李新光-Y2014600102現(xiàn)代檢測技術基礎Chapter4-6

第四章光電檢測器件4.2器件的基本特性參數(shù)響應特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度一、響應特性１．響應度（或稱靈敏度）：是光電探測器輸出信號與輸入光功率之間關系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉換效率。響應度是隨入射光波長變化而變化的響應度分電壓響應率和電流響應率電壓響應率光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應率光電探測器件輸出電流與入射光功率之比２．光譜響應度：探測器在波長為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比．３．積分響應度：檢測器對各種波長光連續(xù)輻射量的反應程度．４．響應時間：響應時間τ是描述光電探測器對入射光響應快慢的一個參數(shù)。上升時間：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時間。下降時間：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時間。光電探測器響應率與入射調(diào)制頻率的關系

為調(diào)制頻率為f時的響應率 為調(diào)制頻率為零時的響應率 為時間常數(shù)（等于RC）

５．頻率響應：光電探測器的響應隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應．由于光電探測器信號產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對光電探測器的響應會有較大的影響。：上限截止頻率時間常數(shù)決定了光電探測器頻率響應的帶寬返回二、噪聲特性在一定波長的光照下光電探測器輸出的電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機地起伏，它實質上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。用均方噪聲來表示噪聲值大小噪聲在實際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確探測。一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測量、通信、自動控制等領域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。光電探測器常見的噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復合噪聲1/f噪聲1、熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運動造成的噪聲。導體或半導體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機運動(相當于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導體兩端會產(chǎn)生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關，熱噪聲又稱為白噪聲2、散粒噪聲散粒噪聲：入射到光探測器表面的光子是隨機的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機的，PN結中通過結區(qū)的載流子數(shù)也是隨機的。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關。散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結勢壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。3、產(chǎn)生-復合噪聲半導體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復合。在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復合的平均數(shù)是一定的但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復合數(shù)是有起伏的。載流子濃度的起伏引起半導體電導率的起伏。4、1/f噪聲或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質的存在引起的。噪聲的功率近似與頻率成反比多數(shù)器件的1/f噪聲在200~300Hz以上已衰減到可忽略不計。５、信噪比信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。是負載電阻上信號功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為６、噪聲等效功率(NEP)定義：信號功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時，入射到探測器件上的輻射通量(單位為瓦)。這時，投射到探測器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測器本身的噪聲電壓（或電流）一般一個良好的探測器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。噪聲等效功率是一個可測量的量。設入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為U0然后除去輻射源，測得探測器的噪聲電壓為UN則按比例計算，要使U0＝UN，的輻射功率為７、探測率與歸一化探測率探測率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測元件的面積Ad和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比歸一化探測率D*，即D*與探測器的敏感面積、放大器的帶寬無關。返回三、量子效率（）量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子，=1實際上，<1量子效率是一個微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。量子效率與響應度的關系I/q：每秒產(chǎn)生的光子數(shù)P/hυ：每秒入射的光子數(shù)四、線性度線性度是描述光電探測器輸出信號與輸入信號保持線性關系的程度。在某一范圍內(nèi)探測器的響應度是常數(shù)，稱這個范圍為線性區(qū)。非線性誤差：

δ＝Δmax/(I2

–I1)Δmax：實際響應曲線與擬合曲線之間的最大偏差；I2

和I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應值。五、工作溫度工作溫度就是指光電探測器最佳工作狀態(tài)時的溫度。光電探測器在不同溫度下，性能有變化。

例如，半導體光電器件的長波限和峰值波長會隨溫度而變化；熱電器件的響應度和熱噪聲會隨溫度而變化。4.3 光電檢測器件光電管光電倍增管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管一、光電管

光電管是利用外光電效應制成的光電元件，其外形和結構如圖4.3.1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加hν。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為(1／2)mv2。根據(jù)能量守恒定律有:

(4.2)式中，m為電子質量；v為電子逸出的初速度。由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是hν>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應的波長λK為:

(4.3)式中，c為光速；A為逸出功。圖4.3.1光電管結構示意圖光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖4.3.2所示。在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖4.3.2所示的電路中，電流IФ和電阻RL上的電壓降U0就和光強成函數(shù)關系，從而實現(xiàn)光電轉換。

陰極材料不同的光電管，具有不同的紅限，因此適用于不同的光譜范圍。此外，即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強度不變，但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會隨入射光頻率的變化而改變，即同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不相同。光電管的這種光譜特性，要求人們應當根據(jù)檢測對象是紫外光、可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。圖4.3.2光電管測量電路圖

圖4.3.3光電倍增管結構示意圖

光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進行真空封裝。依據(jù)封裝方法，可分成端窗式和側窗式兩大類。端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極，通過管殼的端面接受入射光。側窗式陰極則是通過管殼的側面接收入射光，它的陰極通常為反射式陰極。

二、光電倍增管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4.3.3是光電倍增管結構示意圖。

光陰極的量子效率是一個重要的參數(shù)。波長為λ的光輻射入射到光陰極時，一個入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù)，定義為光陰極的量子效率。光陰極有很多種，常用的有雙堿，S11及S20三種。光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成，光陰極接負高壓，各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分壓電阻分壓供給，靈敏檢流計或負載電阻接在陽極A處，當有光子入射到光陰極K上，只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功，就會有電子從陰極的表面逸出而成為光電子。

在K和D1之間的電場作用下，光電子被加速后轟擊第一倍增極D1，從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射．每一個電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個二次電子，這樣就實現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場加速后轟擊D2，……。這樣的過程一直持續(xù)到最后一級倍增極Dn，每經(jīng)過一級倍增極，電子數(shù)目便被放大一次，倍增極的數(shù)目有8～13個，最后一級倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極A收集。若倍增電極有n級，各級的倍增率為б，則光電倍增管的倍增率可以認為是бn，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。若將靈敏檢流計串接在陽極回路中，則可直接測量陽極輸出電流。若在陽極串接電阻RL作為負載，則可測量RL兩端的電壓，此電壓正比于陽極電流。

圖4.3.4光電倍增管的基本電路

圖4.3.4所示為光電倍增管的基本電路。各倍增極的電壓是用分壓電阻R1、R2、……Rn獲得的，陽極電流流經(jīng)負載電阻RL得到輸出電壓U0。當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時，圖中虛線連接的電容C1、C2、…、Cn和輸出隔離電容Ca都可以省去。這時電路往往將電源正端接地，并且輸出可以直接與放大器輸入端連接，從而使它能夠響應變化緩慢的入射光通量。但當入射光通量為脈沖通量時，則應將電源的負端接地，因為光電倍增管的陰極接地比陽極接地有更低的噪聲，此時輸出端應接人隔離電容，同時各倍增極的并聯(lián)電容亦應接人，以穩(wěn)定脈沖工作時的各級工作電壓，穩(wěn)定增益并防止飽和。

與測量有關的兩個參數(shù)：暗電流光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。光電倍增管在工作時，其陽極輸出電流由暗電流和信號電流兩部分組成。當信號電流比較大時，暗電流的影響可以忽略，但是當光信號非常弱，以至于陽極信號電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級時，暗電流將嚴重影響對光信號測量的準確性。所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的最小值。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。

(2)光譜響應特征光電倍增管對不同波長的光入射的響應能力是不相同的，這一特性可用光譜響應率表示。在給定波長的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的絕對光譜響應率，表示為

(4.4)

式中，P(λ)為入射到光陰極上的單色輻射功率；I(λ)是在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流；S(λ)是波長的函數(shù)，它與波長的關系曲線稱為光電倍增管的絕對光譜響應曲線。測量S(λ)十分復雜，因此在一般測量中都是測量它的相對值。為此，可以把S(λ)中的最大值當作一個單位對所有S(λ)值進行歸一化，這時就得到

(4.5)s(λ)稱為光電倍增管的相對光譜響應率，它與波長的關系曲線稱為光電倍增管的相對光譜響應曲線。s(λ)≤1，是一個無量綱的量，只表示光電倍增管的光譜響應特征。一、光敏電阻光敏電阻是光電導型器件。光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。特點：光譜響應范圍寬（特別是對于紅光和紅外輻射）；偏置電壓低，工作電流大；動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光；光電導增益大，靈敏度高；無極性，使用方便；在強光照射下，光電線性度較差光電馳豫時間較長，頻率特性較差。光敏電阻(LDR)和它的符號：

符號1.光敏電阻的工作原理光敏電阻結構：在一塊均勻光電導體兩端加上電極，貼在硬質玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。（如圖）工作機理：當入射光子使半導體中的電子由價帶躍遷到導帶時，導帶中的電子和價帶中的空穴均參與導電，其阻值急劇減小，電導增加。入射光返回本征型和雜質型光敏電阻本征型光敏電阻：當入射光子的能量等于或大于半導體材料的禁帶寬度Eg時，激發(fā)一個電子－空穴對，在外電場的作用下，形成光電流。雜質型光敏電阻：對于Ｎ型半導體，當入射光子的能量等于或大于雜質電離能ΔＥ時，將施主能級上的電子激發(fā)到導帶而成為導電電子，在外電場的作用下，形成光電流。本征型用于可見光長波段,雜質型用于紅外波段。價帶導帶電子空穴Eg價帶導帶電子空穴ΔＥ施主光電導與光電流光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）．無光照時，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很小；光照時，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少．在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動，形成光電流（亮電流）。光電流：亮電流和暗電流之差；

I光

=IL-Id光電導：亮電導和暗電導之差；

g

=gL-gd光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。光電流與光照強度／電阻結構的關系。２．光敏電阻的工作特性光電特性伏安特性時間響應和頻率特性溫度特性光電特性：光電流與入射光照度的關系：

(1)弱光時，γ=1，光電流與照度成線性關系

(2)強光時，γ=0.5，光電流與照度成拋物線 光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導致載流子運動加劇，因此復合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）

光敏電阻的光電特性在弱光照下，光電流與E具有良好的線性關系在強光照下則為非線性關系其他光敏電阻也有類似的性質。光電導靈敏度:光電導g與照度E之比. 不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時必須充分考慮到這種特性。光電導增益

光電導增益反比于電極間距的平方。量子效率：光電流與入射光子流之比。伏安特性在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關系光敏電阻是一個純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。不同光照度對應不同直線受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。頻率特性光敏電阻的時間響應特性較差材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律：停止光照，光生載流子濃度的變化為響應時間光敏電阻是多數(shù)載流子導電，溫度特性復雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會影響光譜特性曲線。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應的峰值將向短波方向移動。尤其是紅外探測器要采取制冷措施溫度特性光敏電阻參數(shù)使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）.光敏面：1-3mm工作溫度：-40–80oC溫度系數(shù)：1極限電壓：10–300V耗散功率：<100W時間常數(shù)：5–50ms光譜峰值波長：因材料而不同，在可見/紅外遠紅外暗電阻：108歐姆亮電阻：104

歐姆光敏電阻的應用基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈?；窘Y構：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸點開關執(zhí)行電路基本原理：光暗時，光敏電阻阻值很高，繼電器關，燈亮；光亮時，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關。照明燈自動控制電路K220V燈常閉CdS光電池光電池是根據(jù)光生伏特效應制成的將光能轉換成電能的一種器件。PN結的光生伏特效應：當用適當波長的光照射PN結時，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當于PN結上加一個正電壓。半導體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將PN結短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。光電池的結構特點光電池核心部分是一個PN結，一般作成面積大的薄片狀，來接收更多的入射光。在N型硅片上擴散P型雜質（如硼），受光面是P型層或在P型硅片上擴散N型雜質（如磷），受光面是N型層受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護作用上電極做成柵狀，為了更多的光入射由于光子入射深度有限，為使光照到PN結上，實際使用的光電池制成薄P型或薄N型。光電池等效電路光電池的特性1、伏安特性無光照時，光電池伏安特性曲線與普通半導體二極管相同。有光照時，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點稱為開路電壓VOC，與電流軸交點稱為短路電流ISC。光電池伏安特性曲線反向電流隨光照度的增加而上升IU照度增加2、時間和頻率響應

硅光電池頻率特性好硒光電池頻率特性差硅光電池是目前使用最廣泛的光電池

要得到短的響應時間，必須選用小的負載電阻RL；光電池面積越大則響應時間越大，因為光電池面積越大則結電容Cj越大，在給定負載時，時間常數(shù)就越大，故要求短的響應時間，必須選用小面積光電池。開路電壓下降大約23mV/度短路電流上升大約10-510-3mA/度3、溫度特性

隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應向長波方向移動，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測器件時，測量儀器應考慮溫度的漂移，要進行補償。4、光譜響應度硅光電池響應波長0.4-1.1微米，峰值波長0.8-0.9微米。硒光電池響應波長0.34-0.75微米，峰值波長0.54微米。5、光電池的光照特性連接方式：開路電壓輸出---(a)

短路電流輸出---(b)光電池在不同的光強照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關系。開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當照度在2000lx時趨于飽和。光照特性---開路電壓輸出：非線性(電壓---光強)，靈敏度高短路電流輸出：線性好(電流---光強)，靈敏度低開關測量（開路電壓輸出），線性檢測（短路電流輸出）負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出電流與光照度成線性關系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。光電池的應用1、光電探測器件利用光電池做探測器有頻率響應高，光電流隨光照度線性變化等特點。2、將太陽能轉化為電能實際應用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。硅太陽能電池硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池在實驗室里最高的轉換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。多晶硅半導體材料的價格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點。多晶硅太陽能電池的實驗室最高轉換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉換效率為10%。非晶硅太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池組件的制造采用薄膜工藝,具有較多的優(yōu)點,例如:沉積溫度低、襯底材料價格較低廉,能夠實現(xiàn)大面積沉積。

非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽光能。非晶硅太陽能電池的穩(wěn)定性較差,從而影響了它的迅速發(fā)展。

化合物太陽能電池

三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等;二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。在三五族化合物太陽能電池中,GaAs電池的轉換效率最高,可達28%;GaAs化合物太陽能電池Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴;As不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率。

GaAs化合物太陽能電池雖然具有諸多優(yōu)點,但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

太陽能太陽能特點：①無枯竭危險；②絕對干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費的時間短。要使太陽能發(fā)電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低成本；二是要實現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。光敏二極管結構光敏二極管與普通二極管一樣有一個PN結，屬于單向導電性的非線形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉換。為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結面積比普通二極管大得多，以擴散層作為它的受光面。為了提高光電轉換能力，PN結的深度較普通二極管淺。

光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號

光敏二極管接法

外加反向偏壓可以不加偏壓，與光電池不同，光敏二極管一般在負偏壓情況下使用大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結電場，電子—空穴在耗盡層復合機會少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結電容減小，提高器件的頻響特性。但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無限地加大反向偏壓，因為它還受到PN結反向擊穿電壓等因素的限制。光敏二極管體積小，靈敏度高，響應時間短，光譜響應在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測中應用多。擴散型P-i-N硅光敏二極管和雪崩光敏二極管擴散型P-i-N硅光敏二極管選擇一定厚度的i層，具有高速響應特性。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢必增加了串聯(lián)電阻，使時間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應。而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時間常數(shù)。

(2)反偏下，耗盡層較無i層時要大得多，從而使結電容下降，提高了頻率響應。PIN管的最大特點是頻帶寬，可達10GHz。另一特點是線性輸出范圍寬。缺點:

由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。雪崩光敏二極管由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時間響應特性。通過一定的工藝可以使它在1.06微米波長處的量子效率達到30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應用。

當光敏二極管的PN結上加相當大的反向偏壓時，在結區(qū)產(chǎn)生一個很高的電場，使進入場區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子—空穴對。新的電子—空穴對在強電場的作用下分別向相反方向運動．在運動過程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子—空穴對。只要電場足夠強，此過程就將繼續(xù)下去，達到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。雪崩光電二極管的

倍增電流、噪聲與偏壓的關系曲線反向偏壓/V在偏置電壓較低時的A點以左，不發(fā)生雪崩過程；隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加從B點到c點增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時噪聲也顯著增加，如圖中c點以右的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是c點以左，否則進入雪崩擊穿區(qū)燒壞管子。由于擊穿電壓會隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應調(diào)整工作電壓。雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應快，帶寬可達100GHz。是目前響應最快的一種光敏二極管。不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點。因此它在微弱輻射信號的探測方向被廣泛地應用。在設計雪崩光敏二極管時，要保證載流子在整個光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結面的平整。其缺點是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大。雪崩光電二極管與光電倍增管比較體積小結構緊湊工作電壓低使用方便但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應的噪聲也較大故光電倍增管更適宜于弱光探測光敏二極管陣列

將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉換為電信號的器件。象限探測器象限探測器有二象限和四象限探測器，又分光電二極管象限探測器和硅光電池象限探測器。象限探測器是在同一塊芯片上制成兩或四個探測器，中間有溝道將它們隔開，因而這兩或四個探測器有完全相同性能參數(shù)。當被測體位置發(fā)生變化時，來自目標的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會引起象限間信號輸出變化，從而確定目標方位，同時可起制導、跟蹤、搜索、定位等作用。光敏三極管（光電三極管）光電三極管是由光電二極管和一個晶體三極管構成，相當于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個光電二極管。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個透明窗口，以接收光線照射。日前用得較多的是NPN和PNP兩種平面硅光電三極管。NPN光電三極管結構原理簡圖光電三極管工作原理NPN光電三極管（3DU型），使用時光電三極管的發(fā)射極接電源負極，集電極接電源正極。光電三極管不受光時，相當于普通三極管基極開路的狀態(tài)。集電結(基—集結)處于反向偏置，基極電流等于0，因而集電極電流很小，為光電三極管的暗電流。當光子入射到集電結時，就會被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對，處于反向偏置的集電結內(nèi)建電場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。發(fā)射結集電結BECNNP基極發(fā)射極集電極如同普通三極管的發(fā)射結(基—發(fā)結)加上了正向偏置，當基極沒有引線時，集電極電流就等于發(fā)射極電流。這樣晶體三極管起到電流放大的作用。由于光敏三極管基極電流是由光電流供給，因此一般基極不需外接點，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個引腳線。光電三極管與光電二極管相比，具有較高的輸出光電流，但線性差線性差主要是由電流放大倍數(shù)的非線性所致在大照度時，光敏三極管不能作線性轉換元件，但可以作開關元件使用。管不能作線性轉換元件，但可以作開關元件使用。光電三極管的光照特性光敏三極管的伏安特性硅光電三極管的光電流在毫安量級，硅光電二極管的光電流在微安量級。在零偏壓時硅光電三極管沒有光電流輸出，但硅光電二極管有光電流輸出。

工作電壓較低時輸出電流有非線性，硅光電三極管的非線性更嚴重。（因為放大倍數(shù)與工作電壓有關）在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安曲線在低照度時間隔較均勻，在高照度時曲線越來越密硅光電三極管硅光電二極管

光敏三極管的溫度特性溫度特性反映了光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關系。溫度變化對光電流和暗電流都有影響，對暗電流的影響更大。精密測量時，應采取溫度補償措施，否則將會導致輸出誤差。光電三極管的光電流和暗電流受溫度影響比光電二極管大得多

光敏三極管的（調(diào)制）頻率特性光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應要比鍺管好。由光源、光學通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當?shù)臏y量電路。測量電路能夠把光電效應造成的光電元件電性能的變化轉換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同。下面介紹幾種半導體光電元件常用的測量電路。半導體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖4.4.1所示的電路。圖4.4.2a給出帶有溫度補償?shù)墓饷舳O管橋式測量電路。當入射光強度緩慢變化時，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進行補償。圖中一個光敏二極管作為檢測元件，另一個裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。4.4 光電轉換電路光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖4.4.2b所示。圖4.4.1光敏電阻測量電路

圖4.4.2光敏晶體管測量電路

圖4.4.3光電池測量電路

由于光電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖4.4.3a所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻。也可以使用硅光電池組串聯(lián)，使其電壓大于0.7伏,如圖4.4.3b所示

圖4.4.4使用運放的光敏元件放大電路

半導體光電元件的光電轉換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖4.44a所示。當光照產(chǎn)生的光電流為IФ時，輸出電壓U0=IФRF，為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖4.44b給出硅光電池的光電轉換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓U0=2IФRF。

下面是光電二極管與IC放大電路的三種典型連接方法。

1.電流放大型圖4.4.5(a)是電流放大型IC檢測電路。光電二極管和運算放大器的兩個輸入端同極性相連，運算放大器兩輸入端間的輸入阻抗Zin是光電二極管的負載電阻，可表示為

Zin=Rf/（A+1)式中，A是放大器的開環(huán)放大倍數(shù)；Rf是反饋電阻。當A=104。Rf=100kΩ時，Zin=10Ω?？梢哉J為光電二極管是處于短路工作狀態(tài)，能取出近于理想的短路電流。處于電流放大狀態(tài)的運算放大器，其輸出電壓U0與輸入短路光電流成比例，并有

U0=IscRf=RfSΦ

即輸出信號與輸入光通量成正比。此外，電流放大器因輸入阻抗低而響應速度較高并且放大器噪聲較低，所以信噪比提高。這些優(yōu)點使其廣泛應用于弱光信號的檢測中。

2．電壓放大型

圖4.4.5(b)是電壓放大型IC檢測電路，光電二極管的正端接在運算放大器的正端，運算放大器的漏電流比光電流小得多，具有很高的輸入阻抗。當負載電阻RL取1MΩ以上時，工作在光電池狀態(tài)下的光電二極管處于接近開路狀態(tài)，可以得到與開路電壓成比例的輸出信號，即式中是該電路的電壓放大倍數(shù)。3.阻抗變換型反向偏置光電二極管或PIN光電二極管具有恒流源性質，內(nèi)阻很大，且飽和光電流和輸入光通量成正比，在有很高的負載電阻的情況下可以得到較大的信號電壓。但如果將這種處于反向偏置狀態(tài)下的光電二極管直接接到實際的負載電阻上，則會因阻抗的失配而削弱信號的幅度。因此需要有阻抗變換器將高阻抗的電流源變換成低阻抗的電壓源，然后再與負載相連。圖4.4.5(c)中所示的以場效應管為前級的運算放大器就是這樣的阻抗變換器。該電路中場效應管具有很高的輸入阻抗，光電流是通過反饋電阻Rf形成壓降的。電路的輸出電壓U0為

（4-1）即U0與輸入光通量成正比。當實際的負載電阻RL與放大器連接時，由于放大器輸出阻抗R0較小，RL>>R0，則負載功率P0為：

另一方面，計算光電二極管直接與負載電阻相連時負載上的功率為：比較兩種情況可見，采用阻抗變換器可以使功率輸出提高(Rf/RL)2倍。例如，當RL=1MΩ，Rf=10MΩ時，功率提高100倍。這種電路的時間特性較差，但用在信號帶寬沒有特殊要求的緩變光信號檢測中，可以得到很高的功率放大倍數(shù)。此外，用場效應管代替雙極性晶體管作前置級，其偏置電流很小，因此適用于光功率很小的場合。4.5常見光電傳感器及應用4.5.1各種光電檢測器件的性能比較參看75頁表2-6（第1版)典型光電探測器件工作特性的比較.

動態(tài)性能(即頻率響應):光電倍增管和光電二極管最好;光電特性(線性):光電倍增管、光電二極管和光電池;靈敏度:光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管;長期穩(wěn)定性:光電二極管和光電池最好,其次是光電倍增管.4.5.2光電檢測器件的應用選擇要點*光電檢測器件必須和輻射信號源及光學系統(tǒng)在光譜特性上匹配;光電檢測期間的光敏面必須和入射輻射能量相對準；光電檢測器的光電轉換特性必須和入射輻射能量相匹配(器件的感光面要和照射光匹配好);光電檢測器必須和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配,以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時間響應;光電檢測器件的最小可探測功率必須與入射輻射相匹配；光電檢測器件必須和輸入電路在電特性上良好地匹配,以保證有有足夠的線性范圍、信噪比及快速的動態(tài)響應;為使器件具有長期工作的可靠性,必須注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件.4.5.3光電傳感器及在煙塵濁度監(jiān)測上的應用

透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相對的方向裝在中間帶槽的支架上。當槽內(nèi)無物體時，發(fā)光管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的窗口上，從而產(chǎn)生一定大的電流輸出，當有物體經(jīng)過槽內(nèi)時則擋住光線，光敏管無輸出，以此可識別物體的有無。適用于光電控制、光電計量等電路中，可檢測物體的有無、運動方向、轉速等方面。 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。

圖4.5.1透射型BYD3M.TDT光電傳感器使用示意圖

圖4.5.2吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

DST9702激光反射式煙塵濃度儀

圖4.5.3DST9702激光反射式煙塵濃度儀組成框圖

技術特點

采用激光背散射原理,不怕煙道的機械振動及煙氣溫度不均造成的折射率不均造成的光束擺動；

單端安裝,無需光路對中，且安裝簡單方便；

采用標準4-20mA工業(yè)標準電流輸出,連接方便；

儀器整體功耗非常小,大約5w左右；

一般標準設置參數(shù)可適用于煙道璧厚小于400，煙道直徑大于儀器名牌標示（D.GT.2000）,在特殊的要求條件下測量區(qū)大小可以訂制.用戶也可以在經(jīng)維護人員的認可及指導下調(diào)整.

煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道在傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少。因此光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。本應用中應用奧托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器，其光源(發(fā)光器)與接收器不在同一個機殼內(nèi)，見圖4.5.1使用示意圖：先將發(fā)射器和接收器對準并固定好后才可以通電(12.24)VDC；接著在ON狀態(tài)設定好發(fā)射器的中心位置，然后左右上下方向調(diào)節(jié)接收器和發(fā)射器的位置；最后檢測目標穩(wěn)定后固定好發(fā)射器和接收器。

圖4.5.2是吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖：為了檢測出煙塵中對人體危害性最大的亞微米顆粒的濁度和避免水蒸氣對光源衰減的影響，選取可見光作光源(400-700nm波長的白熾光)。光檢測器光譜響應范圍為400-600nm的光電管，獲取隨濁度變化的相應電信號。為了提高檢測靈敏度，采用具有高增益、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運算放大器，對信號進行放大。刻度校正被用來進行調(diào)零與調(diào)滿刻度，以保證測試準確性。顯示器可顯示濁度瞬時值。報警電路由多諧振蕩器組成，當運算放大器輸出濁度信號超過規(guī)定時，多諧振蕩器工作，輸出信號經(jīng)放大后推動喇叭發(fā)出報警信號。

4.5.4光電式帶材跑偏檢測器帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向,從而為糾偏控制電路提供糾偏信號,主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。光電式帶材跑偏檢測器原理如圖4.5.4所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1會聚為平行光束,投向透鏡2,隨后被會聚到光敏電阻上。在平行光束到達透鏡2的途中,有部分光線受到被測帶材的遮擋,使傳到光敏電阻的光通量減少。

圖4.5.4帶材跑偏檢測器工作原理

圖4.5.5測量電路

圖4.5.5為測量電路簡圖。Ｒ1、Ｒ2是同型號的光敏電阻。Ｒ1作為測量元件裝在帶材下方，Ｒ2用遮光罩罩住,起溫度補償作用。當帶材處于正確位置(中間位)時，由Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓ｕｏ為0。當帶材左偏時，遮光面積減少，光敏電阻Ｒ1阻值減少，電橋失去平衡。差動放大器將這一不平衡電壓加以放大，輸出電壓為負值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，當帶材右偏時，ｕｏ為正值。輸出信號ｕｏ一方面由顯示器顯示出來，另一方面被送到執(zhí)行機構，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號。

包裝充填物高度檢測

用容積法計量包裝的成品，除了對重量有一定誤差范圍要求外，一般還對充填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質量，不符合充填高度的成品將不許出廠。圖4.5.6所示為借助光電檢測技術控制充填高度的原理。當充填高度ｈ偏差太大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)行機構將包裝物品推出進行處理。圖4.5.6利用光電檢測技術控制充填高度

利用光電開關還可以進行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計、對裝配件是否到位及裝配質量進行檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標是否漏貼，以及送料機構是否斷料等。

激光器在光電檢測中的應用激光測距，測長，測平面度等激光大氣污染檢測激光ＤＮＡ檢測激光海洋探測激光制導激光雷達激光干涉測量（探傷）激光全息測量

激光式氣體分析儀在轉爐煤氣回收中的應用

測量原理是基于朗伯-比爾定律(1)“單線光譜”測量技術該技術利用激光的光譜比較窄、遠小于被測氣體的吸收譜線的特性，選擇某一位于特定波長的吸收光譜線，使得在所選吸收譜線波長附近無測量環(huán)境中其他氣體組分的吸收譜線，從而避免了這些背景氣體組分對該被測氣體的交叉吸收干涉。單線光束測量原理圖(2)激光頻率掃描技術激光氣體分析儀通過調(diào)制激光頻率使之周期性地掃描過被測氣體吸收譜線，激光頻率的掃描范圍被設置成大于被測氣體吸收譜線的寬度。(3)譜線展寬自動修正技術在氣體溫度和壓力發(fā)生變化時．被測氣體譜線的展寬及高度會發(fā)生相應的變化．從而影響測量的準確性。通過輸入4—20mA方式的溫度和壓力信號，激光氣體分析儀能自動修正溫度和壓力變化對氣體濃度測量的影響。從而保證了測量數(shù)據(jù)的精確作業(yè)：文獻查閱及對光電測量部分的分析查閱一篇光電檢測方面的近期文獻（近3～5年之內(nèi)），圍繞系統(tǒng)組成、光電探測器的選用、前置放大器設計這三方面進行分析，寫成講解的PPT，在11月08日前發(fā)我郵箱，文件以學號+名字命名，并附上文獻。我的郵箱：lixinguangneu@作業(yè)計入平時成績。第五章CCD圖像傳感器

圖像傳感器(ImagingSensor,縮寫為IS，又稱成像器件、攝像器件)作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎器件，因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉換和視覺功能的擴展(光譜拓寬、靈敏度范圍擴大)，能給出直觀、真實、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所以在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應用。圖像傳感器的功能是把光學圖像轉換為電信號，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息(可見光和非可見光)、轉換為按時序串行輸出的電信號——

視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。把空間圖像轉換為按時序變化的電信號的過程稱為掃描。

50年代前，電子束攝像管(如光導攝像管、飛點掃描管等)。60年代后期，MOS集成電路工藝成熟，各種固體圖像傳感器得到迅速發(fā)展，到70年代末期，已有一系列產(chǎn)品在軍事、民用各方面得到廣泛應用。

固體圖象傳感器(SolidStateImagingSensor——縮寫為SSIS)主要有三大類型、一種是電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice簡稱CCD)；第二種是MOS圖象傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣(SelfScannedPhotodiodeArray，簡稱SSPA)，第三種是電荷注入器件(ChargeInjectionDevice，簡稱CID)。目前，前兩種用得比較多。同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點：

(1)全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好．可靠性高，壽命長。

(2)基本上不保留殘象，無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。

(3)紅外敏感性。硅的SSPA光譜響應：0.20~1.0；CCD可作成紅外敏感型；CID主要用于光譜響應大于3~5微米的紅外敏感器件。

(4)象元尺寸的幾何位置精度高(優(yōu)于1微米)，因而可用于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。

(5)視頻信號與微機接口容易主要應用領域：①小型化黑白/彩色TV攝象機；②傳真通訊系統(tǒng)；③光學字符識別（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工業(yè)檢測與自動控制；⑤醫(yī)療儀器；⑥多光譜機載和星載遙感；⑦天文應用；⑧軍事應用。

CCD攝像器件由光敏（光積分）單元和電荷轉移單元（讀出移位寄存器）組成，每個光敏單元對應一個象素如下圖所示。各單元的基本結構如右圖所示，由金屬、絕緣層、半導體構成。VG加正向偏壓后在半導體內(nèi)形成“電子勢阱（耗盡區(qū)）”，勢阱的深度由VG的大小來控制。電子勢阱可以用來存放電子，這些電子的注入方式既可用“光注入”（光敏單元采用光注入），也可以用“電注入”（轉移電荷時采用電注入）。

對于光敏單元，當受到光線照射時，在光子的作用下，半導體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，空穴被排斥，電子被電子勢阱俘獲。這種光生電子作為反映光強的載體——電荷包被收集，成為光電荷注入，這就是CCD攝像器件的光電變換過程。勢阱內(nèi)電荷包的大小與光照強度和光照時間成正比。光敏單元電子勢阱的電荷包可以通過轉移柵的作用并行地轉移到讀出移位寄存器（電荷轉移單元）中，讀出移位寄存器在讀出脈沖（三相或四相脈沖）的作用下把各個來自光敏單元的電荷包讀出，從而獲得各個像素的亮度值。

光線

ＣＣＤ主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉移、信號輸出。輸入部分：將信號電荷引入到ＣＣＤ的第一個轉移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入電注入：用于濾波、延遲線和存儲器等。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。光注入：用于攝像機。用光敏元件代替輸入二極管。當光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。ＣＣＤ的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠大于空穴的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。光電轉換當一束光線投射到MOS電容上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入P型硅襯底，襯底中處于價帶的電子將吸收光子能量躍入導帶，價電子能否躍遷至導帶形成電子空穴對，將由入射光子能量hν是否大于等于Eg來確定，即Eg=1.24/λc,對于硅材料來說，Eg=1.12eV，λc=1.11μm。也存在紅限。波長太短的光，則會穿透半導體層而不起作用。ＣＣＤ的工作原理

讀出移位寄存器的工作原理是依靠MOS電容與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓高低可以使勢阱內(nèi)電荷包逐個勢阱轉移的效應。當MOS電容柵壓VG增高時，在半導體內(nèi)部被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導體內(nèi)電勢越低，電子則向耗盡層移動、存儲象對電子的陷阱一樣，稱為電子勢阱。電子勢阱可以用來存放電子。其特點是：當VG增加，勢阱變深；當VG減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。

在柵極加正偏壓之前，P型半導體中的空穴（多子）的分布是均勻的。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。當UG＞Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的存在表明了MOS結構存儲電荷的功能。電荷存儲5.1CCD圖像傳感器電荷的轉移（耦合）電荷的轉移（耦合）第一個電極保持10V，第二個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應勢阱將合并在一起。原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。若此后第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉移到第二個電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極轉移到相鄰電極。對絕大多數(shù)CCD，1μm的間隙長度是足夠了。

為確保CDD的轉移功能，對時鐘脈沖的要求是：

1）三相時鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)內(nèi)，電荷包的源勢阱與接收勢阱同時共存，以保證在這兩個勢阱間進行充分轉移；

2）時鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)；

3）時鐘脈沖幅度選取得當。值得指出的是，我們通常所說的CCD的位數(shù)的位，不是這里的一個柵電極，對三相CCD來說，電荷包轉移了三個柵電極是時鐘脈沖的一個周期，我們把這三個柵電極稱之為CCD的一個單元，或CCD的一位，也就是通常所說的一個像元。CCD的特性參數(shù)作為成像器件，CCD的主要特性參數(shù)仍然是靈敏度、分辨力、光譜響應以及信噪比等。但CCD還起著電荷傳輸?shù)淖饔茫蔬€應包括轉移效率、噪聲、功耗等參數(shù)。主要參數(shù)：轉移效率η和損耗率ε

η=(Q(t)/Q(0))×100%

式中：Q(0)為t=0時某電極下的電荷；Q(t)為在時間t后轉移到下一個勢井中的電荷。

ε=1-η

如果CCD有n個柵電極，則總的轉移效率為η的n次方。2時鐘頻率的上、下限光譜特性和光電特性CCD的特性參數(shù)2時鐘頻率的上、下限

頻率下限：CCD是一種非穩(wěn)態(tài)器件，如果驅動脈沖電壓變化太慢，則存儲的電荷會受到干擾而不能準確測量。為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對于注入信號的干擾，注入電荷從一個電極轉移到下一個電極所用的時間t，必須小于少數(shù)載流子的平均壽命τ，即t﹤τ

在正常工作條件下，對于三相CCD，t為t=T/3=1/(3f)﹤τ，

即f下﹥1/(3τ)CCD的特性參數(shù)頻率上限：由于CCD電極長度不是無限小，信號電荷通過電極需要一定時間。若要電荷有效轉移，對三相CCD來說，必須使轉移時間t≦T/3

即f上≦1/(3t)光譜特性和光電特性

略。

此外還有分辨率、暗電流和動態(tài)范圍等。CCD的特性參數(shù)像素數(shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素數(shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。44萬（768*576）、100萬（1024*1024）、200萬（1600*1200）、600萬（2832*2128）信噪比：典型值為46分貝感光范圍—

可見光、紅外CCD按電荷存儲的位置分有兩種基本類型

1、電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?/p>

——表面溝道CCD(簡稱SCCD)。

2、電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向傳輸，

——體溝道或埋溝道器件(簡稱BCCD)。ＣＣＤ的類型ＣＣＤ的類型線陣ＣＣＤ：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從128位至5000位以至7000位不等，由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場上有數(shù)十種型號的器件可供選用。面陣CCD：器件象元排列為一平面，它包含若干行和列的結合。目前達到實用階段的象元數(shù)由25萬至數(shù)百萬個不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。5.2CCD圖像測量的二值化CCD圖像測量的基本原理是：光學系統(tǒng)把被測對象的光信息投射在CCD的光敏面元上，形成了光學圖像。由CCD器件把光敏元上的光信息轉換成與光強成比例的電荷量，積累起來的光電荷在一定頻率的時鐘脈沖的驅動下，在CCD輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時序則對應著CCD光敏元位置的順序。通過后續(xù)處理線路對CCD輸出的視頻信號進行二值化或量化處理后，將被測對象從背景中分離出來，為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準備。圖7-5-12

二值化處理二值化處理電路5.2CCD圖像測量的基本原理二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對待。光學系統(tǒng)把被測對象成像在CCD光敏元上，由于被測對象與背景在光強上的強烈變化，反映在CCD視頻信號中所對應的圖像尺寸邊界處會有急劇的電平變化，通過二值化處理把CCD視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。實現(xiàn)CCD視頻信號二值化的處理由硬件電路完成，常采用電壓比較器，即將視頻信號與某一電平閾值比較，視頻信號電平高于閾值的部分輸出高電平，而低于閾值部分輸出低電平，形成具有一定寬度的二值化電平的脈沖信號，該脈沖寬度對應被測對象的圖像尺寸大小，如上圖所示。線陣CCD：一行，掃描；體積小，價格低；

面陣CCD:

整幅圖像；直觀；價格高，體積大；面陣CCD芯片CCD在檢測方面的應用幾何量測量測寬、測長、測徑。光譜測量光譜儀輸出信號測量。5.3CCD玻管尺寸測控儀CCD尺寸測量技術是一種非常有效的非接觸檢測方法，廣泛應用于在線檢測工件的尺寸。CCD玻管尺寸測控儀就是測量的一個應用實例，它對玻管外圓直徑及壁厚尺寸進行實時監(jiān)測，并根據(jù)測量結果對生產(chǎn)過程進行控制。光源照射被測玻管，經(jīng)光學系統(tǒng)成像在CCD光敏陣列面上。由于各處透射率的不同，玻管的像在上下邊緣處形成兩條暗帶，中間部分的透射光相對較強而形成亮帶。兩條暗帶最外的邊界距離是玻管外徑成像的大小，中間亮帶是玻管內(nèi)徑像的大小，暗帶則是玻管壁厚像的大小，如圖所示，CCD視頻信號上出現(xiàn)了兩個谷

5.3CCD玻管尺寸測控儀圖7-5-14系統(tǒng)結構框圖系統(tǒng)結構框圖5.3CCD玻管尺寸測控儀圖7-5-13CCD視頻信號CCD視頻信號5.3CCD玻管尺寸測控儀把視頻信號中的外徑尺寸部分和壁厚部分進行二值化處理，填入標準時鐘脈沖，該時鐘脈沖對應CCD空間分辨率，由計算機采集這兩個尺寸對應的脈沖數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到被測玻管的尺寸。本系統(tǒng)被測玻管的直徑尺寸為20mm，光學系統(tǒng)的放大率為0.8倍，則玻管像的大小為16mm，被測玻管的測量精度要求達到±0.05mm，他在像面上對應精度為±0.04mm。根據(jù)CCD測量靈敏度的要求，0.04mm要大于2個CCD像素的空間尺寸。選擇TCD102C型號CCD可滿足上述測量范圍和精度的要求。該器件的技術指標為：

2048感光像素元，14微米相鄰像素中心距，工作時鐘1MHz，兩相驅動，同步脈沖寬度128微秒，同步周期：7.5ms。5.4線陣CCD在線測量棒狀物尺寸棒狀物長度的非接觸式精密在線測量，是采用平行光源對被測物垂直照射，形成被測物的輪廓圖像并把它投影在CCD圖像傳感器上，輪廓圖像轉變成CCD圖像傳感器的輸出信號，該信號經(jīng)二值化處理后，再由單片機進行數(shù)據(jù)采集及信號處理，最后由計算機的屏幕顯示出來。整個測量系統(tǒng)如圖所示

圖中，平行光源、棒狀物參比端及CCD圖像傳感器必須置于同一基準面上。棒狀物被測端、平行光中心軸線和CCD的中心點要大致位于同一直線上。平行光源的作用是產(chǎn)生一束高平行度的光線，以使棒狀物經(jīng)平行光垂直照射后在CCD上形成1：1的高精度像。5.4線陣CCD在線測量棒狀物尺寸7-5-16棒狀物成像系統(tǒng)及CCD輸出波形5.4線陣CCD在線測量棒狀物尺寸平行光源是本系統(tǒng)中的一個關鍵設備，它采用高亮度白熾燈作為光源，經(jīng)組合透鏡后形成平行光束，因而具有結構簡便、平行度高及亮度均勻等特點。本系統(tǒng)中使用的CCD型號為TCD141C，像點尺寸為7μm，共5000個像點，測量長度范圍為35mm。由平行光源、CCD圖像傳感器及棒狀物構成的成像系統(tǒng)以及CCD視頻輸出信號的波形如上圖所示。圖中，棒狀物擋住了部分平行光，未被擋住的平行光照射在CCD上成像。OS1和OS2分別為CCD奇數(shù)位和偶數(shù)位像點的脈沖輸出波形。奇、偶位像點脈沖有一個相位差。利用這個相位差可以很方便地對成像信號進行二值化處理。ΦSH為周期掃描信號脈沖，利用ΦSH可作為計數(shù)的定位脈沖。5.4線陣CCD在線測量棒狀物尺寸信號處理首先對CCD成像信號進行二值化處理。在光源照射下，CCD的成像電平在對應于棒狀物被測端應有明顯的電平變化，通過二值化處理可以把CCD視頻信號中對應的圖像尺寸邊界分離出來，CCD視頻信號二值化處理的硬件電路如圖所示。5.4線陣CCD在線測量棒狀物尺寸CCD圖像傳感器的奇數(shù)位和偶數(shù)位輸出的信號OS1和OS2經(jīng)放大后和同一個閾值電平進行電壓比較，根據(jù)這兩路視頻信號脈沖相位錯疊的特點，通過邏輯電路合成一個方波

Φ0,該方波的前沿代表棒狀物被測端的位置(即圖中的h1)。實踐證明，我們只要選擇合適的閾值，可以滿足測量精度的要求。單片機的功能主要有兩個，一是完成棒狀物參與成像的長度的定時計數(shù)功能，二是完成棒狀物整個長度h=h1+h0的數(shù)據(jù)轉換，并送給計算機進行處理，其中h0代表棒狀物未參與成像的固定長度。第六章、熱釋電紅外傳感器及其應用檢測器件的矛盾因素（1）響應波長和探測率的矛盾熱敏器件（熱電偶、熱電阻）響應波長寬，但探測率低。光電探測器探測率高，但響應波長有限；（2）探測率與響應時間的矛盾熱敏類器件探測率越高，其反應速度就越慢，光敏電阻也有同樣的問題。熱釋電檢測器的出現(xiàn)，在一定程度上避免了上述矛盾。熱釋電紅外傳感器是一種被動式調(diào)制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應工作，它是通過目標與背景的溫差來探測目標的。其響應速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關，容易使用。這種探測器，靈敏度高，探測面廣，是一種可靠性很強的探測器。因此廣泛應用于各類入侵報警器，自動開關、非接觸測溫、火焰報警器等，目前生產(chǎn)有單元、雙元、四元、180°等傳感器和帶有PCB控制電路的傳感器。常用的熱釋電探測器如：硫酸三甘鈦（TGS）探測器、鈮酸鍶鋇（SBN）探測器、鉭酸鋰（LiTaO3）探測器、鋯鈦酸鉛（PZT）探測器等。熱釋電效應：當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能顯示出來。當溫度變化時，晶體結構中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化值就會發(fā)生變化，在晶體表面就會產(chǎn)生電荷，對外顯示電性。若溫度對時間的變化率為dT/dt，極化強度PS

對時間的變化率為dPs/dt，它相當于外電路上流動的電流。若電極面積為A，則信號電壓的大小為：△U=ARLdPs/dt=ARLdPs/dTdT/dt，A為敏感元面積，RL為負載電阻；dPs/dT為常數(shù)。1.熱釋電紅外傳感器的結構常見的熱釋電紅外傳感器的外形如圖所示。熱釋電紅外傳感器由敏感元、場效應管、高阻電阻等組成，并向殼內(nèi)充入氮氣封裝起來，內(nèi)部結構如下圖所示。敏感元也有做成上下兩層的。常見熱釋電紅外傳感器的外形熱釋電傳感器的內(nèi)部結構⑴敏感元敏感元用紅外熱釋電材料—鋯鈦酸鉛(PZT)制成，經(jīng)極化處理后，其剩余極化強度隨溫度T升高而下降。制作敏感元件時，將熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構成兩個串聯(lián)的、有極性的小電容。把兩個極性相反的熱釋電敏感元做在同一晶片上，由于溫度的變化影響，整個晶片產(chǎn)生溫度變化時，兩個敏感元產(chǎn)生的熱釋電信號互相抵消，起到補償作用。使用熱釋電傳感器時，通常要在使用菲涅爾透鏡將外來紅外輻射通過透鏡會聚光于一個傳感元上，它產(chǎn)生的信號不會被抵消。熱釋電傳感器的持點是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時，才會給出一個相應的電信號，當溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就再沒有信號輸出，即熱釋電信號與它本身的溫度的變化率成正比。因此，熱釋電傳感器只對運動的人體或物體敏感。傳感器內(nèi)部接線圖

⑵場效應管及高阻值電阻Rg

敏感元的阻值可達1013Ω，因此需用場效應管進行阻抗變換才能應用。場效應管常用2SK303V3，2SK94X3等型號，用來構成源極跟隨器。高阻值電阻Rg的作用是釋放柵極電荷，使場效應管安全正常工作，源極輸出接法時，源極電壓約0.4一1.0V。如傳感器內(nèi)部接線圖如下圖所示。紅外濾光片透射曲線

⑶濾光片(FT)PZT制成的敏感元件是一種光譜材料，能探測各種波長輻射。為了使傳感器對人體最敏感，而對太陽、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光片是在Si基片上鍍多層膜制成的。每個物體都能發(fā)出紅外輻射，其輻射峰值波長滿足維恩位移定律（λmT=2898）。對于人體體溫(約36℃)，輻射的最長波長為

λm=2898／309=9.4μm，也就是說，人體輻射在9.4μm處最強，紅外濾光片選取了6.5～14μm波段，能有效地選取人體的紅外輻射。紅