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1、关于光电式和光导式第1页，讲稿共87张，创作于星期一第一节第一节 光电效应和光电器件光电效应和光电器件 光电效应分为外光电效应和内光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应。一、外光电效应一、外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面而向外发在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面而向外发射的现象称为射的现象称为外光电效应外光电效应。向外发生的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器向外发生的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有件有光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管等。等。第2页，讲稿共87张，创作于星期一u 光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的光电子能否产生，取
2、决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功表面电子逸出功A0。u 不同的物质具有不同的逸出功，因此对某种材料而言有不同的物质具有不同的逸出功，因此对某种材料而言有一个一个频率限频率限（光频阀值）（光频阀值），当入射光的频率低于此频率限当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为子发射出来，这个频率限称为“红限频率红限频率”。红限波长红限波长：第3页，讲稿共87张，创作于星期一u 当入射光的频率成
3、分不变时，产生的光电流与光强成正当入射光的频率成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也越多。也越多。u 逸出表面的光电子具有初始动能逸出表面的光电子具有初始动能 ，即光电器件，即光电器件，即使没加阳极电压，也会有光电流产生，为了使光电流为零，即使没加阳极电压，也会有光电流产生，为了使光电流为零，必须加负的截至电压，而且截至电压与入射光的频率成正比。必须加负的截至电压，而且截至电压与入射光的频率成正比。第4页，讲稿共87张，创作于星期一二、内光电效应二、内光电效应 当物体受到光照时，其电阻率发生变
4、化，或产生当物体受到光照时，其电阻率发生变化，或产生光生电动势的效应叫光生电动势的效应叫内光电效应内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类：内光电效应又可分为以下两大类：1.光电导效应；光电导效应；在光线作用下，电子吸收在光线作用下，电子吸收光光子能量从键合状态过渡子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称为被称为光电导效应光电导效应。光敏电阻光敏电阻第5页，讲稿共87张，创作于星期一 物物理理过过程程：当当光光照照射射到到光光电电导导体体上上，若若这这个个光光电电导导体体为为本本征征半半导导体体材材料料，而而且且光光辐
5、辐射射能能量量又又足足够够强强，光光电电导导体体材材料料价价带带上上的的电电子子将将被被激激发发到到导导带带上上去去，从从而而使使导导带带的的电电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg电子能量电子能量E电子能级示意图电子能级示意图第6页，讲稿共87张，创作于星期一u 为为了了实实现现能能级级的的跃跃迁迁，入入射射光光的的能能量量必必须须大大于于光光导导材材料料的禁带宽度：的禁带宽度：第7页，讲稿共87张，创作于星期一u 材
6、料的光电导性能决定于禁带宽度，对于一种光材料的光电导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光临界波长。电导材料，总存在一个照射光临界波长。u只只有有波波长长小小于于c的的光光照照射射在在光光电电导导体体上上，才才能能产产生生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。第8页，讲稿共87张，创作于星期一2.光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做象叫做光生伏特效应光生伏特效应。光电池、光敏二极管、光敏三极管光电池、光敏二极管、光敏三极管 （1）势垒效应
7、（结光电效应）势垒效应（结光电效应）接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射到其接触区域时，结中，当光线照射到其接触区域时，便引起光电动势，即便引起光电动势，即结光电效应结光电效应。以以PN结为例：光线照射结为例：光线照射=光子能量光子能量禁带宽度禁带宽度=电子跃迁电子跃迁=电子空穴对电子空穴对=电子移向电子移向N区外侧（空穴移区外侧（空穴移向向P区外侧）区外侧）=P区带正电，区带正电，N区带负电区带负电=光电动势。光电动势。第9页，讲稿共87张，创作于星期一（2）侧向光电效应）侧向光电效应 当当半半导导体体光光电电器器件件受受光光照照不不均均匀匀时时，则则将将产产生生浓浓度度梯度而产
8、生光电势，称这种现象为梯度而产生光电势，称这种现象为侧向光电效应侧向光电效应。当当光光照照部部分分吸吸收收入入射射光光子子的的能能量量产产生生电电子子空空穴穴对对时时，光光照照部部分分载载流流子子浓浓度度比比未未受受光光照照部部分分的的载载流流子子浓浓度度大大，就就出出现现了了载载流流子子浓浓度度梯梯度度，因因而而载载流流子子要要扩散。扩散。如如果果电电子子迁迁移移率率比比空空穴穴大大，那那么么空空穴穴扩扩散散不不明明显显，则则电电子子向向未未被被光光照照部部分分扩扩散散，就就造造成成光光照照射射的的部部分分带带正正电电，未未被被光光照照部部分分带带负负电电，光光照照部部分分与与未未被被光光照
9、部分产生光电势。照部分产生光电势。第10页，讲稿共87张，创作于星期一光电式传感器的分类：光电式传感器的分类：按照用途按照用途光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管光敏电阻、光导管光敏电阻、光导管光电池、光电晶体光电池、光电晶体外光电效应器件外光电效应器件光电导效应器件光电导效应器件光生伏特效应器件光生伏特效应器件按传输方式按传输方式直射式直射式反射式反射式透镜式光电器件透镜式光电器件有反射镜式光电器件有反射镜式光电器件无反射镜式光电器件无反射镜式光电器件第11页，讲稿共87张，创作于星期一三、外光电效应器件三、外光电效应器件1.光电管：有真空光电管和充气光电管光电管：有真空光电管和充气光电管光
10、照在阴极，阳极收集阴极逸出的电子，在外电场作用下形成电流光照在阴极，阳极收集阴极逸出的电子，在外电场作用下形成电流第12页，讲稿共87张，创作于星期一（2）主要性能）主要性能 光光电电器器件件的的性性能能主主要要由由伏伏安安特特性性、光光照照特特性性、光光谱谱特特性性、响响应应时时间间、峰峰值值探探测测率率和和温温度度特特性性来来描述。描述。第13页，讲稿共87张，创作于星期一 光光电电管管的的伏伏安安特特性性：在在一一定定的的光光照照射射下下，对对光光电电器器件件的的阳阳极极所所加加电电压压与与阳阳（阴阴）极极所所产产生生的的电电流流之之间间的的关关系。系。注：真空光电管一般工作在饱和部分。
11、注：真空光电管一般工作在饱和部分。第14页，讲稿共87张，创作于星期一光电管的光照特性：指当光电管的阳极和阴极之间所加电光电管的光照特性：指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。压一定时，光通量与光电流之间的关系。光光照照特特性性曲曲线线的的斜斜率率(光光电电流流与与入入射射光光光光通通量量之之间间比比)称为称为光电管的灵敏度光电管的灵敏度。第15页，讲稿共87张，创作于星期一光光电电管管的的光光谱谱特特性性：由由于于光光阴阴极极对对光光谱谱有有选选择择特特性性，因因此此光光电电管管对对光光谱谱也也有有选选择择性性。保保持持光光通通量量和和阴阴极极电电压压不不变变，
12、阳阳极极电电流流与与光光波波长长之之间间的的关关系系称称为为光光电电管管的的光光谱谱特特性性。n 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。n 对对于于光光阴阴极极材材料料不不同同的的光光电电管管，有有不不同同的的红红限限频频率率，用于不同的光谱范围。用于不同的光谱范围。n 光光谱谱特特性性：对对不不同同波波长长区区域域的的光光，应应选选用用不不同同材材料料的光电阴极的光电阴极光谱响应范围。光谱响应范围。第16页，讲稿共87张，创作于星期一第17页，讲稿共87张，创作于星期一2.光电倍增管光电倍增管第18页，讲稿共87张，创作于星期一n 光光电电倍倍增增管
13、管的的工工作作原原理理建建立立在在光光电电发发射射和和二二次次发发射射的的基基础础上上，获获得得大大的光电流。的光电流。n 结构：结构：(1)光阴极：光阴极：由半导体光电材料锑铯制成；由半导体光电材料锑铯制成；(2)次次阴阴极极（倍倍增增电电极极）：在在镍镍或或铜铜-铍铍的的衬衬底底上上涂涂上上锑锑铯铯材材料料而而形形成成的的，次次阴阴极极多的可达多的可达30级级(3)阳阳极极：是是最最后后用用来来收收集集电电子子的的，收收集集到到的的电电子子数数是是阴阴极极发发射射电电子子数数的的105106倍倍。即即光光电电倍倍增增管管的的放放大大倍倍数数可可达达几几万万倍倍到到几百万倍。几百万倍。光电倍
14、增管的灵敏度比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，可产生很大的光电流。在很微弱的光照时，可产生很大的光电流。第19页，讲稿共87张，创作于星期一常见的几种光电倍增管结构图常见的几种光电倍增管结构图第20页，讲稿共87张，创作于星期一n主要参数主要参数 倍增系数倍增系数:等于各倍增电极的二次电子发射系数的乘积。等于各倍增电极的二次电子发射系数的乘积。倍增系数与所加电压有关，若电压波动，则倍增系数也波动。倍增系数与所加电压有关，若电压波动，则倍增系数也波动。光电阴极灵敏度：光电阴极灵敏度：一个光子在阴一个光子在阴极能打出的平均电
15、子数。极能打出的平均电子数。光电倍增管总灵敏度：光电倍增管总灵敏度：一个光子一个光子在阳极上产生的平均电子数。在阳极上产生的平均电子数。极间电压越高，灵敏度越高；但极极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压不能太高，太高反而会使阳极间电压不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。电流不稳。103104105106255075100125极间电压极间电压/V 放大倍数放大倍数光电倍增管的特性曲线光电倍增管的特性曲线第21页，讲稿共87张，创作于星期一暗电流：暗电流：没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流。没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流。本底脉冲：本底脉冲：闪烁计数器的暗电流。闪烁计数器的暗电流。n
16、原因：热电子发射、极间漏电流、场致发射等。原因：热电子发射、极间漏电流、场致发射等。n一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用避光使用，使其只对入射光起作用；使其只对入射光起作用；n暗电流对于测量微弱光强和精确测量的影响很大，通常可暗电流对于测量微弱光强和精确测量的影响很大，通常可以用以用补偿电路补偿电路加以消除。加以消除。光电倍增管的光电倍增管的光谱特性：光谱特性：与光电管的光谱特性相似与光电管的光谱特性相似取取决于光电阴极的材料性能。决于光电阴极的材料性能。第22页，讲稿共87张，创作于星期一 利利用用物物质质在在光光的的照照射射下下
17、电电导导性性能能改改变变或或产产生生电电动动势势的的光光电电器器件件称称内内光光电电效效应应器器件件，有有光光敏敏电电阻阻、光光电电池池和和光敏晶体管光敏晶体管等。等。1.光敏电阻光敏电阻光光敏敏电电阻阻又又称称光光导导管管，为为纯纯电电阻阻元元件件，其其工工作作原原理理是是基基于于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优优点点：灵灵敏敏度度高高，光光谱谱响响应应范范围围宽宽，体体积积小小、重重量量轻轻、机机械械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：不足：需要外部电源，有电流时会发热。需要外部电源
18、，有电流时会发热。四、内光电效应器件四、内光电效应器件第23页，讲稿共87张，创作于星期一光敏电阻的结构：光敏电阻的结构：管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电半导体，一般都做成姆接触电极的光电半导体，一般都做成薄层薄层。为了获得高的。为了获得高的灵敏度，电极一般采用灵敏度，电极一般采用硫状图案硫状图案。第24页，讲稿共87张，创作于星期一无光照无光照时其时其阻值很高阻值很高；当；当受到光照受到光照时，由于光电效应时，由于光电效应使其导电性能增强，使其导电性能增强，电阻值下降电阻值下降，则流过负载电阻的，则流过负载电阻的电流计其两端电压也随之变
19、化。电流计其两端电压也随之变化。RGRLEI第25页，讲稿共87张，创作于星期一光敏电阻的特性光敏电阻的特性 暗电阻、亮电阻与光电流暗电阻、亮电阻与光电流 暗电阻：暗电阻：光敏电阻在室温条件下，无光照时测量的电阻值。光敏电阻在室温条件下，无光照时测量的电阻值。暗电流：暗电流：无光照时，在给定电压下流过暗电阻的电流。无光照时，在给定电压下流过暗电阻的电流。亮电阻：亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。亮电流：亮电流：在某一光照下，流过此时亮电阻的电流。在某一光照下，流过此时亮电阻的电流。光电流：光电流：亮电流与暗电流之差。亮电
20、流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。高。第26页，讲稿共87张，创作于星期一光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性伏安特性。在给定电压下，光照度越在给定电压下，光照度越强，光电流越大。强，光电流越大。在一定的光照度下，所加的在一定的光照度下，所加的电压越高，光电流越大，而且电压越高，光电流
21、越大，而且无饱和现象无饱和现象。注意：注意：电压不能无限地增大，电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流率、最高工作电压和额定电流的限制。的限制。CdS光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性第27页，讲稿共87张，创作于星期一光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。关系。通常，光照特性曲线均呈通常，光照特性曲线均呈非非线性线性，因此它不宜作定量检测，因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之元件，这是光敏电阻的不足之处。处。一般在自动控制
22、系统中用作一般在自动控制系统中用作光电开关光电开关。光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性第28页，讲稿共87张，创作于星期一光敏电阻的光谱特性：照射光波长与光电流的关系，光敏电阻的光谱特性：照射光波长与光电流的关系，光谱特性与光敏电阻的材料有关。光谱特性与光敏电阻的材料有关。光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性在在选选用用光光敏敏电电阻阻时时，应应把把光光敏敏电电阻阻的的材材料料和和光光源源结结合合起起来来考考虑虑，才能获得满意的效果。才能获得满意的效果。第29页，讲稿共87张，创作于星期一光敏电阻的响应时间和频率特性光敏电阻的响应时间和频率特性 光敏电阻产生的光电流有一定的延迟性。光敏电阻产
23、生的光电流有一定的延迟性。不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以其频率特性也不同。不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以其频率特性也不同。硫化铅的使用硫化铅的使用 频率范围最大。频率范围最大。20406080 100I/%f/Hz010102103104硫化硫化铅铅硫化硫化镉镉第30页，讲稿共87张，创作于星期一光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性光光敏敏电电阻阻的的性性能能(灵灵敏敏度度、暗暗电电阻阻)受受温温度度的的影影响响较较大大。随随着着温温度度的的升升高高，其其暗暗电电阻阻和和灵灵敏敏度度下下降降，光光谱谱特特性性曲曲线线的的峰值向波长短的方向移动。峰值向波长短的方向移动。为了提高灵敏度
24、或为了能够接收较长波段的辐射，将为了提高灵敏度或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降元件降温使用温使用。第31页，讲稿共87张，创作于星期一2.光电池光电池光光电电池池是是利利用用光光生生伏伏特特效效应应直直接接把把光光能能转转变变成成电电能能的的器器件件，又称为又称为太阳能电池太阳能电池。光光电电池池常常用用的的材材料料是是硅硅和和硒硒，也也可可以以使使用用锗锗、硫硫化化镉镉、砷砷化镓和氧化亚铜等。化镓和氧化亚铜等。n 硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。n 硒硒光光电电池池光光电电转转换换效效率率低低(0.02)、寿寿
25、命命短短，适适于于接接收收可可见见光光(响响应应峰值波长峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。，最适宜制造照度计。n 砷砷化化镓镓光光电电池池转转换换效效率率比比硅硅光光电电池池稍稍高高，光光谱谱响响应应特特性性则则与与太太阳阳光光谱谱最最吻吻合合。且且工工作作温温度度最最高高，因因此此，它它在在宇宇宙宙飞飞船船、卫卫星星、太太空空探探测测器等电源方面的应用是有发展前途的。器等电源方面的应用是有发展前途的。第32页，讲稿共87张，创作于星期一目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。硅硅光光电电池池是是用用单单晶晶硅硅制制成成，在在一一块块N型型硅硅
26、片片上上用用扩扩散散的的方方法法掺掺入入一一些些P型型杂杂质质而而形形成成一一个个大大面面积积的的P-N结结，P层层做做得得很很薄薄，从从而而使使光光线线能能穿穿透透照照到到P-N结结上。上。第33页，讲稿共87张，创作于星期一第34页，讲稿共87张，创作于星期一第35页，讲稿共87张，创作于星期一第36页，讲稿共87张，创作于星期一第37页，讲稿共87张，创作于星期一第38页，讲稿共87张，创作于星期一第39页，讲稿共87张，创作于星期一第40页，讲稿共87张，创作于星期一3.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和光敏三极管的结构及图示光敏二极管和光敏三极管的结构及图示第4
27、1页，讲稿共87张，创作于星期一光敏二极管光敏二极管 光光敏敏二二极极管管和和光光电电池池一一样样，其其基基本本结结构构也也是是一一个个PN结结。它它和和光光电电池池相相比比，重重要要的的不不同同点点是是结结面面积积小小，因因此此它它的的频频率率特特性性特特别别好好。光光生生电电势势与与光光电电池池相相同同，但但输输出出电电流流普普遍遍比比光光电电池池小小，一一般般为为几几A到到几几十十A。按按材材料料分分，光光电电二二极极管管有有硅硅、砷砷化化镓镓、锑锑化化铟铟光光敏敏二二极极管管等等许许多多种种。按按结结构构分分，有有同同质质结结与与异异质质结结之分。其中最典型的是同质结硅光敏二极管。之分
28、。其中最典型的是同质结硅光敏二极管。第42页，讲稿共87张，创作于星期一 光光电电二二极极管管的的P-N结结装装在在管管的的顶顶部部,上上面面有有一一个个透透镜镜制制成成的的窗窗口口，以以便便入入射射光光集集中中在在P-N结结；光光电电二二极极管管使使用用时往往工作在时往往工作在反向偏置反向偏置状态。状态。光敏二极管的电路连接图光敏二极管的电路连接图 光光敏敏二二极极管管在在没没有有光光照照射射时时，反反向向电电阻阻很很大大，反反向向电电流流很很小小。反反向向电电流流也也叫叫做做暗暗电电流流当当光光照照射射时时，光光敏敏二二极极管管的的工工作作原原理理与与光光电电池池的的工工作作原原理理很很相
29、相似似，其其处处于于导导通通状状态态。当当光光不不照照射射时时，光光敏敏二二极极管管处处于于载载止止状状态态。光光敏敏二二极极管管的的光光电电流流 I 与与照照度度之之间间呈呈线性关系。线性关系。第43页，讲稿共87张，创作于星期一（2）高速光电二极管）高速光电二极管提高光电传感器的响应速度提高光电传感器的响应速度PIN结光电二极管结光电二极管 PIN管管的的结结构构特特点点：(1)在在P和和N之之间间增增加加了了一一层层很很厚厚的的高高电电阻阻率率本本征征半半导导体体(I)。(2)将将P层层做做得得很很薄薄。因因此此当当有有光光照照时时，耗耗尽尽层层加加宽宽，PN结结内内电电场场加加强强，从
30、从而而加加速速了了光光电电子子的的定定向向运运动动，缩缩短短了了漂漂移时间，因而提高了响应速度。移时间，因而提高了响应速度。广泛应用于光通信和光信号检测技术。广泛应用于光通信和光信号检测技术。第44页，讲稿共87张，创作于星期一雪崩式光电二极管（雪崩式光电二极管（APD）雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PN结在结在高反向电压下产生的雪崩效应高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。来工作的一种二极管。特点特点：在：在PN结的结的P型区外侧增型区外侧增加一层掺杂浓度极高的加一层掺杂浓度极高的P+层。层。APD的响应时间极短，灵敏度的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广很高
31、，它在光通信中应用前景广阔。阔。第45页，讲稿共87张，创作于星期一（3）光敏三极管）光敏三极管 光敏三极管有光敏三极管有PNP型型和和NPN型型两种，其结构与一般三极两种，其结构与一般三极管很相似，具有管很相似，具有电流增益电流增益；只是它的发射极；只是它的发射极很大很大,以扩大光以扩大光的照射面积，且其的照射面积，且其基极无引出线基极无引出线。当集电极加上正电压，。当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于基极开路时，集电结处于反向偏置状态反向偏置状态。光敏三极管的电路连接图光敏三极管的电路连接图第46页，讲稿共87张，创作于星期一第47页，讲稿共87张，创作于星期一第48页，讲稿共87张
32、，创作于星期一二极管的光电流与所加偏压几乎无关二极管的光电流与所加偏压几乎无关恒流源恒流源。三极管。三极管的偏压对光电流有明显的影响，当光照度保持一定，偏压较小的偏压对光电流有明显的影响，当光照度保持一定，偏压较小时，光电流随着偏压的增大而增大，偏压增大到一定程度时，时，光电流随着偏压的增大而增大，偏压增大到一定程度时，光电流处于近似饱和状态。光电流处于近似饱和状态。第49页，讲稿共87张，创作于星期一第50页，讲稿共87张，创作于星期一第51页，讲稿共87张，创作于星期一第二节第二节 固态图像传感器固态图像传感器 固固态态图图象象传传感感器器由由光光敏敏元元件件阵阵列列和和电电荷荷转转移移器
33、器件件集集合合而而成成。它它的的核核心心是是电电荷荷转转移移器器件件CTD,最最常常用用的的是是电电荷荷耦耦合合器器件件CCD。CCD自自1970年年问问世世以以后后，由由于于它它的的低低噪噪声声等等特特点点，CCD图图象象传传感感器器广广泛泛的的被被应应用用在在微微光光电视摄像、信息存储和信息处理电视摄像、信息存储和信息处理等方面。等方面。（1）线型）线型CCD图像传感器图像传感器（2）面型）面型CCD图像传感器图像传感器（3）新型高清晰度图像传感器）新型高清晰度图像传感器第52页，讲稿共87张，创作于星期一P型型Si耗尽区耗尽区电荷转移方向电荷转移方向123输出栅输出栅输入栅输入栅输入二极
34、管输入二极管输出二极管输出二极管 SiO2CCD的单元结构和基本原理的单元结构和基本原理 CCD的的MOS结构结构电荷定向转移的控制方法：电荷定向转移的控制方法：二相二相、三相三相等。等。第53页，讲稿共87张，创作于星期一 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3t=t0t=t1t=t2t=t3123t0t1t2t30电荷转移过程电荷转移过程 三三相相控控制制是是在在线线阵阵列列的的每每一一个个像像素素上上有有三三个个金金属属电电极极P1,P2,P3,依依次次在在其其上上施施加加三三个个相相位位不不同同的
35、的控控制制脉脉冲冲1,2,3。CCD电电荷荷的的注注入入通通常常有有光光注注入入、电电注注入入和和热热注注入入等等方方式式。这这里里采采用用电电注注入入方方式式。当当P1极极施施加加高高电电压压时时，在在P1下下方方产产生生电电荷荷包包（t=t0）；当当P2极极加加上上同同样样的的电电压压时时，由由于于两两电电势势下下面面势势阱阱间间的的耦耦合合，原原来来在在P1下下的的电电荷荷将将在在P1、P2两两电电极极下下分分布布（t=t1）；当当P1回回到到低低电电位位时时，电电荷荷包包全全部部流流入入P2下下的的势势阱阱中中（t=t2）。然然后后，p3的的电电位位升升高高，P2回回到到低低电电位位，
36、电电荷荷包包从从P2下下转转到到P3下下的的势势阱阱（t=t3），以以此此控控制制，使使P1下下的的电电荷荷转转移移到到P3下下。随随着着控控制制脉脉冲冲的的分分配配，少少数数载载流流子子便便从从CCD的的一一端端转转移移到到最最终终端端。终终端端的的输输出出二二极极管管搜搜集集了了少少数数载载流流子子，送入放大器处理，便实现电荷移动。送入放大器处理，便实现电荷移动。第54页，讲稿共87张，创作于星期一转移栅转移栅光积分单元光积分单元不透光的电荷转移结构不透光的电荷转移结构光积分区光积分区输出输出转移栅转移栅(a)(b)线型线型CCD图像传感器图像传感器输出输出线型线型CCD图像传感器基本结构
37、图像传感器基本结构 线型线型CCD图像传感器由光敏区、转移栅、图像传感器由光敏区、转移栅、CCD、偏置电、偏置电荷注入电路、信号读出电路组成。线型荷注入电路、信号读出电路组成。线型CCD有有单边传输单边传输结构和结构和双边传输双边传输结构，结构，转移效率单边的比双边的差转移效率单边的比双边的差。第55页，讲稿共87张，创作于星期一面型面型CCD图像传感器基本结构图像传感器基本结构面型面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。移部分组成。面型面型CCD能够检测二维的平面图像。能够检测二维的平面图像。根据传输和读出方式不同，面型根据传输和读出
38、方式不同，面型CCD主要有行传输、主要有行传输、行间传输两种。主要有以下三种典型结构。行间传输两种。主要有以下三种典型结构。第56页，讲稿共87张，创作于星期一二相驱动视频输出行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区该该结结构构由由行行扫扫描描电电路路、垂垂直直输输出出寄寄存存器器、感感光光区区和和输输出出二二极极管管组组成成。行行扫扫描描电电路路将将光光敏敏元元件件内内的的信信息息转转移移到到水水平平（行行）方方向向上上，由由垂垂直直方方向向的的寄寄存存器器将将信信息息转转移移到到输输出出二二极极管管，输输出出信信号号由由信信号号处处理理电电路路转转换换为为视视频频图图像像信信号号。这
39、这种种结结构构易易于于引引起图像模糊。起图像模糊。第57页，讲稿共87张，创作于星期一沟阻沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光区感光区 存储区存储区析像单元析像单元 视频输出视频输出输出栅输出栅串行读出串行读出该该结结构构增增加加了了具具有有公公共共水水平平方方向向电电极极的的不不透透光光的的信信息息存存储储区区。在在正正常常垂垂直直回回扫扫周周期期内内，具具有有公公共共水水平平方方向向电电极极的的感感光光区区所所积积累累的的电电荷荷同同样样迅迅速速下下移移到到信信息息存存储储区区。在在垂垂直直回回扫扫结结束束后后，感感光光区区回回复复到到积积光光状状态态。在在水水平平消消隐隐
40、周周期期内内，存存储储区区的的整整个个电电荷荷图图像像向向下下移移动动，每每次次总总是是将将存存储储区区最最底底部部一一行行的的电电荷荷信信号号移移到到水水平平读读出出器器，该该行行电电荷荷在在读读出出移移位位寄寄存存器器中中向向右右移移动动以以视视频频信信号号输输出出。当当整整帧帧视视频频信信号号自自存存储储移移出出后后，就就开开始始下下一一帧帧信信号号的的形形成成。该该CCD结结构构具具有有单单元元密密度度高高、电电极极简简单单等等优优点点，但但增增加加了存储器。了存储器。第58页，讲稿共87张，创作于星期一光栅报时钟光栅报时钟二相驱动二相驱动输出寄存器输出寄存器检波二极管检波二极管 视频
41、输出视频输出垂直转移垂直转移寄存器寄存器感光区感光区二相驱动二相驱动该该结结构构是是用用得得最最多多的的一一种种结结构构形形式式。它它将将结结构构b中中感感光光元元件件与与存存储储元元件件相相隔隔排排列列。即即一一列列感感光光单单元元，一一列列不不透透光光的的存存储储单单元元交交替替排排列列。在在感感光光区区光光敏敏元元件件积积分分结结束束时时，转转移移控控制制栅栅打打开开，电电荷荷信信号号进进入入存存储储区区。随随后后，在在每每个个水水平平回回扫扫周周期期内内，存存储储区区中中整整个个电电荷荷图图像像一一次次一一行行地地向向上上移移到到水水平平读读出出移移位位寄寄存存器器中中。接接着着这这一
42、一行行电电荷荷信信号号在在读读出出移移位位寄寄存存器器中中向向右右移移位位到到输输出出器器件件，形形成成视视频频信信号号输输出出。这这种种结结构构的的器器件件操操作作简简单单，但但单单元元设设计计复复杂杂，感光单元面积减小，图像清晰。感光单元面积减小，图像清晰。第59页，讲稿共87张，创作于星期一新型高清晰图像传感器简介新型高清晰图像传感器简介光光电电导导涂涂层层固固体体摄摄像像器器件件（PSID）：是是一一种种既既具具有有小小的的像像素素面面积积又又能能提提高高灵灵敏敏度度和和宽宽动动态态范范围围的的高高清清晰晰固固体体摄像机。摄像机。工工艺艺：利利用用Hg（汞汞）-敏敏化化光光-CVD（化
43、化学学气气相相淀淀积积）方方法制作法制作应用：应用：HDTV摄像和数码照相机摄像和数码照相机第60页，讲稿共87张，创作于星期一CCD图像传感器的工作原理图像传感器的工作原理n一个完整的一个完整的CCD器件由器件由光敏元光敏元、转移栅转移栅、移位寄存器移位寄存器及一些及一些辅助输入辅助输入、输出输出电路组成。电路组成。nCCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元的电荷在工作时，在设定的积分时间内，光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移栅信号驱动下，转移转移到到CCD内部的移位寄存器相内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷
44、顺次荷顺次转移转移到输出端。输出信号可接到示波器、图像显到输出端。输出信号可接到示波器、图像显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。存储处理。第61页，讲稿共87张，创作于星期一第三节第三节 光导式（光纤）传感器光导式（光纤）传感器n光导式传感器实际是利用光在光纤中传导引起光的特性发生光导式传感器实际是利用光在光纤中传导引起光的特性发生变化而研制的一种传感器。变化而研制的一种传感器。n光导式传感器的核心是光导纤维。光导式传感器的核心是光导纤维。n光纤传感器光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递用光作为敏感信息的载
45、体，用光纤作为传递敏感信息的媒质敏感信息的媒质。它同时具有光纤及光学测量的特点它同时具有光纤及光学测量的特点。n 电绝缘性能好。电绝缘性能好。n 抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。n 非侵入性。非侵入性。n 高灵敏度。高灵敏度。n 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。n光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。第62页，讲稿共87张，创作于星期一一、光纤结构一、光纤结构光纤光纤是用光透射率高的电介质是用光透射率高
46、的电介质(如石英、玻璃、塑料等如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。它是一种多层介质结构的圆柱体，由构成的光通路。它是一种多层介质结构的圆柱体，由纤芯、包层和护层纤芯、包层和护层组成。组成。第63页，讲稿共87张，创作于星期一斯乃尔定理斯乃尔定理(1)当光由当光由光密物质光密物质(折射率大折射率大)入射至入射至光疏物质光疏物质时发生折射，其折射角时发生折射，其折射角大于入射角，即大于入射角，即n1n2时，时，ri。可可见见，入入射射角角i增增大大时时，折折射射角角r也也随随之之增大，且始终增大，且始终ri。n1sini=n2sinr(2)当当r=90时时，i仍仍90，此此时时，出出射射光光线线沿
47、界面传播，称为沿界面传播，称为临界状态临界状态。sinrsin901=sini0=n2/n1=i0=arcsin(n2/n1)n1n2r ri i(b)临界状态示意图临界状态示意图 n1n2r ri i(a)(a)光的折射示意图光的折射示意图 n1n2r ri i(c)(c)光全反射示意图光全反射示意图(3)当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发，这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。射回来。式中：式中：i0临界角临界角第64页，讲稿共87张，创作于星期一二、光纤的传光原理二、光纤的传光原理光线光线在纤芯和包层的界面上不断地
48、产生在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射全反射而向前传播，而向前传播，光在光纤内经过若干次的全反射，光就能从光纤的一端以光光在光纤内经过若干次的全反射，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是速传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。光纤传光的基本原理。第65页，讲稿共87张，创作于星期一三、光纤分类三、光纤分类按光纤折射率按光纤折射率的分布函数的分布函数高纯度石英玻璃纤维高纯度石英玻璃纤维多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤塑料光纤塑料光纤按材料按材料阶跃型阶跃型梯度型梯度型按传输模数按传输模数单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤按用途按用途通信光纤通信光纤非通信光纤非通信光纤第66页，讲稿共87张
49、，创作于星期一四、光纤传感器基本工作原理及类型四、光纤传感器基本工作原理及类型1.光纤传感器基本工作原理光纤传感器基本工作原理 将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。解调后，获得被测参数。第67页，讲稿共87张，创作于星期一2.光纤
50、传感器的类型光纤传感器的类型传光型传光型非功能型光纤传感器。此时，非功能型光纤传感器。此时，光纤仅作为传光纤仅作为传播光的介质。播光的介质。对外界信息的感觉功能由其他物理性质的功能对外界信息的感觉功能由其他物理性质的功能元件完成。元件完成。第68页，讲稿共87张，创作于星期一传感型传感型功能型光纤传感器功能型光纤传感器。此时，光纤不仅起传光的。此时，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现传和感其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现传和感的功能。的功能。第6