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光電子技術 復習專題二,第三章 如何正確理解光電二極管的全電流方程？,在無輻射作用的情況下（暗室中），PN結硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結二極管的特性一樣，如圖3-2所示。其電流方程為,（3-1）,ID為U為負值（反向偏置時）且 時(室溫下kT/q0.26mV，很容易滿足這個條件)的電流，稱為反向電流或暗電流。,當光輻射作用到如圖3-1（b）所示的光電二極管上時，,光電二極管的全電流方程為,式中為光電材料的光電轉換效率，為材料對光的吸收系數。,（3-2）,如何正確理解光電二極管的靈敏度：,1.光電二極管的靈敏度,定義光電二極管的電流靈敏度為入射到光敏面上輻射量的變化（例如通量變化d）引起電流變化dI與輻射量變化之比。,（3-3）,顯然，當某波長的輻射作用于光電二極管時，其電流靈敏度為與材料有關的常數，表征光電二極管的光電轉換特性的線性關系。必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長的關系是復雜的，定義光電二極管的電流靈敏度時通常定義其峰值響應波長的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。在式（3-3）中，表面上看它與波長成正比，但是，材料的吸收系數還隱含著與入射輻射波長的關系。因此，常把光電二極管的電流靈敏度與波長的關系曲線稱為光譜響應。,光電二極管的噪聲,光電二極管的噪聲包含低頻噪聲Inf、散粒噪聲Ins和熱噪聲InT等3種噪聲。其中，散粒噪聲是光電二極管的主要噪聲，低頻噪聲和熱噪聲為其次要因素。,散粒噪聲是由于電流在半導體內的散粒效應引起的，它與電流的關系,(3-6),光電二極管的電流應包括暗電流Id、信號電流Is和背景輻射引起的背景光電流Ib，因此散粒噪聲應為,(3-7),根據電流方程，并考慮反向偏置情況，光電二極管電流與入射輻射的關系 ，得到,(3-8),再考慮負載電阻RL的熱噪聲,(3-9),目前，用來制造PN結型光電二極管的半導體材料主要有硅、鍺、硒和砷化鎵等，用不同材料制造的光電二極管具有不同的特性。,噪聲,由于雪崩光電二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)則的，碰撞后的運動方向更是隨機的，所以它的噪聲比一般光電二極管要大些。在無倍增的情況下，其噪聲電流主要為如式（3-6）所示的散粒噪聲。當雪崩倍增M倍后，雪崩光電二極管的噪聲電流的均方根值可近似由下式計算。,（3-15）,式中指數n與雪崩光電二極管的材料有關。對于鍺管，n=3；對于硅管為2.3n2.5。 顯然，由于信號電流按M倍增加，而噪聲電流按Mn/2倍增加。因此，隨著M增加，噪聲電流比信號電流增加得更快。,熱敏電阻,5.2.1 熱敏電阻,1. 熱敏電阻及其特點,凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導致負載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號的器件叫做熱敏電阻。 相對于一般的金屬電阻，熱敏電阻具備如下特點： 熱敏電阻的溫度系數大，靈敏度高，熱敏電阻的溫度系數常比一般金屬電阻大10100倍。 結構簡單，體積小，可以測量近似幾何點的溫度。 電阻率高，熱慣性小，適宜做動態(tài)測量。 阻值與溫度的變化關系呈非線性。 不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。,2. 熱敏電阻的原理、結構及材料,大部分半導體熱敏電阻由各種氧化物按一定比例混合，經高溫燒結而成。多數熱敏電阻具有負的溫度系數，即當溫度升高時，其電阻值下降，同時靈敏度也下降。由于這個原因，限制了它在高溫情況下的使用。,半導體材料對光的吸收除了直接產生光生載流子的本征吸收和雜質吸收外，還有不直接產生載流子的晶格吸收和自由電子吸收等，并且不同程度地轉變?yōu)闊崮?，引起晶格振動的加劇，器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。 由于熱敏電阻的晶格吸收，對任何能量的輻射都可以使晶格振動加劇，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動加劇的程度不同而已，因此，熱敏電阻無選擇性地吸收各種波長的輻射，可以說它是一種無選擇性的光敏電阻。,一般金屬的能帶結構外層無禁帶，自由電子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度相對變化較半導體而言可忽略不計。相反，吸收光以后，使晶格振動加劇，妨礙了自由電子作定向運動。因此，當光作用于金屬元件使其溫度升高，其電阻值還略有增加，也即由金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數，而由半導體材料組成的熱敏電阻具有負溫度特性。 圖5-1所示分別為半導體材料和金屬材料（白金）的溫度特性曲線。白金的電阻溫度系數為正值，大約為0.37%左右；將金屬氧化物（如銅的氧化物，錳-鎳-鈷的氧化物）的粉末用黏合劑黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即構成半導體材料的熱敏電阻。半導體材料熱敏電阻的溫度系數為負值，大約為-3%-6%，約為白金的10倍以上。所以熱敏電阻探測器常用半導體材料制作而很少采用貴重的金屬。,較大的溫升）粘合在導熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發(fā)金屬電極以便與外電路連接，再把襯底同一個熱容很大、導熱性能良好的金屬相連構成熱敏電阻。,紅外輻射通過探測窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。為了提高熱敏元件接收輻射的能力，常將熱敏元件的表面進行黑化處理。,由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻（因為在相同的入射輻射下得到,熱敏電阻的參數,熱敏電阻探測器的主要參數有： （1）電阻-溫度特性 熱敏電阻的阻溫特性是指實際阻值與電阻體溫度之間的依賴關系，這是它的基本特性之一。電阻溫度特性曲線如圖5-1所示。 熱敏電阻器的實際阻值RT與其自身溫度T的關系有正溫度系數與負溫度系數兩種，分別表示為： 正溫度系數的熱敏電阻 （5-16） 負溫度系數的熱敏電阻 （5-17）,式中，RT為絕對溫度T時的實際電阻值；分別為背景環(huán)境溫度下的阻值，為與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關的常數；A、B為材料常數。,對于正溫度系數的熱敏電阻有,對于負溫度系數的熱敏電阻有,式中，RT為環(huán)境溫度為熱力學溫度T時測得的實際阻值。 由式（5-16）和（5-17）可分別求出正、負溫度系數的熱敏電阻的溫度系數aT 。 aT表示溫度變化1時，熱電阻實際阻值的相對變化為,式中，aT和RT為對應于溫度T（K）時的熱電阻的溫度系數和阻值。,對于正溫度系數的熱敏電阻溫度系數為,aT = A （5-19）,對于負溫度系數的熱敏電阻溫度系數為,（5-20）,可見，在工作溫度范圍內，正溫度系數熱敏電阻的aT在數值上等于常數A，負溫度系數熱敏電阻的aT隨溫度T的變化很大，并與材料常數B成正比。因此，通常在給出熱敏電阻溫度系數的同時，必須指出測量時的濕度。,材料常數B是用來描述熱敏電阻材料物理特性的一個參數，又稱為熱靈敏指標。在工作溫度范圍內，B值并不是一個嚴格的常數, 而是隨溫度的升高而略有增大，一般說來，B值大電阻率也高，對于負溫度系數的熱敏電阻器，B值可按下式計算：,（2）熱敏電阻阻值變化量,（5-21）,已知熱敏電阻溫度系數aT后，當熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化T，則阻值變化量為 RT=RTaTT,式中，RT為溫度T時的電阻值，上式只有在T不大的條件下才能成立。,（3）熱敏電阻的輸出特性,熱敏電阻電路如圖5-5所示，圖中 ， 。若在熱敏電阻上加上偏壓Ubb之后，由于輻射的照射使熱敏電阻值改變，因而負載電阻電壓增量,熱釋電效應的原理,熱釋電器件是一種利用熱釋電效應制成的熱探測器件。與其它熱探測器相比，熱釋電器件具有以下優(yōu)點： 具有較寬的頻率響應，工作頻率接近兆赫茲，遠遠超過其它熱探測器的工作頻率。一般熱探測器的時間常數典型值在10.01s范圍內，而熱釋電器件的有效時間常數可低達10-4 310-5 s； 熱釋電器件的探測率高，在熱探測器中只有氣動探測器的D*才比熱釋電器件稍高，且這一差距正在不斷減??； 熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時可以不外加接偏置電壓；,5.3.1 熱釋電器件的基本工作原理, 與5.2節(jié)討論的熱敏電阻相比，它受環(huán)境溫度變化的影響更??； 熱釋電器件的強度和可靠性比其它多數熱探測器都要好，且制造比較容易。,1. 熱釋電效應 電介質內部沒有自由載流子，沒有導電能力。但是，它也是由帶電的粒子（價電子和原子核）構成的，在外加電場的情況下，帶電粒子也要受到電場力的作用，使其運動發(fā)生變化。例如，在如圖5-12所示的電介質的上下兩側加上如圖所示的電場后，電介質產生極化現象，從電場的加入到電極化狀態(tài)的建立起來這段時間內電介質內部的電荷適應電場的運動相當于電荷沿電力線方向的運動，也是一種電流稱為“位移電流”，該電流在電極化完成即告停止。,位移電流Id,-位移電流,在充放電過程中：,S,液晶顯示器（LCD）,液晶：一些有機化合物既具有液態(tài)的流動性，又具有晶體的各向異性。,微小的外部能量電場、磁場、熱能等就能實現各分子狀態(tài)間的轉變，從而引起液晶的光、電、磁的物理性質發(fā)生變化。,液晶分子的形狀呈棒狀，寬約十分之幾納米，長為數納米。,液晶材料用于顯示是利用它在電場作用下，光學性質發(fā)生變化從而對外部入射光產生調制。,實用中是用30多種單質液晶組成混合液晶。,向列相液晶分子是液晶顯示的主要材料。,一、線偏振光在向列液晶中的傳播,關于液晶介電常數；定義：,P型液晶；,外電場作用時，分子長軸方向與外電場平行。,N型液晶 ；,外電場作用時，分子長軸方向與外電場垂直。,液晶顯示主要使用P型液晶。,P型液晶是正單軸晶體，分子長軸方向就是光軸。,線偏振光正入射P型液晶材料，如果其偏振方向與光軸平行或垂直，則它的偏振方向和傳播方向都不改變。,二、扭曲向列型液晶器件（TN-LCD）,液晶盒 ：,封裝液晶的間隙只有幾m。,定向層：使液晶分子從上到下扭曲90。,TN-LCD的工作原理,采用光刻技術，制作ITO玻璃上的顯示電極,加電壓到相應電極上，可實現所期望的顯示。,在下偏振片后再貼一塊反光片，就成為反射式液晶顯示器,TN-LCD的電光特性,：電壓有效值,電光特性與顯示對比度相關。,TN-LCD的響應時間在80ms左右。,三、超扭曲向列型液晶顯示（STN-LCD）,在液晶顯示電極上加信號，是用矩陣尋址法，即X-Y尋址。,TN-LCD的液晶分子的扭曲角為90，電光特性曲線不夠陡峭。在用矩陣尋址法驅動時，有明顯的交叉效應。,交叉效應隨矩陣行、列數目的增大而加劇，使圖像對比度降低，質量變差。,STN-LCD使液晶分子的扭曲角增加到180270，大大提高了電光特性的陡度。,STN-LCD利用了超扭曲和雙折射兩個效應，是基于光學干涉的顯示器件。,對STN-LCD的有色背景進行補償，實現黑白顯示,實現黑白顯示后，再加彩色濾色器，就可實現彩色顯示,STN-LCD的電光響應時間大于100 ms。,有源矩陣液晶顯示器件（AM-LCD）,在每一個像素上設計一個非線性的有源器件，使每個像素可以被獨立驅動，克服交叉效應，可以提高液晶的分辨率和實現多灰度級顯示。,TFT-LCD就是目前性能較好的AM-LCD器件。,存儲效應，得到對比度很高的顯示質量。,多灰度級顯示 彩色顯示,LCD的特點和應用,器件厚度僅數毫米，非常適于便攜式裝置的顯示。,工作電壓僅幾伏，用CMOS電路可直接驅動。功耗很低。,采用彩色濾色器，易實現彩色顯示。,LCD已成為應用最廣泛的平板顯示器之一。,應用于儀器儀表、手機等顯示，還有 計算機顯示器、液晶彩電、液晶投影機等， 市場十分廣闊。,二、有機電致發(fā)光器件OLED,LED是無機電致發(fā)光，OLED是有機 熒光材料作為發(fā)光物質，結構和發(fā)光機理上類同于無機LED器件。,（Organic light emitting diode）,LED顯示器,一、發(fā)光二極管大屏幕顯示 超高亮度紅、綠、蘭LED組成平板陣列，進行大屏幕顯示，已是現代化社會的一道風景。,ETL：電子傳輸層 EML：發(fā)光層 HTL：空穴傳輸層,有機材料,OLED發(fā)光有五個步驟：,載流子電子和空穴分別從陰極、陽極注入ETL、HTL。,載流子分別從ETL和HTL向EML遷移。,載流子在EML中復合并產生激發(fā)子（Exciplex）。,激子遷移, 傳遞能量給發(fā)光分子，使其 電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。,激發(fā)態(tài)電子躍遷回低能態(tài)，產生輻射。,OLED是一種高亮度、寬視角、全固化的主動發(fā)光型顯示器件。主要優(yōu)點：,發(fā)光亮度可達幾百上萬cd/m2，電視才100cd/m2 。,低電壓驅動：十幾V幾V；功耗低。,有機材料易得，制備工藝簡單，易制成大面積顯示器件，可以做成能彎曲的柔軟顯示器。,很多有機物都可實現紅、綠、藍，易實現高分辨率的彩色顯示屏。,超輕、超薄（厚度可低于1mm），響應速度是液晶 的1000倍，實現精彩的視頻播放大面積“薄膜電視”。,OLED制造成本低，將會逐漸取代LCD。,AC-PDP,DC-PDP,AC-PDP是PDP技術的主流,氣體放電 等離子體 激發(fā)氣體原子輻射紫外光(UV) 激發(fā)相應熒光粉，產生紅、綠、藍可見光。,是利用氣體放電而發(fā)光的平板顯示屏,6.3等離子體顯示器-PDP （Plasma Display Panel）,DMD是帶有集成微鏡部件的微電子機械光調制器，由百萬個方形微鏡（如1616m2）組成二維陣列。,一、DMD的結構和工作原理,數字微反射鏡器件DMD是其核心裝置。 （Digital Micromirror Device）,DLP投影顯示,DLP（Digital Light Processing） 實現了最終的顯示環(huán)節(jié)的完全數字化,DMD芯片,每個微鏡對應一個像素，微鏡反射照明光，投射出去，在屏幕上形成圖像。,Mirror +10 ,Mirror -10 ,CMOS,圖像R、G、B二進制數據控制微鉸鏈，微鉸鏈控制每個鏡片偏轉，以通斷一個像素的光。,脈沖寬度調制（PWM）技術允許10比特灰度等級再現。,為了實現彩色顯示，DLP投影機有三片式、單片式、兩片式等不同檔次的產品。,三片式：即用三個DMD裝置。每個DMD分別用R、G、B數據控制。,單片式：即用一個DMD裝置。投影燈光先通過一個色輪再投射到DMD上。DLP工作在順序顏色模式 ，利用視覺暫留作用。,雙片式：即用兩個DMD裝置。性價比較好。,DLP投影顯示的技術優(yōu)勢,完全的數字化顯示，這是獨有的特色。,反射顯示，光能利用率高。,優(yōu)秀的圖像質量。DMD填充因子大于90%，稱為“無縫圖像”。,DLP系統可靠性很高，壽命長 。,DLP投影顯示方興未艾，已成為主流產品。其核心技術已運用到全光通信MEMS交叉連接器中。,可分為兩大類： *光電發(fā)射型攝像管 利用外光電效應 *視像管 利用內光電效應,攝像管,攝像管是能夠輸出視頻信號的真空光電管,光電發(fā)射型攝像管,視像管,視像管基本結構 ： 光電靶 完成光電轉換、信號存儲 電子槍 完成信號掃描輸出,氧化鉛視像管結構與工作原理,管子結構,氧化鉛PIN靶,PIN光電靶 ：反向偏置，掃描面形成正電位圖像 電子槍 ： 發(fā)射電子束，按電視制式掃描正電 位圖像，輸出視頻信號,像素：組成圖像的最小單元。攝像管像素大小由電子束截面積決定。,在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極結成通路。這個像素的光電流由PN，流過負載RL,產生負極性圖像信號輸出。同時，掃描電子束使P層電位降至陰極電位（圖像擦除）。,電荷耦合器件,CCD圖像傳感器主要特點： 固體化攝像器件 很高的空間分辨率 很高的光電靈敏度和大的動態(tài)范圍 光敏元間距位置精確,可獲得很高的 定位和測量精度 信號與微機接口容易,CCD(Charge Coupled Devices),電荷耦合攝像器件,電荷耦合器件（CCD）特點以電荷作為信號。 CCD的基本功能電荷存儲和電荷轉移。 CCD工作過程信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測的過程。,（1）、 CCD的基本結構包括：轉移電極結構、轉移溝道結構、信號輸入結構、信號輸出結構、信號檢測結構。構成CCD的基本單元是MOS電容。,電荷耦合器件的基本原理,一系列彼此非常接近的MOS電容用同一半導體襯底制成，襯底可以是P型或N型材料，上面生長均勻、連續(xù)的氧化層，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（柵極）。,CCD圖像傳感器的不足： 驅動電路與信號處理電路難與CCD單片集 成，圖像系統為多芯片系統； 電荷耦合方式對轉移效率要求近乎苛刻； 時鐘脈沖復雜，需要相對高的工作電壓； 圖像信息不能隨機讀取。,采用標準 CMOS工藝的固體攝像器件,CMOS圖像傳感器,CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）,CMOS圖像傳感器的特色,是單芯片成像系統。 這種片上攝像機用標準邏輯電源電壓工作，僅消耗幾十毫瓦功率，功耗極低。 可實現隨機讀取圖像信息。,一.CMOS圖像傳感器結構,總體結構框圖,像元結構 ：,無源像素(PPS)結構 有源像素(APS)結構,PPS的致命弱點是讀出噪聲大,主要是固定圖形噪聲，一般有250個均方根電子。,光電二極管型(PD-APS）： 讀出噪聲典型值為(75100)個均方根電子。適用于大多數中低性能成像。,光柵型（PG-APS）：讀出噪聲小，目前已達到5個均方根電子。用于高性能科學成像和低光照成像。,二.CMOS攝像機的應用,由于CMOS攝像機節(jié)能、高度集成、成本低等獨特優(yōu)點，使CMOS攝像機具有很多應用領域:,移動通信:與手機集成,成為移動可視電話；,視頻通信:視頻聊天、可視電話、視頻會議；,保安監(jiān)控:大量安裝的電子眼,且CMOS攝 像機可做到紐扣大小,用于隱型攝像;,作數碼相機;,用于游戲市場;,用在汽車上,如可設計成汽車自動防撞系統、 防出軌系統,大大提高汽車運行的安全性;,用于生物特征識別，如指紋識別儀等；,CMOS攝像機在醫(yī)學領域有很好的發(fā)展空間， 如可以在患者身體安裝小“硅眼”，應用藥 丸式攝像機等；,用于需要高速更新的影像應用領域：航 天、核試驗、快速運動、瞬態(tài)過程等。,三.發(fā)展趨勢,早期CMOS比CCD成像質量差，響應速度 慢，人們主要采用CCD攝像機。近年來，采用有源像素結構等一系列技術措施,使 CMOS的成像質量與CCD相接近，而在功能、功耗、尺寸和價格等方面優(yōu)于CCD。,CMOS圖像傳感器必將成為攝像器件的主流!,CMOS攝像器件,采用CMOS技術可以將光電攝像器件陣列、驅動和控制電路、信號處理電路、模數轉換器、全數字接口電路等完全集成在一起，可以實現單芯片成像系統 Camera-On-A-Chip,1 CMOS像素結構,無源像素型（PPS） 有源像素型（APS）,無源像素結構,無源像素單元具有結構簡單、像素填充率高及量子效率比