新型检测光电

新型检测课件光电第一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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光电器件的应用第二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.光电式传感器用途第四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

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).第五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三美国：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.第六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三中国：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.第七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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：①从单晶体到多晶体、非晶体；②从单一型材料到复合材料；③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。

第九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.所谓光电效应第十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.--光电效应方程式第十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

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第十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

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.第十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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,即第十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三·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1.8um，短波限一般在0.4~0.5左右.

第十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第二十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第二十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第二十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第二十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

·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.第二十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第二十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三：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.第二十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三：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.第二十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三：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10-1~10-3S.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.第二十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

·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.第二十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三--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.第三十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第三十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第三十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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0.45~1.1um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三十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第三十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第三十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第三十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第三十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

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)第三十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第三十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三·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.第四十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

·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.第四十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

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0.4~1.0um波长范围内,最灵敏峰在0.98um附近；·锗管响应频段约在0.5~1.7um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四十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第四十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第四十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第四十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三·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.第四十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三·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).第四十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第四十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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4~14,值为3~6.·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.第四十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第五十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第五十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三：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、Ⅱ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Ⅲ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.第五十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章光电式传感器

电荷藕合器件(ChargeCoupledDevices,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.第五十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第五十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三基本原理：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.第五十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第五十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第五十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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第五十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三·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

第五十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三·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

第六十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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

第六十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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.第六十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三·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.第六十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.第六十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三目前,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)面阵电荷耦合器件第六十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三光电位置敏感器件(PositionSensitiveDetector,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INPSD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.第六十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第七章§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.IN第六十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三·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+IBIN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。第六十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

PSD有两种：一维PSD和二维PSD。一维PSD是用来测量光点在直线方