光电检测技术第三章.ppt

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1、第三章 光电检测器件,3.1 光电探测器的原理3.2 光电子发射器件3.3 光电导器件3.4 光伏探测器件3.5 光电耦合器件,光电效应,光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光生电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应,3.1 光电探测器的原理,外光电效应：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体,光电效应,光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象光生伏特效应：光照在半导体PN结

2、或金属半导体接触上时，会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。（1）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。（2）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）。,内光电效应,光热效应,光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在两结点间产

3、生电动势，回路中产生电流,光电检测器件的类型,光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。光电检测器件分为两大类：光子(光电子)检测器件热电检测器件,光电检测器件,光子器件,热电器件,真空器件,固体器件,光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管,光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD,热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器,半导体光电器件光电导器件（内光电效应）光敏电阻（单晶型、多晶型、合金型等）光伏器件 光电池 光电二极管/三极管真空光电器件（外光电效应）光电管光电倍增管热电检测器件热敏电阻热电偶和热电堆热释电探测器件,光电器件的分类,光电检测器

4、件的特点,器件的基本特性参数,响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度,一、响应特性,1.响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应率和电流响应率,电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比,.光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比3.积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度,.响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测

5、器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。,光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率 为时间常数（等于RC）,.频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。,：上限截止频率 时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽,二、噪声特性,在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。,用均方噪声来表示

6、噪声值大小,噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。,光电探测器常见的噪声,热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声,1、热噪声,或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声

7、。,2、散粒噪声,散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明，散粒噪声具有支配地位。例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。,3、产生-复合噪声,半导体受光照，载流子不断产生-复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏,4、1/f噪声,或称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已

8、衰减到可忽略不计。,、信噪比,信噪比是判定噪声大小的参数。是负载电阻上信号功率与噪声功率之比若用分贝（dB）表示，为,、噪声等效功率(NEP),定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。,噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为,、探测率与归一化探测率,探测率D定

9、义为噪声等效功率的倒数 经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大 器带宽f 乘积的平方根成正比归一化探测率D*，即 D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。,三、量子效率（）,量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1实际上，1量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。,量子效率与响应度的关系,1.I/q：每秒产生的光电子数2.P/h：每秒入射的光子数,四、线性度,线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。非线性误差：max/(I2 I1)

10、max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差；I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。,五、工作温度,工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。光电探测器在不同温度下，性能有变化。例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。,3.2 光电子发射器件,光电管 真空光电管、充气光电管光电倍增管,光电管及其基本特性,光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃

11、管的中央。,当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为：根据能量守恒定律有m为电子质量；v为电子逸出的初速度。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是 A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长K为：式中，c为光速；A为逸出功。,光电管工作原理,光电

12、管的类型,中心阴极型：这种类型由于阴极面积很小，受照光通量不大，仅适用于低照度探测和光子初速度分布的测量。中心阳极型：这种类型由于阴极面积大，对入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光电子从光阴极飞向阳极的路程相同，电子渡越时间的一致性好；其缺点是光电子接收特性差，需要较高的阳极电压。半圆柱面阴极型：这种结构有利于增加极间绝缘性能和减少漏电流。平行平板极型：这种类型的特点是光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹，电极对于光线入射的一致性好。带圆筒平板阴极型：它的特点是结构紧凑、体积小、工作稳定。,光电管结构,光电管测量电路图,光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图所示。在入射光频率大于“红

13、限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。电流I和电阻RL上的电压降U0就和光强成函数关系，从而实现光电转换。,伏安特性光照特性光谱特性响应时间峰值探测率温度特性,光电管的特性参数,1.伏安特性,在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。,光电管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,20

14、0,0,2,4,6,8,10,12,阳极与末级倍增极间的电压/V,IA/A,2.光照特性当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。,曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。,光电管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/A,1.0,2.5,1,3.灵敏度,说明：阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化

15、而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。,光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。,光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成。分类：端窗式（透射式阴极，通过管壳的端面接收入射光）侧窗式（反射式阴极，通过管壳的侧面接收入射光）,光电倍增管,光电倍增管,光电倍增管的基本电路,变化缓慢的入射光通量：电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接，从而使它能够响应。当入射光通量为脉冲通量时，则应将电源的负端接地，因为光电

16、倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接入，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。,光电倍增极材料,要求：耐撞击、稳定性好、使用温度高等锑化铯：具有高的倍增系数，但使用温度不超过60，在倍增电流较大时，倍增系数显著下降。银镁合金：倍增系数高，稳定性好，使用温度不超过150，可用于电流较大的倍增管中。铜铍合金和负电子亲和力倍增材料：减少倍增级数，提高光电管的频率响应和降低散粒噪声。,阴极灵敏度 红外灵敏度来表示：红光灵敏度与白光灵敏度之比阳极灵敏度 阳极输出电流与阴极光通量之比,光电倍增管特性参数,1.灵敏度,2.暗电流 光电倍

17、增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。阳极输出电流：暗电流和信号电流说明：暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。,3.放大倍数,在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极倍增电流和阴极信号电流之比成为放大倍数或电流增益G:,光电倍增管的特性曲线,4.光谱响应度,光谱响应率：光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为：,测量S()十分复杂，因此在一般测量中都是测量它的相对值。为此，可以把S()中的最大值

18、当作一个单位对所有S()值进行归一化，这时就得到,s()称为光电倍增管的相对光谱响应率，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱响应曲线。s()1，是一个无量纲的量，只表示光电倍增管的光谱响应特征。,5.光照特性,与直线最大偏离是3%,一、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。硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.,3.3 光电导探测器件,光敏电阻的特点：,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

19、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,1.光敏电阻的工作原理,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。（如下图）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。,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。

20、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,光敏电阻的工作特性,光电特性伏安特性时间响应和频率特性温度特性,光电特性：光电流与入射光照度的关系：(1)弱光时

21、，=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）,光敏电阻的光电特性,在弱光照下，光电流与照度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。,光电导灵敏度:光电导g与照度E之比.,说明：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。,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

22、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,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。,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,随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，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。尤其是红外探测

23、器要采取制冷措施,温度特性,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。,光电池光电二极管光电三极管,3.4 光伏探测器件,硅光电池,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）。,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

24、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,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、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

25、 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,3、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。,4、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。,5、光电

26、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

27、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、非晶硅太阳能电池、化合物太阳能电池）,光敏二极管,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。,光电二极管（光敏二极管）,外加反向偏压,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，

28、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硅光敏二极管和雪崩光敏二极管,扩散型P-i-N硅光敏二极管,PIN型二极管的优点,选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。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

29、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。,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。,雪崩光敏二极管,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

30、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；同时噪声增大。如图中c点以右的区域，也显著增加。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

31、。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。,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

32、,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,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

33、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,光敏三极管的温度特性 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

34、在5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。,3.5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：，灯等光接受器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。,CCD（Charge Coupled Device）,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

35、测。,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）,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

36、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

37、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（可见光CCD、红外CCD）,CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型1、表面沟道CCD(简称SCCD)电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。2、体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)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。,CCD的类型

38、,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,二相驱动,视频输出,行扫描发生器,输出寄存器,检波二极管,二相驱动,感光区,沟阻,P1,P2,P3,P1,P2,P3,P1,P2,P3,感光区,存储区,析像单元,视频输

39、出,输出栅,串行读出,面型CCD图像传感器结构,(a),(b),CCD器件的应用,1、小型化黑白、彩色TV摄像机（面阵CCD应用最广泛的领域）日本松下CDT型超小型CCD彩色摄像机，直径17mm，长48 mm，使用超小型镜头，重量54g，深受欢迎。典型TV用IS尺寸：79 mm2，480380像元。2、传真通讯系统 用10242048像元的线阵CCD作传真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。3、光学字符识别 IS代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。重庆大学1985年的CD-1型OCR机，识别率达999,4、广播TV 用SSIS(Solid State Imaging

40、 Sensor固态图象传感器)代替光导摄像管。1986年柯达公司已推出140万素的IS，尺寸79 mm2，比电视图象信号多4倍以上。5、工业检测与自动控制（机器视觉应用）在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域 作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度检测。在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。还可作机器人视觉传感器。,6、可用于各种标本分析（如血细胞分析仪），眼球运动检测，X射线摄像，胃镜、肠镜摄像等。7、天文观测 天文摄像观 从卫星遥感地面 如：美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。航空遥感、卫星侦察 如：1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大 型线阵CCD扫描，地面分辨率提高到10m。军事上其他应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图象通信等。,