光电探测器分解.pptx

1l概述概述 光电器件：探测载波光信息，利用光电效应把光信息转换成电信息的光电器件：探测载波光信息，利用光电效应把光信息转换成电信息的器件。器件。按器件的机理不同，分为按器件的机理不同，分为热电热电和和光电光电探测器两大类。探测器两大类。n 热电探测器热电探测器：基于光辐射引起探测器温度上升，从而使与温度有关的电物理量发生变化，基于光辐射引起探测器温度上升，从而使与温度有关的电物理量发生变化，反映的是入射光的能量或功率和输出电量的函数关系。如热敏电阻、热电偶反映的是入射光的能量或功率和输出电量的函数关系。如热敏电阻、热电偶和热电堆、气动管（高莱管）、热释电探测器等。和热电堆、气动管（高莱管）、热释电探测器等。热电探测器热电探测器对光谱响应没有选择性，对光谱响应没有选择性，从可见光到红外波段均可响应。从可见光到红外波段均可响应。第六章第六章 光电探测器光电探测器2n 光电探测器：光电探测器：基于光电效应把光能直接转换成电信息的基于光电效应把光能直接转换成电信息的器件。器件。分类：分类：根据工作效应的不同可以分为：根据工作效应的不同可以分为：（1）光电子发射器件：光电管和光电倍增管）光电子发射器件：光电管和光电倍增管（2）光电导器件：单晶型、多晶型、合金型的光敏电阻）光电导器件：单晶型、多晶型、合金型的光敏电阻（3）光生伏特器件：光电池、光电二极管和光电三极管）光生伏特器件：光电池、光电二极管和光电三极管（4）光磁电器件）光磁电器件 按排列结构光电探测器也可分为单元器件、阵列器件或成像按排列结构光电探测器也可分为单元器件、阵列器件或成像器件等器件等 36.1 光电探测器的特性参数光电探测器的特性参数 l量子效率量子效率:l 响应度响应度：入射的单位光辐射功率所引起的反应入射的单位光辐射功率所引起的反应 电压响应度：电压响应度：电流灵敏度：电流灵敏度：光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。单位时间入射到探测器表面的光子单位时间入射到探测器表面的光子 单位时间内被光子激励的光电子数。单位时间内被光子激励的光电子数。特定波长下特定波长下，单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入射到探测器表面的光子数之比 描述光电器件描述光电器件光电转换能力光电转换能力 46.1 光电探测器的特性参数光电探测器的特性参数 光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性。峰值响应波长：峰值响应波长：响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长 截止波长：截止波长：当响应度下降到其峰值的当响应度下降到其峰值的50%时所对应的波长。时所对应的波长。l 线性度：线性度：探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成比例的探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成比例的 程度和范围。通常，弱光照时探测器输出光电流都能在较程度和范围。通常，弱光照时探测器输出光电流都能在较 大范围内与输入光功率（或辐照度）成线性关系。在强光大范围内与输入光功率（或辐照度）成线性关系。在强光 照时趋于平方根关系。照时趋于平方根关系。l 光谱响应：光谱响应：5l 响应时间和频率响应响应时间和频率响应 当当照照射射探探测测器器的的光光功功率率由由零零增增加加到到某某一一值值时时，光光电电探探测测器器的的瞬瞬时时输输出出电电流流总总不不能能完完全全跟跟随随输输入入变变化化。同同样样，在在光光照照突突然然停停止止时时也也是是这这样样，这这就就是是探探测器的惰性。测器的惰性。由于探测器存在惰性，当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，若调制由于探测器存在惰性，当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，若调制频率低，则响应度与调制频率无关；若频率高，响应度就随频率升高而降频率低，则响应度与调制频率无关；若频率高，响应度就随频率升高而降低。低。响应时间：响应时间：阶跃输入时，阶跃输入时，上升到稳态值上升到稳态值的的0.63倍时的时间倍时的时间 时的调制频率时的调制频率 响应频率：响应频率：6l 噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）：使探测器输出电压正好等于输出噪声使探测器输出电压正好等于输出噪声电压时的入射光功率电压时的入射光功率。在探测极其微弱的信号时，限制光电探测器对极微弱光辐射探测能力在探测极其微弱的信号时，限制光电探测器对极微弱光辐射探测能力的不是响应度的大小。的不是响应度的大小。噪声等效功率的概念表征探测器的最小可探测功率。噪声等效功率的概念表征探测器的最小可探测功率。l 探测度探测度D及归一化探测度及归一化探测度D*：7l 光电探测器的噪声光电探测器的噪声1热噪声：热噪声：凡有功耗电阻的元件都有热噪声，来源于电阻内部凡有功耗电阻的元件都有热噪声，来源于电阻内部自由电子或电荷自由电子或电荷载流子的不规则的热骚动载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度成正比，与测量仪器的电子带宽成。热噪声与温度成正比，与测量仪器的电子带宽成正比，与频率无关。正比，与频率无关。2暗电流噪声：暗电流噪声：当探测器接入电路后，当探测器接入电路后，由于热电子发射，场致发射或半导体中由于热电子发射，场致发射或半导体中晶格热振动激发出载流子，而产生的输出电流晶格热振动激发出载流子，而产生的输出电流。3散粒噪声：散粒噪声：由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。每一瞬时通过由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。每一瞬时通过PN结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引起散粒噪声。散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。起散粒噪声。散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。噪声来自系统外部干扰噪声和内部噪声。系统内部噪声主要是由于元器噪声来自系统外部干扰噪声和内部噪声。系统内部噪声主要是由于元器件中带电粒子的不连续性以及局部不均匀造成的件中带电粒子的不连续性以及局部不均匀造成的 86.2 光电探测器原理和种类光电探测器原理和种类l原原理理：材材料料表表面面的的电电子子吸吸收收光光子子能能量量，吸吸收收的的光光能能能能够够满满足足途途中中由由于于与与晶晶格格或或其其它它电电子子碰碰撞撞而而损损失失的的能能量量外外，尚尚有有一一定定能能量量足足以以克克服服固固体体表表面面的的势势垒垒（或或叫叫逸逸出出功功）则则电电子子就就可可以以穿穿出出材材料料表表面面。这这些些逸逸出出表表面的电子称为光电子。这种现像叫光电子发射或外光电效应。面的电子称为光电子。这种现像叫光电子发射或外光电效应。l 特点：特点：光电子动能与照射光强度无关；光电子动能与照射光强度无关；光谱响应表现出选择性；光谱响应表现出选择性；光电子发射效应的低频限；光电子发射效应的低频限；优点：优点：灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪音小灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪音小 缺点：缺点：结构复杂，工作电压高，体积较大结构复杂，工作电压高，体积较大 6.2.1 光电子发射效应光电子发射效应9l 光电子发射器件光电子发射器件光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管:典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件.由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种电流放大器件电流放大器件。光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测10（1）光电管）光电管光电管分为光电管分为真空光电管真空光电管和和充气光电管充气光电管两大类。两大类。真空光电管：真空光电管：管内管内保持真空保持真空，只存在电子运动，只存在电子运动充气光电管：充气光电管：管内充有管内充有低压惰性气体低压惰性气体，工作时电子碰撞气体，利用气体电离放电，工作时电子碰撞气体，利用气体电离放电 获得光电流放大作用的光电管。获得光电流放大作用的光电管。n 真空光电管真空光电管 工作原理：工作原理：当当入入射射光光线线透透过过光光窗窗照照射射到到电电阴阴极极面面上上时时，光光电电子子从从阴阴极极发发射射到到真真空空中中，在在极极间间电电场场作作用用下下，光光电电子子加加速速运运动动到到阳阳极极被被阳阳极极吸吸收收，光光电电流流数数值值可可在在阳阳极极电路中测出。电路中测出。11真空光电管的结构真空光电管的结构12 主要特性主要特性灵敏度：灵敏度：在一定光谱和阳极电压下，光电管阳极电流与阴极面上光在一定光谱和阳极电压下，光电管阳极电流与阴极面上光 通量之比，反应了光电管的光照特性。通量之比，反应了光电管的光照特性。伏安特性：伏安特性：一定光照条件下，阳极电流会随其电压增加而增加一定光照条件下，阳极电流会随其电压增加而增加。不同电极结构有不同的饱和电压不同电极结构有不同的饱和电压。光谱响应：光谱响应：各种真空光电管的光谱响应不同，影响光谱特性的主要各种真空光电管的光谱响应不同，影响光谱特性的主要 因素是光阴极的结构、材料、厚度及光窗材料等因素是光阴极的结构、材料、厚度及光窗材料等。暗电流：暗电流：在低照度下，暗电流大小和噪声决定了测量光通量的低限，在低照度下，暗电流大小和噪声决定了测量光通量的低限，并影响对弱光的测量精度并影响对弱光的测量精度。13n充气光电管充气光电管 在在光光电电管管中中充充进进低低压压惰惰性性气气体体，在在光光照照下下光光电电阴阴极极发发射射出出的的光光电电子子受受电电场场作作用用加加速速向向阳阳极极运运动动，途途中中与与气气体体原原子子相相碰碰撞撞，气气体体原原子子发发生生电电离离而而形形成成电电子子与与正正离离子子。电电离离出出来来的的电电子子在在电电场场的的作作用用下下与与光光电电子子一一起起再再次次使使气气体体原原子子电电离离。如如此此繁繁衍衍下下去去，使使充充气气光光电电管管的的有有效效电电流流增增加加，同同时时正正离离子子也也在在同同一一电电场场作作用用下下向向阴阴极极运运动动，构构成成离离子子电电流流，其其数数值值与与电电子子电电流流相相当当。因因此此，在在阳阳极极电电路路内内就就形形成成了了数数倍倍于于真真空空光光电管的光电流。电管的光电流。14n充气光电管充气光电管特点：特点：l灵灵敏敏度度：高高于于真真空空光光电电管管，由由于于阳阳极极电电流流不不仅仅取取决决于于阴阴极极发发射射的的电电子子还还取取决决于于气气体体电电离离的的电电子子和和离离子子，只只有有在在一一定定条条件件下下阳阳极极电电流流和和光光照照之间才有线性关系。之间才有线性关系。l伏伏安安特特性性：充充气气光光电电管管没没有有饱饱和和现现象象，由由于于管管内内气气体体的的电电离离作作用用，随随着阳极电压升高，阳极电流迅速增大。着阳极电压升高，阳极电流迅速增大。l暗暗电电流流与与噪噪声声：比比真真空空光光电电管管大大，由由于于热热发发射射电电流流也也参参与与气气体体的的电电离离放大作用，具有较大的热发射噪声和散粒噪声放大作用，具有较大的热发射噪声和散粒噪声15（2）光电倍增管光电倍增管 结构和工作原理结构和工作原理由由光光电电阴阴极极、倍倍增增极极、阳阳极极和和真真空空管管壳壳组组成成。图图中中K是是光光电电阴阴极极，D是是倍倍增增极极,A是是阳阳极极。U是是极极间间电电压压，称称为为分分级级电电压压；分分极极电电压压为为百百伏伏量量级级，分分级级电电压压之之和和为为总总电电压压，总总电电压压为千伏量级。从阴极到阳极，各极间形成逐级递增的加速电场。为千伏量级。从阴极到阳极，各极间形成逐级递增的加速电场。特点：特点：灵灵敏敏度度高高、稳稳定定性性好好、响响应应速速度度快快和和噪噪声声小小，但但结结构构复复杂杂、工工作作电电压压高高、体体积积大大。电电流放大元件，具有较高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测。流放大元件，具有较高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测。16特性参数特性参数（1）灵敏度：）灵敏度：光电倍增管的灵敏度一般分为阴极灵敏度和阳极灵光电倍增管的灵敏度一般分为阴极灵敏度和阳极灵 敏度，敏度，国产国产GBD23T型光电倍增管的阴极灵敏度典型值为型光电倍增管的阴极灵敏度典型值为 50A/lm，阳极灵敏度为，阳极灵敏度为200A/lm。（2）放大倍数（内增益）：在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极）放大倍数（内增益）：在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极 信号电流和阴极信号电流之比信号电流和阴极信号电流之比（3）光谱响应度：光电阴极的光谱响应度曲线，主要取决于光电阴极）光谱响应度：光电阴极的光谱响应度曲线，主要取决于光电阴极 的材料。的材料。（4）时间特性）时间特性:响应时间、渡越时间和渡越时间分散（散差）。响应时间、渡越时间和渡越时间分散（散差）。17特性参数特性参数（4）时间特性）时间特性:响应时间：阳极电流脉冲幅度从最大值的响应时间：阳极电流脉冲幅度从最大值的10上升到上升到90所经过的时间。所经过的时间。渡越时间：从函数光脉冲的顶点到阳极电流输出最大值所经历的时间。渡越时间：从函数光脉冲的顶点到阳极电流输出最大值所经历的时间。渡越时间分散（散差）：在重复光脉冲输入时，渡越时间每次略有不同，有渡越时间分散（散差）：在重复光脉冲输入时，渡越时间每次略有不同，有 一定起伏。一定起伏。18光电倍增管的供电电路光电倍增管的供电电路（1）为了输出信号和后面放大电路匹配方便，一般都使光电倍增管阳极通为了输出信号和后面放大电路匹配方便，一般都使光电倍增管阳极通 过负载电阻接地。过负载电阻接地。（2）在脉冲响应或高频应用中，阳极电流变化很快，也很大，分压电阻上在脉冲响应或高频应用中，阳极电流变化很快，也很大，分压电阻上 的压降变化很大，造成倍增管的放大倍数不稳定。为此在最后三级倍的压降变化很大，造成倍增管的放大倍数不稳定。为此在最后三级倍 增极间与分压电阻各并联一只耦合电容。增极间与分压电阻各并联一只耦合电容。191）光光电电倍倍增增管管的的选选择择：与与待待测测光光的的光光谱谱响响应应一一致致；对对低低能能和和弱弱光光的的探探测测应应采采用用阴阴极极灵灵敏敏度度高高与与暗暗电电流流小小、噪噪声声低低的的管管子子；阴阴极极尺尺寸寸的的选选择择取取决决于于光光信信号号照照射射到到阴阴极极上上的的面面积积，光光束束窄窄可可选选用用小小阴阴极极直直径径的的管管子子，通通常常阴阴极极大大小小决决定定于于光光电电倍倍增增管管的的大大小小；阳阳极极灵灵敏敏度度的的确确定定是是根根据据入入射射到到光光电电阴阴极极的的光光通通量量和和需需要要输输出的信号大小估算而得。除此之外，还应考虑耐震、高温等条件。出的信号大小估算而得。除此之外，还应考虑耐震、高温等条件。使用光电倍增管必须注意的事项使用光电倍增管必须注意的事项（1）必须在额定电压和额定电流内工作。因为管子增益很高，入射光功率稍必须在额定电压和额定电流内工作。因为管子增益很高，入射光功率稍 大就会使光电流可能超过额定值，轻者使管子响应度下降，出现疲劳大就会使光电流可能超过额定值，轻者使管子响应度下降，出现疲劳 （放置一段时间可能恢复），重者不能恢复，或被烧毁。（放置一段时间可能恢复），重者不能恢复，或被烧毁。（2）光电倍增管常使用金属屏蔽壳，用来屏蔽杂光和电磁干扰，金属壳应接）光电倍增管常使用金属屏蔽壳，用来屏蔽杂光和电磁干扰，金属壳应接 地。在使用负高压供电时，要防止管玻璃外壳和金属屏蔽壳之间放电引地。在使用负高压供电时，要防止管玻璃外壳和金属屏蔽壳之间放电引 起暗电流，它们之间要有足够距离起暗电流，它们之间要有足够距离。光电倍增管的使用光电倍增管的使用206.2 光电探测器原理和种类光电探测器原理和种类l定定义义：光光照照射射到到某某些些半半导导体体材材料料上上时时，某某些些电电子子吸吸收收光光子子的的能能量量，从从原原来来的的束束缚缚态态变变成成导导电电的的自自由由态态，在在外外电电场场的的作作用用下下，流流过过半半导导体体的的电电流流会会增增大大，即即半半导导体体的的电电导导增增大大，这种现像叫光电导效应，属内光电效应这种现像叫光电导效应，属内光电效应。l工作原理工作原理 6.2.2 光电导效应光电导效应21本征型和杂质型（注意两者在光探测能力上的区别）本征型和杂质型（注意两者在光探测能力上的区别）电子离开价带跃入导带。电子离开价带跃入导带。施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁导带或价带。施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁导带或价带。施主能级：在施主能级：在N型半导体中，五价元素杂质的剩余电子所处的杂级能级。型半导体中，五价元素杂质的剩余电子所处的杂级能级。受主能级：在受主能级：在P型半导体中，三价元素杂质的剩余空穴所处的杂级能级。型半导体中，三价元素杂质的剩余空穴所处的杂级能级。22l 光电导探测器件光电导探测器件（1）硫化镉）硫化镉CdS和硒化镉和硒化镉CdSe 光敏电阻光敏电阻 硫硫化化镉镉和和硒硒化化镉镉（CdS和和CdSe）是是可可见见光光区区用用得得较较多多的的两两种种光光敏敏电电阻阻。CdS光光敏敏电电阻阻的的峰峰值值波波长长很很接接近近人人眼眼最最敏敏感感的的555nm波波长长，可可用用于于视视觉觉亮亮度度有有关关的的测测量量和和底底片曝光方面的测量。片曝光方面的测量。利用光电导效应的半导体材料以光敏电阻应用最为广泛。利用光电导效应的半导体材料以光敏电阻应用最为广泛。特点：特点：响应度高；缺点：受单晶大小的限制，受光面积小，响应时间与光照强度响应度高；缺点：受单晶大小的限制，受光面积小，响应时间与光照强度 有关，随着光照强度减弱响应时间增加。有关，随着光照强度减弱响应时间增加。23（2）硫化铅硫化铅PbS和硒化铅和硒化铅 PbSe光敏电阻光敏电阻 为多晶薄膜型为多晶薄膜型24硫化铅硫化铅PbS和硒化铅和硒化铅PbSe光敏电阻特性光敏电阻特性PbS光敏电阻响应波长范围为光敏电阻响应波长范围为1.03.5m峰值响应波长为峰值响应波长为2.4 m，低温，低温光谱响应范围光谱响应范围1.04.0mPbSe峰值响应波长可达峰值响应波长可达4.5m低温响应波长可达低温响应波长可达5.5m 为多晶薄膜型光敏电阻为多晶薄膜型光敏电阻25（3）锑化铟）锑化铟InSb和砷化铟和砷化铟InAs光敏电阻光敏电阻锑化铟锑化铟InSb光敏电阻为单晶本征型半导体。光敏电阻为单晶本征型半导体。通常在低温下工作，用于探测红外波长通常在低温下工作，用于探测红外波长26（4）杂质光电导探测器杂质光电导探测器 杂杂质质光光电电导导探探测测器器是是基基于于非非本本征征光光电电导导效效应应的的光光敏敏电电阻阻。工工作作于于远远红红外外区区840um波波段段。由由于于杂杂质质光光电电导导器器件件中中施施主主和和受受主主的的电电离离能能一一般般比比本本征征半半导导体体禁禁带带宽宽度度小小得得多多，所所以以响响应应波波长长比比本本征征光光电电导导器器件件要要长长。杂杂质质光光电电导导器器件件都都必必须须工工作作于于低低温温状态状态。杜瓦瓶结构杜瓦瓶结构27l原理原理 无无光光照照时时，PN结结内内存存在在内内部部自自建建电电场场；光光照照射射时时，在在结结区区及及其其附附近近产产生生少少数数载载流流子子（电电子子、空穴对）。空穴对）。载载流流子子在在结结区区外外时时，靠靠扩扩散散进进入入结结区区；在在结结区区中中时时，因因电电场场的的作作用用，电电子子漂漂移移到到N区区，空空穴穴漂漂移移到到P区区，使使N区区带带负负电电荷荷,P区带正电菏，产生附加电动势。区带正电菏，产生附加电动势。6.2.3 光生伏特效应光生伏特效应28l 光伏探测器件光伏探测器件用用来来制制造造光光伏伏器器件件的的材材料料很很多多，如如有有硅硅、硒硒、锗锗等等光光伏伏器器件件。硅硅光光伏伏器器件件具具有有暗暗电电流流小小、噪噪声声低低，受受温温度度的的影影响响较较小小，制制造造工工艺艺简简单单等等特特点点，是是目目前前应应用用最最广广泛泛的的光光伏伏器器件件。如如硅硅光光电电池池、硅硅光光电电二二极极管管、硅硅雪雪崩崩光光电电二二极极管管、硅硅光光电电三极管三极管及及硅光电场效应管硅光电场效应管。29（1）硅光电池硅光电池光光电电池池与与光光电电二二极极管管相相比比，其其掺掺杂杂浓浓度度高高，电电阻阻率率低低，易易于于输输出出光电流光电流。广广泛泛用用于于光光度度和和色色度度测试测试。不需外加偏压不需外加偏压30为了得到输出信号电压有较好为了得到输出信号电压有较好的线性，由图所示的伏安特性的线性，由图所示的伏安特性可以看出：负载（可以看出：负载（I）比负载）比负载（）有更好的线性。就是说）有更好的线性。就是说负载电阻愈小，光电池工作愈负载电阻愈小，光电池工作愈接近短路状态，线性就较好。接近短路状态，线性就较好。短路光电流与入射光功率成为线性关系，短路光电流与入射光功率成为线性关系，开路光电压与入射光功率为对数关系。开路光电压与入射光功率为对数关系。31（2）光电二极管光电二极管 特点：特点：光电二极管响应速度快、体积小、价格低，得到广泛应光电二极管响应速度快、体积小、价格低，得到广泛应用。用。外加反偏电压方向与外加反偏电压方向与PN结内电场方结内电场方向一致，当向一致，当 PN结及其附近被光照射结及其附近被光照射时就产生光生载流子，光生载流子在时就产生光生载流子，光生载流子在势垒区电场作用下很快地漂移过结，势垒区电场作用下很快地漂移过结，参与导电。当入射光强度变化时，光参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子浓度及通过外电路的光电流生载流子浓度及通过外电路的光电流随之也变化随之也变化 32硅光电二极管工作特性硅光电二极管工作特性（1）光谱响应：）光谱响应：主要由硅材料决定，响应波长范围主要由硅材料决定，响应波长范围0.41.5m （2）伏安特性：）伏安特性：在加一定反偏电压的情况下，与入射光功率基本上呈线性关系在加一定反偏电压的情况下，与入射光功率基本上呈线性关系（3）频率特性及噪声性能）频率特性及噪声性能入射光是调制的光信号，则负载上入射光是调制的光信号，则负载上的信号电压亦随调制频率而变化。的信号电压亦随调制频率而变化。当调制频率很高时，输出电压会当调制频率很高时，输出电压会下降。影响频率响应的主要因素下降。影响频率响应的主要因素是：结电容和负载电阻决定的电是：结电容和负载电阻决定的电路时间常数路时间常数 33PIN型硅光电二极管对红外波长有较好的响应。型硅光电二极管对红外波长有较好的响应。雪雪崩崩型型硅硅光光电电二二极极管管是是一一种种具具有有内内增增益益的的半半导导体体光光敏敏器器件件；像像雪雪崩崩一一样样迅迅速速地地碰碰撞撞出出大大量量电电子子和和空空穴穴，形形成成强强大大的的电电流流。雪雪崩崩光光电电二二极极管管具具有有电电流流增增益益大大，灵灵敏敏度度高高，频频率率响响应应快快，不不需需要要后后续续庞庞大大的的放放大大电电路路等等特特点点。在在微微弱弱辐辐射射信信号号的的探探测测方方面面被被广广泛泛地地应应用用。缺缺点点是是工工艺艺要要求求高高，稳稳定定性性差差，受受温度影响大。温度影响大。（3）其它光电二极管）其它光电二极管34（4）光电三极管）光电三极管当光子入射到集电结时，被吸收而产生电子当光子入射到集电结时，被吸收而产生电子-空穴对，空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。当基极没有引线时，集电极电流等于发射极电流当基极没有引线时，集电极电流等于发射极电流光信号是在集电结进行光电变换后，光信号是在集电结进行光电变换后，再由集电极、基极和发射极构成的再由集电极、基极和发射极构成的晶体三极管中放大而输出电信号。晶体三极管中放大而输出电信号。工作原理工作原理相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。光电二极管。35（4）光电三极管）光电三极管 光电三极管的特性光电三极管的特性 光照特性与光照灵敏度光照特性与光照灵敏度 光电三极管光电三极管的的线性度比光电线性度比光电二极管要差，光电流和灵敏二极管要差，光电流和灵敏度比光电二极管大几十倍，度比光电二极管大几十倍，但在弱光时灵敏度低些但在弱光时灵敏度低些对弱对弱信号检测不利信号检测不利在零偏置时，光电三极管没有电流输出；在零偏置时，光电三极管没有电流输出；工作电压较低时，输出光电流与入射光工作电压较低时，输出光电流与入射光强为非线性关系。用于电压较高或入射强为非线性关系。用于电压较高或入射光强较大的场合，作控制系统的开关元件。光强较大的场合，作控制系统的开关元件。伏安特性伏安特性 36（4）光电三极管）光电三极管响应时间和频率特性响应时间和频率特性 频率特性和响应时间的影响因素：频率特性和响应时间的影响因素：集电结势垒电容；正向偏置时发集电结势垒电容；正向偏置时发射结势垒电容的充放电过程以及射结势垒电容的充放电过程以及负载负载。使用时常在外电路上采用使用时常在外电路上采用高增益、低输入电抗的运算放大高增益、低输入电抗的运算放大器来改善其动态性能器来改善其动态性能 光电三极管的电流放大系数随温光电三极管的电流放大系数随温度升高而变大，使用时往往应考度升高而变大，使用时往往应考虑温度对它的输出产生的影响。虑温度对它的输出产生的影响。光电三极管适用于各种光电控制光电三极管适用于各种光电控制一般不做辐射探测使用。一般不做辐射探测使用。37 光电探测器的选用原则光电探测器的选用原则 光电探测器的选择取决于入射光波长，光信号功率，光背景电平光电探测器的选择取决于入射光波长，光信号功率，光背景电平以及所要求的信噪比和响应频率。以及所要求的信噪比和响应频率。光电倍增管（光电倍增管（PMT）可达到非常高的增益，暗电流小，宜做灵敏）可达到非常高的增益，暗电流小，宜做灵敏 度高，低噪声的探测器。度高，低噪声的探测器。PIN光电二极管具有很小的温度系数。光电二极管具有很小的温度系数。APD（雪崩二级管）和（雪崩二级管）和PMT，增益是偏压和温度的函数，特别是，增益是偏压和温度的函数，特别是 APD受温度影响大，对于要求高的探测，要考虑采用稳定偏压和受温度影响大，对于要求高的探测，要考虑采用稳定偏压和 温度补偿措施。温度补偿措施。光电导一般用于中红外和远红外的探测，为减少噪声，光电导器光电导一般用于中红外和远红外的探测，为减少噪声，光电导器 件要采用冷却系统。件要采用冷却系统。386.2.4 光磁电效应光磁电效应 半半导导体体置置于于磁磁场场中中，用用激激光光辐辐射射线线垂垂直直照照射射其其表表面面，当当光光子子能能量量足足够够大大时时，在在表表面面层层内内激激发发出出光光生生载载流流子子，在在表表面面层层和和体体内内形形成成载载流流子子浓浓度度梯梯度度；于于是是光光生生载载流流子子就就向向体体内内扩扩散散，在在扩扩散散的的过过程程中中，由由于于磁磁场场产产生生的的洛洛伦伦兹兹力力的的作作用用，电电子子空空穴穴对对（载载流流子子）偏偏向向两两端端，产产生生电电荷荷积积累累，形形成成电电位差，这就是光磁电效应。位差，这就是光磁电效应。39l CCD概述概述CCD的特点：的特点：以电荷作为信号以电荷作为信号。CCD的基本功能：的基本功能：电荷的存贮和电荷的转移电荷的存贮和电荷的转移。CCD的工作原理是的工作原理是电荷的产生、存贮、传输和检测电荷的产生、存贮、传输和检测。CCD的基本类型：的基本类型：表面沟道表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输）：电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 体体沟沟道道或或埋埋沟沟道道器器件件（BCCD）：电电荷荷包包存存贮贮在在离离半半导导体体表表面面一一定定深深度度的的体体内内，并并在在半半导导体体内沿一定方向传输。体体内沿一定方向传输。6.3 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）40（1）电荷存贮）电荷存贮 在栅极未施加电压时，在栅极未施加电压时，P型半导体分布均匀的空穴（多数载流子）型半导体分布均匀的空穴（多数载流子）栅极加正向电压，空穴远离栅极，形成耗尽层栅极加正向电压，空穴远离栅极，形成耗尽层 电压提高，耗尽层扩散，形成反型层（电子被表面势吸引，极薄，密度电压提高，耗尽层扩散，形成反型层（电子被表面势吸引，极薄，密度 极高）极高）反型层形成时的外加电压称为阈值电压反型层形成时的外加电压称为阈值电压 MOS电容的衬底材料由电容的衬底材料由P型换成型换成N型，偏置电压也反号，则反型层为空穴型，偏置电压也反号，则反型层为空穴 深度耗尽状态，深度耗尽状态，CCD工作状态（因为少数载流子缺乏，反型层不能立即工作状态（因为少数载流子缺乏，反型层不能立即 形成）形成）l CCD工作原理工作原理4142（2）电荷耦合）电荷耦合 电极电压的变化使得电荷从一个势阱转移到另外一个势阱电极电压的变化使得电荷从一个势阱转移到另外一个势阱CCD电极间的距离必须很小电极间的距离必须很小,才能保证电荷的转移才能保证电荷的转移43（3）电荷的注入和检测）电荷的注入和检测 电荷的注入电荷的注入光注入方式光注入方式 当当光光照照射射到到CCD硅硅片片上上时时，在在栅栅极极附附近近的的体体内内产产生生电电子子-空空穴穴对对，其其多多数数载载流流子子被被栅栅极极电电压压排排开开，少少数数载载流流子子则则被被其其收收集集在在势势阱阱中中形形成成信信号号电电荷荷，CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。摄像器件的光敏单元为光注入方式。电注入方式电注入方式（1）电流积分法）电流积分法 S和和P型衬底形成的二极管是反向偏置的，数字信号或模拟信号型衬底形成的二极管是反向偏置的，数字信号或模拟信号通通 过隔直电容加到过隔直电容加到S上，用以调制输入二极管的电位，实现电荷注上，用以调制输入二极管的电位，实现电荷注 入入.输入栅输入栅IG加直流偏置，对注入电荷起控制作用加直流偏置，对注入电荷起控制作用。在在2到来到来 期间，在期间，在IG和和2下形成阶梯势阱下形成阶梯势阱.44（2）电压注入法）电压注入法 把信号加到源扩散区把信号加到源扩散区S上，输入栅上，输入栅IG电极上加与电极上加与2同位相的选通脉同位相的选通脉冲，其宽度小于冲，其宽度小于2的脉宽，因而井就浅一些。的脉宽，因而井就浅一些。45 电荷的检测（输出方式）电荷的检测（输出方式）*电流输出方式电流输出方式 CCD的的重重要要特特性性之之一一是是信信号号电电荷荷在在转转移移过过程程中中与与时时钟钟脉脉冲冲没没有有任任何何电电容容耦合，但在输出端则不可避免。耦合，但在输出端则不可避免。46l CCD摄像原理摄像原理电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件ICCD摄摄像像器器件件具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、功功耗耗小小、工工作作电电压压低低和和抗抗烧烧毁毁等等优优点点，且且具具有有分分辨辨率率、动动态态范范围围、灵灵敏敏度度、实实时时传传输输和和自自扫扫描描等等方方面面的的优越性优越性CCD摄摄像像器器件件在在文文件件复复印印、传传真真，零零件件尺尺寸寸的的自自动动测测量量和和文文字字识识别别等等民民用用领领域域；在在空空间间遥遥感感遥遥测测、卫卫星星侦侦察察、导导弹弹制制导导及及潜潜望望镜镜水水平平扫扫描描摄摄像机等军事侦察系统中都发挥着重要作用。像机等军事侦察系统中都发挥着重要作用。ICCD有两大类型：有两大类型：线型线型和和面型面型。47n N型沟道三相线阵型沟道三相线阵CCD摄像原理摄像原理实际结构是把光敏的实际结构是把光敏的CCD和读出的移位寄存器分开和读出的移位寄存器分开 在在1下下的的耗耗尽尽区区内内由由于于光光学学的的本本征征激激发发产产生生电电子子空空穴穴对对，（光光）电电子子将将作作为为少少数数载载流流子子在在1势势阱阱之之中中。光光束束是是通通过过透透明明电电极极或或电电极极之之间间进进入入半半导导体体的的，所所激激发发出出来来的的光光电电子子数数与与光光强强有有关关，也也与与积积分分时时间间长长短短有有关关。于于是是光光强强分分布布图图就就变变成成CCD势势阱阱中中光光电电子子电电荷荷量量分分布布图图。积积分分完完毕毕后后，电电极极上上的的电电压压变变成成三三相相重重叠叠的的快快速速脉脉冲冲，把把电电荷包依次从输出端读出。荷包依次从输出端读出。48n 单沟道线型单沟道线型ICCD光敏阵列与转移区光敏阵列与转移区移位寄存器是分开的，移位寄存器被遮挡移位寄存器是分开的，移位寄存器被遮挡 光敏区在光的作用下产生的光生电荷存于由栅极直流电压形成的光敏区在光的作用下产生的光生电荷存于由栅极直流电压形成的 光敏光敏MOS电容势阱中电容势阱中，当转移脉冲，当转移脉冲1到来时线阵光敏阵列势阱到来时线阵光敏阵列势阱 中的信号电荷并行转移到中的信号电荷并行转移到CCD移位寄存器中，最后在时钟脉冲的移位寄存器中，最后在时钟脉冲的 作用下一位一位地移出器件，形成视频信号。作用下一位一位地移出器件，形成视频信号。转移次数多，转移效率低，只适用于像敏单元较少的摄像器件转移次数多，转移效率低，只适用于像敏单元较少的摄像器件 49n双沟道线型双沟道线型ICCD 具有两列具有两列CCD移位寄存器，分别在像敏阵列的两边移位寄存器，分别在像敏阵列的两边 比单沟道线阵比单沟道线阵ICCD的转移次数少近一半的转移次数少近一半 50（1）面面阵阵CCD摄摄像像器器件件 分分成成三三个个区区域域：成成像像区区、存存贮贮区区和和读出移位寄存区读出移位寄存区。（2）每每读读出出一一行行以以后后，存存贮贮区区再再转转移移一一行行。如如此此重重复复，直直到到全全部部像像素素被被输输出出。在在存存贮贮区区信信号号逐逐行行输输出出的的同同时时，成成像像区区中中另另一一电电极极正正处处于于合合适适电电压压，对对光光强强进进行行积积分分，这样这样隔行成像隔行成像分辨率高。分辨率高。51l 面阵面阵CCDCCD摄像器件的特性摄像器件的特性 l分辨率分辨率 频谱混叠：极限分辨率是空间抽样频率的一半频谱混叠：极限分辨率是空间抽样频率的一半 CCD的分辨率主要取决于的分辨率主要取决于CCD芯片的像素数、像素尺寸、像素的密度芯片的像素数、像素尺寸、像素的密度同时还受到转移传输效率的影响。高集成度的光敏单元可获得高的分同时还受到转移传输效率的影响。高集成度的光敏单元可获得高的分辨率，采用一些新的工艺结构，例如双层结构，将光电转换层和电荷辨率，采用一些新的工艺结构，例如双层结构，将光电转换层和电荷转移层分开，可提高灵敏度和饱和信号的电荷量。转移层分开，可提高灵敏度和饱和信号的电荷量。l灵敏度：单位光功率产生的信号电流灵敏度：单位光功率产生的信号电流 影响灵敏度的因素：开口率，（感光单元面积与一个像素总面积之比）影响灵敏度的因素：开口率，（感光单元面积与一个像素总面积之比）、感光单元电极形式和材料、感光单元电极形式和材料、CCD内的噪声内的噪声 52l 面阵面阵CCDCCD摄像器件的特性摄像器件的特性 l噪声和动态范围噪声和动态范围动态范围：动态范围：输出端峰值电压与均方根噪声电压之比输出端峰值电压与均方根噪声电压之比动态范围由它的信号处理能力和噪声电平决定，反映了器件的工作范围，取动态范围由它的信号处理能力和噪声电平决定，反映了器件的工作范围，取决于势阱能收集的最大电荷量与受噪声限制的最小电荷量之差决于势阱能收集的最大电荷量与受噪声限制的最小电荷量之差。噪声：半导体的热噪声、噪声：半导体的热噪声、CCD芯片的放大噪声，放大器的输入电容。芯片的放大噪声，放大器的输入电容。l暗电流：热激励产生的电子空穴对形成，是随机噪声。暗电流：热激励产生的电子空穴对形成，是随机噪声。l光谱灵敏度光谱灵敏度：光敏单元在可见光谱内响应较均匀光敏单元在可见光谱内响应较均匀。l光谱响应：微光，红外光，可见光光谱响应：微光，红外光，可见光53高亮度特性高亮度特性 高亮度点的开花和拖彗尾现像高亮度点的开