《光電子器件》筆記

1、光電子器件第一章1、 光電探測器輸出信號電壓或電流與單位入射光功率之比，即單位入射光功率作用下探測器輸出信號電壓或電流稱為響應(yīng)率. 光譜響應(yīng)率（R）：光電器件在單色 (在波長附近一個很小的波長范圍里) 輻射功率作用下產(chǎn)生的信號電壓或信號電流。 其中Rm為光譜響應(yīng)率的最大值光譜電壓響應(yīng)率和光譜電流響應(yīng)率合并稱為光譜響應(yīng)率R（單位：A/W）光譜響應(yīng)率及量子效率僅由器件的響應(yīng)特性所決定，而與光源無關(guān)。2. 器件的光譜響應(yīng)與光源輻射功率譜密度緊密相關(guān)，它們之間的匹配系統(tǒng) 稱為器件與光源的光譜匹配系數(shù)，它反映了器件響應(yīng)的波長范圍同光源光譜的吻合程度。在光源固定的情況下,面積A1是不變的,如果與曲線重合得

2、愈多,面積A2愈大, 愈大，也就是光譜匹配愈好;反之,如果兩曲線沒有重合之處,=0,即二者完全失配,則該光電器件對光源輻射沒有探測能力。光譜匹配是選擇光電子器件,如像管、光電倍增管、紅外成像器件的材料的重要依據(jù)。 3.光電探測器輸出的電流或電壓在其平均值上下無規(guī)則的、隨機(jī)的起伏，稱為噪聲。噪聲是物理過程所固有的，人為不可能消除。它的計算是在足夠長時間內(nèi)求其平方平均或均方根。 光電探測器的噪聲來源主要有熱噪聲、散粒噪聲、溫度噪聲、放大器噪聲、頻率噪聲、復(fù)合噪聲等。當(dāng)輸出信號電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時的探測器的入射輻射功率叫做最小可探測輻射功率，也叫做噪聲等效功率NEP 。 Pmin越小，器件

3、的探測能力越強(qiáng)。對Pmin取倒數(shù)可作為衡量探測器探測能力的參數(shù)，稱為探測率。研究指出:探測率與器件的面積和工作帶寬成反比。 4.光吸收厚度：設(shè)入射光的強(qiáng)度為 I0，入射到樣品厚度為x處的光強(qiáng)度為 I，則： 為線吸收系數(shù)，單位為（1/cm）大時，光吸收主要發(fā)生在材料的表層；小時，光入射得深。當(dāng)厚度d=1/時，稱為吸收厚度，有64%的光被吸收。5. 本征吸收：價帶中的電子吸收了能量足夠大的光子后，受到激發(fā)，越過禁帶，躍入導(dǎo)帶，并在價帶中留下一個空穴，形成了電子空穴對，這種躍遷過程所形成的光吸收稱為本征吸收。 本征吸收條件：光子的能量必須大于或等于禁帶的寬度Eg。6. 內(nèi)光電效應(yīng): 材料在吸收光子能

4、量后，出現(xiàn)光生電子空穴，由此引起電導(dǎo)率變化或電壓、電流的現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應(yīng)。 光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時，吸收光子引起載流子濃度增大，產(chǎn)生附加電導(dǎo)率使電導(dǎo)率增加，這個現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。在外電場作用下就能得到電流的變化。 光電導(dǎo)效應(yīng)分為本征型和非本征型。7.設(shè)本征半導(dǎo)體在沒有光照時，電導(dǎo)率為 (稱為暗電導(dǎo)率)當(dāng)有光注入時，半導(dǎo)體電導(dǎo)率：電導(dǎo)率的增量稱為光電導(dǎo)率：8. 增加載流子壽命： 好處：增益提高，靈敏度提高，響應(yīng)率提高。 缺點：惰性增加，頻率響應(yīng)特性變差。 所以增益和惰性不可兼得。9. 影響光譜響應(yīng)的兩個主要因素：光電導(dǎo)材料對各波長輻射的吸收系數(shù)和截流子表面復(fù)合率。 光電導(dǎo)光譜響

5、應(yīng)特點：都有一峰值，峰值一般靠近長波限（長波限約為峰值一半處所對應(yīng)的波長）。 10. 光敏電阻是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的最典型的光電導(dǎo)器件。光敏電阻器均制作在陶瓷基體上，光敏面均做成蛇形，目的是要保證有較大的受光表面。上面帶有光窗的金屬管帽或直接進(jìn)行塑封，其目的是盡可能減少外界（主要是濕氣等有害氣體）對光敏面及電極所造成的不良影響，使光敏電阻器性能保持穩(wěn)定，工作可靠。光敏電阻光譜響應(yīng)特性主要由所用的半導(dǎo)體材料所決定，主要是由材料禁帶寬度所決定，禁帶寬度越窄，則對長波越敏感。但禁帶很窄時，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運動加快，靈敏度降低，因此采用冷卻光敏面的辦法來提高靈敏度是很有效

6、的。光敏電阻一般用于與人眼有關(guān)的儀器，在使用時，必須加濾光片修正光譜。第一章作業(yè)1、什么是光譜響應(yīng)率？根據(jù)器件與光源的光譜曲線說明光譜匹配系數(shù)的意義。2、某光電二極管，受波長為1.55um 的6x1012 個光子的照射，其間輸出端產(chǎn)生 2x1012個光子。試計算該光電子器件的量子效率和響應(yīng)度。3、什么是器件的最小可探測輻射功率和探測率？探測率表達(dá)式的意義如何？4、半導(dǎo)體發(fā)生本征光吸收的條件是什么？第二章1. 光生伏特效應(yīng)：兩種半導(dǎo)體材料或金屬/半導(dǎo)體相接觸形成勢壘，當(dāng)外界光照射時，激發(fā)光生載流子，注入到勢壘附近形成光生電壓的現(xiàn)象。 結(jié)型光電探測器與光電導(dǎo)探測器的區(qū)別:（1）產(chǎn)生光電變換的部位不

7、同。（2）光電導(dǎo)型探測器沒有極性，且工作時必須有外加電壓，而結(jié)型探測器有確定的正負(fù)極，不需外加電壓也可把光信號變?yōu)殡娦盘?。?）光電導(dǎo)探測器為均質(zhì)型探測器，載流子馳豫時間長，頻率響應(yīng)特性差。而結(jié)型探測器頻率特性好，靈敏度高。雪崩式光電二極管、光電三極管還有內(nèi)增益作用，可以通過較大的電流。2. 外接電路開路（斷路）時，光生載流子積累在PN結(jié)兩側(cè)，光生電壓最大，此時的光生電動勢Uoc稱為開路電壓。外接電路短路時，流過電路的電流Isc稱為短路電流，就是光生電流。3. 光電池在受光表面上涂保護(hù)膜，如鍍SiO2、MgF2。目的是減小反射損失，增加對入射光的吸收，同時又可以防潮防腐蝕。上電極一般多做成柵指

8、狀，其目的是便于透光和減小串聯(lián)電阻。 通常在用單片光電池組裝成電池組時，可以采用增加串聯(lián)片數(shù)的方法來提高輸出電壓，用增加并聯(lián)片數(shù)的方法來增大輸出電流。4. 光電二極管與光電池的主要區(qū)別： （1）結(jié)面積大小不同，光電二極管的要小很多。結(jié)電容很小，頻率特性好； （2）PN結(jié)工作狀態(tài)不同，光電池PN結(jié)工作在零偏置狀態(tài)下。而光電二極管工作于反偏工作狀態(tài)下，光電流小 。 光電二極管分類：按工作基礎(chǔ)分：有耗盡型及雪崩型。按特性分：有PN結(jié)、PIN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢壘及點結(jié)觸型等。按對光的響應(yīng)分：紫外、可見光、紅外型；按制造工藝：平面型、生長型、合金型、臺面型。5. PN結(jié)型光電二極管：根據(jù)襯底材料不同分

9、為2DU和2CU型兩種。 2DU型易形成表面漏電流流到前極，它是暗電流（噪聲）的大部分，應(yīng)禁止它流過負(fù)載。 溫度特性：光電二極管受溫度影響最大的是暗電流。 頻率特性：有兩決定因素： 1）光生載流子在耗盡層的渡越時間； 2）結(jié)電容Cj和負(fù)載電阻RL所構(gòu)成的時間常數(shù)RLCj 光電二極管等結(jié)型光電器件的噪聲主要是電流散粒噪聲和電阻的熱噪聲。6. PIN型光電二極管 特點：（1）光生電流較大，靈敏度高。 因為I層比PN結(jié)寬得多，光生載流子要多得多，光生載流子在內(nèi)建電場和反向電場作用下的漂移移動會形成較大的光電流輸出，靈敏度得以提高。（2） 響度速度快，頻率特性好。 一般說，擴(kuò)散運動的速度比漂移運動的速

10、度低得多，PIN管由于擴(kuò)散運動被抑制，所以響應(yīng)速度提高了。時間響應(yīng)特性主要取決于結(jié)電容和載流子渡越耗盡層所需要的時間。由于PIN耗盡層變寬，因此結(jié)電容變小了；同時由于I區(qū)電阻高，可承電壓高，電場強(qiáng)，載流子渡越耗盡層時間縮短了，所以時間特性變好了（頻率帶寬可達(dá)10GHz）。（3）響應(yīng)波段寬由硅材料制成的PIN管，長波段能響應(yīng)到1.1um，可以探測到1.06m的激光。7.雪崩型光電二極管(APD) 1、雪崩光電二極管原理 PN結(jié)加上相當(dāng)大的反向偏壓（略低于反向擊穿電壓）高電場光生載流子加速晶格原子-新載流子晶格原子-新載流子雪崩式載流子倍增。 頻率特點：載流子運動速度快，渡越時間短（10-10s量

11、級），所以時間特性非常好，響應(yīng)頻率可達(dá)105MHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。8.光電三極管 不僅能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，還能放大光電流。第二章作業(yè)1、結(jié)型光電探測器與光電導(dǎo)探測器的主要區(qū)別有哪些？ 2、用波長為0.83m、強(qiáng)度為3mW的光照射在硅光電池，無反射，其量子效率為0.85，并設(shè)全部光生載流子能到達(dá)電極。求： （1）光生電流。（2）T=300K、反向飽和電流為10-8A時，求光電池的開路電壓。3、 已知2CR太陽能電池的參數(shù)為UOC=0.54V，ISC=50mA，若用它進(jìn)行串并聯(lián)組合對0.5A，6V的蓄電池充電，需要多少個這樣的電池？4、光電二極管與光電池的主要區(qū)別是什么？5、某光

12、電二極管的結(jié)電容為5pF，要求帶寬為10MHz，求允許的最大負(fù)載電阻是多少？6、PIN管的時間響應(yīng)特性為什么比普通光電二極管好？ 7、說明雪崩型光電二極管的工作原理和頻率特點。第三章1. 真空光電器件的突出特點： 1) 易于在管內(nèi)實現(xiàn)快速、高增益、低噪聲的電子倍增。用于探測極微弱的光輻射和變化極快的光輻射。如光子計數(shù)器。 2) 易于制取大面積均勻的光敏面，像元密度大，可得到很高的分辨率。用于較高要求的精密測量，如光譜分析儀，掃描電鏡等。2.將半導(dǎo)體光電發(fā)射的物理過程歸納為三步： （1）半導(dǎo)體中的電子吸收入射光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài)（導(dǎo)帶）上； （2）這些被激發(fā)的電子在向表面運動的過程中因散射

13、而損失掉一部分能量； （3）到達(dá)表面的電子克服表面電子親和勢EA而逸出。3. 把電子從體內(nèi)導(dǎo)帶底逸出真空能級所需的最低能量稱為有效電子親和勢EAeff，以區(qū)別于表面電子親和勢EA。 4. 如果給半導(dǎo)體的表面作特殊處理，使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降低到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢為負(fù)值，經(jīng)過這種特殊處理的陰極稱作負(fù)電子親和勢光電陰極(NEA)。 NEA電子傳輸特性： 1）參與發(fā)射的電子是導(dǎo)帶的未熱化的冷電子； 2）NEA陰極中導(dǎo)帶的電子逸入真空幾乎不需作功。5. 真空光電管光電管是根據(jù)外光電效應(yīng)原理工作的光電探測器，它把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑢儆诜浅上裥偷墓怆娖骷?光電倍增管目前普遍采用而且最

14、有效的探測微弱光輻射的器件是光電倍增管，它是光電陰極和二次電子倍增器的結(jié)合。光電倍增管結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)(光電陰極至第一倍增極的區(qū)域)，倍增系統(tǒng)(或稱打拿極系統(tǒng))、陽極(或稱收集極)。光電倍增管工作原理: 光子透過入射窗口入射在光電陰極上，電子受光子激發(fā)發(fā)射到真空中，光電子通過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級上，倍增級將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子，入射電子經(jīng)N級倍增極倍增后，光電子就放大N次，最后由陽極收集形成光電流。 光電陰極在結(jié)構(gòu)形式上分為反射型側(cè)窗式和透射型端窗式。二次電子發(fā)射系數(shù)： 二次發(fā)射系數(shù)不僅與倍增極的二次發(fā)射材料有關(guān)，且與它極間電

15、壓VD有關(guān)。電子倍增系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類： 根據(jù)工作原理可分為兩類：聚焦型、非聚焦型。6.光電倍增管的主要特性和參數(shù) 光電倍增管的頻率響應(yīng)主要受到電子渡越時間散差限制。渡越時間散差是造成脈沖展寬的主要因素。7. 暗電流 定義：當(dāng)光電倍增管完全與光照隔絕，在加上工作電壓后，陽極仍有電流輸出，輸出電流的直流部分稱為該管的暗電流，即由非光照因素引起的一切電流稱為暗電流。 引起暗電流有下列幾方面的因素：1) 熱發(fā)射2) 極間漏電3) 光反饋4) 離子反饋5) 場致發(fā)射6) 其他原因作業(yè)：1、簡述半導(dǎo)體光電發(fā)射的過程。 2、用波長為589nm光照射某光電陰極,其發(fā)射電流的光譜靈敏度為0.05A/W, 該材料的逸

16、出功為1.4eV, 求該材料的光譜量子效率、長波閾值以及發(fā)射光電子最大動能。3、什么是負(fù)電子親和勢光電陰極？4、說明光電倍增管的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。 5、某光電倍增管有10個倍增級，每個倍增級的二次電子發(fā)射系數(shù)=4，陰極靈敏度為Rk=200A/lm，陽極電流不得超過10mA，試估計入射陰極的光通量的上限。 6、光電倍增管的暗電流是指什么？引起暗電流的因素主要有哪些？第四章1. 光電成像器件按結(jié)構(gòu)分類有：像管、真空攝像管、固體成像器件等。 像管能把人眼不能觀察到的物體轉(zhuǎn)換成可見光圖像，主要用于夜視條件下的光電成像。它包括變像管和像增強(qiáng)器。 像管結(jié)構(gòu)示意圖如下，主要有三部分組成：光電陰極、電子光學(xué)

17、系統(tǒng)、熒光屏。像管的工作過程： 1、光電轉(zhuǎn)換：由光電陰極完成。微弱或不可見輻射圖像信號轉(zhuǎn)換成電子信號（電子流）; 2、電子成像：由電子光學(xué)系統(tǒng)完成（類似于光學(xué)透鏡），其上加有高電壓，能將光電陰極發(fā)出的電子流加速，并聚焦成像在熒光屏幕上； 3、增強(qiáng)亮度：高速電子流轟擊熒光屏后，屏幕發(fā)出的光要強(qiáng)于入射信號光，相當(dāng)于增強(qiáng)了圖像的亮度，對圖像做了二次轉(zhuǎn)換。2.電子光學(xué)系統(tǒng)使電子流聚焦成像的電子光學(xué)系統(tǒng)，也稱為電子透鏡。分為靜電透鏡和磁透鏡。靜電透鏡是靠靜電場來使光電子加速，并聚焦成像。磁透鏡是靠靜電場和磁場復(fù)合場來完成聚焦成像。1、非聚焦型靜電透鏡（近貼） 在陽極面上的全色電子束的最大彌散圓半徑為：

18、從上式可以看出：陰極與陽極之間的電位差U越大，最大初電能m 及極間距離l 越小，彌散圓斑越小，圖像越清晰。通常，極間距離l總是很?。ㄐ∮?mm），而U卻很大(37KV)，所以圖像一般較清晰。3. 光學(xué)纖維面板 級間耦合幾乎全部采用纖維面板。4. 像管一般入射于光電陰極的光是物體的反射光。對同一光源，陰極長波響應(yīng)大者，提供的初始對比度高。對同一陰極，不同的光源情況(如星光和月光)，光源光譜偏向長波者，能提供較高的初始對比。 由于光電陰極長波閾值總是大于眼睛，所以光電陰極所提供的初始對比度總是大于人眼。亮度增益： 像管輸出亮度L與陰極入射照度Ev之比的倍： M光出射度 lm/m2像管的傳像特性是指

19、像管在傳遞圖象時，對圖像幾何形狀的影響。圖像幾何形狀主要受到電子光學(xué)系統(tǒng)的影響。像管的時間響應(yīng)特性主要由熒光屏所決定。限制人眼分辨能力的因素有三個：物體的亮度、 視角、亮度對比度。5. 第一代微光像增強(qiáng) 利用Sb-Cs、Sb-K-Na-Cs、NEA等陰極制成的像管稱為像增強(qiáng)器，它能夠在微弱的自然光條件下實施觀察，所以又稱為微光像增強(qiáng)器或微光管。第一代微光管由三個單管串聯(lián)而成，成像質(zhì)量明顯提高。但仍工作于被動觀察方式。主要缺點是有強(qiáng)光暈光現(xiàn)象。微通道板：是帶有許多微通道孔的薄板，厚12mm，每個微通道內(nèi)表面電阻很大，可連續(xù)進(jìn)行二次電子發(fā)射，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)106的電子倍增。采用微通道板的像管，稱為微

20、通道板像增強(qiáng)器，屬于第二代微光夜視器件。第二代微光管倍增效果好，像管體積小。制作CEM的材料目前主要有兩種：高鉛玻璃、陶瓷半導(dǎo)體。關(guān)于MCP的增益: 1、對于一個固定尺寸的MCP,增益隨所加電壓U增加而升高。 2、在電壓確定時，G隨的變化有一最佳值。在某個長徑比時，增益最大，即存在一個最佳長徑比。45附近時,增益最大。 3、計算分析表明：U=22時,增益G有極大值。由此,MCP兩端加1000V電壓為佳。 4、一般隨著開口面積增大，增益隨之增大?？墒褂脭U(kuò)口技術(shù)來提高開口面積?，F(xiàn)在開口面積一般在60以上。6. 第二代微光像增強(qiáng)器采用了微通道板作為電子倍增器。近貼式MCP像增強(qiáng)器：光電陰極、MCP、

21、熒光屏之間都是近貼，不倒像，圖像不放大。靜電聚焦式MCP像增強(qiáng)器：靜電透鏡成像在MCP平面上，MCP與屏近貼，成倒像。7. 三代微光管的特點： 采用了雙近貼結(jié)構(gòu)，陰極、與熒光屏之間都為近貼結(jié)構(gòu)。 陰極為GaAs/InGaAs NEA光電陰極。 采用了高增益、低噪聲、長壽命的MCP。 MCP電子輸入端面鍍了近3-10nm厚的離子阻擋膜（Al2O3），以減少離子反饋對陰極的損害。 四代微光像增強(qiáng)器兩個特征： 采用體電導(dǎo)MCP， 并使光電陰極與MCP間采用自動脈沖門控電源。1）體電導(dǎo)MCP2）自動脈沖門控電源作業(yè)： 1、說明像管的結(jié)構(gòu)和工作原理。 2、試說明在像管中，提高光電陰極長波響應(yīng)對增加對比度

22、的意義。 3、某二級級聯(lián)像管，兩個光電陰極均為S-25，它對標(biāo)準(zhǔn)光源的積分靈敏度R=400A/lm，兩個熒光屏均為P-20，發(fā)光效率為50 lm/W，各級電壓均為12KV，各級電子光學(xué)系統(tǒng)透過系數(shù)和放大率均為1，不考慮極間耦合損失的情況下，試計算它對星光下綠色草木反射光的亮度增益GL。第六章1. 電荷耦合器件的基本原理MOS電容的電荷分布在一定厚度的半導(dǎo)體表面層內(nèi)，這個帶電的層稱為空間電荷區(qū)。1、UG0 （反偏） 多數(shù)載流子耗盡?？臻g電荷區(qū)兩端的電勢差稱為表面勢，規(guī)定表面電勢比內(nèi)部高時，取正值。3、UG0，繼續(xù)增大。表面處能帶進(jìn)一步向下彎曲，這意味著表面處的電子濃度將超過空穴濃度而變得很高，即

23、形成與原來半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類型相反的層，叫做反型層。4、 UG0，自由電荷進(jìn)入勢阱CCD就是在非穩(wěn)定條件下工作的MOS電容器的集成。CCD的勢阱深度和存貯電荷能力都是由表面勢所決定。表面勢與柵壓，氧化層電容，受主濃度以及勢阱中的自由電子濃度有關(guān)。2. 電荷耦合原理 CCD工作在深耗盡區(qū)，可以用電注入或光注入的方法向勢阱注入電荷，勢阱中的自由電荷通常稱為電荷包。 在提取信號時，需要將電荷包有規(guī)則地傳送出去，這一過程叫做CCD的電荷轉(zhuǎn)移，它是靠各個MOS柵極在時鐘電壓作用下，以電荷耦合方式實現(xiàn)的。 CCD器件基本結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號輸入結(jié)構(gòu)、信號輸出結(jié)構(gòu)。在實際的供電系統(tǒng)中，C

24、CD根據(jù)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)（外接脈沖相數(shù)）的不同，分為二相、三相、四相結(jié)構(gòu)； CCD根據(jù)轉(zhuǎn)移信道結(jié)構(gòu)（電荷轉(zhuǎn)移時所經(jīng)過的道路）的不同，又分為表面溝道和體內(nèi)溝道結(jié)構(gòu)。目前常用的橫向限制方法有：溝阻擴(kuò)散（或注入）法、氧化物臺階法。電注入型輸入方法有很多（保證線性轉(zhuǎn)移）。主要有動態(tài)電流積分法、二極管截止法、電位平衡法等。其中，電位平衡法應(yīng)用最廣泛。 引起電荷包不完全轉(zhuǎn)移的原因有：表面態(tài)對電子的浮獲、時鐘頻率過高、體內(nèi)缺陷對電荷包的作用，如自感應(yīng)電場、熱擴(kuò)散、邊緣電場等。其中前二者是主要原因。CCD電荷貯存容量越大，處理電荷的能力就越強(qiáng)，動態(tài)范圍就越好。兩相線陣CCD成像器件結(jié)構(gòu)包括光敏區(qū)、存貯電極、電荷轉(zhuǎn)

25、移電極、CCD移位寄存器、輸出機(jī)構(gòu)和補償機(jī)構(gòu)。面陣CCD成像器件根據(jù)信號電荷轉(zhuǎn)移和讀出的結(jié)構(gòu)方式不同通常分為三種類型：幀/場轉(zhuǎn)移(FT)、行間轉(zhuǎn)移(IT)、幀行間轉(zhuǎn)移(FIT)。2. 光電門+FD方式：優(yōu)點：噪聲小。掩埋型光電二極管+FD方式：優(yōu)點：較低的暗電流，且無電極材料吸收光的現(xiàn)象。作業(yè)：1、用三相CCD結(jié)構(gòu)說明電荷耦合轉(zhuǎn)換的原理。2、CCD器件的基本結(jié)構(gòu)包括哪些？3、說明BCCD與SCCD之間的區(qū)別。4、說明幀/場轉(zhuǎn)移面陣CCD的工作原理。5、說明行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD的工作原理。6、試列表比較CCD與CMOS傳感器的特性。7、CCD與CMOS圖像傳感器在儲存同時性方面有什么區(qū)別？ 1答：

26、電荷的耦合轉(zhuǎn)換過程分為四步如下：（1）勢阱的形成如圖(a)，在三金屬柵極上加三相電壓V1、V2、V3，則在其表面下形成與電壓大小成線性關(guān)系的耗盡層，即所謂勢阱。（2）電荷的存貯如圖(b)，若V2電壓高于其他電壓，則它下面的勢阱比其他柵極下的勢阱要深，電荷存貯在里面形成電荷包。（3）電荷的傳輸如圖(c)，若在V3上加高于V2的電壓，則在V3相應(yīng)柵極下形成比V2下更深的勢阱，由于電極間隔很小，相鄰兩勢阱將合并一起，電荷也將不受阻礙地轉(zhuǎn)入更深勢阱，從而使電荷得以傳輸。（4）形成新的存貯狀態(tài)如圖(d)，此時V1=V2，V3V1。 電荷包向右移動了一個位置。第八章1. 利用熱效應(yīng)探測和觀察外來輻射而制成

27、的器件稱為熱探測器。熱探測器的基本原理： 分類：1）直接利用輻射所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。根據(jù)溫度的變化來探測輻射，以溫度來度量熱。2）利用輻射產(chǎn)生熱，熱能再轉(zhuǎn)換為電或磁效應(yīng)，通過對電或磁量的度量來探測輻射的大小 。2. 微測輻射熱計的工作原理：物體熱輻射經(jīng)過凸鏡聚焦，成像在熱敏探測器陣列上，熱輻射導(dǎo)致探測器溫度變化，溫度變化又導(dǎo)致熱敏元的電阻的變化，通過回路把電阻變化信號取出，就可以探測外界的熱輻射。3. 微機(jī)械制成的微輻射計可以分為兩種結(jié)構(gòu)類型: 單層結(jié)構(gòu)和兩層結(jié)構(gòu)。 與單層結(jié)構(gòu)相比，因為它允許了更大的填充系數(shù)(讀出電路可以處在硅微橋下面)和更大的紅外光吸收率(在腔體下方產(chǎn)生一個共振光學(xué)腔)，這種結(jié)

28、構(gòu)還可以減少熱傳導(dǎo)系數(shù)，起到微觀隔熱的效果。 目前，微測輻射熱計主要是“兩層”結(jié)構(gòu)類型作業(yè)：1、紅外探測的兩種主要形式是什么？2、對于熱探測器，如何有效地提高溫升？3、概述微測輻射熱計的工作原理。4、簡述“兩層”微測輻射熱計陣列的微橋結(jié)構(gòu)的特點？ 第九章1. 熱釋電探測器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)來探測光輻射或熱輻射能量的器件。其特點是工作頻率高，靈敏度高，尤其在高溫、低溫探測領(lǐng)域是其他探測器件無法取代的。 晶體的自發(fā)極化：在自然條件下，晶體的某些分子正負(fù)電荷中心不重合，具有一定固有的偶極矩，在垂直極軸的兩個端面上就會造成大小相等，符號相反的面束縛電荷。這樣的晶體也稱為極化晶體。 熱釋電效應(yīng)：極化晶體受

29、熱輻射照射時，由于溫度的改變使熱電晶體的偶極矩發(fā)生變化，極化強(qiáng)度和面束縛電荷發(fā)生變化，結(jié)果在垂直于極化方向的晶體兩個外表面之間出現(xiàn)電壓，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 鐵電體具有電滯回線現(xiàn)象，是目前熱釋電探測器的重要組成材料。作業(yè)：1、什么是熱釋電效應(yīng)？為什么熱釋電探測器只能測量變化的或經(jīng)過調(diào)制的熱輻射？ 2、熱釋電探測器適合在什么樣的溫度區(qū)間工作，為什么？1什么是光譜響應(yīng)率？根據(jù)器件與光源的光譜曲線說明光譜匹配系數(shù)的意義。答：光譜響應(yīng)率：光電器件在單色 (在波長附近一個很小的波長范圍里) 輻射功率作用下產(chǎn)生的信號電壓或信號電流。 光譜匹配系數(shù)反映了器件響應(yīng)的波長范圍同光源光譜的吻合程度，可用面積A

30、1，A2表示， 在光源固定的情況下,面積A1是不變的,如果與曲線重合得愈多,面積A2愈大, 愈大，也就是光譜匹配愈好;反之,如果兩曲線沒有重合之處,=0,即二者完全失配,則該光電器件對光源輻射沒有探測能力。2什么是器件的最小可探測輻射功率和探測率？探測率表達(dá)式的意義如何？答：當(dāng)輸出信號電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時的探測器的入射輻射功率叫做最小可探測輻射功率，也叫做噪聲等效功率NEP 。 對Pmin取倒數(shù)可作為衡量探測器探測能力的參數(shù)，稱為探測率。 意義：表示探測器接收面積為1cm2，工作帶寬為1Hz時的單位入射輻射功率所產(chǎn)生的信噪比。3半導(dǎo)體發(fā)生本征光吸收的條件是什么？答：本征吸收條件：光子

31、的能量必須大于或等于禁帶的寬度Eg。 4什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？答：光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時，吸收光子引起載流子濃度增大，產(chǎn)生附加電導(dǎo)率使電導(dǎo)率增加，這個現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。在外電場作用下就能得到電流的變化。1結(jié)型光電探測器與光電導(dǎo)探測器的主要區(qū)別有哪些？ 答：結(jié)型光電探測器與光電導(dǎo)探測器的區(qū)別: （1）產(chǎn)生光電變換的部位不同。（2）光電導(dǎo)型探測器沒有極性，且工作時必須有外加電壓，而結(jié)型探測器有確定的正負(fù)極，不需外加電壓也可把光信號變?yōu)殡娦盘?。?）光電導(dǎo)探測器為均質(zhì)型探測器，載流子馳豫時間長，頻率響應(yīng)特性差。而結(jié)型探測器頻率特性好，靈敏度高。雪崩式光電二極管、光電三極管還有內(nèi)增益作用，可以

32、通過較大的電流。2光電二極管與光電池的主要區(qū)別是什么？答：光電二極管與光電池的主要區(qū)別： （1）結(jié)面積大小不同，光電二極管的要小很多。結(jié)電容很小，頻率特性好；（2）PN結(jié)工作狀態(tài)不同，光電池PN結(jié)工作在零偏置狀態(tài)下。而光電二極管工作于反偏工作狀態(tài)下，光電流小 。3 PIN管的時間響應(yīng)特性為什么比普通光電二極管好？ 答：一般說，擴(kuò)散運動的速度比漂移運動的速度低得多，PIN管由于擴(kuò)散運動被抑制，所以響應(yīng)速度提高了。 時間響應(yīng)特性主要取決于結(jié)電容和載流子渡越耗盡層所需要的時間。由于PIN耗盡層變寬，因此結(jié)電容變小了；同時由于I區(qū)電阻高，可承電壓高，電場強(qiáng)，載流子渡越耗盡層時間縮短了，所以時間特性變好

33、了（頻率帶寬可達(dá)10GHz） 。 4說明雪崩型光電二極管的工作原理和頻率特點。 答：雪崩光電二極管原理：PN結(jié)加上相當(dāng)大的反向偏壓（略低于反向擊穿電壓）高電場光生載流子加速晶格原子-新載流子晶格原子-新載流子雪崩式載流子倍增。頻率特點：載流子運動速度快，渡越時間短（10-10s量級），所以時間特性非常好，響應(yīng)頻率可達(dá)105MHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。1 簡述半導(dǎo)體光電發(fā)射的過程。 答： 將半導(dǎo)體光電發(fā)射的物理過程歸納為三步： （1）半導(dǎo)體中的電子吸收入射光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài)（導(dǎo)帶）上； （2）這些被激發(fā)的電子在向表面運動的過程中因散射而損失掉一部分能量； （3）到達(dá)表面的

34、電子克服表面電子親和勢EA而逸出。2什么是負(fù)電子親和勢光電陰極？答：如果給半導(dǎo)體的表面作特殊處理，使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降低到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢為負(fù)值，經(jīng)過這種特殊處理的陰極稱作負(fù)電子親和勢光電陰極(NEA)。3說明光電倍增管的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。答：光電倍增管結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)(光電陰極至第一倍增極的區(qū)域)，倍增系統(tǒng)(或稱打拿極系統(tǒng))、陽極(或稱收集極)。工作原理: 光子透過入射窗口入射在光電陰極上，電子受光子激發(fā)發(fā)射到真空中，光電子通過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級上，倍增級將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子，入射電子經(jīng)N級倍

35、增極倍增后，光電子就放大N次，最后由陽極收集形成光電流。4光電倍增管的暗電流是指什么？引起暗電流的因素主要有哪些？答：當(dāng)光電倍增管完全與光照隔絕，在加上工作電壓后，陽極仍有電流輸出，輸出電流的直流部分稱為該管的暗電流，即由非光照因素引起的一切電流稱為暗電流。 引起暗電流有下列幾方面的因素： 1) 熱發(fā)射2) 極間漏電3) 光反饋4) 離子反饋5) 場致發(fā)射6) 其他原因。1說明像管的結(jié)構(gòu)和工作原理。答：像管結(jié)構(gòu)主要有三部分組成：光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、熒光屏。像管的工作過程： 1、光電轉(zhuǎn)換：由光電陰極完成。微弱或不可見輻射圖像信號轉(zhuǎn)換成電子信號（電子流）; 2、電子成像：由電子光學(xué)系統(tǒng)完成（類

36、似于光學(xué)透鏡），其上加有高電壓，能將光電陰極發(fā)出的電子流加速，并聚焦成像在熒光屏幕上； 3、增強(qiáng)亮度：高速電子流轟擊熒光屏后，屏幕發(fā)出的光要強(qiáng)于入射信號光，相當(dāng)于增強(qiáng)了圖像的亮度，對圖像做了二次轉(zhuǎn)換。2試說明在像管中，提高光電陰極長波響應(yīng)對增加對比度的意義。答：對同一光源，陰極長波響應(yīng)大者，提供的初始對比度高。這就是為什么陰極響應(yīng)要向紅外延伸的原因。 對同一陰極，不同的光源情況(如星光和月光)，光源光譜偏向長波者，能提供較高的初始對比。由于光電陰極長波閾值總是大于眼睛，所以光電陰極所提供的初始對比度總是大于人眼。3何為光學(xué)傳遞函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)？調(diào)制傳遞函數(shù)和對比度度傳遞的關(guān)系如何？答：光學(xué)傳

37、遞函數(shù)：輸出函數(shù)的傅里葉變換與輸入函數(shù)的傅里葉變換之比。它也等于光學(xué)系統(tǒng)對線擴(kuò)散函數(shù)的傅里葉變換；調(diào)制傳遞函數(shù)等于正弦圖案的對比傳遞系數(shù)。M(f)=1,像和物的調(diào)制度相同；M(f)=0,則不論物的調(diào)制度如何，像的調(diào)制度為0，即強(qiáng)度是均勻的一片，分不出圖像，一般M(f)V1。電荷包向右移動了一個位置。2CCD器件的基本結(jié)構(gòu)包括哪些？答：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號輸入結(jié)構(gòu)、信號輸出結(jié)構(gòu)。3說明BCCD與SCCD之間的區(qū)別。答：1) BCCD中傳遞信息的電子是N層中的多子，而SCCD的是P層中少子。2) BCCD的信息電荷集中在半導(dǎo)體內(nèi)Z平面附近，而SCCD中的信息電荷是集中在界面處的薄反型層

38、中，所以BCCD處理電荷的能力低。3) BCCD具有較高的轉(zhuǎn)移效率，轉(zhuǎn)移損失比SCCD小12個數(shù)量級。4說明幀/場轉(zhuǎn)移面陣CCD的工作原理。答：（1）光積分：在一場圖像時間內(nèi)，光生信號電荷被收集在整個光敏區(qū)勢阱中，形成與光像對應(yīng)的電荷圖形。（2）幀轉(zhuǎn)移：在幀轉(zhuǎn)移脈沖作用下，光敏區(qū)的信號電荷平移到暫存區(qū)。（幀脈沖過后，光敏區(qū)又處于第二場積分） （3）行轉(zhuǎn)移：在行轉(zhuǎn)移脈沖驅(qū)動下，暫存區(qū)將全部信號自下而上一行一行地轉(zhuǎn)移到水平讀出寄存器。（4）位轉(zhuǎn)移：已進(jìn)入讀出寄存器的信號電荷，在相當(dāng)于行正程期間，由水平時鐘驅(qū)動，快速地一行接一行將一行內(nèi)的電荷包一個個讀出，在輸出級得到視頻信號。5說明行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD的工作原理。答：（1）光敏元在積分期內(nèi)積累的信號電荷包，在轉(zhuǎn)移柵控制下水平地轉(zhuǎn)移入垂直寄存器。（2）在相當(dāng)于水平消隱期間，在b1、 b2作用下，暫存區(qū)將原來從光敏區(qū)平移來的信號自下而上一行一行地轉(zhuǎn)移到水平讀出寄存器。（3）已進(jìn)入讀出寄存器的信號電荷，在相當(dāng)于行正程期間，由水平時鐘驅(qū)動，快速地一行接一行將一行內(nèi)的電荷包順序讀出，在輸出極上得到視頻信號。6CCD與CMOS器件在信號讀出動作上有何差異？那個與LSI制造更兼容？答：CCD只能將信號依照像素的排列順序輸出； CMOS與像素排