第六章光電探測(cè)器

1、1l概述概述 光電器件：探測(cè)載波光信息，利用光電效應(yīng)把光信息轉(zhuǎn)換成電信息的光電器件：探測(cè)載波光信息，利用光電效應(yīng)把光信息轉(zhuǎn)換成電信息的器件。器件。按器件的機(jī)理不同，分為按器件的機(jī)理不同，分為熱電熱電和和光電光電探測(cè)器兩大類。探測(cè)器兩大類。 n 熱電探測(cè)器熱電探測(cè)器： 基于光輻射引起探測(cè)器溫度上升，從而使與溫度有關(guān)的電物理量發(fā)生變化，基于光輻射引起探測(cè)器溫度上升，從而使與溫度有關(guān)的電物理量發(fā)生變化，反映的是入射光的能量或功率和輸出電量的函數(shù)關(guān)系。如熱敏電阻、熱電偶反映的是入射光的能量或功率和輸出電量的函數(shù)關(guān)系。如熱敏電阻、熱電偶和熱電堆、氣動(dòng)管（高萊管）、熱釋電探測(cè)器等。和熱電堆、氣動(dòng)管（高萊管

2、）、熱釋電探測(cè)器等。 熱電探測(cè)器熱電探測(cè)器對(duì)光譜響應(yīng)沒有選擇性，對(duì)光譜響應(yīng)沒有選擇性，從可見光到紅外波段均可響應(yīng)。從可見光到紅外波段均可響應(yīng)。 第六章第六章 光電探測(cè)器光電探測(cè)器2n 光電探測(cè)器：光電探測(cè)器：基于光電效應(yīng)把光能直接轉(zhuǎn)換成電信息的基于光電效應(yīng)把光能直接轉(zhuǎn)換成電信息的器件。器件。分類：分類：根據(jù)工作效應(yīng)的不同可以分為：根據(jù)工作效應(yīng)的不同可以分為：（1）光電子發(fā)射器件：光電管和光電倍增管）光電子發(fā)射器件：光電管和光電倍增管 （2）光電導(dǎo)器件：?jiǎn)尉汀⒍嗑汀⒑辖鹦偷墓饷綦娮瑁┕怆妼?dǎo)器件：?jiǎn)尉?、多晶型、合金型的光敏電?（3）光生伏特器件：光電池、光電二極管和光電三極管）光生伏特器件

3、：光電池、光電二極管和光電三極管 （4）光磁電器件）光磁電器件 按排列結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器也可分為單元器件、陣列器件或成像按排列結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器也可分為單元器件、陣列器件或成像器件等器件等 36.1 光電探測(cè)器的特性參數(shù)光電探測(cè)器的特性參數(shù) l量子效率量子效率:IhvepPhePIl 響應(yīng)度響應(yīng)度 ：入射的單位光輻射功率所引起的反應(yīng)入射的單位光輻射功率所引起的反應(yīng) 電壓響應(yīng)度：電壓響應(yīng)度： suURP 電流靈敏度：電流靈敏度： sdISP光電探測(cè)器吸收光子產(chǎn)生光電子，光電子形成電流。光電探測(cè)器吸收光子產(chǎn)生光電子，光電子形成電流。 單位時(shí)間入射到探測(cè)器表面的光子單位時(shí)間入射到探測(cè)器表面的光子 單位時(shí)間內(nèi)

4、被光子激勵(lì)的光電子數(shù)。單位時(shí)間內(nèi)被光子激勵(lì)的光電子數(shù)。 特定波長(zhǎng)下特定波長(zhǎng)下，單位時(shí)間探測(cè)器傳輸出的光電子數(shù)與單位時(shí)間入射到探測(cè)器表面的光子數(shù)之比 描述光電器件描述光電器件光電轉(zhuǎn)換能力光電轉(zhuǎn)換能力 46.1 光電探測(cè)器的特性參數(shù)光電探測(cè)器的特性參數(shù) 光電探測(cè)器響應(yīng)度隨入射光的波長(zhǎng)改變而改變的特性光電探測(cè)器響應(yīng)度隨入射光的波長(zhǎng)改變而改變的特性 。峰值響應(yīng)波長(zhǎng)：峰值響應(yīng)波長(zhǎng)：響應(yīng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值響應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值響應(yīng)波長(zhǎng) 截止波長(zhǎng)：截止波長(zhǎng)：當(dāng)響應(yīng)度下降到其峰值的當(dāng)響應(yīng)度下降到其峰值的50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。l 線性度：線性度：探測(cè)器的輸出光電流（或

5、光電壓）與輸入光功率成比例的探測(cè)器的輸出光電流（或光電壓）與輸入光功率成比例的 程度和范圍。通常，弱光照時(shí)探測(cè)器輸出光電流都能在較程度和范圍。通常，弱光照時(shí)探測(cè)器輸出光電流都能在較 大范圍內(nèi)與輸入光功率（或輻照度）成線性關(guān)系。在強(qiáng)光大范圍內(nèi)與輸入光功率（或輻照度）成線性關(guān)系。在強(qiáng)光 照時(shí)趨于平方根關(guān)系。照時(shí)趨于平方根關(guān)系。 l 光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)：5l 響應(yīng)時(shí)間和頻率響應(yīng)響應(yīng)時(shí)間和頻率響應(yīng) 當(dāng)照射探測(cè)器的光功率由零增加到某一值時(shí)，光電探測(cè)器的瞬時(shí)輸出電流當(dāng)照射探測(cè)器的光功率由零增加到某一值時(shí)，光電探測(cè)器的瞬時(shí)輸出電流總不能完全跟隨輸入變化?？偛荒芡耆S輸入變化。 同樣，在光照突然停止時(shí)也是這

6、樣，這就是探同樣，在光照突然停止時(shí)也是這樣，這就是探測(cè)器的惰性。測(cè)器的惰性。 /1tseiti 由于探測(cè)器存在惰性，當(dāng)用一定振幅的正弦調(diào)制光照射探測(cè)器時(shí)，若調(diào)制由于探測(cè)器存在惰性，當(dāng)用一定振幅的正弦調(diào)制光照射探測(cè)器時(shí)，若調(diào)制頻率低，則響應(yīng)度與調(diào)制頻率無關(guān)；若頻率高，響應(yīng)度就隨頻率升高而降頻率低，則響應(yīng)度與調(diào)制頻率無關(guān)；若頻率高，響應(yīng)度就隨頻率升高而降低。低。 20)2(1)(fRfR0Rf為調(diào)制頻率 0時(shí)的響應(yīng)度。)(tis響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間：階躍輸入時(shí)，階躍輸入時(shí)， 上升到穩(wěn)態(tài)值上升到穩(wěn)態(tài)值的的0.63倍時(shí)的時(shí)間倍時(shí)的時(shí)間 2/)(0RfRc時(shí)的調(diào)制頻率時(shí)的調(diào)制頻率 響應(yīng)頻率：響應(yīng)頻率：6l

7、 噪聲等效功率（噪聲等效功率（NEP）：使探測(cè)器輸出電壓正好等于輸出噪聲使探測(cè)器輸出電壓正好等于輸出噪聲電壓時(shí)的入射光功率電壓時(shí)的入射光功率 。 在探測(cè)極其微弱的信號(hào)時(shí)，限制光電探測(cè)器對(duì)極微弱光輻射探測(cè)能力在探測(cè)極其微弱的信號(hào)時(shí)，限制光電探測(cè)器對(duì)極微弱光輻射探測(cè)能力的不是響應(yīng)度的大小。的不是響應(yīng)度的大小。 /nusnUPNEPRUU/ndsnIPNEPSII噪聲等效功率的概念表征探測(cè)器的最小可探測(cè)功率。噪聲等效功率的概念表征探測(cè)器的最小可探測(cè)功率。 l 探測(cè)度探測(cè)度D及歸一化探測(cè)度及歸一化探測(cè)度D*：fAD /1*DD A f7l 光電探測(cè)器的噪聲光電探測(cè)器的噪聲1熱噪聲：熱噪聲：凡有功耗電阻

8、的元件都有熱噪聲，來源于電阻內(nèi)部凡有功耗電阻的元件都有熱噪聲，來源于電阻內(nèi)部自由電子或電荷自由電子或電荷載流子的不規(guī)則的熱騷動(dòng)載流子的不規(guī)則的熱騷動(dòng)。熱噪聲與溫度成正比，與測(cè)量?jī)x器的電子帶寬成。熱噪聲與溫度成正比，與測(cè)量?jī)x器的電子帶寬成正比，與頻率無關(guān)。正比，與頻率無關(guān)。2暗電流噪聲：暗電流噪聲：當(dāng)探測(cè)器接入電路后，當(dāng)探測(cè)器接入電路后，由于熱電子發(fā)射，場(chǎng)致發(fā)射或半導(dǎo)體中由于熱電子發(fā)射，場(chǎng)致發(fā)射或半導(dǎo)體中晶格熱振動(dòng)激發(fā)出載流子，而產(chǎn)生的輸出電流晶格熱振動(dòng)激發(fā)出載流子，而產(chǎn)生的輸出電流。 3散粒噪聲：散粒噪聲： 由電子或光生載流子的粒子性所引起的噪聲。每一瞬時(shí)通過由電子或光生載流子的粒子性所引起的

9、噪聲。每一瞬時(shí)通過PN結(jié)的載流子數(shù)總有微小的不規(guī)則起伏，使探測(cè)器的輸出電流也隨之起伏，引結(jié)的載流子數(shù)總有微小的不規(guī)則起伏，使探測(cè)器的輸出電流也隨之起伏，引起散粒噪聲。散粒噪聲是與頻率無關(guān)，與帶寬有關(guān)的白噪聲。起散粒噪聲。散粒噪聲是與頻率無關(guān)，與帶寬有關(guān)的白噪聲。fiein_22噪聲來自系統(tǒng)外部干擾噪聲和內(nèi)部噪聲。系統(tǒng)內(nèi)部噪聲主要是由于元器噪聲來自系統(tǒng)外部干擾噪聲和內(nèi)部噪聲。系統(tǒng)內(nèi)部噪聲主要是由于元器件中帶電粒子的不連續(xù)性以及局部不均勻造成的件中帶電粒子的不連續(xù)性以及局部不均勻造成的 2/1)2(feIIdn86.2 光電探測(cè)器原理和種類光電探測(cè)器原理和種類l原理：原理：材料表面的電子吸收光子能

10、量，吸收的光能能夠滿足途中由于材料表面的電子吸收光子能量，吸收的光能能夠滿足途中由于與晶格或其它電子碰撞而損失的能量外，尚有一定能量足以克服固體與晶格或其它電子碰撞而損失的能量外，尚有一定能量足以克服固體表面的勢(shì)壘（或叫逸出功）則電子就可以穿出材料表面。這些逸出表表面的勢(shì)壘（或叫逸出功）則電子就可以穿出材料表面。這些逸出表面的電子稱為光電子。這種現(xiàn)像叫光電子發(fā)射或外光電效應(yīng)。面的電子稱為光電子。這種現(xiàn)像叫光電子發(fā)射或外光電效應(yīng)。 hvEkl 特點(diǎn)：特點(diǎn)：光電子動(dòng)能與照射光強(qiáng)度無關(guān)；光電子動(dòng)能與照射光強(qiáng)度無關(guān)； 光譜響應(yīng)表現(xiàn)出選擇性；光譜響應(yīng)表現(xiàn)出選擇性； 光電子發(fā)射效應(yīng)的低頻限；光電子發(fā)射效應(yīng)

11、的低頻限；優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快和噪音小靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快和噪音小 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高，體積較大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高，體積較大 6.2.1 光電子發(fā)射效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)9l 光電子發(fā)射器件光電子發(fā)射器件光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管:典型的光電子發(fā)射型（外光電效應(yīng)）探測(cè)器件典型的光電子發(fā)射型（外光電效應(yīng)）探測(cè)器件. 由光電陰極、陽極和真空管殼組成，是一種由光電陰極、陽極和真空管殼組成，是一種電流放大器件電流放大器件。光電倍增管具有很高的電流增益，特別適用于微弱光信號(hào)的探測(cè)光電倍增管具有很高的電流增益，特別適用于微弱光信號(hào)的探測(cè)10（1）光電管

12、）光電管光電管分為光電管分為真空光電管真空光電管和和充氣光電管充氣光電管兩大類。兩大類。真空光電管：真空光電管：管內(nèi)管內(nèi)保持真空保持真空，只存在電子運(yùn)動(dòng)，只存在電子運(yùn)動(dòng)充氣光電管：充氣光電管：管內(nèi)充有管內(nèi)充有低壓惰性氣體低壓惰性氣體，工作時(shí)電子碰撞氣體，利用氣體電離放電，工作時(shí)電子碰撞氣體，利用氣體電離放電 獲得光電流放大作用的光電管。獲得光電流放大作用的光電管。n 真空光電管真空光電管 工作原理：工作原理： 當(dāng)入射光線透過光窗照射到電陰極面上時(shí)，光電子從陰極發(fā)射到真空中，在當(dāng)入射光線透過光窗照射到電陰極面上時(shí)，光電子從陰極發(fā)射到真空中，在極間電場(chǎng)作用下，光電子加速運(yùn)動(dòng)到陽極被陽極吸收，光電流

13、數(shù)值可在陽極極間電場(chǎng)作用下，光電子加速運(yùn)動(dòng)到陽極被陽極吸收，光電流數(shù)值可在陽極電路中測(cè)出。電路中測(cè)出。 11真空光電管的結(jié)構(gòu)真空光電管的結(jié)構(gòu)12 主要特性主要特性靈敏度：靈敏度：在一定光譜和陽極電壓下，光電管陽極電流與陰極面上光在一定光譜和陽極電壓下，光電管陽極電流與陰極面上光 通量之比，反應(yīng)了光電管的光照特性。通量之比，反應(yīng)了光電管的光照特性。 伏安特性：伏安特性：一定光照條件下，陽極電流會(huì)隨其電壓增加而增加一定光照條件下，陽極電流會(huì)隨其電壓增加而增加 。 不同電極結(jié)構(gòu)有不同的飽和電壓不同電極結(jié)構(gòu)有不同的飽和電壓 。光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)：各種真空光電管的光譜響應(yīng)不同，影響光譜特性的主要各種真空

14、光電管的光譜響應(yīng)不同，影響光譜特性的主要 因素是光陰極的結(jié)構(gòu)、材料、厚度及光窗材料等因素是光陰極的結(jié)構(gòu)、材料、厚度及光窗材料等 。暗電流：暗電流：在低照度下，暗電流大小和噪聲決定了測(cè)量光通量的低限，在低照度下，暗電流大小和噪聲決定了測(cè)量光通量的低限， 并影響對(duì)弱光的測(cè)量精度并影響對(duì)弱光的測(cè)量精度 。 13n 充氣光電管充氣光電管 在光電管中充進(jìn)低壓惰性氣體，在光照下光電陰極發(fā)射出的光電在光電管中充進(jìn)低壓惰性氣體，在光照下光電陰極發(fā)射出的光電子受電場(chǎng)作用加速向陽極運(yùn)動(dòng)，途中與氣體原子相碰撞，氣體原子發(fā)子受電場(chǎng)作用加速向陽極運(yùn)動(dòng)，途中與氣體原子相碰撞，氣體原子發(fā)生電離而形成電子與正離子。電離出來的

15、電子在電場(chǎng)的作用下與光電生電離而形成電子與正離子。電離出來的電子在電場(chǎng)的作用下與光電子一起再次使氣體原子電離。如此繁衍下去，使充氣光電管的有效電子一起再次使氣體原子電離。如此繁衍下去，使充氣光電管的有效電流增加，同時(shí)正離子也在同一電場(chǎng)作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成離子電流，流增加，同時(shí)正離子也在同一電場(chǎng)作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成離子電流，其數(shù)值與電子電流相當(dāng)。因此，在陽極電路內(nèi)就形成了數(shù)倍于真空光其數(shù)值與電子電流相當(dāng)。因此，在陽極電路內(nèi)就形成了數(shù)倍于真空光電管的光電流。電管的光電流。14n 充氣光電管充氣光電管特點(diǎn)：特點(diǎn)：l靈敏度：靈敏度：高于真空光電管，由于陽極電流不僅取決于陰極發(fā)射的電子高于真空光電管

16、，由于陽極電流不僅取決于陰極發(fā)射的電子還取決于氣體電離的電子和離子，只有在一定條件下陽極電流和光照還取決于氣體電離的電子和離子，只有在一定條件下陽極電流和光照之間才有線性關(guān)系。之間才有線性關(guān)系。l伏安特性：伏安特性：充氣光電管沒有飽和現(xiàn)象，由于管內(nèi)氣體的電離作用，隨充氣光電管沒有飽和現(xiàn)象，由于管內(nèi)氣體的電離作用，隨著陽極電壓升高，陽極電流迅速增大。著陽極電壓升高，陽極電流迅速增大。l暗電流與噪聲：暗電流與噪聲：比真空光電管大，由于熱發(fā)射電流也參與氣體的電離比真空光電管大，由于熱發(fā)射電流也參與氣體的電離放大作用，具有較大的熱發(fā)射噪聲和散粒噪聲放大作用，具有較大的熱發(fā)射噪聲和散粒噪聲15（2） 光

17、電倍增管光電倍增管 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理由光電陰極、倍增極、陽極和真空管殼組成。圖中由光電陰極、倍增極、陽極和真空管殼組成。圖中K是光電陰極，是光電陰極，D是倍增極是倍增極, A是陽極。是陽極。U是極間電壓，稱為分級(jí)電壓；分極電壓為百伏量級(jí)，分級(jí)電壓之和為總電壓，總電是極間電壓，稱為分級(jí)電壓；分極電壓為百伏量級(jí)，分級(jí)電壓之和為總電壓，總電壓為千伏量級(jí)。從陰極到陽極，各極間形成逐級(jí)遞增的加速電場(chǎng)。壓為千伏量級(jí)。從陰極到陽極，各極間形成逐級(jí)遞增的加速電場(chǎng)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪聲小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作電壓高、體積大。電靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪聲小，但結(jié)構(gòu)

18、復(fù)雜、工作電壓高、體積大。電流放大元件，具有較高的電流增益，特別適用于微弱光信號(hào)的探測(cè)。流放大元件，具有較高的電流增益，特別適用于微弱光信號(hào)的探測(cè)。16 特性參數(shù)特性參數(shù)（1）靈敏度：）靈敏度：光電倍增管的靈敏度一般分為陰極靈敏度和陽極靈光電倍增管的靈敏度一般分為陰極靈敏度和陽極靈 敏度，敏度，國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)GBD23T型光電倍增管的陰極靈敏度典型值為型光電倍增管的陰極靈敏度典型值為 50A/lm ，陽極靈敏度為，陽極靈敏度為200A/lm。 （2）放大倍數(shù)（內(nèi)增益）：在一定的工作電壓下，光電倍增管的陽極）放大倍數(shù)（內(nèi)增益）：在一定的工作電壓下，光電倍增管的陽極 信號(hào)電流和陰極信號(hào)電流之比信號(hào)電流和

19、陰極信號(hào)電流之比 （3）光譜響應(yīng)度：光電陰極的光譜響應(yīng)度曲線，主要取決于光電陰極）光譜響應(yīng)度：光電陰極的光譜響應(yīng)度曲線，主要取決于光電陰極 的材料。的材料。 （4）時(shí)間特性）時(shí)間特性 : 響應(yīng)時(shí)間、渡越時(shí)間和渡越時(shí)間分散（散差）。響應(yīng)時(shí)間、渡越時(shí)間和渡越時(shí)間分散（散差）。 KAiiG/17 特性參數(shù)特性參數(shù)（4）時(shí)間特性）時(shí)間特性 :響應(yīng)時(shí)間：陽極電流脈沖幅度從最大值的響應(yīng)時(shí)間：陽極電流脈沖幅度從最大值的10上升到上升到90所經(jīng)過的時(shí)間。所經(jīng)過的時(shí)間。渡越時(shí)間：從函數(shù)光脈沖的頂點(diǎn)到陽極電流輸出最大值所經(jīng)歷的時(shí)間。渡越時(shí)間：從函數(shù)光脈沖的頂點(diǎn)到陽極電流輸出最大值所經(jīng)歷的時(shí)間。渡越時(shí)間分散（散差）

20、：在重復(fù)光脈沖輸入時(shí)，渡越時(shí)間每次略有不同，有渡越時(shí)間分散（散差）：在重復(fù)光脈沖輸入時(shí)，渡越時(shí)間每次略有不同，有 一定起伏。一定起伏。 18 光電倍增管的供電電路光電倍增管的供電電路（1）為了輸出信號(hào)和后面放大電路匹配方便，一般都使光電倍增管陽極通為了輸出信號(hào)和后面放大電路匹配方便，一般都使光電倍增管陽極通 過負(fù)載電阻接地。過負(fù)載電阻接地。（2）在脈沖響應(yīng)或高頻應(yīng)用中，陽極電流變化很快，也很大，分壓電阻上在脈沖響應(yīng)或高頻應(yīng)用中，陽極電流變化很快，也很大，分壓電阻上 的壓降變化很大，造成倍增管的放大倍數(shù)不穩(wěn)定。為此在最后三級(jí)的壓降變化很大，造成倍增管的放大倍數(shù)不穩(wěn)定。為此在最后三級(jí)倍倍 增極間與

21、分壓電阻各并聯(lián)一只耦合電容。增極間與分壓電阻各并聯(lián)一只耦合電容。 191）光電倍增管的選擇：與待測(cè)光的光譜響應(yīng)一致；對(duì)低能和弱光的探測(cè)應(yīng)采）光電倍增管的選擇：與待測(cè)光的光譜響應(yīng)一致；對(duì)低能和弱光的探測(cè)應(yīng)采用陰極靈敏度高與暗電流小、噪聲低的管子；陰極尺寸的選擇取決于光信號(hào)照用陰極靈敏度高與暗電流小、噪聲低的管子；陰極尺寸的選擇取決于光信號(hào)照射到陰極上的面積，光束窄可選用小陰極直徑的管子，通常陰極大小決定于光射到陰極上的面積，光束窄可選用小陰極直徑的管子，通常陰極大小決定于光電倍增管的大小；陽極靈敏度的確定是根據(jù)入射到光電陰極的光通量和需要輸電倍增管的大??；陽極靈敏度的確定是根據(jù)入射到光電陰極的光

22、通量和需要輸出的信號(hào)大小估算而得。除此之外，還應(yīng)考慮耐震、高溫等條件。出的信號(hào)大小估算而得。除此之外，還應(yīng)考慮耐震、高溫等條件。 使用光電倍增管必須注意的事項(xiàng)使用光電倍增管必須注意的事項(xiàng)（1）必須在額定電壓和額定電流內(nèi)工作。因?yàn)楣茏釉鲆婧芨?，入射光功率稍必須在額定電壓和額定電流內(nèi)工作。因?yàn)楣茏釉鲆婧芨?，入射光功率?大就會(huì)使光電流可能超過額定值，輕者使管子響應(yīng)度下降，出現(xiàn)疲勞大就會(huì)使光電流可能超過額定值，輕者使管子響應(yīng)度下降，出現(xiàn)疲勞 （放置一段時(shí)間可能恢復(fù)），重者不能恢復(fù)，或被燒毀。（放置一段時(shí)間可能恢復(fù)），重者不能恢復(fù)，或被燒毀。（2）光電倍增管常使用金屬屏蔽殼，用來屏蔽雜光和電磁干擾，金

23、屬殼應(yīng)接）光電倍增管常使用金屬屏蔽殼，用來屏蔽雜光和電磁干擾，金屬殼應(yīng)接 地。在使用負(fù)高壓供電時(shí)，要防止管玻璃外殼和金屬屏蔽殼之間放電引地。在使用負(fù)高壓供電時(shí)，要防止管玻璃外殼和金屬屏蔽殼之間放電引 起暗電流，它們之間要有足夠距離起暗電流，它們之間要有足夠距離 。 光電倍增管的使用光電倍增管的使用206.2 光電探測(cè)器原理和種類光電探測(cè)器原理和種類l定義：定義：光照射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，某些電子吸收光子光照射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，某些電子吸收光子的能量，從原來的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)，在外電場(chǎng)的的能量，從原來的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)，在外電場(chǎng)的作用下，流過半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)增

24、大，作用下，流過半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)增大，這種現(xiàn)像叫光電導(dǎo)效應(yīng)，屬內(nèi)光電效應(yīng)這種現(xiàn)像叫光電導(dǎo)效應(yīng)，屬內(nèi)光電效應(yīng)。l工作原理工作原理 6.2.2 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)21本征型和雜質(zhì)型（注意兩者在光探測(cè)能力上的區(qū)別）本征型和雜質(zhì)型（注意兩者在光探測(cè)能力上的區(qū)別）電子離開價(jià)帶躍入導(dǎo)帶。電子離開價(jià)帶躍入導(dǎo)帶。施主能級(jí)中的電子或受主能級(jí)中的空穴躍遷導(dǎo)帶或價(jià)帶。施主能級(jí)中的電子或受主能級(jí)中的空穴躍遷導(dǎo)帶或價(jià)帶。施主能級(jí)：在施主能級(jí)：在N型半導(dǎo)體中，五價(jià)元素雜質(zhì)的剩余電子所處的雜級(jí)能級(jí)。型半導(dǎo)體中，五價(jià)元素雜質(zhì)的剩余電子所處的雜級(jí)能級(jí)。受主能級(jí)：在受主能級(jí)：在P型半導(dǎo)體中，三價(jià)元素雜質(zhì)的剩余

25、空穴所處的雜級(jí)能級(jí)。型半導(dǎo)體中，三價(jià)元素雜質(zhì)的剩余空穴所處的雜級(jí)能級(jí)。gEhc/0Eihc/022l 光電導(dǎo)探測(cè)器件光電導(dǎo)探測(cè)器件（1）硫化鎘）硫化鎘CdS和硒化鎘和硒化鎘CdSe 光敏電阻光敏電阻 硫化鎘和硒化鎘（硫化鎘和硒化鎘（CdS和和CdSe）是可見光區(qū)用得較多的兩種光敏是可見光區(qū)用得較多的兩種光敏電阻。電阻。CdS光敏電阻的峰值波長(zhǎng)光敏電阻的峰值波長(zhǎng)很接近人眼最敏感的很接近人眼最敏感的555nm波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，可用于視覺亮度有關(guān)的測(cè)量和底可用于視覺亮度有關(guān)的測(cè)量和底片曝光方面的測(cè)量。片曝光方面的測(cè)量。利用光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料以光敏電阻應(yīng)用最為廣泛。利用光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料以光敏電阻應(yīng)

26、用最為廣泛。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：響應(yīng)度高；缺點(diǎn)：受單晶大小的限制，受光面積小，響應(yīng)時(shí)間與光照強(qiáng)度響應(yīng)度高；缺點(diǎn)：受單晶大小的限制，受光面積小，響應(yīng)時(shí)間與光照強(qiáng)度 有關(guān)，隨著光照強(qiáng)度減弱響應(yīng)時(shí)間增加。有關(guān)，隨著光照強(qiáng)度減弱響應(yīng)時(shí)間增加。 23（2）硫化鉛硫化鉛PbS和硒化鉛和硒化鉛 PbSe光敏電阻光敏電阻 為多晶薄膜型為多晶薄膜型24 硫化鉛硫化鉛PbS和硒化鉛和硒化鉛PbSe光敏電阻特性光敏電阻特性PbS光敏電阻響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為光敏電阻響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為1.03.5m峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2.4 m，低溫，低溫光譜響應(yīng)范圍光譜響應(yīng)范圍1.04.0mPbSe峰值響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)峰值響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)4.5m低

27、溫響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)低溫響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)5.5mm 為多晶薄膜型光敏電阻為多晶薄膜型光敏電阻25（3）銻化銦）銻化銦InSb和砷化銦和砷化銦InAs光敏電阻光敏電阻銻化銦銻化銦InSb光敏電阻為單晶本征型半導(dǎo)體。光敏電阻為單晶本征型半導(dǎo)體。 通常在低溫下工作，用于探測(cè)紅外波長(zhǎng)通常在低溫下工作，用于探測(cè)紅外波長(zhǎng)26（4） 雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器 雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器是基于非本征光雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器是基于非本征光電導(dǎo)效應(yīng)的光敏電阻。工作于遠(yuǎn)紅電導(dǎo)效應(yīng)的光敏電阻。工作于遠(yuǎn)紅外區(qū)外區(qū)840um波段波段 。由于雜質(zhì)光電。由于雜質(zhì)光電導(dǎo)器件中施主和受主的電離能一般導(dǎo)器件中施主和受主的電離能一般比本征半導(dǎo)體禁帶寬

28、度小得多，所比本征半導(dǎo)體禁帶寬度小得多，所以響應(yīng)波長(zhǎng)比本征光電導(dǎo)器件要長(zhǎng)。以響應(yīng)波長(zhǎng)比本征光電導(dǎo)器件要長(zhǎng)。雜質(zhì)光電導(dǎo)器件都必須工作于低溫雜質(zhì)光電導(dǎo)器件都必須工作于低溫狀態(tài)狀態(tài) 。杜瓦瓶結(jié)構(gòu)杜瓦瓶結(jié)構(gòu)27l原理原理 無光照時(shí)，無光照時(shí)，PN結(jié)內(nèi)存在內(nèi)部自結(jié)內(nèi)存在內(nèi)部自建電場(chǎng)；光照射時(shí)，在結(jié)區(qū)及建電場(chǎng)；光照射時(shí)，在結(jié)區(qū)及其附近產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子、其附近產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子、空穴對(duì)）?？昭▽?duì)）。 載流子在結(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)載流子在結(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時(shí)，因電場(chǎng)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時(shí)，因電場(chǎng)的作用，電子漂移到的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴區(qū)，空穴漂移到漂移到P區(qū)，使區(qū)，使N區(qū)帶負(fù)電荷區(qū)帶負(fù)電

29、荷, P區(qū)帶正電菏，產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)。區(qū)帶正電菏，產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)。6.2.3 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)28l 光伏探測(cè)器件光伏探測(cè)器件 用來制造光伏器件的材料很多，如有硅、硒、鍺等光伏器用來制造光伏器件的材料很多，如有硅、硒、鍺等光伏器件。硅光伏器件具有暗電流小、噪聲低，受溫度的影響較件。硅光伏器件具有暗電流小、噪聲低，受溫度的影響較小，制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的光伏器件。小，制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的光伏器件。如如硅光電池硅光電池、硅光電二極管硅光電二極管、硅雪崩光電二極管硅雪崩光電二極管、硅光電硅光電三極管三極管及及硅光電場(chǎng)效應(yīng)管硅光電場(chǎng)效應(yīng)管。29（1） 硅光電池硅

30、光電池光電池與光電二極管光電池與光電二極管相比，其摻雜濃度高，相比，其摻雜濃度高，電阻率低，電阻率低，易于輸出易于輸出光電流光電流。廣泛用于光度和色度廣泛用于光度和色度測(cè)試測(cè)試。 不需外加偏壓不需外加偏壓30為了得到輸出信號(hào)電壓有較好為了得到輸出信號(hào)電壓有較好的線性，由圖所示的伏安特性的線性，由圖所示的伏安特性可以看出：負(fù)載（可以看出：負(fù)載（I）比負(fù)載）比負(fù)載（）有更好的線性。就是說）有更好的線性。就是說負(fù)載電阻愈小，光電池工作愈負(fù)載電阻愈小，光電池工作愈接近短路狀態(tài)，線性就較好。接近短路狀態(tài)，線性就較好。 短路光電流與入射光功率成為線性關(guān)系，短路光電流與入射光功率成為線性關(guān)系，開路光電壓與入

31、射光功率為對(duì)數(shù)關(guān)系。開路光電壓與入射光功率為對(duì)數(shù)關(guān)系。 31（2） 光電二極管光電二極管 特點(diǎn)：特點(diǎn)：光電二極管響應(yīng)速度快、體積小、價(jià)格低，得到廣泛應(yīng)光電二極管響應(yīng)速度快、體積小、價(jià)格低，得到廣泛應(yīng)用。用。外加反偏電壓方向與外加反偏電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一致，當(dāng)向一致，當(dāng) PN結(jié)及其附近被光照射結(jié)及其附近被光照射時(shí)就產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在時(shí)就產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)作用下很快地漂移過結(jié)，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)作用下很快地漂移過結(jié)，參與導(dǎo)電。當(dāng)入射光強(qiáng)度變化時(shí)，光參與導(dǎo)電。當(dāng)入射光強(qiáng)度變化時(shí)，光生載流子濃度及通過外電路的光電流生載流子濃度及通過外電路的光電流隨之也變化隨之也

32、變化 32硅光電二極管工作特性硅光電二極管工作特性（1）光譜響應(yīng)：）光譜響應(yīng)：主要由硅材料決定，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍主要由硅材料決定，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍0.41.5m （2）伏安特性：）伏安特性：在加一定反偏電壓的情況下，與入射光功率基本上呈線性關(guān)系在加一定反偏電壓的情況下，與入射光功率基本上呈線性關(guān)系 （3）頻率特性及噪聲性能）頻率特性及噪聲性能poIkTeVII 1)exp(PSIdp)(LjLjpLRRRRIU入射光是調(diào)制的光信號(hào)，則負(fù)載上入射光是調(diào)制的光信號(hào)，則負(fù)載上的信號(hào)電壓亦隨調(diào)制頻率而變化。的信號(hào)電壓亦隨調(diào)制頻率而變化。當(dāng)調(diào)制頻率很高時(shí)，輸出電壓會(huì)當(dāng)調(diào)制頻率很高時(shí)，輸出電壓會(huì)下降。影響頻率響應(yīng)

33、的主要因素下降。影響頻率響應(yīng)的主要因素是：結(jié)電容和負(fù)載電阻決定的電是：結(jié)電容和負(fù)載電阻決定的電路時(shí)間常數(shù)路時(shí)間常數(shù) c33 PIN型硅光電二極管對(duì)紅外波長(zhǎng)有較好的響應(yīng)。型硅光電二極管對(duì)紅外波長(zhǎng)有較好的響應(yīng)。 雪崩型硅光電二極管是一種具有內(nèi)增益的半導(dǎo)體光敏器件；雪崩型硅光電二極管是一種具有內(nèi)增益的半導(dǎo)體光敏器件；像雪崩一樣迅速地碰撞出大量電子和空穴，形成強(qiáng)大的電像雪崩一樣迅速地碰撞出大量電子和空穴，形成強(qiáng)大的電流流 。 雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點(diǎn)。在微弱輻射信號(hào)的探不需要后續(xù)龐大的放大電路

34、等特點(diǎn)。在微弱輻射信號(hào)的探測(cè)方面被廣泛地應(yīng)用。缺點(diǎn)是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受測(cè)方面被廣泛地應(yīng)用。缺點(diǎn)是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大。溫度影響大。（3）其它光電二極管）其它光電二極管34（4）光電三極管）光電三極管當(dāng)光子入射到集電結(jié)時(shí)，被吸收而產(chǎn)生電子當(dāng)光子入射到集電結(jié)時(shí)，被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，空穴對(duì)，處于反向偏置的集電結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)使電子漂移到集電極，處于反向偏置的集電結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)使電子漂移到集電極，空穴漂移到基極，形成光生電壓，基極電位升高?？昭ㄆ频交鶚O，形成光生電壓，基極電位升高。當(dāng)基極沒有引線時(shí)，集電極電流等于發(fā)射極電流當(dāng)基極沒有引線時(shí)，集電極電流等于發(fā)射極電流光信號(hào)是在集電結(jié)進(jìn)行

35、光電變換后，光信號(hào)是在集電結(jié)進(jìn)行光電變換后，再由集電極、基極和發(fā)射極構(gòu)成的再由集電極、基極和發(fā)射極構(gòu)成的晶體三極管中放大而輸出電信號(hào)。晶體三極管中放大而輸出電信號(hào)。 工作原理工作原理相當(dāng)于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個(gè)相當(dāng)于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個(gè)光電二極管。光電二極管。 35（4）光電三極管）光電三極管 光電三極管的特性光電三極管的特性 光照特性與光照靈敏度光照特性與光照靈敏度 光電三極管光電三極管的的線性度比光電線性度比光電二極管要差，光電流和靈敏二極管要差，光電流和靈敏度比光電二極管大幾十倍，度比光電二極管大幾十倍，但在弱光時(shí)靈敏度低些但在弱光時(shí)靈敏度低些對(duì)弱對(duì)弱信號(hào)檢

36、測(cè)不利信號(hào)檢測(cè)不利在零偏置時(shí)，光電三極管沒有電流輸出；在零偏置時(shí)，光電三極管沒有電流輸出；工作電壓較低時(shí)，輸出光電流與入射光工作電壓較低時(shí)，輸出光電流與入射光強(qiáng)為非線性關(guān)系。用于電壓較高或入射強(qiáng)為非線性關(guān)系。用于電壓較高或入射光強(qiáng)較大的場(chǎng)合，作控制系統(tǒng)的開關(guān)元件。光強(qiáng)較大的場(chǎng)合，作控制系統(tǒng)的開關(guān)元件。伏安特性伏安特性 36（4）光電三極管）光電三極管響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 頻率特性和響應(yīng)時(shí)間的影響因素：頻率特性和響應(yīng)時(shí)間的影響因素：集電結(jié)勢(shì)壘電容；正向偏置時(shí)發(fā)集電結(jié)勢(shì)壘電容；正向偏置時(shí)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容的充放電過程以及射結(jié)勢(shì)壘電容的充放電過程以及負(fù)載負(fù)載。使用時(shí)常在外電路上采用使用時(shí)

37、常在外電路上采用高增益、低輸入電抗的運(yùn)算放大高增益、低輸入電抗的運(yùn)算放大器來改善其動(dòng)態(tài)性能器來改善其動(dòng)態(tài)性能 光電三極管的電流放大系數(shù)隨溫光電三極管的電流放大系數(shù)隨溫度升高而變大，使用時(shí)往往應(yīng)考度升高而變大，使用時(shí)往往應(yīng)考慮溫度對(duì)它的輸出產(chǎn)生的影響。慮溫度對(duì)它的輸出產(chǎn)生的影響。光電三極管適用于各種光電控制光電三極管適用于各種光電控制一般不做輻射探測(cè)使用。一般不做輻射探測(cè)使用。 37 光電探測(cè)器的選用原則光電探測(cè)器的選用原則 光電探測(cè)器的選擇取決于入射光波長(zhǎng)，光信號(hào)功率，光背景電平光電探測(cè)器的選擇取決于入射光波長(zhǎng)，光信號(hào)功率，光背景電平以及所要求的信噪比和響應(yīng)頻率。以及所要求的信噪比和響應(yīng)頻率。

38、 光電倍增管（光電倍增管（PMT）可達(dá)到非常高的增益，暗電流小，宜做靈敏）可達(dá)到非常高的增益，暗電流小，宜做靈敏 度高，低噪聲的探測(cè)器。度高，低噪聲的探測(cè)器。 PIN光電二極管具有很小的溫度系數(shù)。光電二極管具有很小的溫度系數(shù)。 APD（雪崩二級(jí)管）和（雪崩二級(jí)管）和PMT，增益是偏壓和溫度的函數(shù)，特別是，增益是偏壓和溫度的函數(shù)，特別是 APD受溫度影響大，對(duì)于要求高的探測(cè)，要考慮采用穩(wěn)定偏壓和受溫度影響大，對(duì)于要求高的探測(cè)，要考慮采用穩(wěn)定偏壓和 溫度補(bǔ)償措施。溫度補(bǔ)償措施。 光電導(dǎo)一般用于中紅外和遠(yuǎn)紅外的探測(cè)，為減少噪聲，光電導(dǎo)器光電導(dǎo)一般用于中紅外和遠(yuǎn)紅外的探測(cè)，為減少噪聲，光電導(dǎo)器 件要采

39、用冷卻系統(tǒng)。件要采用冷卻系統(tǒng)。386.2.4 光磁電效應(yīng)光磁電效應(yīng) 半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，用激光輻射線半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，用激光輻射線垂直照射垂直照射其表面，當(dāng)光子能量足夠其表面，當(dāng)光子能量足夠大時(shí)，在大時(shí)，在表面層內(nèi)表面層內(nèi)激發(fā)出激發(fā)出光生載流子光生載流子，在表面層和體內(nèi)形成，在表面層和體內(nèi)形成載流子濃度梯載流子濃度梯度度；于是光生載流子就向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散的過程中，由于磁場(chǎng)產(chǎn)生的；于是光生載流子就向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散的過程中，由于磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛洛倫茲力的作用倫茲力的作用，電子空穴對(duì)（載流子）偏向兩端，產(chǎn)生電荷積累，形成電，電子空穴對(duì)（載流子）偏向兩端，產(chǎn)生電荷積累，形成電位差，這就是光磁電效應(yīng)。位差

40、，這就是光磁電效應(yīng)。39l CCD概述概述CCD的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)以電荷作為信號(hào)。CCD的基本功能：的基本功能：電荷的存貯和電荷的轉(zhuǎn)移電荷的存貯和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD的工作原理是的工作原理是電荷的產(chǎn)生、存貯、傳輸和檢測(cè)電荷的產(chǎn)生、存貯、傳輸和檢測(cè)。CCD的基本類型：的基本類型：表面溝道表面溝道CCD （SCCD）：電荷包存貯在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敚弘姾砂尜A在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?體溝道或埋溝道體溝道或埋溝道器件（器件（BCCD）：電荷包存貯在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)）：電荷包存貯在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向

41、傳輸。體體內(nèi)沿一定方向傳輸。6.3 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices） 40（1）電荷存貯）電荷存貯 在柵極未施加電壓時(shí)，在柵極未施加電壓時(shí)，P型半導(dǎo)體分布均勻的空穴（多數(shù)載流子）型半導(dǎo)體分布均勻的空穴（多數(shù)載流子） 柵極加正向電壓，空穴遠(yuǎn)離柵極，形成耗盡層?xùn)艠O加正向電壓，空穴遠(yuǎn)離柵極，形成耗盡層 電壓提高，耗盡層擴(kuò)散，形成反型層（電子被表面勢(shì)吸引，極薄，密度電壓提高，耗盡層擴(kuò)散，形成反型層（電子被表面勢(shì)吸引，極薄，密度 極高）極高） 反型層形成時(shí)的外加電壓稱為閾值電壓反型層形成時(shí)的外加電壓稱為閾值電壓 MOS電容的襯底材料由電容的襯底材料由P型換成

42、型換成N型，偏置電壓也反號(hào)，則反型層為空穴型，偏置電壓也反號(hào)，則反型層為空穴 深度耗盡狀態(tài)，深度耗盡狀態(tài)，CCD工作狀態(tài)（因?yàn)樯贁?shù)載流子缺乏，反型層不能立即工作狀態(tài)（因?yàn)樯贁?shù)載流子缺乏，反型層不能立即 形成）形成）l CCD工作原理工作原理4142（2）電荷耦合）電荷耦合 電極電壓的變化使得電荷從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)勢(shì)阱電極電壓的變化使得電荷從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)勢(shì)阱CCD電極間的距離必須很小電極間的距離必須很小,才能保證電荷的轉(zhuǎn)移才能保證電荷的轉(zhuǎn)移43（3）電荷的注入和檢測(cè)）電荷的注入和檢測(cè) 電荷的注入電荷的注入光注入方式光注入方式 當(dāng)光照射到當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，硅片上時(shí)，在柵極附

43、近的體內(nèi)產(chǎn)生電子在柵極附近的體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)空穴對(duì)，其多數(shù)載，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被其收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷少數(shù)載流子則被其收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷，CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。攝像器件的光敏單元為光注入方式。 電注入方式電注入方式（1）電流積分法）電流積分法 S和和P型襯底形成的二極管是反向偏置的，數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)型襯底形成的二極管是反向偏置的，數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)通通 過隔直電容加到過隔直電容加到S上，用以調(diào)制輸入二極管的電位，實(shí)現(xiàn)電荷注上，用以調(diào)制輸入二極管的電位，實(shí)現(xiàn)電荷注 入入.輸入柵輸入柵IG加直流偏置，對(duì)注入電荷起控制作用加

44、直流偏置，對(duì)注入電荷起控制作用 。在在2到來到來 期間，在期間，在IG和和2下形成階梯勢(shì)阱下形成階梯勢(shì)阱 .44（2）電壓注入法）電壓注入法 把信號(hào)加到源擴(kuò)散區(qū)把信號(hào)加到源擴(kuò)散區(qū)S上，輸入柵上，輸入柵IG電極上加與電極上加與2同位相的選通脈同位相的選通脈沖，其寬度小于沖，其寬度小于2的脈寬，因而井就淺一些。的脈寬，因而井就淺一些。cITIDIGjIGTUUUCLZQ2)(2信45 電荷的檢測(cè)（輸出方式）電荷的檢測(cè)（輸出方式）*電流輸出方式電流輸出方式 CCD的重要特性之一是信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時(shí)鐘脈沖沒有任何電容的重要特性之一是信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時(shí)鐘脈沖沒有任何電容耦合，但在輸出端則不可

45、避免。耦合，但在輸出端則不可避免。 46l CCD攝像原理攝像原理電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件ICCD攝像器件具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等攝像器件具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等優(yōu)點(diǎn)，且具有分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)傳輸和自掃描等方面優(yōu)點(diǎn)，且具有分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)傳輸和自掃描等方面的優(yōu)越性的優(yōu)越性CCD攝像器件在文件復(fù)印、傳真，零件尺寸的自動(dòng)測(cè)量和文字識(shí)別等攝像器件在文件復(fù)印、傳真，零件尺寸的自動(dòng)測(cè)量和文字識(shí)別等民用領(lǐng)域；在空間遙感遙測(cè)、衛(wèi)星偵察、導(dǎo)彈制導(dǎo)及潛望鏡水平掃描民用領(lǐng)域；在空間遙感遙測(cè)、衛(wèi)星偵察、導(dǎo)彈制導(dǎo)及潛望鏡水平掃描攝像機(jī)等

46、軍事偵察系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用。攝像機(jī)等軍事偵察系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用。ICCD有兩大類型：有兩大類型：線型線型和和面型面型。47n N型溝道三相線陣型溝道三相線陣CCD攝像原理攝像原理實(shí)際結(jié)構(gòu)是把光敏的實(shí)際結(jié)構(gòu)是把光敏的CCD和讀出的移位寄存器分開和讀出的移位寄存器分開 在在1下的耗盡區(qū)內(nèi)由于下的耗盡區(qū)內(nèi)由于光學(xué)的本征光學(xué)的本征激發(fā)激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，（光）電子將產(chǎn)生電子空穴對(duì)，（光）電子將作為少數(shù)載流子在作為少數(shù)載流子在1勢(shì)阱之中。光勢(shì)阱之中。光束是通過透明電極或電極之間進(jìn)入半束是通過透明電極或電極之間進(jìn)入半導(dǎo)體的，所激發(fā)出來的光電子數(shù)與光導(dǎo)體的，所激發(fā)出來的光電子數(shù)與光強(qiáng)有關(guān)，也與積分時(shí)

47、間長(zhǎng)短有關(guān)。于強(qiáng)有關(guān)，也與積分時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。于是光強(qiáng)分布圖就變成是光強(qiáng)分布圖就變成CCD勢(shì)阱中光勢(shì)阱中光電子電荷量分布圖。積分完畢后，電電子電荷量分布圖。積分完畢后，電極上的電壓變成三相重疊的快速脈沖，極上的電壓變成三相重疊的快速脈沖，把電荷包依次從輸出端讀出。把電荷包依次從輸出端讀出。48n 單溝道線型單溝道線型ICCD光敏陣列與轉(zhuǎn)移區(qū)光敏陣列與轉(zhuǎn)移區(qū)移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋 光敏區(qū)在光的作用下產(chǎn)生的光生電荷存于由柵極直流電壓形成的光敏區(qū)在光的作用下產(chǎn)生的光生電荷存于由柵極直流電壓形成的 光敏光敏MOS電容勢(shì)阱中電容勢(shì)阱中 ，當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖，當(dāng)轉(zhuǎn)移

48、脈沖1到來時(shí)線陣光敏陣列勢(shì)阱到來時(shí)線陣光敏陣列勢(shì)阱 中的信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到中的信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器中，最后在時(shí)鐘脈沖的移位寄存器中，最后在時(shí)鐘脈沖的 作用下一位一位地移出器件，形成視頻信號(hào)。作用下一位一位地移出器件，形成視頻信號(hào)。 轉(zhuǎn)移次數(shù)多，轉(zhuǎn)移效率低，只適用于像敏單元較少的攝像器件轉(zhuǎn)移次數(shù)多，轉(zhuǎn)移效率低，只適用于像敏單元較少的攝像器件 49n雙溝道線型雙溝道線型ICCD 具有兩列具有兩列CCD移位寄存器，分別在像敏陣列的兩邊移位寄存器，分別在像敏陣列的兩邊 比單溝道線陣比單溝道線陣ICCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少近一半的轉(zhuǎn)移次數(shù)少近一半 50（1）面陣）面陣CCD攝像器件攝像器件 分成分

49、成三個(gè)區(qū)域：三個(gè)區(qū)域：成像區(qū)成像區(qū)、存貯區(qū)存貯區(qū)和和讀出移位寄存區(qū)讀出移位寄存區(qū)。（2） 每讀出一行以后，存貯每讀出一行以后，存貯區(qū)再轉(zhuǎn)移一行。如此重復(fù)，區(qū)再轉(zhuǎn)移一行。如此重復(fù)，直到全部像素被輸出。在存直到全部像素被輸出。在存貯區(qū)信號(hào)逐行輸出的同時(shí)，貯區(qū)信號(hào)逐行輸出的同時(shí)，成像區(qū)中另一電極正處于合成像區(qū)中另一電極正處于合適電壓，對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行積分，適電壓，對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行積分，這樣這樣隔行成像隔行成像分辨率高。分辨率高。 51l 面陣面陣CCDCCD攝像器件的特性攝像器件的特性 l分辨率分辨率 頻譜混疊：極限分辨率是空間抽樣頻率的一半頻譜混疊：極限分辨率是空間抽樣頻率的一半 CCD的分辨率主要取決于的分

50、辨率主要取決于CCD芯片的像素?cái)?shù)、像素尺寸、像素的密芯片的像素?cái)?shù)、像素尺寸、像素的密度同時(shí)還受到轉(zhuǎn)移傳輸效率的影響。高集成度的光敏單元可獲得高的度同時(shí)還受到轉(zhuǎn)移傳輸效率的影響。高集成度的光敏單元可獲得高的分辨率，采用一些新的工藝結(jié)構(gòu)，例如雙層結(jié)構(gòu)，將光電轉(zhuǎn)換層和電分辨率，采用一些新的工藝結(jié)構(gòu)，例如雙層結(jié)構(gòu)，將光電轉(zhuǎn)換層和電荷轉(zhuǎn)移層分開，可提高靈敏度和飽和信號(hào)的電荷量。荷轉(zhuǎn)移層分開，可提高靈敏度和飽和信號(hào)的電荷量。l靈敏度：?jiǎn)挝还夤β十a(chǎn)生的信號(hào)電流靈敏度：?jiǎn)挝还夤β十a(chǎn)生的信號(hào)電流 影響靈敏度的因素：開口率，（感光單元面積與一個(gè)像素總面積之影響靈敏度的因素：開口率，（感光單元面積與一個(gè)像素總面積之

51、比）、感光單元電極形式和材料比）、感光單元電極形式和材料 、CCD內(nèi)的噪聲內(nèi)的噪聲 52l 面陣面陣CCDCCD攝像器件的特性攝像器件的特性 l噪聲和動(dòng)態(tài)范圍噪聲和動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍： 輸出端峰值電壓與均方根噪聲電壓之比輸出端峰值電壓與均方根噪聲電壓之比動(dòng)態(tài)范圍由它的信號(hào)處理能力和噪聲電平?jīng)Q定，反映了器件的工作范圍，取動(dòng)態(tài)范圍由它的信號(hào)處理能力和噪聲電平?jīng)Q定，反映了器件的工作范圍，取決于勢(shì)阱能收集的最大電荷量與受噪聲限制的最小電荷量之差決于勢(shì)阱能收集的最大電荷量與受噪聲限制的最小電荷量之差 。噪聲：半導(dǎo)體的熱噪聲、噪聲：半導(dǎo)體的熱噪聲、CCD芯片的放大噪聲，放大器的輸入電容。芯片的放大

52、噪聲，放大器的輸入電容。 l暗電流：熱激勵(lì)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)形成，是隨機(jī)噪聲。暗電流：熱激勵(lì)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)形成，是隨機(jī)噪聲。l光譜靈敏度光譜靈敏度 ：光敏單元在可見光譜內(nèi)響應(yīng)較均勻光敏單元在可見光譜內(nèi)響應(yīng)較均勻 。l光譜響應(yīng)：微光，紅外光，可見光光譜響應(yīng)：微光，紅外光，可見光53高亮度特性高亮度特性 高亮度點(diǎn)的開花和拖彗尾現(xiàn)像高亮度點(diǎn)的開花和拖彗尾現(xiàn)像 采用縱向溢出漏消除開花和拖慧尾現(xiàn)象。采用縱向溢出漏消除開花和拖慧尾現(xiàn)象。托影（使圖像對(duì)比度下降，變得模糊）托影（使圖像對(duì)比度下降，變得模糊） 光敏區(qū)在場(chǎng)逆程期間將光積分電荷帶到下一場(chǎng)光敏區(qū)在場(chǎng)逆程期間將光積分電荷帶到下一場(chǎng) 硅片深處的光生載流子

53、向臨近勢(shì)阱擴(kuò)散硅片深處的光生載流子向臨近勢(shì)阱擴(kuò)散54位置敏感器件位置敏感器件（Position Sensitive Detector，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱PSD）能檢測(cè)光）能檢測(cè)光點(diǎn)位置，常作為與發(fā)光源組合的位置傳感器廣泛應(yīng)用。點(diǎn)位置，常作為與發(fā)光源組合的位置傳感器廣泛應(yīng)用。PSD也稱為坐標(biāo)光電池。分為一維也稱為坐標(biāo)光電池。分為一維PSD和二維和二維PSD兩種。一維兩種。一維PSD用于測(cè)定光點(diǎn)的一維坐標(biāo)位置，二維用于測(cè)定光點(diǎn)的一維坐標(biāo)位置，二維PSD用于測(cè)定光點(diǎn)的二維坐標(biāo)位用于測(cè)定光點(diǎn)的二維坐標(biāo)位置置PSD結(jié)構(gòu)分為外部（金屬、陶瓷或塑料）和內(nèi)部?jī)纱蟛糠郑獠康南陆Y(jié)構(gòu)分為外部（金屬、陶瓷或塑料）和內(nèi)部?jī)纱?/p>

54、部分，外部的下面有傳感器的信號(hào)輸出端子，輸出信號(hào)常為電流方式，外部的上面有面有傳感器的信號(hào)輸出端子，輸出信號(hào)常為電流方式，外部的上面有讓入射光通過的窗口（材料為玻璃或樹脂）；內(nèi)部有將入射光信號(hào)變讓入射光通過的窗口（材料為玻璃或樹脂）；內(nèi)部有將入射光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的半導(dǎo)體為電信號(hào)的半導(dǎo)體PNPN結(jié)。結(jié)。 6.4 PSD位置探測(cè)器位置探測(cè)器556.4.1 PSD工作原理工作原理PSD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一維一維PSD工作原理工作原理外部引出端子外部引出端子外封裝外封裝PNPN結(jié)結(jié)窗口窗口 入射光點(diǎn)，入射光點(diǎn)，受光面（電阻層），受光面（電阻層），輸出電極輸出電極1 1，輸出電極輸出電極2 2，電流電流1 1

55、，電流電流2 2，正電荷移動(dòng)，正電荷移動(dòng)，負(fù)電荷移負(fù)電荷移動(dòng)動(dòng) 56一維一維PSD的位置檢測(cè)的位置檢測(cè) 入射光在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生正負(fù)等量電荷，即通過入射光在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生正負(fù)等量電荷，即通過PN結(jié)在入射點(diǎn)附近的結(jié)在入射點(diǎn)附近的P層層產(chǎn)生正電荷，在產(chǎn)生正電荷，在N層產(chǎn)生負(fù)電荷。層產(chǎn)生負(fù)電荷。P層不均勻的正電荷形成電流，引出端輸出層不均勻的正電荷形成電流，引出端輸出與與到輸出電極距離到輸出電極距離成反比的電流。成反比的電流。 LxLII01012IIILxIII21257兩面分割型二維兩面分割型二維PSD 在在x、y方向上與一維方向上與一維PSD的計(jì)算一致的計(jì)算一致12120 xxyyIIIII101(

56、)2xxxIIL201()2xxxIIL101()2yyyIIL201()2yyyIIL 電流向流入，電流向流入，PN結(jié)處于反偏置工作狀態(tài)，結(jié)處于反偏置工作狀態(tài)，Y方向的電極電位比方向的電極電位比X方向電極電位高方向電極電位高58 改進(jìn)表面分割型二維改進(jìn)表面分割型二維PSD4321IIIIIo)21(021xLxIII3401()2xxIIIL)21(032yLyIII1401()2yyIIIL 光點(diǎn)在光點(diǎn)在PSD受光面上的位置與總電流受光面上的位置與總電流I0無無關(guān)。關(guān)。PN結(jié)反偏，里面的電極電位比電極結(jié)反偏，里面的電極電位比電極14高（四個(gè)電極同電位）高（四個(gè)電極同電位）596.4.2 P

57、SD的特性的特性受光面積受光面積信號(hào)光源選擇與光譜特性信號(hào)光源選擇與光譜特性 為防止外界光的干擾為防止外界光的干擾電極間電阻、反偏置電壓、響應(yīng)速度電極間電阻、反偏置電壓、響應(yīng)速度 電極間相當(dāng)于電阻工作，而電極間相當(dāng)于電阻工作，而PN結(jié)有電容效應(yīng)結(jié)有電容效應(yīng)位置檢測(cè)誤差：位置檢測(cè)誤差：全受光長(zhǎng)全受光長(zhǎng)23% 查表補(bǔ)償、提高增益查表補(bǔ)償、提高增益位置分辨率位置分辨率電極間電阻、反向偏置電壓與飽和電流之間的關(guān)系電極間電阻、反向偏置電壓與飽和電流之間的關(guān)系 電極間電阻越小、反向偏置電壓越大，飽和電流越電極間電阻越小、反向偏置電壓越大，飽和電流越大，大，PSD能正常工作的能力越強(qiáng)能正常工作的能力越強(qiáng)PS

58、D檢測(cè)受光面上點(diǎn)狀光束的重心（強(qiáng)度中心）檢測(cè)受光面上點(diǎn)狀光束的重心（強(qiáng)度中心）606.4.3 PSD的應(yīng)用的應(yīng)用作為距離傳感器作為距離傳感器1.投光透鏡；投光透鏡；2.紅外紅外LED；3.一維一維PSD；4.聚光透鏡聚光透鏡距離傳感器構(gòu)成原理距離傳感器構(gòu)成原理 21BfxD12BfxD 02nnILDLIxBf61626.4 CMOS圖像傳感器圖像傳感器lCCDCCD缺點(diǎn)逐漸顯露出來：缺點(diǎn)逐漸顯露出來： CCD CCD光敏單元陣列難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單芯片集成，難以光敏單元陣列難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單芯片集成，難以處理一些模擬和數(shù)字電路功能，如模處理一些模擬和數(shù)字電路功能，如模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換、精密放大、存貯、運(yùn)數(shù)轉(zhuǎn)換、精密放大、存貯、運(yùn)算等。算等。 CCD CCD陣列驅(qū)動(dòng)脈沖復(fù)雜，使用相對(duì)較高的工作電壓，無法與深亞微陣列驅(qū)動(dòng)脈沖復(fù)雜，使用相對(duì)較高的工作電壓，無法與深亞微米米VLSIVLSI（大規(guī)模集成