 达到P-N结,使相对灵敏度K下降. 从图可看出：硅和锗光敏 晶体管的光谱范围. 硅管响应频段约在0.41.0um 波长范围内,最灵敏峰在0.98um 附近； 锗管响应频段约在0.51.7um 波长范围内, 最灵敏峰在1.5um 附近. 第七章 4 光电器件及特性 3.光敏晶体管 (2)光敏晶体管的基本特性 由于锗管的暗电流比硅管的大,因此在用可见光 作光源时,都采用硅管； 在对红外光源探测时,锗管 较为适合. 光敏晶体管的光谱特性 第七章 4 光电器件及特性 3.光敏晶体管 (2)光敏晶体管的基本特性 ：光敏晶体管输出光电流Ic与输入 光照Ee之间的关系. 光照特性 光敏晶体管的光照特性 从图可看出：光敏晶体管 的光照特性基本是线性的.但当 光照足够大时会出现饱和,其值 的大小与材料、参杂浓度及外加 电压有关. 第七章 4 光电器件及特性 (2)光敏晶体管的基本特性 3.光敏晶体管 ：在一定的光照下,光电器件所加 电压与光电流之间的关系. 伏安特性 光敏三极管的伏安特性 光敏三极管在不同光照下的 伏安特性,就像一般晶体管在不同 的基极电流时的输出特性一样, 因此只要将入射光在发射极e与 基极b之间的P-N结附近所产生的 光电流看作为基极电流, 就可将 光敏三极管看作一般的晶体管. 由于三极管的放大作用,因此其 灵敏度比光敏二极管高. 第七章 4 光电器件及特性 4.光电管 (1)光电管材料与结构 真空光电管 -装有两个电极(光阴极和光阳极)的真空玻璃管. 光电管是基于外光电效应原理的光电器件. 有三种类型：真空光电管、充气光电管、光电倍增管. 光阴极有多种形式： -在玻璃管内壁涂上阴极涂料作为光阴极； -在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形 极板作为光阴极. 光阳极为置于光电管中心的 环形金属板或置于柱面中心轴位 置上的金属柱. 光电管的阴极受到适当的 光照后便发射光电子,这些光电 子被具有一定电位的阳极吸引, 在光电管内形成空间电子流. 如果在外电路中串入一适当 阻值的电阻, 则在该电阻上产生 正比于空间电流的电压降, 其值 与照射在光电管阴极上的光亮度 成函数关系. 第七章 4 光电器件及特性 4.光电管 (1)光电管材料与结构-真空光电管 光电管是基于外光电效应原理的光电器件. 有三种类型：真空光电管、充气光电管、光电倍增管. 当电子在被引向的阳极的 过程中, 电子流对惰性气体进 行轰击,使其电离,产生更多的 自由电子,从而提高了光电变换 的灵敏度. 第七章 4 光电器件及特性 4.光电管 (1)光电管材料与结构 光电管是基于外光电效应原理的光电器件. 有三种类型：真空光电管、充气光电管、光电倍增管. 充气光电管 -与真空光电管结构相同,只是玻璃管内充入惰性 气体(氩、氖等). 第七章 4 光电器件及特性 4.光电管 (1)光电管材料与结构 光电倍增管 -在玻璃管内除装有光阴极和光阳极外,还装有若 干个光电倍增极. 光电倍增极上涂有在电子轰击下 能发射更多电子的材料,光电倍增极 的形状及位置设置得能使前一倍增极 发射的电子继续轰击后一级倍增极. 在每个倍增极间均依次增大加速电压. 设每级的倍增率 ,若有n级,则光电 倍增管的光电流倍增率将为 . 第七章 4 光电器件及特性 4.光电管 (1)光电管材料与结构 光电倍增管 -在玻璃管内除装有光阴极和光阳极外,还装有若 干个光电倍增极. 光电倍增极一般采用Sb-Cs涂料 或Ag-Mg合金涂料,倍增极数常为414, 值为36. 当入射光很微弱时,一般光电管 能产生的光电流很小,在这种情况下， 即使光电流能被放大,但噪声也与信 号同时被放大了,因此,在微弱光时 采用光电倍增管. 第七章 4 光电器件及特性 (2)光电管的基本特性 4.光电管 ：表示当阳极电压一定时,阳极电流I与 入射在光阴极上光通量之间的关系. 光电特性 一种光电倍增管的光电特性 在相当宽的范围内灵敏度为常数. 真空光电管的灵敏度比它低得多, 充气光电管的灵敏度比真空光电 管高出一个数量级,但惰性较大,参数 随极间电压而变,在交变光通下使用 时,灵敏度出现非线性,许多参数与温 度有密切关系及易老化等缺点. 目前真空光电管比充气光电管受用 户欢迎,灵敏度低可用其它方法补偿. 第七章 4 光电器件及特性 4.光电管 (2)光电管的基本特性 ：当入射光的频谱及光通量一定时,阳极 电流与阳极电压之间的关系. 伏安特性 当阳极电压比较低时,阴极所发射 的电子只有一部分达到阳极,其余部 分受光电子在真空中运动时所形成 的负电场作用,回到光电阴极. 随着阳极电压的增高,光电流随之 增大.当阴极发射的电子全部达到阳 极时,阳极电流便很稳定,称为饱和 状态. ：保持光通量与阳极电压不变,阳极电流 与光波长之间的关系. 光电管的光谱特性主要取决于光阴极对光谱的选择性. 第七章 4 光电器件及特性 4.光电管 (2)光电管的基本特性 光谱特性 曲线I、为铯氧银阴极和锑化铯 阴极对不同波长光线的灵敏度系数, 曲线为人的眼睛视觉特性. 此外,光电管也还有温度特性、疲 劳特性、暗电流和衰老特性等,光电 倍增管也还有一些技术参数,使用时 可根据产品说明合理选用. 第七章 光电式传感器 电荷藕合器件(Charge Coupled Devices,简称CCD), 是20世纪70年代发展起来的新型器件.它将MOS光敏单元 阵列和读出移位寄存器集成为一体, 构成具有自动扫描 功能的图像传感器. 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) 电荷耦合器件具有集成度高、分辨率高、固体化、低 功耗及自扫描能力等一系列优点,自问世后很快地被应用 于工业检测、电视摄像、高空摄像及人工智能等领域. 随着制造工艺的不断完善,特别是集成电路技术的发展, 近几年出现了一批新型光电器件,以满足不同领域的需要. 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (1)MOS光敏单元 基本原理：当金属电极上施加一正电压时，在电场 作用下,金属下P型硅区域里的空穴被赶尽,形成一个耗尽 区,对带负电的电子而言这是一个势能很低的区域,称为 势阱.如此时有光入射的硅片上,在光子的作用下,半导体 硅片上就会产生电子和空穴,光生电子被附近的势阱所俘 获,同时光生空穴则被电场排斥出耗尽区.耗尽区内所吸收 的光生电子数与入射到势阱附近的光强成正比. MOS单元：金属-氧化物-半导体结构， 它是在半导体基片上(如P型硅Si)生长一 种氧化物(如二氧化硅SiO2),又在其上沉淀 一层金属电极构成. 基本原理：当金属电极上施加一正电压时，在电场 作用下,金属下P型硅区域里的空穴被赶尽,形成一个耗尽 区,对带负电的电子而言这是一个势能很低的区域,称为 势阱.如此时有光入射的硅片上,在光子的作用下,半导体 硅片上就会产生电子和空穴,光生电子被附近的势阱所俘 获,同时光生空穴则被电场排斥出耗尽区.耗尽区内所吸收 的光生电子数与入射到势阱附近的光强成正比. 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (1)MOS光敏单元 通常在半导体硅片上制作几百或几千个相互独立的 MOS光敏元,在金属电极上施加一正电压时,则在这半导体 硅片上形成几百或几千个相互独立的势阱.如果照射在这 些MOS光敏元的是一幅明暗起伏的图像,那么这些光敏元 就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像. 称这样一个MOS结构单元为 MOS光敏元或称一个像素； 把一个势阱所收集的若干 光生电荷称为一个电荷包. 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (2)读出移位寄存器 读出移位寄存器与MOS光敏元不同的是： 在半导体的低部覆盖一层遮光层，防止外来 光的干扰； 它由三组(也有二组、四组等)相邻的电极组成 一个耦合单元(即传输单元). 读出移位寄存器是电荷图像的 输出电路.移位寄存器的结构原理 如图,它也是MOS结构. 基本原理 在三个电极上分别施加脉冲波1、2、3. 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) t4时刻：2高电平,1、3低电平,信息电荷 全部转移到第二组电极2下面. 至此信息电荷转移了一位. (2)读出移位寄存器 t1时刻：1高电平,2、3低电平,这时1电极 下形成深势阱,存储信息电荷. t2时刻：1、2高电平,3低电平,1、2电极 下都形成深势阱,由于两个电极靠得 很近,电荷从1电极耦合到2电极下. t3时刻：1电压减小,2高电平,3低电平, 1电极下的势阱减小,信息电荷从 1电极下面向2转移. 基本原理 在三个电极上分别施加脉冲波1、2、3. 这样,在三相脉冲的控制下,信息电荷不 断向右转移,在它的末端,可依次接收到原先 存储在各个电极下的光生电荷.这就是电荷 传输过程的物理效应. 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (2)读出移位寄存器 如上同样的过程, t5时刻：电荷又耦合到第三组电极3下. t6时刻：电荷转移到下一位第一组1电极下. 这样一个传输过程,实际上是一个电荷 耦合过程.因此这类器件称为电荷藕合器件. 电荷藕合器件又分有 线阵电荷耦合器件 面阵电荷耦合器件 线阵电荷耦合(摄像)器件把光 敏元排列成直线的器件.其结构如图. 它由MOS光敏元阵列、转移栅和读出 移位寄存器等部分组成. (3)线阵电荷耦合器件 1.电荷藕合器件(CCD) 第七章 5 新型光电器件 (如果是一个1024位的线阵器件,那么 该器件是由1024个光敏元、1024位读 出移位寄存器和一个转移栅组成). 基本原理如图. t 在光敏元金属电极上施加一正电压脉冲P, 当光敏元进行曝光(或叫光积分)时,光敏元 吸收附近的光生电荷； 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (3)线阵电荷耦合器件 基本原理 接着转移栅关闭,读出移位寄存器上施加 的三相脉冲1、2、3开始工作,读出移位 寄存器的输出端依次输出各位的信息,直至 最后一位的信息为止. (这是一次串行输出的过程) 在光积分结束时,施加在转移栅上的转移 脉冲t,将转移栅打开,此时每个光敏元所俘 获的光生电荷,通过转移栅耦合到各自对应的 移位寄存器极下；(这是一次并行转移的过程) t 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (3)线阵电荷耦合器件 从上面分析可看出：CCD器件 输出信息是一个个脉冲,脉冲的幅 度取决于对应光敏元所受的光强, 输出脉冲的频率与驱动脉冲1等 一致,因此,只要改变驱动脉冲的 频率就可以改变输出脉冲的频率. 工作频率的下限主要受光生电荷 的寿命所制约,工作频率的上限 主要与界面俘获电荷的时间有关. t 面阵电荷藕合器件是把光敏元等 排列成矩阵的器件.有多种结构形式. 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (4)面阵电荷耦合器件 场转移面阵电荷藕合器件结构图 它由一个光敏元面阵、存储器面阵 和读出移位寄存器(线阵)组成. 光敏元面阵可视为由若干列线阵电 荷藕合器件组成, 存储器面阵可视为 由若干列线阵读出寄存器组成. 在光积分时间,各个光敏元曝光, 吸收光生电荷； 曝光结束时,器件实行场转移,在一 瞬间内将原整场的光电图像迅速地转 移到存储器列阵中去,如图,将注脚为 的光敏元中的光生电荷, 分别转移到注脚相同的存储器单元中； 此时光敏元开始第二次光积分,而存 储器列阵则将它里面存储的光生电荷 信息一行行地转移到读出移位寄存器； 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (4)面阵电荷耦合器件 场转移面阵电荷藕合器件结构图 基本原理： 如图为 面阵. 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (4)面阵电荷耦合器件 场转移面阵电荷藕合器件结构图 在高速时钟驱动下,读出移位寄存 器输出每行中各位的光生电荷信息. 如第一次将 这一行信息 转移到读出移位寄存器,读出移位寄存 器立即将它们按 的次序有 规则地输出.接着再将转移过来的 这一行信息输出,直到 最后输出 的信息为止. 基本原理： 如图为 面阵. 目前,用CCD制成的光电传感器已用于检测工件的 直径、钢板的厚度、检查板材的表面质量、识别图形和 文字等.有的国家利用它识别文字的功能,把它作为计 算机的输入装置,来代替传统的光电穿孔输入机. 第七章 5 新型光电器件 1.电荷藕合器件(CCD) (4)面阵电荷耦合器件 光电位置敏感器件(Position Sensitive Detector, 简称PSD)是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件, 也称为坐标光电池.即当光点在器件感光面的不同位置时, 就对应有一个不同的输出电信号. 第七章 5 新型光电器件 2.光电位置敏感器件(PSD) (1)PSD的结构及基本原理 I N PSD一般为PIN结构. 其基本结构 是在硅板的底层表面以胶合方式制成 二片均匀的P和N电阻层, 在P和N电阻 层之间注入离子而产生I层,即本征层. 在P电阻层表面的两端各设置一输出极. 第七章 5 新型光电器件 2.光电位置敏感器件(PSD) (1)PSD的结构及基本原理 基本原理：横向光电效应 当一束光从垂直与P的方向照射到PSD的I层时,就会产生 电子-空穴对,在PN电场的作用下,空穴进入P区,电子进入N区. 由于P区杂质浓度相对较高,空穴迅速沿P区表面向两侧扩散, 最终导致P层空穴横向(X方向)浓度梯度变化,这时同一层面上 不同位置呈现一定的电位差. PSD通常工作在 反向偏压状态. PSD的公共电极接正 电压,输出极A和B分 别接地. I N PSD通常工作在 反向偏压状态. PSD的公共电极接正 电压,输出极A和B分 别接地. 第七章 5 新型光电器件 2.光电位置敏感器件(PSD) (1)PSD的结构及基本原理 基本原理： 横向光电效应当有光点照射在P点上时,流经公共电极的 光生电流I0与入射光强成正比,如果PSD表面电阻层(P层)是 均匀的,流经P层电极A和B的电流IA 、IB与光点到相应电极的 距离成反比.I0=IA+IB I N 将上面两式整理得: 可看出光点坐标 值 与总电流无关,即它不受 光强变化的影响,给测量 带来极大的方便。 PSD有两种：一维PSD和二维PSD。 一维PSD