光电检测技术特点.doc

光电检测技术特点：便于数字化和智能化检测精度高，速度快非接触式检测遥测遥控。光电检测系统组成框图：辐射源-光学系统-光电系统-电子学系统-计算机系统。光电检测技术：采用不同的手段和方法获取信息，运用光电技术的方法来检验和处理信息，从而实现各种几何量和物理量的测量。光电效应：因光照而引起物体电学特性的改变的现象。内光电效应：被光激发所产生的载流子仍在物质内部运动，是物质的电导率发生变化或产生光生电动势的现象。外光电效应：被光激发产生的电视逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。半导体对光的吸收：本征吸收，杂质吸收，激子吸收，自由载流子吸收，晶格吸收。能引起光电效应的有：本征吸收和杂质吸收由半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带产生电子-空穴的现象为本征吸收。光电导效应：半导体受光照后，其内部产生光生载流子，是半导体中载流子数量显著增加而电阻减小的现象。光敏电阻：具有光电导材料制成的随入射光度量变化的器件。原理：在两端加上电压，有电流通过，改变光度量，电流改变，说明电阻随光度量变化。分类：本征半导体光敏电阻，杂质型半导体光敏电阻。光敏电阻的基本特性:光电特性：随光度量变化电导变化越大越灵敏伏安特性温度特性：光电导随温度升高而下降光电响应特性受温度影响大时间响应：比其他光电器件差，频率响应低，具有特殊性噪声特性光谱响应：电流灵敏度与波长的关系光敏电阻优点:灵敏度高工作电流大光谱响应范围宽非线性动态范围与所测光强范围宽无极性而使用方便寿命长价格低。缺点：响应时间长频率特性差强光线性差受温度影响大。光敏二极管：工作原理：PN结中原子产生本征吸收，激发原子空穴对，在电场作用下，形成反向的电流。光电二极管特性参数：光谱响应频率响应时间响应噪声温度特性PIN光敏二极管的结构：分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面分别作N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。原理：层很厚，对光的吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对，大幅度提供了光电转换效率，使灵敏度很高，两侧P层和N层很薄，吸收入射光的比例小，I层几乎占据整个耗尽层，提高了响应速度。I层的作用:I层承受着极大部分的外加电压，使耗尽区增大，提高了量子效率和灵敏度使击穿电压不再受到基体材料的限制，可选择低电阻率的基体材料，是线性输出范围变宽，减少了串联电阻和时间常数减少了或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间，提高了响应速度反偏下，耗尽层较无I层时要大得多，使结电容下降，提高频率响应。雪崩光电二极管原理：在光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子-空穴对，只要电场足够强就能继续下去，PN结内电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增。雪崩二极管特点：优点：电流增益大，响应快，灵敏度高，频率宽。缺点：噪声大，工艺要求高，受温度影响大。PIN与雪崩比较：PIN型提高了响应时间，但是未能提高灵敏度，雪崩型提高了灵敏度。雪崩与光电倍增管的区别：光电倍增管中光入射到光电阴极产生电子发射，在电场和电子光学系统的作用后会聚加速到倍增极上，经N极倍增，电子被放大N次，多用于快速精密的微光测量雪崩基于内增益机理，当所加的反向偏压足够大时，在结区产生一个很高的电场，光生电子在这种电场中得到极大加速，同时与晶格碰撞产生电离雪崩反应。光伏器件与光导器件的区别：产生光电变换的部位不同器件连接不同响应时间与频率特性不同工作电流与灵敏度不同光谱响应与光电线性不同。光伏器件的使用要点：注意确定器件引线脚的P,N端注意电源的连接-入射光强与器件的配合使用条件和方法选择负载电阻灵敏度和带宽的折衷器件的使用温度电磁与光的干扰。光电池与光电二极管的区别：基本结构都是一个PN结，都是基于光伏特效应的原理进行工作结面积比光电池小，因而输出电流普遍比光电池小电阻率比光电池高制作衬底材料的掺杂浓度比光电池低光电池零偏下工作，光电二极管在反偏电压下工作响应速度比光电池快。光电池工作原理：PN结的光电效应光电倍增管结构：由入射窗口，光电阴极，电子光学系统，电子倍增系统，和阳极组成。工作原理：光照射到阴极转化成电子，出射到下一电极电子撞到下一电极倍增，更多的电子出射，直奔下一电极经过若干次倍增到达阳极形成信号电流。特性参数：光谱响应度放大倍数暗电流伏安特性时间特性和频率响应PMT噪声。热电检测器件和光电检测器件在特性上有什么不同：光电的波长响应有选择性，热电没有光电响应速度快热释电的优点：具有较宽的频率响应工作频率接近兆赫兹，远远超过其他热探测器的工作频率。热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的探测率比热释电器件稍高，且这一差距还在不断减小热释电器件可以有均匀的大面积敏感面，而且工作时可以不必外加偏执电压与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小热释电器件的强度和可靠性比其他多数热探测器都要好，且制造比较容易。热敏电阻：吸收入射辐射后引起升温而使电阻值变化，导致负载两端电压变化，并放出电信号。特点：温度系数大，灵敏度高结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量稳定性差，互换性差。热释电的特性参数：电压灵敏度噪声响应时间阻抗特性热释电效应：对于某些绝缘体，由于温度的变化引起极化状态改变的现象。工作原理：在外加电场的情况下，带电粒子也受到电场力的作用，使其运动发生变化，形成电流。居里点：温度升高到一定值，自发极化突然消失的温度。光电耦合器件特点：具有电隔离的功能信号传输是单向性的，脉冲直流信号都可以传输具有抗干扰和噪声的能力响应速度快实用性强既具有耦合特性又具有隔离特性。 特性参数：传输特性电流传输比 输入与输出间的寄生电容Cfc最高工作频率 脉冲上升时间和下降时间。隔离特性：输入与输出间隔离电压BUCFO输入与输出间的绝缘电阻RFC。电荷耦合器件CCD工作原理：电荷存储电荷耦合CCD的电极结构电荷的注入和检测 CCD特性参数：转移效率工作效率暗电流灵敏度CCD与CMOS的比较：结构和工作原理：CCD产生图低噪声，高性能，但构造复杂耗电量大，成本高，CMOS通过X-Y寻址技术直接从开关阵列中直接输出，比CCD快，方便。CCD成像系统集成度低，体积大成本高，CMOS成像系统极简，体积小制造：CCD要求严格，要有相当高的工艺和经验，CMOS制造容易性能：CMOS较CCD信号读取方式简单，速度快耗电低，但成像质量和灵敏度CCD要优于CMOS。LED特性参数：发光光谱：发出光的相对强度随波长变化的分布曲线。和发光效率：光通量与输入电能之比时间响应特性和温度特性：温度上升发光效率下降发光亮度与电流的关系最大工作电流：低电流时发光效率岁电流增大而提高，电流增加到一定值发光效率不在提高伏安特性寿命响应时间图像的增强：把强度低于视觉阙值的图像增强到可以观察的程度。图像的变换：把各种不可见图像，如红外图像.紫外图像及X射线图像，转换成可见图像的过程。发光二极管：1.发光机理：PN结处于平衡状态时，存在一定的势垒区。当加正偏电压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的载流子不断复合发光。光电池常用的输出方式有开路和短路，如何选取？采用短路电流输出方式时，入射光强与输出电流成正比因此可用于线性测量。采用开路电压输出方式，入射光强与电流是非线性关系，用于测量信号。光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点。采用阳极接地，负高压供电。这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般阳极分布参数也较小，可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10-20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大的增加阳极暗电流和噪声，如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上要注意安全。采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压，噪声小的隔直电容，只能得到交变信号输出，可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声。为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？因为PN结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。PN结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为PN结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特效应？PN结在外加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩建运动加强，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一