光电检测技术课件[4].ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光敏二极管结构,光敏二极管与普通二极管一样有一个,PN,结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。,为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，,即,PN,结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。,为了提高光电转换能力,，,PN,结的深度较普通二极管,浅。,光电二极管（光敏二极管）,光敏二极管符号,光敏二极管接法,外加反向偏压,可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用,大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子,空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。,增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。,但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到,PN,结反向击穿电压等因素的限制。,光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。,选择一定厚度,的,i,层，具有高速响应特性。,i,层所起的作用,:(1),为了取得较大,的,PN,结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。,而,i,层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。,(2),反偏下，耗尽层,较无,i,层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应,。,PIN,管的最大特点是,频带宽，可达,40GHz,。,另一特点是线性输出范围宽。,缺点,:,由于,I,层的,存在,，,管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。,雪崩光敏二极管,由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。,通过一定的工艺可以,使它在,1.06,微米波长处的量子效率达到,30,，非常适于可见光及近红外区域的应用。,当光敏二极管,的,PN,结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子,空穴对。,新的电子,空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子,空穴对。,只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。,雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线,在偏置电压较低,时的,A,点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加,从,B,点到,c,点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声,也显著增加，如,图中,c,点以右边的区域。因此，最佳的偏压工作区,是,c,点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。,由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压,。,雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达,100GHz,。,是目前响应最快的一种光敏二极管。,不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。,在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。,其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响,大。,雪崩光电二极管与光电倍增管比较,体积小,结构紧凑,工作电压低,使用方便,但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大,故光电倍增管更适宜于弱光探测,2.4 CCD,CCD,是一种电荷耦合器件,(Charge Coupled Device),CCD,的突出特点：是以,电荷,作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。,CCD,的基本功能是,电荷的存储和电荷的耦合,。,CCD,工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。,CCD,的结构,MOS,光敏元：,构成,CCD,的基本单元是,MOS(,金属,氧化物,半导体,),结构。,（型层）,电极,在栅极加正偏压之前,，,P,型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。,加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。,当,U,G,U,th,时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子,(,少子,),吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。,反型层电荷的存在表明了,MOS,结构存储电荷的功能。,一、电荷存储,表面势与栅极正偏压的关系,表面势,0.1um 0.2um 0.4um 0.6um,栅极正偏压,表面势与反型层电荷密度的关系,表面势,反型层电荷密度,二、电荷的耦合,电荷的耦合,第一个电极保持,10V,，,第二个电极上的电压,由,2V,变到,10V,，,因这两个电极靠得很紧,(,间隔只有几微米,),，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有,。,若此后第一个电极电压由,10V,变为,2V,，,第二个电极电压仍为,10V,，,则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。,CCD,电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数,CCD,，,1m,的间隙长度是足够了。,主要由三部分组成：信号输入、电荷、信号输出。,输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。,电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入,电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。,光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射,CCD,硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子,空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。,的工作原理,P-,Si,输入,栅,输入二极管,输出二极管,输出,栅,SiO,2,在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。,为了实现电荷的定向转移，在,CCD,的,MOS,阵列上划分成以几个相邻,MOS,电荷为一单元的循环结构。一位,CCD,中含的,MOS,个数即为,CCD,的像数。,以电子为信号电荷的,CCD,称为,N,型沟道,CCD,，,简称为,N,型,CCD,。,而以空穴为信号电荷的,CCD,称为,P,型沟道,CCD,，,简称为,P,型,CCD,。,由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此,N,型,CCD,比,P,型,CCD,的工作频率高得多。,的工作原理,CCD,的特点,体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。,空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。,光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高,。,高速扫描，基本上不保留残象,(,电子束摄象管有,1520,的残象,),集成度高,可用于非接触精密尺寸测量系统。,无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。,有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。,CCD,的特性参数,像素数量，,CCD,尺寸，最低照度，信噪比等,像素数是指,CCD,上感光元件的数量。,44,万（,768*576,）、,100,万（,1024*,1024,）、,200,万（,1600*1200,）、,600,万（,2832*2128,）,信噪比：,典型值为,46,分贝,感光范围,可见光、红外,CCD,按电荷存储的位置分有两种基本类型,1,、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输,表面沟道,CCD,(,简称,SCCD),。,2,、,电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，,体沟道或埋沟道器件,(,简称,BCCD),。,的类型,的类型,线阵,：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从,128,位至,5000,位以至,7000,位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。,面阵,CCD,：,器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。,目前达到实用阶段的象元数由,25,万至数百万个不等，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。,线阵,CCD,：,一行，扫描；,体积小，价格低；,面,阵,CCD:,整幅图像；直观；价格高，体积大；,面阵,CCD,芯片,CCD,在检测方面的应用,几何量测量,自动步枪激光模拟射击系统。,光谱测量,光谱仪输出信号测量。,习题,1,、,据,雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线说明它为何又一个最佳工作电压。,2,、什么是,CCD,器件,?,构成,CCD,器件的基本结构单元是什么，试述,CCD,器件的电荷存储原理。,第五章 光电检测系统,光电检测系统分类,主动系统,/,被动系统,(,按信息光源分,),红外系统,/,可见光系统,(,按光源波长分,),红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器,可见光系统多用于民用,点探测,/,面探测系统,(,按接受系统分,),用单元探测器接受目标的总辐射功率,用面接受元件测量目标的光强分布,模拟系统,/,数字系统,(,按调制和信号处理方式分,),直接检测,/,相干检测系统,(,按光波对信号的携带方式分,),主动系统,通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制,.,返回,被动系统,光信号来自被测物体的自发辐射,返回,直接检测,/,相干检测,直接检测,:,无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的信息。,相干检测,:,利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线电外茶检测，故又称光外差检测。,光电检测系统的信噪比,信噪比：,与灵敏度相关,误码率：,“,0”,和“,1”,出现错误的概率,直接检测系统的基本工作原理,将待测光信号直接入射到光探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度输出相应的电流或电压。,光探测器的平方律特性,光电流正比于光电场振幅的平方,输出的电功率正比于入射光功率的平方,系统的基本特性,信噪比：,表征检测系统的灵敏度,P,S,:,输入信号光功率,P,n,:,噪声功率,检测距离：,是系统灵敏度的另外一种评价指标，与发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有关,直接检测系统的视场角,表征系统能“观察”到的空间范围,系统的视场角越大越好但是增大检测器面积使系统的噪声增大；减小焦距使系统的相对孔径加大,系统的通频带宽度,检测系统要求,f,保持原由信号的调制信息,确定系统频带宽度的几种方法：,等效矩形带宽,频谱曲线下降,dB,的带宽,包含能量的带宽,频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪声功率也越大,f,S,为信号光波，,f,L,为本机振荡光波，这两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。,经探测器变换后，输出信号中包含 的差频信号，故又称,相干探测。,光外差检测,设入射到探测器上的信号光场为,：,本机振荡光场为,：,入射到探测器上的总光场为,：,基本原理,；,:,量子效率；,:,光子能量；,:,差频。,式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于,1,2,。,第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。,当差频 低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为 的光电流输出。,光探测器输出的光电流,光外差检测的特性,可获得全部信息：,不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息；,转换效率高：转换增益可高达,，对微弱信号的探测有利,光外差检测的特性,可获得全部信息：,不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息。,转换效率高：转换增益可高达,，对微弱信号的探测有利。,差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到的，只有激光才能实现外差探测。,光外差检测的特性,良好的滤波性能,取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的杂散光；而直接探测中，所有的杂散光都被接收,信噪比损失小,检测灵敏度高,例如：量子效率为，,f,为,Hz,，,则外差检测的,灵敏度极限为个光子,系统对探测器性能的要求,光外差检测对探测器的要求比直接检测高,响应频带宽,均匀性好,工作温度高,光电检测系统的类型,直接检测,光外差检测,(,相干检测,),典型的光电检测系统,第五章 光电检测系统,光电检测系统分类,主动系统,/,被动系统,(,按信息光源分,),红外系统,/,可见光系统,(,按光源波长分,),点探测,/,面探测系统,？,(,按接受系统分,),模拟系统,/,数字系统,(,按调制和信号处理方式分,),直接检测,？,/,光外差检测系统,？,(,按光波对信号的携带方式分,),直接检测的基本原理,直接检测,(,非相干检测,):,都是利用光源发射的光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。,直接检测的基本特性,光探测器的平方律特性,光电流正比于光电场振幅的平方,输出的电功率正比于入射光功率的平方,信噪比：,表征检测系统的灵敏度,视场角,:,表征系统能“观察”到的空间范围,通频带宽度,:,频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪声功率也越大,检测距离：,是系统灵敏度的另外一种评价指标,返回,光外差检测,的基本原理,利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。,两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场,又称相干检测。只有激光才能进行相干检测。,输出信号中包含 的差频信号,因此称光外差检测,输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。,光外差检测的特性,光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、频率和相位等；,转换效率高，,检测灵敏度高,（比直接检测高数量级），,对微弱信号的探测有利,（尽管信号光功率小，但是本振光功率大）,良好的滤波性能,信噪比损失小,检测灵敏度高,检测距离远,对探测器的要求比直接检测高,光外差检测的空间和频率条件,空间条件,：,:,两束光的夹角，,l,：,检测器光敏面线度,波长越短或口经越大，要求相位差角,越小，越难满足要求,频率条件,：,要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。,如何获得单频光和稳频光？,信号光与本振光并非平行,而成一夹角,5.3,典型的光电检测系统,你所知道的光电检测系统,?,你能讲一讲光电检测系统,?,你能评一评光电检测系统,?,