第3章半导体光电检测器件及应用ppt课件.ppt

第3章 半导体光电检测器件及应用,3.1 光敏电阻,光敏电阻是光电导型器件。光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。,光敏电阻(LDR)和它的符号：,符号,3.1.1 光敏电阻的结构及其工作原理,光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。,光敏电阻在电路图中的符号,本征型和杂质型光敏电阻,本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能E 时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。,光电导与光电流,光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。光电流：亮电流和暗电流之差：I光=IL-Id光电导：亮电流和暗电流之差：g=gL-gd,无光照，暗电导率：光照下电导率：,光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光电流与光照强度电阻结构的关系。,其中，,附加光电导率,简称光电导：光电导相对值：要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0和n0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。,当光照稳定时，光生载流子的浓度为：无光照时，光敏电阻的暗电流为：光照时，光敏电阻的光电流为：,光敏电阻的基本结构,光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l 的二分之三次方成反比；都与两电极间距离l 有关。,根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图所示的3种基本结构，（a）所示光敏面为梳形的结构。,3.1.2 光敏电阻特性参数,光电特性伏安特性频率特性和时间响应温度特性,实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电特性可用在“恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流Ip 与作用到光敏电阻上的光照度E 的关系曲线来描述。,光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导，该电导称为暗电导。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的光电特性。,光电特性光电流与入射光照度的关系：,光电导灵敏度:光电导g与照度E之比.,不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。,如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip 与入射光照度E 之间的关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。,在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为：,式中Sg为光电导灵敏度，E为光敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性；随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线形。,(1)弱光时，=1，光电流与照度成线性关系；(2)强光时，=0.5，光电流与照度成抛物线；强光照下，光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）,光敏电阻随光度量变化的光电特性，可用一个的指数伽玛（）来描述，并定义为光电转换因子。,在弱光照下，光电流与E 具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。,光电导增益 光电导增益反比于电极间距的平方。量子效率：光电流与入射光子流之比。,伏安特性,在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。不同光照度对应不同直线,光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数 半导体，当 电场强度超过（强光时），不遵守欧姆 定律。硫化镉例外，其伏安特性在100多伏就不成线性了。光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。,受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。,光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。另外，光敏电阻时间常数与输入光的照度有关，照度越大，光敏电阻越小，导致弛豫时间越小。例如：E=0.11(lx)时,tr=1.4(s);E=10(lx)时,tr=66(ms);E=1000(lx)时,tr=6(ms)。,频率特性,光敏电阻的时间响应特性较差材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：停止光照，光生载流子浓度的变化为：,响应时间,温度特性,光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。,图中所示为典型CdS与CdSe光敏电阻的温度特性曲线。以室温（25）的相对光电导率为100%，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。,温度特性曲线,光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。,温度的变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。,所以，为了提高灵敏度，要采取制冷措施，尤其是红外探测器。因为杂质型半导体极易受温度影响。,光敏电阻的特点,1、优点：灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度所测光强范围宽，可测强光、弱光,2、不足：强光下光电转换线性差光电导弛豫时间长受温度影响大由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗进行动态设计时，应考虑光敏电阻的频率特性,光敏电阻参数,使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）。光敏面：1-3 mm工作温度：-40 80 oC温度系数：1极限电压：10 300V耗散功率：100 W时间常数：5 50 ms光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外暗电阻：108 欧姆亮电阻：104 欧姆,典型光敏电阻,1、硫化镉（CdS）光敏电阻,CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。,CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52m，CdSe光敏电阻为0.72m，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.520.72m范围内。,2、硫化铅（PbS）光敏电阻,PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。,PbS光敏电阻在2m附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。,PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为13.5m，峰值波长为2.4m，峰值比探测率D*高达11011cmHzW-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为14m，峰值响应波长移到2.8m，峰值波长的比探测率D*也增高到21011cmHzW-1。,3、锑化铟（InSb）光敏电阻,InSb光敏电阻是35m光谱范围内的主要探测器件之一。,InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。,InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5m，峰值波长在6m附近，比探测率D*约为11011cmHzW-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5m缩短到5.5m，峰值波长也将移至5m，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到21011cmHzW-1。,4、Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件,Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于48m大气窗口波段辐射的探测更为重要。Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为0.180.4，长波长的变化范围为130m。,光敏电阻的应用,基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。,3.2.1 光电池,光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。,3.2 光生伏特器件,光电池的结构特点,光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层。或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是N型层。,受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用。上电极做成栅状，为了更多的光入射。由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。,光电池等效电路,Rd,IP为光电池等效电路中的恒流源；,Is为光电池等效二极管反向饱和电流；,q为电子电荷量；,V为光电池输出电压；,Rd为光电池等效电路中串联电阻，很小，可以忽略：,当 IL=0 时,得到开路电压：,当 V=0 时,得到短路电流：,Isc与入射光强度成正比；,开路电压Voc与入射光强度的对数成正比。,光电池的特性,1、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。,光电池伏安特性曲线,反向电流随光照度的增加而上升,2、光电池的输出功率,负载所获得的功率为 PL=IL 2RL 显然，负载电阻RL所获得的功率PL与负载电阻的阻值有关，当RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率PL=0；当RL=（电路为开路）时，IL=0，输出功率PL=0；RL0时，输出功率PL0。显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax。,通过对 上式求关于RL的1阶倒数，当RL=Ropt时，求得最佳负载电阻Ropt的阻值。在实际工程计算中，常通过分析输出特性曲线得到经验公式，即，当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压,U=Um=(0.60.7)Uoc而此时的输出电流近似等于光电流，即,其中，S 为硅光电池的电流灵敏度。,i,硅光电池的最佳负载电阻Ropt为,从上式可以看出硅光电池的最佳负载电阻Ropt与入射辐射通量有关，它随入射辐射通量的增加而减小。负载电阻所获得的最大功率为 Pm=Im Um=(0.60.7)UocIp,3、时间和频率响应 硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池,要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。,开路电压下降大约23mV/度短路电流上升大约10-510-3mA/度,4、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。,5、光谱响应度,硅光电池 响应波长0.4-1.1微米，峰值波长0.8-0.9微米。硒光电池 响应波长0.34-0.75微米，峰值波长0.54微米。,6、光电池的光照特性,连接方式：开路电压输出-(a)短路电流输出-(b),光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。,光照特性-开路电压输出：非线性(电压-光强)，灵敏度高；短路电流输出：线性好(电流-光强)，灵敏度低；开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）。,负载RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。,光电池的应用,1、光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。2、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。,硅太阳能电池,硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。,非晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺,具有较多的优点,例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约90%有用的太阳光能。非晶硅太阳能电池的稳定性较差,从而影响了它的迅速发展。,化合物太阳能电池,三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等;二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、CaS/CdTe电池等。在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效率最高,可达28%;,GaAs砷化镓太阳能电池,Ga是其它产品的副产品,非常稀少珍贵;As 不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。,太阳能,太阳能特点：无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。,光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。,光敏二极管,3.2.2 光电二极管与光电三极管,在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。,光敏二极管结构,光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。,与光电池相比：共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效 应，SiO2保护膜不同点：（1）结面积比光电池的小，频率特性好（2）光生电势与光电池相同，但电流比光电 池小（3）可在零偏压下工作，更常在反偏压下工作,光电二极管（光敏二极管）,光敏二极管符号 光敏二极管接法,外加反向偏压,可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。,光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。,扩散型P-i-N硅光敏二极管,扩散型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管,选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管。i层所起的作用:(1)为了取得较大的PN结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。而i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。(2)反偏下，耗尽层较无i层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应。,PIN管的最大特点是：,频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。缺点:由于I 层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。,雪崩光敏二极管,由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。通过一定的工艺可以使它在1.06微米波长处的量子效率达到30，非常适于可见光及近红外区域的应用。,当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。,雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线,在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加从B点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中c点以右的区域。因此，最佳的偏压工作区是c点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。,雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。,雪崩光电二极管与光电倍增管比较,体积小结构紧凑工作电压低使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测,光敏二极管阵列,将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。,象限探测器,象限探测器有二象限和四象限探测器，又分光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器，中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探测器有完全相同性能参数。当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。,光敏三极管（光电三极管）,光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。日前用得较多的是NPN和PNP两种平面硅光电三极管。,NPN光电三极管结构原理简图,光电三极管工作原理,NPN光电三极管（3DU型），使用时光电二极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结(基集结)处于反向偏置，基极电流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。,发射结,集电结,基极,发射极,集电极,如同普通三极管的发射结(基发结)加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。这样晶体三极管起到电流放大的作用。由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。,光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线性差线性差主要是由电流放大倍数的非线性所致在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。,光电三极管的光照特性,光敏三极管的伏安特性 硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流在微安量级。在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管有光电流输出。工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时间隔较均匀，在高照度时曲线越来越密,硅光电三极管,硅光电二极管,光敏三极管的温度特性 温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。精密测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电二极管大得多,光敏三极管的（调制）频率特性 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。,光电倍增管的原理,光电倍增管（Photo-multiplier tube，简称为PMT）是一种真空光电发射器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。如图所示为光电倍增管原理示意图。,光电倍增管的优缺点,放大倍数很高，用于探测微弱信号；光电特性的线性关系好；工作频率高；性能稳定，使用方便；供电电压高；玻璃外壳，抗震性差；价格昂贵，体积大。,光电倍增管组成,光窗（Input window)光电阴极(Photo cathode)电子光学系统电子倍增系统(Dynodes)阳极(Anode),光电倍增管工作原理,原理图,光电阴极,倍增极,阳极,电子光学系统,光电倍增管分类,1.按进光方式：A侧窗式 B端窗式；2.电极工作方式：A透射式 B反射式；3.倍增极数目：A单极 B多极；4.倍增极系统结构：A盒状 B圆笼式 C百叶窗式 D直线瓦片式；5.光电阴极材料：CsSb、Ag-O-Cs、碱,光电倍增管的结构,1、电子光学系统指光电阴极至第一倍增极之间的区域。电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极组成。要求：（1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极的有效区域内；（2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增极所经历的时间尽可能一致。,2、倍增系统（Dynodes）,倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由二次电子发射体构成。要求：二次电子发射系数要大 倍增极分类：非聚焦型只加速 聚 焦 型加速聚焦,倍增极结构,1）倍增极材料,锑化铯（CsSb）材料具有很好的二次电子发射功能，它可以在较低的电压下产生较高的发射系数，电压高于400V时的值可高达10倍。,氧化的银镁合金材料也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比二次电子发射能力稍差些，但它可以工作在较强电流和较高的温度（150）。,铜-铍合金（铍的含量为2%）材料也具有二次电子发射功能，不过它的发射系数比银镁合金更低些。新发展起来的负电子亲和势材料GaPCs，具有更高的二次电子发射功能，在电压为1000V时，倍增系数可大于50或高达200。,（2）倍增极结构 光电倍增管按倍增极结构可分为聚焦型与非聚焦型两种。非聚焦型光电倍增管有百叶窗型（图4-4（a）与盒栅式（图4-4（b）两种结构；聚焦型有瓦片静电聚焦型（图4-4（c）和圆形鼠笼式（图4-4（d）两种结构。,3、阳极,阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。阳极结构示意图,要求：接收性能良好，尽可能多的收集电子，工作在较大电流时，不至于产生空间电荷效应。输出电容要小。,光电倍增管使用注意要点,不宜用强光，容易引起疲劳额定电压和电流内工作入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应电场屏蔽和磁屏蔽测交变光时，负载电阻不宜过大,3.2.4 光电耦合器件,定义：发光器件与光接受器件的组合器件。类型：光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，又能实现电路间的电气隔离和消除噪声。光传感器：用于检测物体的位置或物体有无的状态。发光器件：LED，LD，灯等光接受器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。,1.PN结注入发光,PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图6-1 所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。,工作原理与特点,发光器件与光接受器件封装一体，但不接触，有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。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），体积小，寿命长，使用方便；既有耦合特性，又有隔离功能；,光电耦合器件的应用,代替脉冲变压器耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小；代替继电器使用，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；作为计算机主机与输入输出端的接口，大大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。,光电耦合器件的应用,用于电平转换,工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不尽相同，如TTL的电源为5V，HTL为12V，PMOS为22V，CMOS则为520V。如果在系统中必须采用二种集成电路芯片，就必需对电平进行转换，以便逻辑控制的实现。,图中所示为利用光电耦合器件实现PMOS电路的电平与TTL电路电平的转换电路。光电耦合器件不但使前后两种不同电平的脉冲信号耦合起来而且使输入与输出电路完全隔离。,用于遮挡,下图所示典型应用电路中左侧的输入电路电源为13.5V的HTL逻辑电路，中间的中央运算器、处理器等电路为+5V电源，后边的输出部分依然为抗干扰特性高的HTL电路。,将这些电源与逻辑电平不同的部分耦合起来需要采用光电耦合器。,输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的TTL电路，TTL电路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的HTL电路，光电耦合器成了TTL和HTL两种电路的媒介。,用于遮挡,隔离方面的应用,有时为隔离干扰，或者为使高压电路与低压信号分开，可采用光电耦合器。在电子计算机与外围设备相连的情况下，会出现感应噪声、接地回路噪声等问题。为了使输入、输出设备及长线传输设备等外围设备的各种干扰不窜入计算机，以便提高计算机工作的可靠性，亦采用光电耦合器把计算机与外围设备隔离开来。,可控硅控制电路中的应用,可控硅整流器，或SCR，是一种很普通的单向低压控制高压的器件，可以将其用于光触发的形式。同样，双向可控硅是由一种很普通的SCR发展改进的器件，它也可用于光触发形式。将一只SCR和一只LED密封在一个封装中，就可以构成一只光耦合的SCR；而将一只双向可控硅和一只LED密封在一个封装中就可以制成一只光耦合的双向可控硅。,用于遮挡,3.2.5 光电位置敏感器件（PSD）,PSD用于测量光斑的位置或位置的移动量；光束入射光敏层,在入射位置产生与入射辐射成正比的信号电荷,该电荷形成的光电流(I1,I2)由信号电极1和2输出，为公共电极；X:位置信号。I0=I1+I2,CCD,CCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device)。CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。,CCD的发明者获2009年诺贝尔物理奖,1969年，美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉波义耳（Willard Boyle）和乔治史密斯（George E.Smith）发明了电荷耦合元件（CCD）。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式记忆体。将这两种新技术结起来後，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为电荷气泡元件（Charge“Bubble”Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用注入电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。到了1970年代，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中仙童半导体公司的产品率先上市，於1974年发表500单元的线性装置和100 x100像素的平面装置。2006年元月，波义耳和史密斯获颁电机电子工程师学会（IEEE）颁发的Charles Stark Draper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。,CCD的结构,MOS 光敏元：构成CCD的基本单元是MOS(金属氧化物半导体)结构。,（型层）,电极,在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。当UG Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。,电荷存储,电荷的转移（耦合）,电荷的转移（耦合）,第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1m的间隙长度是足够了。,CCD主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。输入部分：将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。,CCD的工作原理,P-Si,输入,栅,输入二极管,输出二极管,输出,栅,SiO2,CCD器件的输出端也是 一个二极管和一个输出控制栅极。平时在输出端控制栅上加一个比转移电极更大的电压VGO，以造成更深的势阱，把信号电荷全部收齐。在输出二极管上加负载电阻，即可获得输出电压。如图(b)所示。如果输出信号较小，在输出端可集成一个结型场效应三极管作为放大器，把信号放大后再输出，如图(c)所示。图(d)是CCD的MOS放大输出级电原理图，其中OD为输出管漏极，OS为输出管源极。,在CCD栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。为了实现电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。,CCD的工作原理,CCD的特点,体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高。高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有1520的残象)集成度高可用于非接触精密尺寸测量系统。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。,CCD的特性参数,像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素数是指CCD上感光元件的数量。44万（768*576）、100万（1024*1024）、200万（1600*1200）、600万（2832*2128）信噪比：典型值为46分贝感光范围 可见光、红外,CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 表面沟道CCD(简称SCCD)。2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。,CCD的类型,CCD的类型,线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。,线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低；面阵CCD:整幅图像；直观；价格高，体积大；,面阵CCD芯片,CCD在检测方面的应用,几何量测量自动步枪激光模拟射击系统。图象检测光谱测量光谱仪输出信号测量。,CCD图像传感器应用 CCD图像传感器在许多领域内获得了广泛的应用。前面介绍的电荷耦合器件(CCD)具有将光像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能，所以它是构成CCD固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。CCD图像传感器具有高分辨率和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛应用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。CCD图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。下面是一个利用CCD图像传感器进行工件尺寸检测的例子。,CCD图像传感器工件尺寸检测系统,上图为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理，整个过程由微机控制完成。根据光学几何原理，可以推导被测物体尺寸的计算公式，即：,式中：n覆盖的光敏像素数；p像素间距；M倍率。,微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。任何能够用光学成像的零件