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1、Ch 7 Ch 7 光辐射探测器件光辐射探测器件光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器件中的噪声光电探测器件中的噪声光电导、光伏探测器件、光电倍增管光电导、光伏探测器件、光电倍增管热释电探测器件热释电探测器件变像管、增像管、摄像管变像管、增像管、摄像管电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）光电探测器的物理效应光电效应：光电效应：入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象。光热效应：光热效应：吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子能量状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度的上升，从而使元件的电学或其他的物理性质发
2、生变化。1887年，赫兹研究了电火花的紫外光照射在火花隙缝的负电极上时有 助于放电1888年，德里斯登的霍尔瓦克斯发现在光的影响下，物体释放出负电1900年，普朗克提出能量子假设，给出正确的黑体辐射公式，为此获 1918年Nobel物理学奖1905年，爱因斯坦提出光量子理论，解释了光电效应，为此获1921年 Nobel物理学奖1916年，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应 理论，为此及其油 滴实验获Nobel物理 学奖1905年，爱因斯坦发表了论文，成功的解释了光电效应并确定了它的规律他以勒纳利总结出的光电效应性质作为光是微粒的根据，并且和德国物理学家普朗克的量子假设结合起来，提出了量子假说
3、.光电效应光电效应1.内光电效应内光电效应2.外光电效应外光电效应1.光伏效应2.光电导效应外光电效应：受到光照后，产生电子发射的现象。外光电效应：受到光照后，产生电子发射的现象。1.光吸收 2.电子向界面运动 3.克服表面势垒向外逸出（爱因斯坦定律）（爱因斯坦定律）（斯托列托夫定律）（斯托列托夫定律）物理效应物理效应光电导效应：半导体材料吸收能量足够大的光子后，使原来处于束光电导效应：半导体材料吸收能量足够大的光子后，使原来处于束缚态的电子或空穴变为自由状态，从而使半导体的电导率增加。缚态的电子或空穴变为自由状态，从而使半导体的电导率增加。光照前：光照前：光照后：光照后：物理效应物理效应光伏
4、效应：零偏状态，光照射光伏效应：零偏状态，光照射p（或（或n）区，只要照射波长）区，只要照射波长=c，就会激发出光生电子空穴对，就会激发出光生电子空穴对，p区的电子在电场作用下到区的电子在电场作用下到N区，区，n区的空穴到区的空穴到p区，使得势垒降低，相当于加了正向电压区，使得势垒降低，相当于加了正向电压eVDeVD-eV光照前后光照前后pn结的能带结构结的能带结构物理效应物理效应光热效应：探测元件吸收光能量后，把吸收的光能转化为晶格光热效应：探测元件吸收光能量后，把吸收的光能转化为晶格的热运动能量，引起探测器件的材料物理性质的变化的热运动能量，引起探测器件的材料物理性质的变化探测器件材料吸收
5、辐射而温度升高，可产生温差电动势，电阻率，自激化强度或使气体体积，压强发生变化温差热电偶，热电堆温差热电偶，热电堆金属和半导体热敏电阻测辐射热器金属和半导体热敏电阻测辐射热器热释电探测器热释电探测器介质的极化强度随温度变化而改变，引起表面电荷变化的现象PsTTc光辐射的强度物质温度变化自发极化强度变化物理效应物理效应光电转换定律：光电转换定律：其中，光功率光功率光电流光电流量子效率量子效率1.光电探测器对入射光功率的响应是光电流，探测器是电流源光电探测器对入射光功率的响应是光电流，探测器是电流源2.光功率正比光电场的平方，非线性器件光功率正比光电场的平方，非线性器件电子数光子数光生电荷物理效应
6、物理效应光辐射探测的噪声光辐射探测的噪声.与信号检测有关的噪声与信号检测有关的噪声.其他噪声其他噪声量子噪声：光子的随机性和光电子的随机性暗电流噪声：无光照，流过检测器的电流具有随机起伏的特性漏电流噪声：器件表面不完善（缺陷和污染）引起的倍增噪声：由于倍增过程的统计特性而产生的附加散粒噪声产生复合噪声/f噪声背景噪声热噪声噪声功率谱密度噪声功率谱密度表明非周期起伏量中含谐波成分的方法噪声噪声一系列随机事件的谱密度函数一系列随机事件的谱密度函数散粒噪声散粒噪声光电子发射器件和光伏器件中出现的噪声，是由载流子随机产生和流动造成电流波动引起的噪声电路中的通频带带宽噪声噪声噪声功率载流子数的平均值产生
7、复合噪声产生复合噪声噪声噪声10-810-9s渡越时间载流子的平均寿命热噪声热噪声f噪声噪声lnf1/f产生复合噪声热噪声ln温度噪声温度噪声噪声噪声光电转换器件是把光转换成电或通过光信号来控制电信号的器件光电转换器件光电转换器件根据光与物质的相互作用而产生的不同物理效应，光电转换器件分为：1.光电导器件光电导器件：是无结光检测器，它根据半导体在光的照射下，会2.改变自身的电导率的特点制成，是利用了内光电效应的器件。2.光伏器件光伏器件：结型光检测器，其内部有一个以上的 PN 结，它根据光3.照射下结的耗尽层或本征层内产生了电荷，从而改变器件对流过自4.身电流的控制能力的原理工作的。利用光生伏
8、打效应，可制成不同5.类型光伏器件，如：光电池、光电二极管、光电三极管、光控可控6.硅、摄像器件(CCD)等。利用内光电效应制成的器件。3.光电子发射器件光电子发射器件：是利用外光电效应的器件。如光电倍增管。分类：分类：光电转换器件光电转换器件根据光电转换器件的用途来区分：1.光电探测器件。2.光电成像器件。光电导探测器光电导探测器 光电导探测器是利用光电导效应制作的光探测器，主要特征是受到光照后，器件的电阻发生变化。包括：光敏电阻、光导管。0.03eV1eV2.4eV禁带导带价带光电导体的能带 能够产生光电导效应的电子跃迁类型包括：本征吸收和杂质吸收。本征吸收和杂质吸收。电子吸收了光子能量后
9、，从价带跃迁到导带或从禁带中的杂质能级跃迁到导带或从价带跃迁到禁带中的杂质能级，其结果是在导带中产生了自由电子或在价带中产生了空穴。光电转换器件光电转换器件0.40.81.21.62.02.40.20.40.60.81.0(m)R1231-CdS2-CdSe3-PbS三种光敏电阻的光谱响应特性曲线光电导器件的工作特性光电导器件的工作特性1.响应度响应度 光探测器的输出电压或输出电流与入射光功率之比。RI=I/P (A/W);RV=V/P(A/W);R 为输出电阻响应度与外加偏压、载流子受命和器件长度有关2.光谱特性光谱特性 光电导探测器是波长选择性器件即在一定的波长范围内，才对入射光有影响而对
10、其他波长响应度极小或趋于0。材料的禁带宽度决定了光谱响应的长波限 0。在 RL2 RL3P1 P2 P3光电转换器件光电转换器件I(mA)I(mA)E(xl)E(xl)103 102 10 5x103 103 102 50 硅光电池硒光电池3.光照特性光照特性 光生电动势、光电池与光照度的关系。当负载电阻不等于零时，随着照度的增加，光电流与端电压都在增加，二极管处在正向偏置下，内阻变小，外电流增加变缓，与光照成非线性关系。负载越大，非线性越显著。光电转换器件光电转换器件4.频率特性频率特性5.温度特性温度特性 由于光敏面比较大，结电容也比较大，光电池的内阻在光照较小时也比较大，这些都使电路的时
11、间常数加大，使得频率响应不高。此外，负载电阻大时，响应时间也增大。硅光电池的截止频率只有几十千赫温度增加，开路电压下降，短路电流上升。在强光照射时，要注意器件的升温。硒光电池的结温不应超过50，硅光电池的结温不应超过200，否则晶体结构会遭到破坏。V(mV)VocIscI(mA)T()I(%)(Hz)100K 10 K 1 K 硅光电池的频谱特性光电池温度特性光电转换器件光电转换器件太阳电池太阳电池 光电池构成太阳能装置一般采用多个光电池进行串并联组合方式。单片光电池电动势很低，输出电流很小，不能直接作为电源使用。为使装置达到实用效果，可采用光电池串联以增加输出电压，并联以增加输出电流。RL光
12、电池组光电池组蓄蓄电电池池组组光电池组光电池组aabb太阳电池装置太阳电池装置a.先串后并先串后并b.先并后串先并后串太阳电池发展历史太阳电池发展历史早在1839年，法国科学家 Alexandre-Edmond Becqurel发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891)自从1954年第一块实用光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进步。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。1973年
13、的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。其发展过程简列如下：1893年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”。1876年 亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。1883年 制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件。1930年 肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提 出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。1931年 布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机。1932年 奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。1941年 奥尔在硅上发现光伏效应。1954年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了
14、实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。1955年 吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。1957年 硅太阳电池效率达8%。1958年 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。1959年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。1960年 硅太阳电池首次实现并网运行。1962年 砷化镓太阳电池光电转换效率达13%。1969年 薄膜硫化镉太阳电池效率达8%。1972年 罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。1972年 美国宇航公司背场电池问
15、世。1973年 砷化镓太阳电池效率达15%。1974年 COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18%。1975年 非晶硅太阳电池问世。同年，带硅电池效率达6%。1976年 多晶硅太阳电池效率达10%。1978年 美国建成100kWp太阳地面光伏电站。1980年 单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。1983年 美国建成1MWp光伏电站；冶金硅（外延）电池效率达11.8%。1986年 美国建成6.5MWp光伏电站。1990年 德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装35kWp光伏电池。1995年 高效聚光砷
16、化镓太阳电池效率达32%。1997年 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装35kWp。光伏电池。有太阳时光伏屋顶向电网供电，电表反转；无太阳时电网向家庭供电，电表正转。家庭只需交“净电费”。1997年 日本“新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。1997年 欧洲联盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电池。1998年 单晶硅光伏电池效率达24.7%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。光电池转换效率；光电池转换效率；太阳能电池的最大输出功率 Pmax 与输入光功率 P 之比。PPmaxi 的大小与材料的性质有关，
17、器件的结构、工艺等因素对其也有影响。NP减反射膜表面层基层背面接触正面接触条太阳能电池结构示意图太阳能电池结构示意图为提高效率：为提高效率：1.提高光生载流子的收集效率2.提高光能的收集效率 常用材料：常用材料：Si,GaAs,CdS,InP,CdTe光电转换器件光电转换器件光电二极管光电二极管 在反向偏压下工作的光伏器件。结构上，在外壳上有透明、能入射光线的窗口，以便让光能照射导管芯上。为提高转换效率，窗口上装有能聚焦光的透镜；PN 结做得比较浅，以保证有更多的光子被利用；PN 结面积通常做得比较大，电极面积做得比较小，以增加受光面积。一、工作特性一、工作特性1.灵敏度（响应度）：光电二极管
18、输出的光电流与入射光功率之比灵敏度（响应度）：光电二极管输出的光电流与入射光功率之比R0=P0I p(A/W)2.光谱特性光谱特性：不同的半导体材料 不同的禁带宽度 不同的光谱响应范围 每一种探测器件，存在一个响应的峰值，其对应的光子能量稍大于禁带宽度，当 h Eg 时，响应呈迅速下降的趋势。SiGe(m)I%204060801000.20.40.81.21.6光电转换器件光电转换器件3.响应时间响应时间影响响应时间的快慢的重要因素 载流子的运动速度。4.伏安特性伏安特性无光照时，光电二极管的 VI 特性：I I e 1 kTeVsV 是外加偏压，为负值。有光照时，光电二极管的 VI 特性：I
19、 I I e 1 kTeVspV光照增大无光照时有光照时有光照时IPD：光电二极管Ec：电源电压R：负载电阻PD光电转换器件光电转换器件常见类型的光电二极管常见类型的光电二极管1.PIN光电二极管光电二极管 PIN光光电极电极电极电极PINVa.结构示意图b.反向偏置图 在 P 区与 N 区之间加了一层本征层，中间 I 层的电阻率很高，厚度为毫米量级。耗尽层变宽 增大了光电转换的作用区域 加强了对长波长光波的吸收。耗尽层变宽结电容变小高频端的响应得到改善。反向偏压越高，结电容变小的效应越显著。光电转换器件光电转换器件2.雪崩（雪崩（APD）光电二极管）光电二极管灵敏度高、响应时间快。P N P
20、Rb输出h电电场场耗尽区耗尽区 W雪崩区雪崩区碰撞电离所碰撞电离所需的最小电场需的最小电场(1)结构与工作原理结构与工作原理N区、P区 为重掺杂区；为接近本征的低掺杂区；光照射到光电二极管时，由于器件的耗尽层很宽，大部分光子在这个区域被吸收并生成电子空穴对。在外电压的作用下，载流子定向 移动成为初始光电流，一次电子在向 PN结区漂移的过程中动能增大，到 达PN结后，在更高的电场作用下产 生雪崩倍增，一次空穴则直接被 P 区吸收。因此，PIN 中的光电流主要是一种载流子的贡献(a)电场分布(b)结构示意图光电转换器件光电转换器件(2).倍增增益倍增增益(3).噪声噪声G 11V I RmiVbV
21、b：APD 的击穿电压，Ri：为APD 的内阻，：为常数，与材料、掺杂、波长有关；mI：为倍增后的电流。除了一般光电二极管的噪声类型外，还有一种由于倍增增益的起伏而引起的附加噪声。(4).温度特性温度特性环境温度的变化，主要表现在对倍增增益以及暗电流的变化上3.肖特基光电二极管肖特基光电二极管半导体材料与金属接触形成肖特基势垒 构成肖特基光电二极管。不同的肖特基势垒 不同波长响应；工作区靠近表面，有利于短波长的吸收，适于对蓝光、紫外光的探测。光电转换器件光电转换器件光电倍增管光电倍增管一、结构与工作原理一、结构与工作原理1.光阴极光阴极KDD1D3D5D7D9D2D4D6D8D10AV0RL-
22、1200-1000-800-600-400-200-1100-900-700-500-300-100 光电子发射型光检测器；灵敏度高、稳定性好、响应速度快；适用于微弱光信号检测。K：光阴极，D：倍增极A：阳极，阴极在光照下，发射出电子，电子受到极间电场作用而获得较大的能量。当电子以足够高的速度打到倍增极上时，倍增极产生了二次电子发射，使得向阳极方向运动的电子数目成倍的增加，经过多次倍增，最后到达阳极被收集而形成阳极电流。在倍增因子不变的条件下，阳极电流随光信号的变化而变化。产生初次电子。因此它决定了光电倍增管的频谱相应特性。常用锑铯材料和银化铯材料。光电转换器件光电转换器件2.倍增极倍增极 某
23、些金属、金属氧化物及半导体，如锑化铯（CsSb）、银镁合金（MgAg）、氧化铍（BeO）、GaP、GaAs等，其表面受到高速粒子轰击后，可以重新发射出更多的电子（即二次电子发射），用二次电子发射 来表征二次电子发射的量值。I2I1en2en1 式中 I1=en1,I2=en2 分别表示一次和二次发射电子流。表示每一个入射电子所产生的二次电子数目，即每个倍增极的电流增益。G IA/IK=f(g)n如果倍增极的级数为n,且各级性能相同 式中IA 为阳极电流，IK 为阴极电流，f 为第一倍增极对阴极电子的收集效率，g 为各倍增极之间的传递效率。通常 取36，n 取914级，光电转换器件光电转换器件二
24、、工作特性参数二、工作特性参数1.阴极灵敏度阴极灵敏度3.工作电压与电压供给工作电压与电压供给V0VKARLD1D2Dn-2Dn-1DnR1R2R3Rn-1RnRn+1C1C2C3 负高压供电负高压供电，电源正极接地，可响应变化缓慢的光信号。正高压供电正高压供电，电源负极接地，适用于要求低噪声的光脉冲信号检测。光阴极被光照射后产生的初始电流 IK 与入射光通量 V之比IKSK VA/lm光通量大 阴极疲劳 灵敏度下降光通量小 测量误差光电倍增管供电回路V0总的工作电压负高压供电光电转换器件光电转换器件3.伏安特性伏安特性2.阳极灵敏度阳极灵敏度在一定的工作电压下，阳极输出电流与光通量之比。IA
25、SK V612 18 24V(x 10-6W)IA(mA)2468100 在一定的光通量范围内，IA 与 V 成线性关系，但 V 大到一定程度，IA反而下降，出现饱和现象。阴极疲劳所致。50100150V n+1(V)IA(mA)246810012光电特性光电特性伏安特性伏安特性 在一定的光强照射下，阳极电流与最后一级倍增极和阳极之间的电压关系。1.5 x 10-7 W1.2 x 10-7 W0.9 x 10-7 W0.6 x 10-7 W0.3 x 10-7 W光电转换器件光电转换器件4.暗电流暗电流 ID5.频率特性频率特性6.噪声特性噪声特性 光电倍增管在无光照射时，加上工作电压后的输出
26、电流，称为暗电流。暗电流对测量微弱信号不利。产生暗电流的主要因素：阳极和其他电极间的漏电流；热电子发射电流，主要由阴极及第一倍增级产生；光反馈及离子反馈引起的反馈电流，主要由非信号的微弱光或残余气体电离轰击阴极产生的二次电子造成。电子从阴极发出，到达阳极的渡越时间是影响光电倍增管频率特性的主要因素，因不同电极、不同部位发出的电子到达阳极的距离不同，造成电子渡越时间的弥散，此外极间电容，负载电阻都影响到光电倍增管的响应时间。频率响应的宽度与倍增级数 n 成反比。倍增管的截止频率：Vc 12RLC 对电磁屏蔽良好的光电倍增管，其噪声的主要来源是散粒噪声和负载电阻产生的热噪声。光电转换器件光电转换器
27、件变像管、像增强管、摄像管变像管、像增强管、摄像管 成像器件成像器件与探测器件探测器件的区别：探测器件探测器件的作用是将光信号转换成电信号，并在电子技术范围进行处理，其性能主要看响应率、响应速度和噪声等。成像器件成像器件的工作目的是荧光屏上完成二维图像，其工作过程由两部分构成，首先是将光的信号转变为电的信号，然后将电的信号作用于荧光屏上显示出图像。成像器件除了要求灵敏度高、噪声低等条件外，还要求有高的空间信息分辨能力。成像器件分为两大类：像管和摄像管像管和摄像管。像管像管集光电转换与成像于一体，其输入输出皆为光信号，其中把各种不可见图像转换为可见图像的器件成为变像管；把微弱的辐射图像增强到可以
28、用眼睛观察的器件成为像倍增管。摄像管摄像管是一种光信号转换为电信号的器件，带有图像信息的电信号可传送到异处的接受系统，经转换后，在荧光屏上显示出图像。光电转换器件光电转换器件外光电效应光电导一、像管的结构与工作原理一、像管的结构与工作原理阴极外筒阳极和聚焦电极光纤面板光纤面板荧光屏光阴极 像管的基本结构包括输入部分，电子光学成像系统以及输出部分。静电聚焦式变像管示意图1.输入部分输入部分 光阴极的材料与真空倍增管的阴极类似，常用的有，对红外光敏感的银化铯红外光阴极银化铯红外光阴极、对可见光敏感的单碱和多碱光电阴单碱和多碱光电阴极极、对紫外光敏感的IIIV族化族化合物阴极合物阴极等。2.电子光学
29、系统电子光学系统作用：作用：加速光电子，使电子束按一定规律运动，以保证能入射到荧 光屏的相应位置。类型：类型：静电系统：静电系统：电磁复合系统电磁复合系统非聚焦式非聚焦式聚焦式聚焦式光电转换器件光电转换器件兼有探测与成像功能包含光电、电光转换特性和光学传递特性二、像管的主要特性二、像管的主要特性3.输出部分输出部分将电信号转换为光学图像，荧光屏的电阻率约为10101014.cm1.光谱响应特性光谱响应特性2.增益特性增益特性输出亮度与入射面照度之比的 倍。GL=LEV3.背景特性背景特性无光照时的暗电流在电场作用下，轰击荧光屏使之发光，这种亮度称为暗背景亮度。原因：热电子发射、局部强电场引起的
30、发射、二次电子发射。4.时间响应特性时间响应特性时间响应特性主要取决于荧光屏。荧光屏对电子轰击的反应通常达 3 ms。光电阴极的光谱响应特性，如量子效率，光谱灵敏度，光谱特性曲线光电转换器件光电转换器件三、变像管与像倍增管三、变像管与像倍增管1.变像管变像管 将不可见光转换为可见光器件，通常指红外变像管。其核心部分是对红外光敏感的光阴极，当红外光照射到光阴极时，产生光电子发射光电子发射，经过电子光学系统，打倒荧光屏，发出可见光，实现了光谱的转换。输入输出窗口材料通常采用光纤面板，它是由许多单根纤维组合而成，由于单根光纤只能传递一个单元信息，要传送图像就要将光纤束按一定的方式排列结合起来，制成光
31、学纤维板。2.像倍增管像倍增管主要用于增强图像的亮度，用在微光夜视的条件下。早期采用两电极定焦式静电聚焦像管，常常将 3 个单支管耦合起来，施以高压，达到提高增益的目的。第二代微光像增强管在级间插入微通道板以代替多级倍增，其倍增效果好，体积也小。微通道板是在电阻管内壁涂具有二次电子发射能力的物质，在两端直流高压的作用下，通过入射电子对管壁的碰撞实现电荷的倍增。光电转换器件光电转换器件外光电效应外光电效应像管属于直接成像器件。能实时观察微光图象或不可见图象，但无法实现光图象的处理、存储、变换及远距离观察等功能。具有视距短，不能超越障碍的缺点。摄像管把光图象变为电图象后，并不是直接变回光图象，而是
32、根据应用要求，可对电图象进行存储、处理、再传到接收端，经电光转换，形成光图象。比较：四、摄像管四、摄像管 摄像管的主要工作是将被观测的图像，不失真地变换成电信号，并能高质量地传送出去。后面的图像再现工作由传输以及接受系统来完成。1.基本工作原理基本工作原理三个基本组成部分：光电转换元件（光电导材料）、光电流存储元件以及扫描读取装置。网电极靶视频信号RL聚焦线圈偏转线圈校正线圈聚焦极1聚焦极2阴极控制栅极加速极结构示意图玻璃板信号板光敏层靶的结构光电转换器件光电转换器件光电导效应光电导效应2.摄像管的工作特性摄像管的工作特性(1)灵敏度灵敏度(2)惰性惰性(3)分辨能力分辨能力输出信号电流与输入
33、光通量（或照度）之比，单位：A/lx 或 A/lm。指输出信号相当于输入信号的滞后程度。惰性过大对于摄取动态图像是不利的，在照度增加时，所产生的输出信号的滞后为上升惰性，而照度下降时所产生的输出信号的滞后为衰减惰性。惰性产生的原因有光电导材料光电导材料本身所具有的特点以及光电导层的电容性特点造成的。垂直分辨力：能分辨出垂直方向上的像元素，或黑白相同的等宽矩 形条纹数。水平分辨力：在水平方向上能够分辨的像元素。光电转换器件光电转换器件 瑞典皇家科学院2009年10月6日宣布，将该年度诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯。瑞典皇家科学院常任秘书贡诺厄奎斯特在记
34、者招待会上说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗(约合70万美元)；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件(CCD)图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。博伊尔1924年出生于加拿大阿默斯特，史密斯1930年出生于美国纽约，两人发明CCD图像传感器时均供职于美国贝尔实验室。诺贝尔科学奖通常颁发给年龄较大的科学家，因为获奖成果都经过了几十年的检验。电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge-Coupled Device-CCD）1969年，美国贝尔实验室的W S Boyle、G E Smith提出了CCD
35、概念，随后得以发展。电耦合器件是以电荷作为信号，通过电荷的存储与转移来实现光电信号的转换与检测。这不同于以电流或电压为信号的检测器件。光电转换器件光电转换器件电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge-Coupled Device-CCD）一、基本结构与工作原理一、基本结构与工作原理AlSiO2Si 衬底衬底MOS电容器1.基本结构基本结构 CCD的基本单元是金属氧化物半导体（MOS）结构。在 P 型或 N 型的硅单晶的衬底上生长一层厚度约为 0.12 m 的 SiO2 薄膜，薄膜上再蒸发一层金属膜（通常使用金属铝）。经过光刻，将铝膜分割成间距很小的单元。每一个铝膜作为一个电极，与下面的 SiO
36、2 层和 Si 单晶组成 MOS 结构，如同一个 MOS 电容器。MOS 电容器可以排成一维形式（线阵），或二维形式（面阵）。2.电荷的存储与转移电荷的存储与转移(a)P 型半导体氧化层电极(b)耗尽层氧化层电极VG Vth 在铝膜电极上加上正电压，衬底接负电压，由于场的感应作用，使 P 型半导体中的电荷分布发生变化。正电荷被排斥而远离 Si 与 SiO2的界面，使得在接近界面的位置上出现耗尽层，如图b所示。耗尽层的出现使界面处的表面势（Es）增加。随着电极上的电压增加，耗尽层加深，表面势更高。表面势对电子有吸引作用，因而Es高到一定程度，将半导体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成一层极薄
37、(10-3 m),但电荷浓度很高的反型层，如图c 所示，反型层又称为 N 沟道。由于电子出现，使得表面势下降，如果电子继续被吸引过来，使耗尽层变浅，表面势也进一步降低。当表面势降到费米电势的两倍，光电转换器件光电转换器件即：Es=2EF 时,相当于电子已填充到最大限度，表面势不再束缚多余电子，而会产生电子的溢出。表面势越高，即耗尽层越深，则表示能够容纳的电子数越多。电子落入这个区域如同落入井中，因此又把这种由于在电极上加上电压后所形成表面势垒区称为势阱。表面势的大小可作为势阱深度的量度。如果在某一时刻，势阱中存储了部分电荷，通过改变电极上的电压，使势阱变浅，导致阱内电荷趋于饱和并溢出，就可以实
38、现电荷的转移。2V 10V 2V2V123存有电荷的势阱2V 10V 2-10V2V123新势阱2V 10V 10V 2V123电荷的转移过程(a)(b)(c)2V10-2V10V2V1232V 2V 10V 2V123(d)(e)电荷移动 电荷的转移是通过在电极上施加按一定顺序变化的脉冲驱动电压，导致电荷耦合而实现。光电转换器件光电转换器件3.信号的输入信号的输入 光激发光激发，就是将 CCD 当作一个光电转化器件，直接接受光信号照射，在电极附近的半导体内产生电子空穴对，多数载流子被栅极排开，少数载流子则被收集在势阱中成为信号电荷。电注入电注入，信号电压加在输入二极管上，输入二极管作为源极，
39、与输入栅极G0(单独引线)，以及第一个转移栅 G,构成 MOS 晶体管，漏区不是扩散层，而是势阱，注入势阱的漏电流(信号电流)受到栅源电压的调制，注入势阱的总电荷受到输入栅的开启时间控制。4.信号输出信号输出如何有效的收集和探测电荷。R输出放大(a)反向二极管R输出(b)选通电荷检测装置AA源跟随放大器复位管光电转换器件光电转换器件5.物理性能物理性能(1)转移效率一个电荷包在一次转移中被正确转移的百分比。(2)暗电流(3)信号存储能力在无外信号注入的情况下的输出信号称为暗电流。所能存储的最大信号电荷量决定了 CCD 的电荷负载能力二、CCD 摄像器件按结构分：线阵 CCD，面阵CCD三、CCD的性能和应用按光谱分：可见光（黑白、彩色）、红外、X光、紫外光电转换器件光电转换器件数码相机中CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。1.激光摄像激光摄像.红外热摄像红外热摄像.紫外区域紫外区域一图象传感一图象传感二遥感测量二遥感测量三光谱分析三光谱分析四微光夜视和红外夜视四微光夜视和红外夜视光电转换器件光电转换器件