第9章胡向东传感器与检测技术PPTPPT文件格式下载.ppt
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光电效应。
n光电效应分为：
内光电效应、外光电效应9.2.1外光电效应型光电器件n当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。
n即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。
n根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。
1、光电管及其基本特性、光电管及其基本特性光电管的伏安特性光电管的光照特性曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量呈线性关系。
曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系光电管的光谱特性不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度；
同一种阴极材料的光电管对于不同波长的光的灵敏度也不同，这就是光电管的光谱特性。
曲线1、2分别为铯阴极、锑铯阴极对应不同波长光线的灵敏度，3为多种成分（锑、钾、钠、铯等）阴极的光谱特性曲线2、光电倍增管及其基本特性、光电倍增管及其基本特性主要参数主要参数n倍增系数Mn阳极电流n光电倍增管的电流放大倍数n光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度n暗电流n光电倍增管的光谱特性9.2.2内光电效应型光电器件n内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象n这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种内光电效应分类内光电效应分类光电导效应在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。
如光敏电阻光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。
如光电池。
（1）光敏电阻）光敏电阻n1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理n光敏电阴是用半导体材料制成的光电器件。
光敏电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
n无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。
n一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。
实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。
光敏电阻的结构光敏电阻结构（a）光敏电阻结构；
（b）光敏电阻电极；
（c）光敏电阻接线图2.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数n暗电阻n光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。
n亮电阻n光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。
n光电流n亮电流与暗电流之差3、光敏电阻的基本特性n伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系。
图10.9硫化镉光敏电阻的伏安特性光照特性n指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系光敏电阻的光照特性光谱特性n光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。
即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。
光敏电阻的光谱特性频率特性n光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示，对应着不同材料的频率特性。
光敏电阻的频率特性温度特性n光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。
温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻。
n硫化铅光敏电阻受温度影响更大。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
（2）光电池）光电池n光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。
即电源。
n工作原理：
基于“光生伏特效应”。
n光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。
光敏电阻的应用火灾探测光电池结构、符号光电池结构、符号光电池种类光电池种类n光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等n最受人们重视的是硅光电池。
因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。
它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中n硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。
光电池基本特性n光谱特性n光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。
硅光电池的光谱特性光照特性n光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性硅光电池的光照特性频率特性温度特性n是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。
硅光电池的温度特性（3）光敏二极管和光敏三极管）光敏二极管和光敏三极管光敏二极管工作原理光敏二极管工作原理n光敏二极管的结构与一般二极管相似、光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。
n在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。
光的照度越大，光电流越大。
n光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。
光敏晶体管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。
大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。
NPN型光敏晶体管结构和基本电路光敏管的基本特性n光敏晶体管的光谱特性n伏安特性光照特性频率特性光敏二极管和三极管的主要差别n光电流n光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。
光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。
n响应时间n光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为510us。
因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；
只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。
n输出特性n光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。
光敏管的应用数字转速表光电耦合器件总结9.3CCD固体图像传感器n电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。
n它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。
1.CCD的工作原理的工作原理n
（1）结构nCCD是由若干个电荷耦合单元组成的。
其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。
它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。
这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。
将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。
P型MOS光敏元
（2）电荷存储原理构成CCD的基本单元是MOS电容器。
与其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。
如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱。
对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。
在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。
如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。
势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。
（3）电荷转移原理nCCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；
氧化层均匀、连续；
相邻金属电极间隔极小。
n任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。
n为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。
三相CCD时钟电压与电荷转移的关系（a）三相时钟脉冲波形；
（b）电荷转移过程（4）电荷注入方法电荷注入方法（a）背面光注入；
（b）电注入（5）电荷的输出CCD输出端结构输出端结构9.3.2CCD固体图像传感器的分类n线阵型CCD图像传感器n面阵型CCD图像传感器9.3.3CCD图像传感器的特性参数n光电转移效率光电转移效率n总转移效率分辨率分辨率n分辨率是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，是图像传感器最重要的特性，主要取决于感光单元之间的距离灵敏度及光谱响应灵敏度及光谱响应n单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量：
动态范围动态范围n饱和曝光量和等效曝光量的比值称为CCD的动态范围。
CCD器件的动态范围一般在103104数量级。
暗电流暗电流n暗电流起因于热激发产生的电子-空穴对，是缺陷产生的主要原因。
光信号电荷的积累时间越长，其影响就越大。
n暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，暗电流大的地方，多数会出现暗电流尖峰。
n暗电流与温度密切有关，温度每降低10，暗电流约减小一半。
n对于每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROM（可编程只读存贮器）中，单独读取相应单元的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。
噪声噪声nCCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声会叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。
n噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输入噪声等。
9.3.4CCD固体图像传感
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