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光电子技术复习专题二,第三章如何正确理解光电二极管的全电流方程？,在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如图3-2所示。其电流方程为,（3-1）,ID为U为负值（反向偏置时）且 时(室温下kT/q0.26mV，很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。,当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上时，,光电二极管的全电流方程为,式中为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。,（3-2）,如何正确理解光电二极管的灵敏度：,1.光电二极管的灵敏度,定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化d）引起电流变化dI与辐射量变化之比。,（3-3）,显然，当某波长的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光电转换特性的线性关系。必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时通常定义其峰值响应波长的电流灵敏度为光电二极管的电流灵敏度。在式（3-3）中，表面上看它与波长成正比，但是，材料的吸收系数还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。,光电二极管的噪声,光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要因素。,散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，它与电流的关系,(3-6),光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流Is和背景辐射引起的背景光电流Ib，因此散粒噪声应为,(3-7),根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与入射辐射的关系，得到,(3-8),再考虑负载电阻RL的热噪声,(3-9),目前，用来制造PN结型光电二极管的半导体材料主要有硅、锗、硒和砷化镓等，用不同材料制造的光电二极管具有不同的特性。,噪声,由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所示的散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。,（3-15）,式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管为2.3n2.5。显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。因此，随着M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。,热敏电阻,5.2.1 热敏电阻,1.热敏电阻及其特点,凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点：热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一般金属电阻大10100倍。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。阻值与温度的变化关系呈非线性。不足之处是稳定性和互换性较差。,2.热敏电阻的原理、结构及材料,大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温情况下的使用。,半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种无选择性的光敏电阻。,一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。因此，当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加，也即由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数，而由半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性。图5-1所示分别为半导体材料和金属材料（白金）的温度特性曲线。白金的电阻温度系数为正值，大约为0.37%左右；将金属氧化物（如铜的氧化物，锰-镍-钴的氧化物）的粉末用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%-6%，约为白金的10倍以上。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重的金属。,较大的温升）粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接，再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。,红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力，常将热敏元件的表面进行黑化处理。,由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻（因为在相同的入射辐射下得到,热敏电阻的参数,热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电阻-温度特性热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系，这是它的基本特性之一。电阻温度特性曲线如图5-1所示。热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系数与负温度系数两种，分别表示为：正温度系数的热敏电阻（5-16）负温度系数的热敏电阻（5-17）,式中，RT为绝对温度T时的实际电阻值；分别为背景环境温度下的阻值，为与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数；A、B为材料常数。,对于正温度系数的热敏电阻有,对于负温度系数的热敏电阻有,式中，RT为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。由式（5-16）和（5-17）可分别求出正、负温度系数的热敏电阻的温度系数aT。aT表示温度变化1时，热电阻实际阻值的相对变化为,式中，aT和RT为对应于温度T（K）时的热电阻的温度系数和阻值。,对于正温度系数的热敏电阻温度系数为,aT=A（5-19）,对于负温度系数的热敏电阻温度系数为,（5-20）,可见，在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的aT在数值上等于常数A，负温度系数热敏电阻的aT随温度T的变化很大，并与材料常数B成正比。因此，通常在给出热敏电阻温度系数的同时，必须指出测量时的湿度。,材料常数B是用来描述热敏电阻材料物理特性的一个参数，又称为热灵敏指标。在工作温度范围内，B值并不是一个严格的常数,而是随温度的升高而略有增大，一般说来，B值大电阻率也高，对于负温度系数的热敏电阻器，B值可按下式计算：,（2）热敏电阻阻值变化量,（5-21）,已知热敏电阻温度系数aT后，当热敏电阻接收入射辐射后温度变化T，则阻值变化量为 RT=RTaTT,式中，RT为温度T时的电阻值，上式只有在T不大的条件下才能成立。,（3）热敏电阻的输出特性,热敏电阻电路如图5-5所示，图中，。若在热敏电阻上加上偏压Ubb之后，由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而负载电阻电压增量,热释电效应的原理,热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在10.01s范围内，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4 310-5 s；热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小；热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压；,5.3.1 热释电器件的基本工作原理,与5.2节讨论的热敏电阻相比，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它多数热探测器都要好，且制造比较容易。,1.热释电效应 电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图5-12所示的电介质的上下两侧加上如图所示的电场后，电介质产生极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也是一种电流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止。,位移电流Id,-位移电流,在充放电过程中：,S,液晶显示器（LCD）,液晶：一些有机化合物既具有液态的流动性，又具有晶体的各向异性。,微小的外部能量电场、磁场、热能等就能实现各分子状态间的转变，从而引起液晶的光、电、磁的物理性质发生变化。,液晶分子的形状呈棒状，宽约十分之几纳米，长为数纳米。,液晶材料用于显示是利用它在电场作用下，光学性质发生变化从而对外部入射光产生调制。,实用中是用30多种单质液晶组成混合液晶。,向列相液晶分子是液晶显示的主要材料。,一、线偏振光在向列液晶中的传播,关于液晶介电常数；定义：,P型液晶；,外电场作用时，分子长轴方向与外电场平行。,N型液晶；,外电场作用时，分子长轴方向与外电场垂直。,液晶显示主要使用P型液晶。,P型液晶是正单轴晶体，分子长轴方向就是光轴。,线偏振光正入射P型液晶材料，如果其偏振方向与光轴平行或垂直，则它的偏振方向和传播方向都不改变。,二、扭曲向列型液晶器件（TN-LCD）,液晶盒：,封装液晶的间隙只有几m。,定向层：使液晶分子从上到下扭曲90。,TN-LCD的工作原理,采用光刻技术，制作ITO玻璃上的显示电极,加电压到相应电极上，可实现所期望的显示。,在下偏振片后再贴一块反光片，就成为反射式液晶显示器,TN-LCD的电光特性,：电压有效值,电光特性与显示对比度相关。,TN-LCD的响应时间在80ms左右。,三、超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）,在液晶显示电极上加信号，是用矩阵寻址法，即X-Y寻址。,TN-LCD的液晶分子的扭曲角为90，电光特性曲线不够陡峭。在用矩阵寻址法驱动时，有明显的交叉效应。,交叉效应随矩阵行、列数目的增大而加剧，使图像对比度降低，质量变差。,STN-LCD使液晶分子的扭曲角增加到180270，大大提高了电光特性的陡度。,STN-LCD利用了超扭曲和双折射两个效应，是基于光学干涉的显示器件。,对STN-LCD的有色背景进行补偿，实现黑白显示,实现黑白显示后，再加彩色滤色器，就可实现彩色显示,STN-LCD的电光响应时间大于100 ms。,有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD）,在每一个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，克服交叉效应，可以提高液晶的分辨率和实现多灰度级显示。,TFT-LCD就是目前性能较好的AM-LCD器件。,存储效应，得到对比度很高的显示质量。,多灰度级显示彩色显示,LCD的特点和应用,器件厚度仅数毫米，非常适于便携式装置的显示。,工作电压仅几伏，用CMOS电路可直接驱动。功耗很低。,采用彩色滤色器，易实现彩色显示。,LCD已成为应用最广泛的平板显示器之一。,应用于仪器仪表、手机等显示，还有 计算机显示器、液晶彩电、液晶投影机等，市场十分广阔。,二、有机电致发光器件OLED,LED是无机电致发光，OLED是有机 荧光材料作为发光物质，结构和发光机理上类同于无机LED器件。,（Organic light emitting diode）,LED显示器,一、发光二极管大屏幕显示超高亮度红、绿、兰LED组成平板阵列，进行大屏幕显示，已是现代化社会的一道风景。,ETL：电子传输层 EML：发光层 HTL：空穴传输层,有机材料,OLED发光有五个步骤：,载流子电子和空穴分别从阴极、阳极注入ETL、HTL。,载流子分别从ETL和HTL向EML迁移。,载流子在EML中复合并产生激发子（Exciplex）。,激子迁移,传递能量给发光分子，使其 电子从基态跃迁到激发态。,激发态电子跃迁回低能态，产生辐射。,OLED是一种高亮度、宽视角、全固化的主动发光型显示器件。主要优点：,发光亮度可达几百上万cd/m2，电视才100cd/m2。,低电压驱动：十几V几V；功耗低。,有机材料易得，制备工艺简单，易制成大面积显示器件，可以做成能弯曲的柔软显示器。,很多有机物都可实现红、绿、蓝，易实现高分辨率的彩色显示屏。,超轻、超薄（厚度可低于1mm），响应速度是液晶 的1000倍，实现精彩的视频播放大面积“薄膜电视”。,OLED制造成本低，将会逐渐取代LCD。,AC-PDP,DC-PDP,AC-PDP是PDP技术的主流,气体放电 等离子体 激发气体原子辐射紫外光(UV)激发相应荧光粉，产生红、绿、蓝可见光。,是利用气体放电而发光的平板显示屏,6.3等离子体显示器-PDP（Plasma Display Panel）,DMD是带有集成微镜部件的微电子机械光调制器，由百万个方形微镜（如1616m2）组成二维阵列。,一、DMD的结构和工作原理,数字微反射镜器件DMD是其核心装置。（Digital Micromirror Device）,DLP投影显示,DLP（Digital Light Processing）实现了最终的显示环节的完全数字化,DMD芯片,每个微镜对应一个像素，微镜反射照明光，投射出去，在屏幕上形成图像。,Mirror+10,Mirror-10,CMOS,图像R、G、B二进制数据控制微铰链，微铰链控制每个镜片偏转，以通断一个像素的光。,脉冲宽度调制（PWM）技术允许10比特灰度等级再现。,为了实现彩色显示，DLP投影机有三片式、单片式、两片式等不同档次的产品。,三片式：即用三个DMD装置。每个DMD分别用R、G、B数据控制。,单片式：即用一个DMD装置。投影灯光先通过一个色轮再投射到DMD上。DLP工作在顺序颜色模式，利用视觉暂留作用。,双片式：即用两个DMD装置。性价比较好。,DLP投影显示的技术优势,完全的数字化显示，这是独有的特色。,反射显示，光能利用率高。,优秀的图像质量。DMD填充因子大于90%，称为“无缝图像”。,DLP系统可靠性很高，寿命长。,DLP投影显示方兴未艾，已成为主流产品。其核心技术已运用到全光通信MEMS交叉连接器中。,可分为两大类：*光电发射型摄像管 利用外光电效应*视像管 利用内光电效应,摄像管,摄像管是能够输出视频信号的真空光电管,光电发射型摄像管,视像管,视像管基本结构：光电靶 完成光电转换、信号存储 电子枪 完成信号扫描输出,氧化铅视像管结构与工作原理,管子结构,氧化铅PIN靶,PIN光电靶：反向偏置，扫描面形成正电位图像电子枪：发射电子束，按电视制式扫描正电 位图像，输出视频信号,像素：组成图像的最小单元。摄像管像素大小由电子束截面积决定。,在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极结成通路。这个像素的光电流由PN，流过负载RL,产生负极性图像信号输出。同时，扫描电子束使P层电位降至阴极电位（图像擦除）。,电荷耦合器件,CCD图像传感器主要特点：固体化摄像器件很高的空间分辨率很高的光电灵敏度和大的动态范围光敏元间距位置精确,可获得很高的 定位和测量精度信号与微机接口容易,CCD(Charge Coupled Devices),电荷耦合摄像器件,电荷耦合器件（CCD）特点以电荷作为信号。CCD的基本功能电荷存储和电荷转移。CCD工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。,（1）、CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容。,电荷耦合器件的基本原理,一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。,CCD图像传感器的不足：驱动电路与信号处理电路难与CCD单片集 成，图像系统为多芯片系统；电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压；图像信息不能随机读取。,采用标准 CMOS工艺的固体摄像器件,CMOS图像传感器,CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）,CMOS图像传感器的特色,是单芯片成像系统。这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，仅消耗几十毫瓦功率，功耗极低。可实现随机读取图像信息。,一.CMOS图像传感器结构,总体结构框图,像元结构：,无源像素(PPS)结构有源像素(APS)结构,PPS的致命弱点是读出噪声大,主要是固定图形噪声，一般有250个均方根电子。,光电二极管型(PD-APS）：读出噪声典型值为(75100)个均方根电子。适用于大多数中低性能成像。,光栅型（PG-APS）：读出噪声小，目前已达到5个均方根电子。用于高性能科学成像和低光照成像。,二.CMOS摄像机的应用,由于CMOS摄像机节能、高度集成、成本低等独特优点，使CMOS摄像机具有很多应用领域:,移动通信:与手机集成,成为移动可视电话；,视频通信:视频聊天、可视电话、视频会议；,保安监控:大量安装的电子眼,且CMOS摄 像机可做到纽扣大小,用于隐型摄像;,作数码相机;,用于游戏市场;,用在汽车上,如可设计成汽车自动防撞系统、防出轨系统,大大提高汽车运行的安全性;,用于生物特征识别，如指纹识别仪等；,CMOS摄像机在医学领域有很好的发展空间，如可以在患者身体安装小“硅眼”，应用药 丸式摄像机等；,用于需要高速更新的影像应用领域：航 天、核试验、快速运动、瞬态过程等。,三.发展趋势,早期CMOS比CCD成像质量差，响应速度 慢，人们主要采用CCD摄像机。近年来，采用有源像素结构等一系列技术措施,使 CMOS的成像质量与CCD相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面优于CCD。,CMOS图像传感器必将成为摄像器件的主流!,CMOS摄像器件,采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统 Camera-On-A-Chip,1 CMOS像素结构,无源像素型（PPS）有源像素型（APS）,无源像素结构,无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。,MOS 摄像器件的工作原理：,有源像素结构,光电二极管型有源像素（PDAPS）,大多数中低性能的应用,光栅型有源像素结构（PGAPS）,成像质量较高,CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为20%-30%。在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。,外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息,CMOS摄像器件的总体结构,CMOS摄像器件的结构：,APS(Active Pixel Structure)：由1990s中期NASA引入CMOS 图像传感器，解决了噪声问题。像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用微透镜和滤色片组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。,CMOS与CCD器件的比较,CCD摄像器件灵敏度高、噪声低、像素面积小难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高,CMOS摄像器件集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低需进一步提高器件的信噪比和灵敏度,Eric R.Fossum.CMOS Image Sensors:Electronic Camera-On-A-Chip.IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES,1997,44(10):1689-1698,
