《光電子器件》筆記(共14頁(yè))

1、光電子器件第一章1、 光電探測(cè)器輸出信號(hào)電壓或電流與單位入射光功率之比，即單位入射光功率作用下探測(cè)器輸出信號(hào)電壓或電流稱為響應(yīng)率. 光譜響應(yīng)率（R）：光電器件在單色 (在波長(zhǎng)附近一個(gè)很小的波長(zhǎng)范圍里) 輻射功率作用下產(chǎn)生的信號(hào)電壓或信號(hào)電流。 其中Rm為光譜響應(yīng)率的最大值光譜電壓響應(yīng)率和光譜電流響應(yīng)率合并稱為光譜響應(yīng)率R（單位：A/W）光譜響應(yīng)率及量子效率僅由器件的響應(yīng)特性所決定，而與光源無(wú)關(guān)。2. 器件的光譜響應(yīng)與光源輻射功率譜密度緊密相關(guān)，它們之間的匹配系統(tǒng) 稱為器件與光源的光譜匹配系數(shù)，它反映了器件響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍同光源光譜的吻合程度。在光源固定的情況下,面積A1是不變的,如果與曲線重合得

2、愈多,面積A2愈大, 愈大，也就是光譜匹配愈好;反之,如果兩曲線沒(méi)有重合之處,=0,即二者完全失配,則該光電器件對(duì)光源輻射沒(méi)有探測(cè)能力。光譜匹配是選擇光電子器件,如像管、光電倍增管、紅外成像器件的材料的重要依據(jù)。 3.光電探測(cè)器輸出的電流或電壓在其平均值上下無(wú)規(guī)則的、隨機(jī)的起伏，稱為噪聲。噪聲是物理過(guò)程所固有的，人為不可能消除。它的計(jì)算是在足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)求其平方平均或均方根。 光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源主要有熱噪聲、散粒噪聲、溫度噪聲、放大器噪聲、頻率噪聲、復(fù)合噪聲等。當(dāng)輸出信號(hào)電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時(shí)的探測(cè)器的入射輻射功率叫做最小可探測(cè)輻射功率，也叫做噪聲等效功率NEP 。 Pmin越小，器件

3、的探測(cè)能力越強(qiáng)。對(duì)Pmin取倒數(shù)可作為衡量探測(cè)器探測(cè)能力的參數(shù)，稱為探測(cè)率。研究指出:探測(cè)率與器件的面積和工作帶寬成反比。 4.光吸收厚度：設(shè)入射光的強(qiáng)度為 I0，入射到樣品厚度為x處的光強(qiáng)度為 I，則： 為線吸收系數(shù)，單位為（1/cm）大時(shí)，光吸收主要發(fā)生在材料的表層；小時(shí)，光入射得深。當(dāng)厚度d=1/時(shí)，稱為吸收厚度，有64%的光被吸收。5. 本征吸收：價(jià)帶中的電子吸收了能量足夠大的光子后，受到激發(fā)，越過(guò)禁帶，躍入導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，形成了電子空穴對(duì)，這種躍遷過(guò)程所形成的光吸收稱為本征吸收。 本征吸收條件：光子的能量必須大于或等于禁帶的寬度Eg。6. 內(nèi)光電效應(yīng): 材料在吸收光子能

4、量后，出現(xiàn)光生電子空穴，由此引起電導(dǎo)率變化或電壓、電流的現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應(yīng)。 光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，吸收光子引起載流子濃度增大，產(chǎn)生附加電導(dǎo)率使電導(dǎo)率增加，這個(gè)現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。在外電場(chǎng)作用下就能得到電流的變化。 光電導(dǎo)效應(yīng)分為本征型和非本征型。7.設(shè)本征半導(dǎo)體在沒(méi)有光照時(shí)，電導(dǎo)率為 (稱為暗電導(dǎo)率)當(dāng)有光注入時(shí)，半導(dǎo)體電導(dǎo)率：電導(dǎo)率的增量稱為光電導(dǎo)率：8. 增加載流子壽命： 好處：增益提高，靈敏度提高，響應(yīng)率提高。 缺點(diǎn)：惰性增加，頻率響應(yīng)特性變差。 所以增益和惰性不可兼得。9. 影響光譜響應(yīng)的兩個(gè)主要因素：光電導(dǎo)材料對(duì)各波長(zhǎng)輻射的吸收系數(shù)和截流子表面復(fù)合率。 光電導(dǎo)光譜響

5、應(yīng)特點(diǎn)：都有一峰值，峰值一般靠近長(zhǎng)波限（長(zhǎng)波限約為峰值一半處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)）。 10. 光敏電阻是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的最典型的光電導(dǎo)器件。光敏電阻器均制作在陶瓷基體上，光敏面均做成蛇形，目的是要保證有較大的受光表面。上面帶有光窗的金屬管帽或直接進(jìn)行塑封，其目的是盡可能減少外界（主要是濕氣等有害氣體）對(duì)光敏面及電極所造成的不良影響，使光敏電阻器性能保持穩(wěn)定，工作可靠。光敏電阻光譜響應(yīng)特性主要由所用的半導(dǎo)體材料所決定，主要是由材料禁帶寬度所決定，禁帶寬度越窄，則對(duì)長(zhǎng)波越敏感。但禁帶很窄時(shí)，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，靈敏度降低，因此采用冷卻光敏面的辦法來(lái)提高靈敏度是很有效

6、的。光敏電阻一般用于與人眼有關(guān)的儀器，在使用時(shí)，必須加濾光片修正光譜。第一章作業(yè)1、什么是光譜響應(yīng)率？根據(jù)器件與光源的光譜曲線說(shuō)明光譜匹配系數(shù)的意義。2、某光電二極管，受波長(zhǎng)為1.55um 的6x1012 個(gè)光子的照射，其間輸出端產(chǎn)生 2x1012個(gè)光子。試計(jì)算該光電子器件的量子效率和響應(yīng)度。3、什么是器件的最小可探測(cè)輻射功率和探測(cè)率？探測(cè)率表達(dá)式的意義如何？4、半導(dǎo)體發(fā)生本征光吸收的條件是什么？第二章1. 光生伏特效應(yīng)：兩種半導(dǎo)體材料或金屬/半導(dǎo)體相接觸形成勢(shì)壘，當(dāng)外界光照射時(shí)，激發(fā)光生載流子，注入到勢(shì)壘附近形成光生電壓的現(xiàn)象。 結(jié)型光電探測(cè)器與光電導(dǎo)探測(cè)器的區(qū)別:（1）產(chǎn)生光電變換的部位不

7、同。（2）光電導(dǎo)型探測(cè)器沒(méi)有極性，且工作時(shí)必須有外加電壓，而結(jié)型探測(cè)器有確定的正負(fù)極，不需外加電壓也可把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。（3）光電導(dǎo)探測(cè)器為均質(zhì)型探測(cè)器，載流子馳豫時(shí)間長(zhǎng)，頻率響應(yīng)特性差。而結(jié)型探測(cè)器頻率特性好，靈敏度高。雪崩式光電二極管、光電三極管還有內(nèi)增益作用，可以通過(guò)較大的電流。2. 外接電路開(kāi)路（斷路）時(shí)，光生載流子積累在PN結(jié)兩側(cè)，光生電壓最大，此時(shí)的光生電動(dòng)勢(shì)Uoc稱為開(kāi)路電壓。外接電路短路時(shí)，流過(guò)電路的電流Isc稱為短路電流，就是光生電流。3. 光電池在受光表面上涂保護(hù)膜，如鍍SiO2、MgF2。目的是減小反射損失，增加對(duì)入射光的吸收，同時(shí)又可以防潮防腐蝕。上電極一般多做成柵指

8、狀，其目的是便于透光和減小串聯(lián)電阻。 通常在用單片光電池組裝成電池組時(shí)，可以采用增加串聯(lián)片數(shù)的方法來(lái)提高輸出電壓，用增加并聯(lián)片數(shù)的方法來(lái)增大輸出電流。4. 光電二極管與光電池的主要區(qū)別： （1）結(jié)面積大小不同，光電二極管的要小很多。結(jié)電容很小，頻率特性好； （2）PN結(jié)工作狀態(tài)不同，光電池PN結(jié)工作在零偏置狀態(tài)下。而光電二極管工作于反偏工作狀態(tài)下，光電流小 。 光電二極管分類：按工作基礎(chǔ)分：有耗盡型及雪崩型。按特性分：有PN結(jié)、PIN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘及點(diǎn)結(jié)觸型等。按對(duì)光的響應(yīng)分：紫外、可見(jiàn)光、紅外型；按制造工藝：平面型、生長(zhǎng)型、合金型、臺(tái)面型。5. PN結(jié)型光電二極管：根據(jù)襯底材料不同分

9、為2DU和2CU型兩種。 2DU型易形成表面漏電流流到前極，它是暗電流（噪聲）的大部分，應(yīng)禁止它流過(guò)負(fù)載。 溫度特性：光電二極管受溫度影響最大的是暗電流。 頻率特性：有兩決定因素： 1）光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間； 2）結(jié)電容Cj和負(fù)載電阻RL所構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)RLCj 光電二極管等結(jié)型光電器件的噪聲主要是電流散粒噪聲和電阻的熱噪聲。6. PIN型光電二極管 特點(diǎn)：（1）光生電流較大，靈敏度高。 因?yàn)镮層比PN結(jié)寬得多，光生載流子要多得多，光生載流子在內(nèi)建電場(chǎng)和反向電場(chǎng)作用下的漂移移動(dòng)會(huì)形成較大的光電流輸出，靈敏度得以提高。（2） 響度速度快，頻率特性好。 一般說(shuō)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的速度比漂移運(yùn)動(dòng)的速

10、度低得多，PIN管由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，所以響應(yīng)速度提高了。時(shí)間響應(yīng)特性主要取決于結(jié)電容和載流子渡越耗盡層所需要的時(shí)間。由于PIN耗盡層變寬，因此結(jié)電容變小了；同時(shí)由于I區(qū)電阻高，可承電壓高，電場(chǎng)強(qiáng)，載流子渡越耗盡層時(shí)間縮短了，所以時(shí)間特性變好了（頻率帶寬可達(dá)10GHz）。（3）響應(yīng)波段寬由硅材料制成的PIN管，長(zhǎng)波段能響應(yīng)到1.1um，可以探測(cè)到1.06m的激光。7.雪崩型光電二極管(APD) 1、雪崩光電二極管原理 PN結(jié)加上相當(dāng)大的反向偏壓（略低于反向擊穿電壓）高電場(chǎng)光生載流子加速晶格原子-新載流子晶格原子-新載流子雪崩式載流子倍增。 頻率特點(diǎn)：載流子運(yùn)動(dòng)速度快，渡越時(shí)間短（10-10s量

11、級(jí)），所以時(shí)間特性非常好，響應(yīng)頻率可達(dá)105MHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。8.光電三極管 不僅能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，還能放大光電流。第二章作業(yè)1、結(jié)型光電探測(cè)器與光電導(dǎo)探測(cè)器的主要區(qū)別有哪些？ 2、用波長(zhǎng)為0.83m、強(qiáng)度為3mW的光照射在硅光電池，無(wú)反射，其量子效率為0.85，并設(shè)全部光生載流子能到達(dá)電極。求： （1）光生電流。（2）T=300K、反向飽和電流為10-8A時(shí)，求光電池的開(kāi)路電壓。3、 已知2CR太陽(yáng)能電池的參數(shù)為UOC=0.54V，ISC=50mA，若用它進(jìn)行串并聯(lián)組合對(duì)0.5A，6V的蓄電池充電，需要多少個(gè)這樣的電池？4、光電二極管與光電池的主要區(qū)別是什么？5、某光

12、電二極管的結(jié)電容為5pF，要求帶寬為10MHz，求允許的最大負(fù)載電阻是多少？6、PIN管的時(shí)間響應(yīng)特性為什么比普通光電二極管好？ 7、說(shuō)明雪崩型光電二極管的工作原理和頻率特點(diǎn)。第三章1. 真空光電器件的突出特點(diǎn)： 1) 易于在管內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速、高增益、低噪聲的電子倍增。用于探測(cè)極微弱的光輻射和變化極快的光輻射。如光子計(jì)數(shù)器。 2) 易于制取大面積均勻的光敏面，像元密度大，可得到很高的分辨率。用于較高要求的精密測(cè)量，如光譜分析儀，掃描電鏡等。2.將半導(dǎo)體光電發(fā)射的物理過(guò)程歸納為三步： （1）半導(dǎo)體中的電子吸收入射光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài)（導(dǎo)帶）上； （2）這些被激發(fā)的電子在向表面運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中因散射

13、而損失掉一部分能量； （3）到達(dá)表面的電子克服表面電子親和勢(shì)EA而逸出。3. 把電子從體內(nèi)導(dǎo)帶底逸出真空能級(jí)所需的最低能量稱為有效電子親和勢(shì)EAeff，以區(qū)別于表面電子親和勢(shì)EA。 4. 如果給半導(dǎo)體的表面作特殊處理，使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降低到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢(shì)為負(fù)值，經(jīng)過(guò)這種特殊處理的陰極稱作負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極(NEA)。 NEA電子傳輸特性： 1）參與發(fā)射的電子是導(dǎo)帶的未熱化的冷電子； 2）NEA陰極中導(dǎo)帶的電子逸入真空幾乎不需作功。5. 真空光電管光電管是根據(jù)外光電效應(yīng)原理工作的光電探測(cè)器，它把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑢儆诜浅上裥偷墓怆娖骷?光電倍增管目前普遍采用而且最

14、有效的探測(cè)微弱光輻射的器件是光電倍增管，它是光電陰極和二次電子倍增器的結(jié)合。光電倍增管結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)(光電陰極至第一倍增極的區(qū)域)，倍增系統(tǒng)(或稱打拿極系統(tǒng))、陽(yáng)極(或稱收集極)。光電倍增管工作原理: 光子透過(guò)入射窗口入射在光電陰極上，電子受光子激發(fā)發(fā)射到真空中，光電子通過(guò)電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級(jí)上，倍增級(jí)將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子，入射電子經(jīng)N級(jí)倍增極倍增后，光電子就放大N次，最后由陽(yáng)極收集形成光電流。 光電陰極在結(jié)構(gòu)形式上分為反射型側(cè)窗式和透射型端窗式。二次電子發(fā)射系數(shù)： 二次發(fā)射系數(shù)不僅與倍增極的二次發(fā)射材料有關(guān)，且與它極間電

15、壓VD有關(guān)。電子倍增系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類： 根據(jù)工作原理可分為兩類：聚焦型、非聚焦型。6.光電倍增管的主要特性和參數(shù) 光電倍增管的頻率響應(yīng)主要受到電子渡越時(shí)間散差限制。渡越時(shí)間散差是造成脈沖展寬的主要因素。7. 暗電流 定義：當(dāng)光電倍增管完全與光照隔絕，在加上工作電壓后，陽(yáng)極仍有電流輸出，輸出電流的直流部分稱為該管的暗電流，即由非光照因素引起的一切電流稱為暗電流。 引起暗電流有下列幾方面的因素：1) 熱發(fā)射2) 極間漏電3) 光反饋4) 離子反饋5) 場(chǎng)致發(fā)射6) 其他原因作業(yè)：1、簡(jiǎn)述半導(dǎo)體光電發(fā)射的過(guò)程。 2、用波長(zhǎng)為589nm光照射某光電陰極,其發(fā)射電流的光譜靈敏度為0.05A/W, 該材料的逸

16、出功為1.4eV, 求該材料的光譜量子效率、長(zhǎng)波閾值以及發(fā)射光電子最大動(dòng)能。3、什么是負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極？4、說(shuō)明光電倍增管的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。 5、某光電倍增管有10個(gè)倍增級(jí)，每個(gè)倍增級(jí)的二次電子發(fā)射系數(shù)=4，陰極靈敏度為Rk=200A/lm，陽(yáng)極電流不得超過(guò)10mA，試估計(jì)入射陰極的光通量的上限。 6、光電倍增管的暗電流是指什么？引起暗電流的因素主要有哪些？第四章1. 光電成像器件按結(jié)構(gòu)分類有：像管、真空攝像管、固體成像器件等。 像管能把人眼不能觀察到的物體轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像，主要用于夜視條件下的光電成像。它包括變像管和像增強(qiáng)器。 像管結(jié)構(gòu)示意圖如下，主要有三部分組成：光電陰極、電子光學(xué)

17、系統(tǒng)、熒光屏。像管的工作過(guò)程： 1、光電轉(zhuǎn)換：由光電陰極完成。微弱或不可見(jiàn)輻射圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)（電子流）; 2、電子成像：由電子光學(xué)系統(tǒng)完成（類似于光學(xué)透鏡），其上加有高電壓，能將光電陰極發(fā)出的電子流加速，并聚焦成像在熒光屏幕上； 3、增強(qiáng)亮度：高速電子流轟擊熒光屏后，屏幕發(fā)出的光要強(qiáng)于入射信號(hào)光，相當(dāng)于增強(qiáng)了圖像的亮度，對(duì)圖像做了二次轉(zhuǎn)換。2.電子光學(xué)系統(tǒng)使電子流聚焦成像的電子光學(xué)系統(tǒng)，也稱為電子透鏡。分為靜電透鏡和磁透鏡。靜電透鏡是靠靜電場(chǎng)來(lái)使光電子加速，并聚焦成像。磁透鏡是靠靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)復(fù)合場(chǎng)來(lái)完成聚焦成像。1、非聚焦型靜電透鏡（近貼） 在陽(yáng)極面上的全色電子束的最大彌散圓半徑為：

18、從上式可以看出：陰極與陽(yáng)極之間的電位差U越大，最大初電能m 及極間距離l 越小，彌散圓斑越小，圖像越清晰。通常，極間距離l總是很小（小于1mm），而U卻很大(37KV)，所以圖像一般較清晰。3. 光學(xué)纖維面板 級(jí)間耦合幾乎全部采用纖維面板。4. 像管一般入射于光電陰極的光是物體的反射光。對(duì)同一光源，陰極長(zhǎng)波響應(yīng)大者，提供的初始對(duì)比度高。對(duì)同一陰極，不同的光源情況(如星光和月光)，光源光譜偏向長(zhǎng)波者，能提供較高的初始對(duì)比。 由于光電陰極長(zhǎng)波閾值總是大于眼睛，所以光電陰極所提供的初始對(duì)比度總是大于人眼。亮度增益： 像管輸出亮度L與陰極入射照度Ev之比的倍： M光出射度 lm/m2像管的傳像特性是指

19、像管在傳遞圖象時(shí)，對(duì)圖像幾何形狀的影響。圖像幾何形狀主要受到電子光學(xué)系統(tǒng)的影響。像管的時(shí)間響應(yīng)特性主要由熒光屏所決定。限制人眼分辨能力的因素有三個(gè)：物體的亮度、 視角、亮度對(duì)比度。5. 第一代微光像增強(qiáng) 利用Sb-Cs、Sb-K-Na-Cs、NEA等陰極制成的像管稱為像增強(qiáng)器，它能夠在微弱的自然光條件下實(shí)施觀察，所以又稱為微光像增強(qiáng)器或微光管。第一代微光管由三個(gè)單管串聯(lián)而成，成像質(zhì)量明顯提高。但仍工作于被動(dòng)觀察方式。主要缺點(diǎn)是有強(qiáng)光暈光現(xiàn)象。微通道板：是帶有許多微通道孔的薄板，厚12mm，每個(gè)微通道內(nèi)表面電阻很大，可連續(xù)進(jìn)行二次電子發(fā)射，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)106的電子倍增。采用微通道板的像管，稱為微

20、通道板像增強(qiáng)器，屬于第二代微光夜視器件。第二代微光管倍增效果好，像管體積小。制作CEM的材料目前主要有兩種：高鉛玻璃、陶瓷半導(dǎo)體。關(guān)于MCP的增益: 1、對(duì)于一個(gè)固定尺寸的MCP,增益隨所加電壓U增加而升高。 2、在電壓確定時(shí)，G隨的變化有一最佳值。在某個(gè)長(zhǎng)徑比時(shí)，增益最大，即存在一個(gè)最佳長(zhǎng)徑比。45附近時(shí),增益最大。 3、計(jì)算分析表明：U=22時(shí),增益G有極大值。由此,MCP兩端加1000V電壓為佳。 4、一般隨著開(kāi)口面積增大，增益隨之增大。可使用擴(kuò)口技術(shù)來(lái)提高開(kāi)口面積。現(xiàn)在開(kāi)口面積一般在60以上。6. 第二代微光像增強(qiáng)器采用了微通道板作為電子倍增器。近貼式MCP像增強(qiáng)器：光電陰極、MCP、

21、熒光屏之間都是近貼，不倒像，圖像不放大。靜電聚焦式MCP像增強(qiáng)器：靜電透鏡成像在MCP平面上，MCP與屏近貼，成倒像。7. 三代微光管的特點(diǎn)： 采用了雙近貼結(jié)構(gòu)，陰極、與熒光屏之間都為近貼結(jié)構(gòu)。 陰極為GaAs/InGaAs NEA光電陰極。 采用了高增益、低噪聲、長(zhǎng)壽命的MCP。 MCP電子輸入端面鍍了近3-10nm厚的離子阻擋膜（Al2O3），以減少離子反饋對(duì)陰極的損害。 四代微光像增強(qiáng)器兩個(gè)特征： 采用體電導(dǎo)MCP， 并使光電陰極與MCP間采用自動(dòng)脈沖門控電源。1）體電導(dǎo)MCP2）自動(dòng)脈沖門控電源作業(yè)： 1、說(shuō)明像管的結(jié)構(gòu)和工作原理。 2、試說(shuō)明在像管中，提高光電陰極長(zhǎng)波響應(yīng)對(duì)增加對(duì)比度

22、的意義。 3、某二級(jí)級(jí)聯(lián)像管，兩個(gè)光電陰極均為S-25，它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光源的積分靈敏度R=400A/lm，兩個(gè)熒光屏均為P-20，發(fā)光效率為50 lm/W，各級(jí)電壓均為12KV，各級(jí)電子光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)系數(shù)和放大率均為1，不考慮極間耦合損失的情況下，試計(jì)算它對(duì)星光下綠色草木反射光的亮度增益GL。第六章1. 電荷耦合器件的基本原理MOS電容的電荷分布在一定厚度的半導(dǎo)體表面層內(nèi)，這個(gè)帶電的層稱為空間電荷區(qū)。1、UG0 （反偏） 多數(shù)載流子耗盡?？臻g電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差稱為表面勢(shì)，規(guī)定表面電勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，取正值。3、UG0，繼續(xù)增大。表面處能帶進(jìn)一步向下彎曲，這意味著表面處的電子濃度將超過(guò)空穴濃度而變得很高，即

23、形成與原來(lái)半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類型相反的層，叫做反型層。4、 UG0，自由電荷進(jìn)入勢(shì)阱CCD就是在非穩(wěn)定條件下工作的MOS電容器的集成。CCD的勢(shì)阱深度和存貯電荷能力都是由表面勢(shì)所決定。表面勢(shì)與柵壓，氧化層電容，受主濃度以及勢(shì)阱中的自由電子濃度有關(guān)。2. 電荷耦合原理 CCD工作在深耗盡區(qū)，可以用電注入或光注入的方法向勢(shì)阱注入電荷，勢(shì)阱中的自由電荷通常稱為電荷包。 在提取信號(hào)時(shí)，需要將電荷包有規(guī)則地傳送出去，這一過(guò)程叫做CCD的電荷轉(zhuǎn)移，它是靠各個(gè)MOS柵極在時(shí)鐘電壓作用下，以電荷耦合方式實(shí)現(xiàn)的。 CCD器件基本結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的供電系統(tǒng)中，C

24、CD根據(jù)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)（外接脈沖相數(shù)）的不同，分為二相、三相、四相結(jié)構(gòu)； CCD根據(jù)轉(zhuǎn)移信道結(jié)構(gòu)（電荷轉(zhuǎn)移時(shí)所經(jīng)過(guò)的道路）的不同，又分為表面溝道和體內(nèi)溝道結(jié)構(gòu)。目前常用的橫向限制方法有：溝阻擴(kuò)散（或注入）法、氧化物臺(tái)階法。電注入型輸入方法有很多（保證線性轉(zhuǎn)移）。主要有動(dòng)態(tài)電流積分法、二極管截止法、電位平衡法等。其中，電位平衡法應(yīng)用最廣泛。 引起電荷包不完全轉(zhuǎn)移的原因有：表面態(tài)對(duì)電子的浮獲、時(shí)鐘頻率過(guò)高、體內(nèi)缺陷對(duì)電荷包的作用，如自感應(yīng)電場(chǎng)、熱擴(kuò)散、邊緣電場(chǎng)等。其中前二者是主要原因。CCD電荷貯存容量越大，處理電荷的能力就越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)范圍就越好。兩相線陣CCD成像器件結(jié)構(gòu)包括光敏區(qū)、存貯電極、電荷轉(zhuǎn)

25、移電極、CCD移位寄存器、輸出機(jī)構(gòu)和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。面陣CCD成像器件根據(jù)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移和讀出的結(jié)構(gòu)方式不同通常分為三種類型：幀/場(chǎng)轉(zhuǎn)移(FT)、行間轉(zhuǎn)移(IT)、幀行間轉(zhuǎn)移(FIT)。2. 光電門+FD方式：優(yōu)點(diǎn)：噪聲小。掩埋型光電二極管+FD方式：優(yōu)點(diǎn)：較低的暗電流，且無(wú)電極材料吸收光的現(xiàn)象。作業(yè)：1、用三相CCD結(jié)構(gòu)說(shuō)明電荷耦合轉(zhuǎn)換的原理。2、CCD器件的基本結(jié)構(gòu)包括哪些？3、說(shuō)明BCCD與SCCD之間的區(qū)別。4、說(shuō)明幀/場(chǎng)轉(zhuǎn)移面陣CCD的工作原理。5、說(shuō)明行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD的工作原理。6、試列表比較CCD與CMOS傳感器的特性。7、CCD與CMOS圖像傳感器在儲(chǔ)存同時(shí)性方面有什么區(qū)別？ 1答：

26、電荷的耦合轉(zhuǎn)換過(guò)程分為四步如下：（1）勢(shì)阱的形成如圖(a)，在三金屬柵極上加三相電壓V1、V2、V3，則在其表面下形成與電壓大小成線性關(guān)系的耗盡層，即所謂勢(shì)阱。（2）電荷的存貯如圖(b)，若V2電壓高于其他電壓，則它下面的勢(shì)阱比其他柵極下的勢(shì)阱要深，電荷存貯在里面形成電荷包。（3）電荷的傳輸如圖(c)，若在V3上加高于V2的電壓，則在V3相應(yīng)柵極下形成比V2下更深的勢(shì)阱，由于電極間隔很小，相鄰兩勢(shì)阱將合并一起，電荷也將不受阻礙地轉(zhuǎn)入更深勢(shì)阱，從而使電荷得以傳輸。（4）形成新的存貯狀態(tài)如圖(d)，此時(shí)V1=V2，V3V1。 電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。第八章1. 利用熱效應(yīng)探測(cè)和觀察外來(lái)輻射而制成

27、的器件稱為熱探測(cè)器。熱探測(cè)器的基本原理： 分類：1）直接利用輻射所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。根據(jù)溫度的變化來(lái)探測(cè)輻射，以溫度來(lái)度量熱。2）利用輻射產(chǎn)生熱，熱能再轉(zhuǎn)換為電或磁效應(yīng)，通過(guò)對(duì)電或磁量的度量來(lái)探測(cè)輻射的大小 。2. 微測(cè)輻射熱計(jì)的工作原理：物體熱輻射經(jīng)過(guò)凸鏡聚焦，成像在熱敏探測(cè)器陣列上，熱輻射導(dǎo)致探測(cè)器溫度變化，溫度變化又導(dǎo)致熱敏元的電阻的變化，通過(guò)回路把電阻變化信號(hào)取出，就可以探測(cè)外界的熱輻射。3. 微機(jī)械制成的微輻射計(jì)可以分為兩種結(jié)構(gòu)類型: 單層結(jié)構(gòu)和兩層結(jié)構(gòu)。 與單層結(jié)構(gòu)相比，因?yàn)樗试S了更大的填充系數(shù)(讀出電路可以處在硅微橋下面)和更大的紅外光吸收率(在腔體下方產(chǎn)生一個(gè)共振光學(xué)腔)，這種結(jié)

28、構(gòu)還可以減少熱傳導(dǎo)系數(shù)，起到微觀隔熱的效果。 目前，微測(cè)輻射熱計(jì)主要是“兩層”結(jié)構(gòu)類型作業(yè)：1、紅外探測(cè)的兩種主要形式是什么？2、對(duì)于熱探測(cè)器，如何有效地提高溫升？3、概述微測(cè)輻射熱計(jì)的工作原理。4、簡(jiǎn)述“兩層”微測(cè)輻射熱計(jì)陣列的微橋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)？ 第九章1. 熱釋電探測(cè)器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)來(lái)探測(cè)光輻射或熱輻射能量的器件。其特點(diǎn)是工作頻率高，靈敏度高，尤其在高溫、低溫探測(cè)領(lǐng)域是其他探測(cè)器件無(wú)法取代的。 晶體的自發(fā)極化：在自然條件下，晶體的某些分子正負(fù)電荷中心不重合，具有一定固有的偶極矩，在垂直極軸的兩個(gè)端面上就會(huì)造成大小相等，符號(hào)相反的面束縛電荷。這樣的晶體也稱為極化晶體。 熱釋電效應(yīng)：極化晶體受

29、熱輻射照射時(shí)，由于溫度的改變使熱電晶體的偶極矩發(fā)生變化，極化強(qiáng)度和面束縛電荷發(fā)生變化，結(jié)果在垂直于極化方向的晶體兩個(gè)外表面之間出現(xiàn)電壓，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 鐵電體具有電滯回線現(xiàn)象，是目前熱釋電探測(cè)器的重要組成材料。作業(yè)：1、什么是熱釋電效應(yīng)？為什么熱釋電探測(cè)器只能測(cè)量變化的或經(jīng)過(guò)調(diào)制的熱輻射？ 2、熱釋電探測(cè)器適合在什么樣的溫度區(qū)間工作，為什么？1什么是光譜響應(yīng)率？根據(jù)器件與光源的光譜曲線說(shuō)明光譜匹配系數(shù)的意義。答：光譜響應(yīng)率：光電器件在單色 (在波長(zhǎng)附近一個(gè)很小的波長(zhǎng)范圍里) 輻射功率作用下產(chǎn)生的信號(hào)電壓或信號(hào)電流。 光譜匹配系數(shù)反映了器件響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍同光源光譜的吻合程度，可用面積A

30、1，A2表示， 在光源固定的情況下,面積A1是不變的,如果與曲線重合得愈多,面積A2愈大, 愈大，也就是光譜匹配愈好;反之,如果兩曲線沒(méi)有重合之處,=0,即二者完全失配,則該光電器件對(duì)光源輻射沒(méi)有探測(cè)能力。2什么是器件的最小可探測(cè)輻射功率和探測(cè)率？探測(cè)率表達(dá)式的意義如何？答：當(dāng)輸出信號(hào)電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時(shí)的探測(cè)器的入射輻射功率叫做最小可探測(cè)輻射功率，也叫做噪聲等效功率NEP 。 對(duì)Pmin取倒數(shù)可作為衡量探測(cè)器探測(cè)能力的參數(shù)，稱為探測(cè)率。 意義：表示探測(cè)器接收面積為1cm2，工作帶寬為1Hz時(shí)的單位入射輻射功率所產(chǎn)生的信噪比。3半導(dǎo)體發(fā)生本征光吸收的條件是什么？答：本征吸收條件：光子

31、的能量必須大于或等于禁帶的寬度Eg。 4什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？答：光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，吸收光子引起載流子濃度增大，產(chǎn)生附加電導(dǎo)率使電導(dǎo)率增加，這個(gè)現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。在外電場(chǎng)作用下就能得到電流的變化。1結(jié)型光電探測(cè)器與光電導(dǎo)探測(cè)器的主要區(qū)別有哪些？ 答：結(jié)型光電探測(cè)器與光電導(dǎo)探測(cè)器的區(qū)別: （1）產(chǎn)生光電變換的部位不同。（2）光電導(dǎo)型探測(cè)器沒(méi)有極性，且工作時(shí)必須有外加電壓，而結(jié)型探測(cè)器有確定的正負(fù)極，不需外加電壓也可把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。（3）光電導(dǎo)探測(cè)器為均質(zhì)型探測(cè)器，載流子馳豫時(shí)間長(zhǎng)，頻率響應(yīng)特性差。而結(jié)型探測(cè)器頻率特性好，靈敏度高。雪崩式光電二極管、光電三極管還有內(nèi)增益作用，可以

32、通過(guò)較大的電流。2光電二極管與光電池的主要區(qū)別是什么？答：光電二極管與光電池的主要區(qū)別： （1）結(jié)面積大小不同，光電二極管的要小很多。結(jié)電容很小，頻率特性好；（2）PN結(jié)工作狀態(tài)不同，光電池PN結(jié)工作在零偏置狀態(tài)下。而光電二極管工作于反偏工作狀態(tài)下，光電流小 。3 PIN管的時(shí)間響應(yīng)特性為什么比普通光電二極管好？ 答：一般說(shuō)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的速度比漂移運(yùn)動(dòng)的速度低得多，PIN管由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，所以響應(yīng)速度提高了。 時(shí)間響應(yīng)特性主要取決于結(jié)電容和載流子渡越耗盡層所需要的時(shí)間。由于PIN耗盡層變寬，因此結(jié)電容變小了；同時(shí)由于I區(qū)電阻高，可承電壓高，電場(chǎng)強(qiáng)，載流子渡越耗盡層時(shí)間縮短了，所以時(shí)間特性變好

33、了（頻率帶寬可達(dá)10GHz） 。 4說(shuō)明雪崩型光電二極管的工作原理和頻率特點(diǎn)。 答：雪崩光電二極管原理：PN結(jié)加上相當(dāng)大的反向偏壓（略低于反向擊穿電壓）高電場(chǎng)光生載流子加速晶格原子-新載流子晶格原子-新載流子雪崩式載流子倍增。頻率特點(diǎn)：載流子運(yùn)動(dòng)速度快，渡越時(shí)間短（10-10s量級(jí)），所以時(shí)間特性非常好，響應(yīng)頻率可達(dá)105MHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。1 簡(jiǎn)述半導(dǎo)體光電發(fā)射的過(guò)程。 答： 將半導(dǎo)體光電發(fā)射的物理過(guò)程歸納為三步： （1）半導(dǎo)體中的電子吸收入射光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài)（導(dǎo)帶）上； （2）這些被激發(fā)的電子在向表面運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中因散射而損失掉一部分能量； （3）到達(dá)表面的

34、電子克服表面電子親和勢(shì)EA而逸出。2什么是負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極？答：如果給半導(dǎo)體的表面作特殊處理，使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降低到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢(shì)為負(fù)值，經(jīng)過(guò)這種特殊處理的陰極稱作負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極(NEA)。3說(shuō)明光電倍增管的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。答：光電倍增管結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)(光電陰極至第一倍增極的區(qū)域)，倍增系統(tǒng)(或稱打拿極系統(tǒng))、陽(yáng)極(或稱收集極)。工作原理: 光子透過(guò)入射窗口入射在光電陰極上，電子受光子激發(fā)發(fā)射到真空中，光電子通過(guò)電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級(jí)上，倍增級(jí)將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子，入射電子經(jīng)N級(jí)倍

35、增極倍增后，光電子就放大N次，最后由陽(yáng)極收集形成光電流。4光電倍增管的暗電流是指什么？引起暗電流的因素主要有哪些？答：當(dāng)光電倍增管完全與光照隔絕，在加上工作電壓后，陽(yáng)極仍有電流輸出，輸出電流的直流部分稱為該管的暗電流，即由非光照因素引起的一切電流稱為暗電流。 引起暗電流有下列幾方面的因素： 1) 熱發(fā)射2) 極間漏電3) 光反饋4) 離子反饋5) 場(chǎng)致發(fā)射6) 其他原因。1說(shuō)明像管的結(jié)構(gòu)和工作原理。答：像管結(jié)構(gòu)主要有三部分組成：光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、熒光屏。像管的工作過(guò)程： 1、光電轉(zhuǎn)換：由光電陰極完成。微弱或不可見(jiàn)輻射圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)（電子流）; 2、電子成像：由電子光學(xué)系統(tǒng)完成（類

36、似于光學(xué)透鏡），其上加有高電壓，能將光電陰極發(fā)出的電子流加速，并聚焦成像在熒光屏幕上； 3、增強(qiáng)亮度：高速電子流轟擊熒光屏后，屏幕發(fā)出的光要強(qiáng)于入射信號(hào)光，相當(dāng)于增強(qiáng)了圖像的亮度，對(duì)圖像做了二次轉(zhuǎn)換。2試說(shuō)明在像管中，提高光電陰極長(zhǎng)波響應(yīng)對(duì)增加對(duì)比度的意義。答：對(duì)同一光源，陰極長(zhǎng)波響應(yīng)大者，提供的初始對(duì)比度高。這就是為什么陰極響應(yīng)要向紅外延伸的原因。 對(duì)同一陰極，不同的光源情況(如星光和月光)，光源光譜偏向長(zhǎng)波者，能提供較高的初始對(duì)比。由于光電陰極長(zhǎng)波閾值總是大于眼睛，所以光電陰極所提供的初始對(duì)比度總是大于人眼。3何為光學(xué)傳遞函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)？調(diào)制傳遞函數(shù)和對(duì)比度度傳遞的關(guān)系如何？答：光學(xué)傳

37、遞函數(shù)：輸出函數(shù)的傅里葉變換與輸入函數(shù)的傅里葉變換之比。它也等于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)線擴(kuò)散函數(shù)的傅里葉變換；調(diào)制傳遞函數(shù)等于正弦圖案的對(duì)比傳遞系數(shù)。M(f)=1,像和物的調(diào)制度相同；M(f)=0,則不論物的調(diào)制度如何，像的調(diào)制度為0，即強(qiáng)度是均勻的一片，分不出圖像，一般M(f)V1。電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。2CCD器件的基本結(jié)構(gòu)包括哪些？答：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)。3說(shuō)明BCCD與SCCD之間的區(qū)別。答：1) BCCD中傳遞信息的電子是N層中的多子，而SCCD的是P層中少子。2) BCCD的信息電荷集中在半導(dǎo)體內(nèi)Z平面附近，而SCCD中的信息電荷是集中在界面處的薄反型層

38、中，所以BCCD處理電荷的能力低。3) BCCD具有較高的轉(zhuǎn)移效率，轉(zhuǎn)移損失比SCCD小12個(gè)數(shù)量級(jí)。4說(shuō)明幀/場(chǎng)轉(zhuǎn)移面陣CCD的工作原理。答：（1）光積分：在一場(chǎng)圖像時(shí)間內(nèi)，光生信號(hào)電荷被收集在整個(gè)光敏區(qū)勢(shì)阱中，形成與光像對(duì)應(yīng)的電荷圖形。（2）幀轉(zhuǎn)移：在幀轉(zhuǎn)移脈沖作用下，光敏區(qū)的信號(hào)電荷平移到暫存區(qū)。（幀脈沖過(guò)后，光敏區(qū)又處于第二場(chǎng)積分） （3）行轉(zhuǎn)移：在行轉(zhuǎn)移脈沖驅(qū)動(dòng)下，暫存區(qū)將全部信號(hào)自下而上一行一行地轉(zhuǎn)移到水平讀出寄存器。（4）位轉(zhuǎn)移：已進(jìn)入讀出寄存器的信號(hào)電荷，在相當(dāng)于行正程期間，由水平時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，快速地一行接一行將一行內(nèi)的電荷包一個(gè)個(gè)讀出，在輸出級(jí)得到視頻信號(hào)。5說(shuō)明行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD的工作原理。答：（1）光敏元在積分期內(nèi)積累的信號(hào)電荷包，在轉(zhuǎn)移柵控制下水平地轉(zhuǎn)移入垂直寄存器。（2）在相當(dāng)于水平消隱期間，在b1、 b2作用下，暫存區(qū)將原來(lái)從光敏區(qū)平移來(lái)的信號(hào)自下而上一行一行地轉(zhuǎn)移到水平讀出寄存器。（3）已進(jìn)入讀出寄存器的信號(hào)電荷，在相當(dāng)于行正程期間，由水平時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，快速地一行接一行將一行內(nèi)的電荷包順序讀出，在輸出極上得到視頻信號(hào)。6CCD與CMOS器件在信號(hào)讀出動(dòng)作上有何差異？那個(gè)與LSI制造更兼容？答：CCD只能將信號(hào)依照像素的排列順序輸出； CMOS與像素排