光電檢測技術(shù)課件

光電檢測技術(shù)課件光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號(hào)

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(fù)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(jié)電場，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會(huì)少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結(jié)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?yàn)樗€受到PN結(jié)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(yīng)時(shí)間短，光譜響應(yīng)在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測中應(yīng)用多。選擇一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)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(shí)間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。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(shí)間常數(shù)。

(2)反偏下，耗盡層較無i層時(shí)要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。PIN管的最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)40GHz。另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。缺點(diǎn):

由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)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(jī)理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時(shí)間響應(yīng)特性。通過一定的工藝可以使它在微米波長處的量子效率達(dá)到30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。

當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很高的電場，使進(jìn)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(qiáng)電場的作用下分別向相反方向運(yùn)動(dòng)．在運(yùn)動(dòng)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(qiáng)，此過程就將繼續(xù)下去，達(dá)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(guān)系曲線在偏置電壓較低時(shí)的A點(diǎn)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(diǎn)到c點(diǎn)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(shí)噪聲也顯著增加，如圖中c點(diǎn)以右邊的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是c點(diǎn)以左，否則進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)燒壞管子。由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)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(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)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(diǎn)。因此它在微弱輻射信號(hào)的探測方向被廣泛地應(yīng)用。在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)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(jié)面的平整。其缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)的噪聲也較大故光電倍增管更適宜于弱光探測2.4 CCDCCD是一種電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)CCD的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的耦合。CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測。CCD的結(jié)構(gòu)MOS光敏元：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。（Ｐ／Ｎ型層）電極在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)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(dāng)UG＞Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導(dǎo)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(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。一、電荷存儲(chǔ)表面勢與柵極正偏壓的關(guān)系表面勢

柵極正偏壓表面勢與反型層電荷密度的關(guān)系表面勢反型層電荷密度勢井二、電荷的耦合電荷的耦合第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢阱所共有。若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對絕大多數(shù)CCD，1μm的間隙長度是足夠了。ＣＣＤ主要由三部分組成：信號(hào)輸入、電荷、信號(hào)輸出。輸入部分：將信號(hào)電荷引入到ＣＣＤ的第一個(gè)轉(zhuǎn)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(chǔ)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(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)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(hào)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在ＣＣＤ柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲(chǔ)信號(hào)電荷，其深度同步于信號(hào)電壓變化，使阱內(nèi)信號(hào)電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送出視頻信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位CCD中含的MOS個(gè)數(shù)即為CCD的像數(shù)。以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號(hào)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(yuǎn)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。ＣＣＤ的工作原理CCD的特點(diǎn)體積小，功耗低，可靠性高，壽命長?？臻g分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測量精度。光電靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，紅外敏感性強(qiáng)，信噪比高。高速掃描，基本上不保留殘象(電子束攝象管有15~20％的殘象)集成度高可用于非接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計(jì)算機(jī)結(jié)合接口。系統(tǒng)對探測器性能的要求因?yàn)橛霉獠ǖ南喔稍?，只能用相干光。輸入部分：將信?hào)電荷引入到ＣＣＤ的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。條件：系統(tǒng)shot噪聲功率大于其它噪聲功率總和十倍以上，占主導(dǎo)所用。由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安?？梢圆患悠珘?，與光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用檢測距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評價(jià)指標(biāo)．你所知道的光電檢測系統(tǒng)???SP:輸出信號(hào)電功率,NP:輸出噪聲電功率反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。無論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息。光電二極管（光敏二極管）主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)光外差檢測(相干檢測)檢測距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評價(jià)指標(biāo)．CCD的特性參數(shù)像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素?cái)?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(chǔ)的位置分有兩種基本類型

1、電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)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(chǔ)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(hào)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(jié)合。目前達(dá)到實(shí)用階段的象元數(shù)由25萬至數(shù)百萬個(gè)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。線陣CCD：一行，掃描；體積小，價(jià)格低；

面陣CCD:

整幅圖像；直觀；價(jià)格高，體積大；面陣CCD芯片CCD在檢測方面的應(yīng)用幾何量測量自動(dòng)步槍激光模擬射擊系統(tǒng)。光譜測量光譜儀輸出信號(hào)測量。習(xí)題1、何謂直接檢測系統(tǒng)的熱噪聲限、shot噪聲限和量子噪聲限，它們的條件和信噪比分別為多少。

2、為何直接檢測系統(tǒng)不用于信噪比較低的場合。第三章直接探測方法光電檢測系統(tǒng)分類主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測器可見光系統(tǒng)多用于民用點(diǎn)探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測器接受目標(biāo)的總輻射功率用面接受元件測量目標(biāo)的光強(qiáng)分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測/相干檢測系統(tǒng)(按光波對信號(hào)的攜帶方式分)主動(dòng)系統(tǒng)通過信息調(diào)制光源,或者光源發(fā)射的光受被測物體調(diào)制.返回被動(dòng)系統(tǒng)光信號(hào)來自被測物體的自發(fā)輻射返回直接檢測/相干檢測直接檢測:

無論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息。光電探測器直接把接受到的光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，然后，用解調(diào)電路檢出所攜帶的信息。相干檢測:

利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。因?yàn)橛霉獠ǖ南喔稍恚荒苡孟喔晒?。類似于無線電外茶檢測，故又稱光外差檢測。直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理直接檢測基本物理過程光學(xué)濾波器光探測器+前置放大器信號(hào)處理電路信號(hào)光噪聲光電路噪聲

將待測光信號(hào)直接入射到光探測器光敏面，光探測器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度輸出相應(yīng)的電流或電壓。光探測器的平方律特性光電流正比于光電場振幅的平方輸出的電功率正比于入射光功率的平方上式表明，輸出電功率與輸入光功率的平方成正比。如果入射光為強(qiáng)度調(diào)制調(diào)制信號(hào)為d(t)

則直接檢測系統(tǒng)信噪比PS:輸入信號(hào)光功率,Pn:

噪聲光功率SP:輸出信號(hào)電功率,NP:輸出噪聲電功率系統(tǒng)的基本特性2、再大信噪比的條件下，光電檢測后的信噪比比光信噪比小一半，可以接受。像素?cái)?shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。MOS光敏元：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)１０７－１０８，對微弱信號(hào)的探測有利．上式表明，輸出電功率與輸入光功率的平方成正比。通過一定的工藝可以使它在微米波長處的量子效率達(dá)到30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。輸出的電功率正比于入射光功率的平方像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點(diǎn)。利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。對探測器的要求比直接檢測高點(diǎn)探測/面探測系統(tǒng)？(按接受系統(tǒng)分)CCD的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。通過信息調(diào)制光源,或者光源發(fā)射的光受被測物體調(diào)制.計(jì)算SNR系統(tǒng)總噪聲功率為：信號(hào)功率為：信噪比為：CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的耦合。當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很高的電場，使進(jìn)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。波長越短或口經(jīng)越大，要求相位差角θ越小，越難滿足要求．無論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息。表面勢與柵極正偏壓的關(guān)系像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等目前達(dá)到實(shí)用階段的象元數(shù)由25萬至數(shù)百萬個(gè)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。紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。而直接探測中，所有的雜散光都被接收θ:兩束光的夾角，l：檢測器光敏面線度．紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測器輸出的電功率正比于入射光功率的平方CCD的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。系統(tǒng)的性能

1．熱噪聲限制條件：系統(tǒng)熱噪聲功率大于其它噪聲功率總和十倍以上，占主導(dǎo)所用。2、shot噪聲限制:條件：系統(tǒng)shot噪聲功率大于其它噪聲功率總和十倍以上，占主導(dǎo)所用。3、量子噪聲限制:條件：系統(tǒng)信號(hào)光產(chǎn)生的shot噪聲功率大于其它噪聲功率總和十倍以上，占主導(dǎo)所用。直接探測系統(tǒng)的NEP熱噪聲限制NEP

條件：系統(tǒng)熱噪聲功率大于其它噪聲功率總和十倍以上，占主導(dǎo)所用。

shot噪聲限制NEP

量子噪聲限制NEPfS為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩光波，這兩束相干光入射到探測器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場。經(jīng)探測器變換后，輸出信號(hào)中包含的差頻信號(hào)，故又稱相干探測。

光外差檢測設(shè)入射到探測器上的信號(hào)光場為：

本機(jī)振蕩光場為：

入射到探測器上的總光場為：

基本原理可以不加偏壓，與光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。第三章直接探測方法因此它在微弱輻射信號(hào)的探測方向被廣泛地應(yīng)用。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計(jì)算機(jī)結(jié)合接口。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)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(shí)間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。一位CCD中含的MOS個(gè)數(shù)即為CCD的像數(shù)。CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測。主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。通過信息調(diào)制光源,或者光源發(fā)射的光受被測物體調(diào)制.用面接受元件測量目標(biāo)的光強(qiáng)分布Δf為１Hz，則外差檢測的而第四項(xiàng)（差頻項(xiàng)）相對光頻而言，頻率要低得多。:差頻。

；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項(xiàng)（和頻項(xiàng)）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項(xiàng)（差頻項(xiàng)）相對光頻而言，頻率要低得多。當(dāng)差頻低于光探測器的截止頻率時(shí)，光探測器就有頻率為的光電流輸出。

光探測器輸出的光電流光外差檢測的特性

可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)，即在光探測器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、頻率和相位等全部信息；轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)１０７－１０８，對微弱信號(hào)的探測有利．光外差檢測的特性

可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)，即在光探測器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)１０７－１０８，對微弱信號(hào)的探測有利。差頻信號(hào)是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差探測。

光外差檢測的特性良好的濾波性能

取差頻信號(hào)為信息處理器的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光；而直接探測中，所有的雜散光都被接收信噪比損失小檢測靈敏度高例如：量子效率為１，Δf為１Hz，則外差檢測的靈敏度極限為１個(gè)光子系統(tǒng)對探測器性能的要求光外差檢測對探測器的要求比直接檢測高響應(yīng)頻帶寬均勻性好工作溫度高

光電檢測系統(tǒng)的類型直接檢測光外差檢測(相干檢測)典型的光電檢測系統(tǒng)第五章光電檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)分類主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)點(diǎn)探