chapter 3深圳大學 光電檢測技術(shù) 課件

光電檢測系統(tǒng)的光電接收器件文僑E-mail:wenqiao@深圳大學光電工程學院331房間《光電檢測技術(shù)》課程2光電接收器件被測量光電變換所需信息光學量電學量光電檢測系統(tǒng)光電接收器件：將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的器件光電接收器件3光電效應與三個諾貝爾獎1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應1905年赫茲學生勒納德進行陰極射線的研究而獲得諾貝爾獎勒納德發(fā)現(xiàn)：光電子數(shù)目隨光的強度增加而增加，可是光電子的動能只與光的頻率有關(guān)，與光的強度無關(guān)。

1921年愛因斯坦因提出光量子理論和光電方程獲得諾貝爾獎愛因斯坦：在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)1923年密立根光因電效應實驗獲得諾貝爾獎密立根：實驗證實了愛因斯坦的光電方程

h

的值與理論值完全一致4什么是光電效應？吸收光子，電子逸出金屬表面吸收光子，電子未逸出金屬表面，使其導電性能增強的現(xiàn)象外光電效應（光電子發(fā)射效應）內(nèi)光電效應光電效應：因光照使物體導致

電學特性改變的現(xiàn)象光電效應光電效應現(xiàn)象5當A+，K

－：有光電流光電效應的實驗規(guī)律光電效應實驗當電壓達到某一值U0

時，光電流恰為0。U0稱反向遏止電壓。光電子動能轉(zhuǎn)換成電勢能截止電壓的大小反映光電子初動能的大小。當A－，K

+：電場阻礙電子運動OOOOOOVGAKOOmIs飽和電流光強較強IU0OU光強較弱遏止電壓光電效應伏安特性曲線6①光電流與光強的關(guān)系光電流強度與入射光強度成正比②截止頻率0——紅限對于每種金屬材料，都相應的有一確定的截止頻率0

當入射光頻率

>0

時，電子才能逸出金屬表面當入射光頻率

<0

時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面與光強無關(guān)光電子初動能反向遏止電壓光電流正比于光強③光電效應是瞬時的光電效應的實驗規(guī)律從光開始照射到光電逸出所需時間<10-9s7經(jīng)典電磁理論光電子的能量應該隨著光強度的增加而增大，不應該與入射光的頻率有關(guān)，更不應該有什么截止頻率經(jīng)典電磁理論：8愛因斯坦的光量子假設(shè)光量子假設(shè)光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為的光是由大量能量為=h光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運動。在光電效應中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮拥膭幽蹺k0。由能量守恒可得出：愛因斯坦光電效應方程9外光電效應器件——光電發(fā)射二極管光電發(fā)射二極管結(jié)構(gòu)光電發(fā)射二極管組成：光電陰極+陽極發(fā)射電子接收電子光電發(fā)射二極管實物10外光電效應器件——光電發(fā)射二極管充氣光電發(fā)射二極管示意圖電子來源：①外光電效應產(chǎn)生的發(fā)射電子

②電子與氣體分子碰撞電離電子充氣光電發(fā)射二極管比真空光電發(fā)射二極管電流大十倍11外光電效應器件真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:

構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點是靈敏度高.所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差12外光電效應器件——光電倍增管（PMT）濱松R105型光電倍增管光電倍增管組成：光電陰極+若干倍增極+陽極

若每一倍增極電子增加

倍，n個倍增極則陽極收集電子為陰級發(fā)射電子的推薦電壓分配比：

管腳分布：

13光電倍增管的供電電路圖光電倍增管供電電路R105光電倍增管極限工作條件絕對最大值：14光電倍增管電源濱松CC238高壓電源

CC238是一種管座式高壓模塊，內(nèi)含線性分壓器，配合光電倍增管使用。使用簡單，只需提供+15V輸入和一個50K電位器調(diào)整便能正常工作。

CC238外形尺寸與接線

各種各樣的電位器15光電倍增管電源CC238高壓電源特征參數(shù)：16光電倍增管使用注意事項不使用時需放暗室中避光儲存使用時需將光電倍增管放暗室里避光使用，只對入射光起作用（無光入射時的電流為暗電流）光電倍增管的靈敏度很高，不能受強光照射，否則將會損壞。高壓變化將對光電倍增的靈敏度產(chǎn)生顯著的影響。高壓變化１％，其增益變化大約為１０％出現(xiàn)疲勞效應時，需要暗室保存數(shù)小時后才能使用

疲勞效應：光電倍增管受到較強光的照射，其靈敏度就會下降，而暗電流則會增加，避光保存數(shù)小時后，光電倍增管的這種效應則會逐漸消失

17光電效應要求會使用要求會使用要求會使用18光電導效應器件什么是光電導效應？光電導效應：因光照使半導材料中導帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)空穴濃度增加（即電子—空穴對增加），從而使電導率變大光電導原理EiEg19光電導效應器件——光敏電阻當無光照時，光敏電阻值很大，電路中電流很小

光敏電阻暗電阻->暗電流亮電阻->亮電流當有光照時，光敏電阻值急劇減小，電流迅速增大20

光敏電阻阻值對光照特別敏感，是一種典型的利用光電導效應制成的光電探測器件。光電導效應器件——光敏電阻本征型，可用來檢測可見光和近紅外輻射非本征型，可以檢測紅外和遠紅外波段的輻射21組成：它由一塊涂在絕緣基底上的光電導材料薄膜和兩端接有兩個引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。光敏電阻在電路中的符號光敏電阻結(jié)構(gòu)22光電導效應器件——光敏電阻23增益系數(shù)：光電流與入射光引起的單位時間電荷量的比值。光敏電阻的特性光電導靈敏度：光電導與輸入光照度E之比。:光電導（西門子S）E

:照度（勒克斯lx）:入射通量（流明lm)24光電特性：表征光電流與照度（或光通量）之間的關(guān)系。光敏電阻的特性（1）弱光時，光電流與光通量成線性關(guān)系（2）強光時，光電流與光通量成拋物線光敏電阻光電特性強光照下光電特性的分析：

光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導致載流子運動加劇，因此復合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）25伏安特性：在一定的光照下，光電流與所加電壓的關(guān)系光敏電阻的特性在一定光照下，光敏電阻為純電阻，滿足歐姆定律光敏電阻伏安特性額定功耗線26溫度特性：溫度的變化，引起溫度噪聲，導致其靈敏度、光照特性、響應率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導體受溫度影響更明顯。光敏電阻的特性光敏電阻溫度特性27前歷效應：

1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時后指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測試前光敏電阻所處狀態(tài)對光敏電阻特性的影響。

暗態(tài)前歷效應：指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后光電流上升的越慢程度。工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應就越重。光敏電阻的特性28亮態(tài)前歷效應：光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。光敏電阻的特性29時間、頻率響應：時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。光敏電阻的特性光敏電阻時間響應特性光敏電阻頻率響應特性30光譜特性：相對靈敏度與波長的關(guān)系

光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。光敏電阻的特性光敏電阻的光譜特性204060801004080120160200240λ/μm312相對靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛31光敏電阻特點及應用光譜響應范圍寬，從可見到遠紅外工作電流大，可達數(shù)毫安所測光強范圍寬，即可測弱光，也可測強光強光照射下光電線性度差光電馳豫過程較長，頻率特性較差優(yōu)點：不足：應用范圍：主要應用于光電自動控制、輻射探測等方面32光敏電阻蜂鳴器實物圖光照強度變化光敏電阻電阻變化電路電流變化J蜂鳴器光敏電阻電路圖光敏電阻應用例子——光電報警電路33光敏電阻應用例子——路燈自動控制電路采用光敏電阻控制的路燈自動控制電路半波整流電路：由電阻R、電容C和二極管D組成光控繼電路：由CdS光敏電阻和繼電開關(guān)J組成KJ要實用還需增加：閃電光輻射、人為光源（手電燈等）對控制電路的干擾措施34光敏電阻應用例子——火災探測電路火焰探測電路PbS光敏電阻：暗電阻1M歐姆，亮電阻0.2M歐姆，峰值響應波長2.2微米，恰好為火焰峰值輻射光譜。C2電容：發(fā)生火災時，跟隨火焰“跳變”信號經(jīng)C2耦合入V2、V3

組成的高輸入阻抗放大器放大35光電導現(xiàn)象——半導體材料的“體”效應光電導效應36光伏現(xiàn)象——半導體材料的“結(jié)”效應光生伏特效應內(nèi)光電效應有：光電導效應、光生伏特效應等PN結(jié)的形成：擴散（多子）與漂移（少子）相平衡37光生伏特器件利用半導體PN結(jié)光伏效應制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，其中包括各種光電池、

光電二極管、光電晶體管、光電場效應管、PIN管、雪崩光電二極管、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD）、電荷耦合器、光電耦合器件等。和光電導探測器不同，光伏探測器的工作特性要復雜一些。通常有光電池和光電二極管之分，也就是說，光伏探測器有著不同的工作模式。①零外偏壓時，稱為光伏工作模式。②外加反向偏壓，即外加P端為負、n端為正的電壓時，稱為光導工作模式38PN結(jié)的形成擴散前：P區(qū)空穴（多子）可移動，負離子不可動N區(qū)電子（多子）可移動，正離子不可動P型半導體和N型半導體都為電中性擴散后：多子擴散到對方并復合掉，形成耗盡層在耗盡層P區(qū)剩下不可動的負離子（-）在耗盡層N區(qū)剩下不可動的正離子（+）形成由N指向P的內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙多子擴散，促進少子漂移擴散和漂移平衡，PN結(jié)處動態(tài)平衡濃度差使載流子發(fā)生擴散運動

N區(qū)P區(qū)電子·空穴·內(nèi)電場阻礙擴散，促進漂移N區(qū)P區(qū)電子·空穴·39當光照射到光電二極管的光敏面上時，會在整個耗盡區(qū)(高場區(qū))及耗盡區(qū)附近引起受激躍遷現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對。耗盡區(qū)受到光的照射pnhv光生伏特效應40產(chǎn)生的電子空穴對在外部電場作用下定向移動，被電極收集產(chǎn)生電流外加反向電壓收集光生載流子pnE光生電流

I光生伏特效應N接正P接負41iu第一象限是正偏壓狀態(tài)，多子導電，電流本來就很大，所以光生載流子不起重要作用。LD激光器是正向偏壓。作為光電探測器，工作在這一區(qū)域沒有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)。少子導電，光生載流子是流過探測器的主要電流。反向偏壓有利于提高靈敏度和響應頻率。LD工作模式光電池工作模式光電探測器工作模式無光照射時對應著暗電流42iu第四象限中外偏壓為零。流過探測器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時探測器的輸出是通過負載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)。LD工作模式光電池工作模式光電探測器工作模式43

偏置方式一：光電二極管收光照時Vout下降

典型偏置方式之一光電二極管結(jié)構(gòu)及電路符號典型偏置方式之一光電二極管及典型偏置方式負極正極根據(jù)照材料和工藝的不同，國產(chǎn)光電二極管有2CU型和2DU型偏置方式二：光電二極管收光照時Vout上升44第一部分數(shù)字字母字母(漢拼)數(shù)字字母(漢拼)電極數(shù)材料和極性器件類型序號規(guī)格號2—二極管3—

三極管第二部分第三部分A—鍺材料N型B—鍺材料P型C—硅材料N型D—硅材料P型A—鍺材料PNPB—鍺材料NPNC—硅材料PNPD—硅材料NPNP—普通管W—穩(wěn)壓管K—開關(guān)管Z—整流管U—光電管X—低頻小功率管G—高頻小功率管D—低頻大功率管A—高頻大功率管第四部分第五部分例：

3AX313DG12B3DD6PNP低頻小功率鍺三極管NPN高頻小功率硅三極管NPN低頻大功率硅三極管

3CG

3AD3DK

PNP高頻小功率硅三極管PNP低頻大功率鍺三極管NPN硅開關(guān)三極管國產(chǎn)半導體器件命名方式45國外半導體器件命名方式由于歷史發(fā)展的原因，各國對半導體器件命名的方法各不相同。日本半導體分立器件的命名方法第一部分：用數(shù)字表示器件的電極數(shù)，0：光電管，1：二極管，2：三極管。第二部分：S:已在日本電子工業(yè)協(xié)會（JEIA）注冊的標志。第三部分：用字母表示材料和極性的類型：A：PNP高頻，B：PNP低頻，C：NPN高頻，D：NPN低頻，F(xiàn)：P控制極可控硅，G：N控制極可控硅，H：N基極單結(jié)晶體管，J：P溝道場效應管，K：N溝道場效應管，M：雙向可控硅。第四部分：器件在JEIA的登記號，性能相同，但不同廠家的產(chǎn)品可用同號。第五部分：A,B,C,表示該型號是原型號的改進型號。

46日本半導體器件的型號命名方法日本（日本工業(yè)標準JIS）例如：2SA733（PNP型高頻晶體管）2：晶體管S：已在JEIA注冊的產(chǎn)品A：PNP型高頻管733：JEIA登記序號2SC4706（NPN型高頻晶體管）2：晶體管S：已在JEIA注冊的產(chǎn)品C：NPN型高頻管733：JEIA登記序號47國際電子聯(lián)合會半導體器件命名方法歐共體等國家使用第1部分：器件材料（字母）第2部分：器件類型及特性（字母）第3部分：登記號（數(shù)字）第4部分：分類（字母）例如：BU208硅材料大功率開關(guān)晶體管B：硅材料U：大功率開關(guān)管208：登記序號48實用常規(guī)電子產(chǎn)品網(wǎng)站中發(fā)網(wǎng)：///華強電子市場：/賽格電子網(wǎng)：/常規(guī)電子產(chǎn)品交易查詢網(wǎng)站：北京地區(qū):深圳地區(qū):常規(guī)電子產(chǎn)品資料下載網(wǎng)站：/國外:國內(nèi):49光電三極管（光敏三極管、光電晶體管）NPN光電三極管可等效為一個光電二極管和一個普通晶體管組合而成。光電三極管結(jié)構(gòu)及電路符號光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT）光電三極管的結(jié)構(gòu)和普通晶體管類似，但它的外殼留有光窗目前使用較多的是NPN（3DU）和PNP（3CU）兩種類型光電三極管原理圖光電三極管圖形符號50光電二極管、光電三極管光譜響應曲線光電二極管、光電三極管特性光照特性：相對靈敏度與波長的關(guān)系光譜響應主要由制作器件所使用的材料特性決定注意：在光電檢測課程中，頻率是指光強度變化的頻率，而不是光場變化的頻率，光場的頻率一般用光譜來表示。光電接收器件都存在一最佳靈敏度的峰值波長51光電管的頻率特性曲線光電二極管特性頻率特性：光電流與光照調(diào)制頻率之間的關(guān)系光電三極管的頻率響應比光電二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在2KHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。為什么頻率升高了，靈敏度下降？52光電管的光照特性曲線光電二極管、光電三極管特性光電二極管：光照特性為線性關(guān)系,適合檢測方面的應用。光電三極管：光照特性近似為線性關(guān)系，當光照足夠大（幾Klx）時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，多用于作控制系統(tǒng)的開關(guān)元件，有是也可作線性元件光照特性：光電流與照度之間的關(guān)系53光電二極管、光電三極管伏安特性曲線光電二極管、光電三極管特性光電二極管：光電流幾乎與外加電壓無關(guān)的恒流源（有前提條件）光電三極管：電壓大小對電流的影響比光電二極管的大伏安特性：光電流與外加電壓之間的關(guān)系54光電三極管、光電二極管比較光電三極管：輸出光電流大

光照特性“非線性”，頻率特性較差常作控制系統(tǒng)的開關(guān)元件光電二極管：輸出光電流小

光照特性線性好，頻率特性較差常作線性檢測元件55原理：在光生電流尚未遇到后續(xù)電路的熱噪聲時已經(jīng)在高電場的雪崩區(qū)中得到放大，因此有助于提高接收機靈敏度雪崩二極管（AvalanchePhotoDiode,APD）56APD工作過程57APD雪崩光電二極管雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，典型工作電壓約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應。由于雪崩反應是隨機的，所以噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。該管響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。雪崩二極管APD合適工作點：接近反向擊穿電壓，但不超過理想的穩(wěn)定APD工作點：

1.穩(wěn)壓

2.恒溫APD工作電路舉例：恒溫箱理想APD工作條件59ADP應用——激光雷達OrganicAirVehicle(100-maltitude)Phase1OAVLadarSystemMass:0.34kgVolume:3litersPower:5W(PINPhotodiode，簡稱PINPD)在摻雜濃度很高的P型半導體和N型半導體之間夾著一層本征半導體，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，如圖所示。這樣可以提高其響應速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)電容變得更小，頻率響應高，帶寬可達10GHz；線性輸出范圍寬特點：應用：光通信、光雷達等快速光檢測領(lǐng)域

光經(jīng)波導從I層進入PIN光電二極管61PIN光電二極管結(jié)構(gòu)PIN光電二極管工作原理63PIN是為提高光電轉(zhuǎn)換效率而在PN結(jié)內(nèi)部設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導體（I層）以擴大耗盡層寬度的光電二極管。http://www.thorlabs.hk/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=28564反向偏壓光電探測器特性比較PN光電二極管是反向偏壓光電探測器的基礎(chǔ)①

PIN光電二極管較PN光電二極管增加了I層，PN結(jié)層的間距加寬，結(jié)電容變?。ǔＳ酶咚偬綔y）消耗層加寬，提高了光電轉(zhuǎn)化效率②

APD由于雪崩層的存在（因此，外接工作電壓約100-200V）響應速度、靈敏度高（常用微光探測）但是雪崩層引起噪聲大是該管子目前主要缺點③光電晶體管由于引入了普通晶體管靈敏度高（與光電二極管比較），輸出電流大但是光電特性不如光電二極管強光照射下輸出電流與照度線性度差，多作為光電開關(guān)或邏輯元件PN、PIN工作無需高壓APD工作需高壓光電晶體管工作無需高壓65硅光電池光電池按襯底材料導電類型分離：2CR系列（N型襯底）2DR系列（P型襯底）從命名規(guī)則可知是國產(chǎn)光電池66iu第一象限正偏壓，第三象限反偏壓，第四象限中外偏壓為零。流過探測器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時探測器的輸出是通過負載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)。LD工作模式光電池工作模式光電探測器工作模式67光電池特性68光電池特性69光電池特性70光電池特性71光電池外接電路外接電路外接電路的等效電路72光電池主要有兩大類型的應用：將光電池作能量轉(zhuǎn)換器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是人們探索新能源的一個重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應用。隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會逐漸下降，太陽電池將獲得更廣泛的應用。將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應用，需要光電池具有靈敏度高、響應時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中。光電池應用73光電池作能量轉(zhuǎn)換器件使用：光電池應用光電池驅(qū)動的涼帽74光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。光電池工作時不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應用光電池應用75光電池應用光電自動跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖76光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

下圖為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執(zhí)行機構(gòu)按預定的方式工作或進行跟蹤。當系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構(gòu)進行糾正，以此達到跟蹤的目的。光電自動跟蹤系統(tǒng)中的光電池部分的電路：光電池應用77光電耦合器光電耦合器：是發(fā)光器件與接收器件組合的一種元件。發(fā)光器件：

常采用發(fā)光二極管接收器件：常用光電二極管、光電三極管、光集成電路等78光電耦合器應用例1：用光電耦合器隔離的高壓穩(wěn)壓電路高壓區(qū)低壓區(qū)光79例2.計算機系統(tǒng)中終端設(shè)備

與主機的隔離運行大型計算機主機用戶終端設(shè)備光光電耦合器應用80某些晶體材料（如鐵電晶體）具有自發(fā)極化現(xiàn)象，自發(fā)極化的大小在溫度有稍許變化時就有很大的變化。溫度恒定時，由自發(fā)極化產(chǎn)生的表面電荷吸附空氣中的電荷達到平衡；材料吸收紅外光后引起溫度升高，極化強度會減小，單位面積的表面電荷相應減少，一部分吸附電荷被釋放；若與一個電阻連成回路，電路中就會有電流產(chǎn)生，如圖所示。這種因溫度變化引起自發(fā)極化強度變化的現(xiàn)象被稱為熱釋電效應。熱釋電效應81當溫度變化ΔT在材料各處一致時，熱釋電效應可以借助熱釋電系數(shù)p表示為：ΔP=pΔT

式中P是自發(fā)極化。右圖是鈦酸鋇熱釋電系數(shù)變化規(guī)律，由圖可見，溫度越接近居里溫度點（TC），熱釋電系數(shù)越大。居里溫度82生物機電83制作干手機可參考隨機延時電路和固定延時電路。注意：人感器必須隔熱，出風口與感應窗口要分離。

熱釋電效應應用——紅外自動干手機熱釋電效用探測器光電耦合器●

在房間無人時會自動停機的空調(diào)機、飲水機●電視機能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機的機構(gòu)●您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其它電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品熱釋點效應可能的應用：84光生伏特器件光電導效應為半導體的“體“效應；光生伏特效應為半導體的“結(jié)”效應器件這類器件品種很多，其中包括各種光電池、

光電二極管、光電晶體管、PIN管、雪崩光電二極管、光電耦合器件、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD）、電荷耦合器等。85位置敏感探測器：可以檢測光位置的器件，也稱為坐標光電池位置敏感探測器（PositionSensitiveDetectors，PSD）入射光電利用位置敏感探測器，將入射光的坐標轉(zhuǎn)換成電流一維PSD斷面圖PSD原理圖86固體成像器件87實物圖像?圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實物盡量真實地反映到虛擬的圖像上固體成像器件88如何準確地描述一幅圖像89感光芯片的設(shè)計思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應的灰度填充。90實物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷固體成像器件91實物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備固體成像器件92實物圖像光子模擬量（電壓）電荷日光監(jiān)視器光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備模擬相機+監(jiān)視器固體成像器件93實物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源PC存儲處理模擬采集卡光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備模擬相機+模擬采集卡固體成像器件94實物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源A/D轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備PC數(shù)字采集卡數(shù)字相機+數(shù)字采集卡固體成像器件95

由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對微觀的電荷進行量化操作。就需要一個精密的器件來完成這兩個過程。

我們常用的是

CCD

和CMOS固體成像器件96光電轉(zhuǎn)換電路放大A/D光子電子電壓數(shù)字信號CMOS芯片可以在像素上同時完成這兩個步驟CCD與CMOS的光電轉(zhuǎn)換示意圖由上面兩圖可看出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是CMOS的

電荷到電壓轉(zhuǎn)換過程是在每個像素上完成的CCD固體成像器件97CCD與CMOS比較從以上的對比可以看出：CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢。而常見的高速相機則會采用CMOS芯片。CCDCMOS電路更改方便固定速度慢快噪聲好差靈敏度好差功耗毫安級微安級成本高低固體成像器件98固體成像器件主要有：CCD:電荷耦合器件ChargeCoupledDevices①

1969發(fā)明于美國諾貝爾實驗室②

固體成像器件的基礎(chǔ)，③2009年獲得諾貝爾獎CMOS:ComplementaryMetalOxideSemiconductor①基于場效應晶體管的基本結(jié)構(gòu)②

原理及使用方法與CCD類似

固體成像器件99CCD結(jié)構(gòu)CCD結(jié)構(gòu)包括感光二極管（Photodiode），也稱為光敏單元并行信號寄存器（ShiftRegister）-用于暫時儲存感光后產(chǎn)生的電荷串行信號寄存器（TransferRegister）-用于暫時儲存并行積存器的模擬信號并將電荷轉(zhuǎn)移放大信號放大器-用于放大微弱電信號數(shù)摸轉(zhuǎn)換器-將放大的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號100MOS光敏元CCD產(chǎn)生與存儲電荷原理MOS光敏元構(gòu)成：金屬、氧化物、半導體材料光敏元工作原理：①金屬電極所加的電壓透過SiO2對P型硅的載流子進行排斥與吸引，形成耗盡層，對電子而言形成電勢阱②光敏單元受光照射，光子能量被吸收產(chǎn)生電子-空穴對③各個光敏元電荷的不等形成潛在圖像CCD的像素數(shù)是指上光敏元的數(shù)量101A光電轉(zhuǎn)換B電荷儲存C電荷轉(zhuǎn)移D轉(zhuǎn)化為電壓量CCD芯片的工作方式：CCD芯片102

CCD單元部分，就是一

個由金屬-氧化物-半導體（MOS）組成的電容器。

這一裝置能夠完成光電轉(zhuǎn)換。A光電轉(zhuǎn)換CCD芯片103

當向CCD單元電極施加正電壓時，會產(chǎn)生能儲存電荷的勢阱。由于極板上的正電荷總量恒等于勢阱中自由電荷加上負離子的總和，隨著電荷的不斷注入，勢阱會不斷變淺，直至飽和.B電荷儲存CCD芯片104這一過程存在著以下問題：

當一個像素聚集過多的電荷后，就會出現(xiàn)電荷溢出

溢出的電荷會跑到相臨的像素勢阱里去。這樣電量

就不能如實反映原物。也就是常說的blooming。

要避免這種情況發(fā)生的方法：A把桶做大些B減少測量時間C把滿的水倒出一些D做個導流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里

CCD芯片105當一個CCD芯片感光完畢后。每個像素所轉(zhuǎn)換的電荷包，就按照一行的方向

轉(zhuǎn)移出CCD感光區(qū)域。為下一次感光釋放空間。C電荷轉(zhuǎn)移CCD芯片106CCD中電荷的轉(zhuǎn)移光敏元中電荷的轉(zhuǎn)移：◆柵極電壓大小決定勢阱深淺◆相鄰勢阱深淺的差異來疏導電荷轉(zhuǎn)移◆通過相線來實現(xiàn)循環(huán)光敏元中電荷的轉(zhuǎn)移1072V10V2V2Va存有電荷的勢阱b2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2Vcde108CCD中電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD結(jié)構(gòu)及傳輸原理圖t1t2t3相線三相：表示以3個光敏元為一個循環(huán)結(jié)構(gòu)109

電荷轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域的時間，需要抑制新的電荷注入到芯片。在此，我們加入快門。機械快門（需要相機的曝光信號，速度慢）

電子快門整幀電子快門

（CCD芯片不通

電即不工作）

滾動電子快門

CCD中快門110Globalshutter（全局電子快門）Rollingshutter（滾動電子快門）t1t2t3t4t5t6t1t2t3t4CCD中快門111CCD中電荷的讀出P型Si襯底耗盡區(qū)輸出U0OGSiO2相線N型半導體反向PN結(jié)電荷讀出方法：①P、N型半導體形成反向PN結(jié)耗盡層②輸出柵OG控制電荷轉(zhuǎn)移到耗盡層③轉(zhuǎn)移進來的電荷在耗盡層作為少數(shù)載流子定向移動RL112CCD最重要的兩個性能對光的敏感度1.芯片材質(zhì)2.單位像素尺寸幀速度1.曝光時間2.芯片的傳輸速度——芯片的傳輸方式?jīng)Q定的CCD性能指標113根據(jù)陣列排布方式的不同，CCD成像器件分為線陣和面陣兩大類。線陣CCD的構(gòu)造相對簡單。只是單行的感光和轉(zhuǎn)移。面陣CCD復雜一些。常見的面陣芯片的轉(zhuǎn)移方式：隔行轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移全幀轉(zhuǎn)移。線陣CCD與面陣CCD114

線陣CCD115計數(shù)：計數(shù)器用來記錄驅(qū)動周期的個數(shù)，N+m，考慮到“行回掃”的時間需要，采用過驅(qū)動，m為過驅(qū)動的次數(shù)。線陣CCD工作過程框圖線陣CCD器件線陣CCD工作過程116面陣CCD面陣CCD能在x、y兩個方向都能實現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。

117200萬和1600萬像素的面陣CCD

面陣CCD（續(xù)）

118

面陣CCD（續(xù)）

119行轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)面陣CCD工作過程常見的面陣CCD有隔行轉(zhuǎn)移和幀轉(zhuǎn)移和全幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)行轉(zhuǎn)移面陣CCD隔行傳輸?shù)暮锰幵谟?，感光和傳輸不在同一列，從而避免了兩者之間的沖突。但缺點在于，芯片并不是所有面積都在感光。這樣，對于定位測量要求比較高的話，會有影響。120幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)面陣CCD工作過程幀/場轉(zhuǎn)移面陣CCD暫存區(qū)用于暫存來自光敏區(qū)的電荷暫存區(qū)結(jié)構(gòu)和單元數(shù)與成像區(qū)相同暫存區(qū)和移位寄存器（水平讀出寄存器）均作遮光處理。芯片的一半像素感光，另一半被遮住。傳輸時，首先感光部分快速向不感光部分的對應位置轉(zhuǎn)移。之后每一列再向串行寄存器上對應的位置轉(zhuǎn)移。同時，感光部分的空間由于沒有了電荷可以繼續(xù)感光。優(yōu)勢：利用了像素之間轉(zhuǎn)移快的特點。優(yōu)點:傳輸快。121Fullframetransfer（全幀轉(zhuǎn)移）芯片的每一個像素都感光。傳輸時，每一列向單行串行寄存器上相對應的位置轉(zhuǎn)移。同時，串行寄存器向陣列的出口轉(zhuǎn)移。全幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)面陣CCD工作過程122在CCD的設(shè)計過程中，還有一些非常有用的技術(shù)。123基于驅(qū)動電路的設(shè)計，原則上，CCD芯片可以完成如下功能：對任意相鄰行和列的數(shù)據(jù)進行合并輸出（在不過飽和的前提下）在串行寄存器中，對不感興趣的數(shù)據(jù)可以直接清零CCD驅(qū)動電路設(shè)計有用技術(shù)124ACEGBDFHabcdefghefghBinning2*2約節(jié)約1/2的時間圖為原來1/4但很亮相臨4個像素的電荷相臨2像素的電荷Binning的實質(zhì)在于把相臨幾個像素所積累的電荷累加起來。作為一個電荷進行轉(zhuǎn)換。這樣做的效果，相當于把幾個像素拼成了一個大像素使用。優(yōu)點：速度、亮度得到提高。缺點：分辨率降低。1.合并輸出CCD驅(qū)動電路設(shè)計有用技術(shù)1251111222233334444設(shè)置感興趣區(qū)域（AOI）要得到第3+4行數(shù)據(jù)：line1+line2清零line3輸出line4輸出2.寄存器清零操作CCD驅(qū)動電路設(shè)計有用技術(shù)126多溝道傳輸

前面所講的都是按照單行、單列的模式進電荷傳輸?shù)?。實際上如果一行的像素太多必然會影響傳輸速度。這時需要使用多溝道傳輸設(shè)計。CCD驅(qū)動電路設(shè)計有用技術(shù)127

單溝道線型CCD

雙溝道線陣CCD

轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低、調(diào)制只適用于像素單元較少的成像器件。轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率大大提高。普通分辨率4096線陣CCD采集速度：10-15KHzBaslersprint分辨率4096線陣CCD采集速度：140KHzCCD驅(qū)動電路設(shè)計有用技術(shù)128彩色形成：需要同一點的R/G/B三原色的數(shù)值。AAR

AG

AB彩色CCD1291.棱鏡3CCD彩色相機

利用棱鏡，將光線折射成三部分。在R，G，B三束光線的

方向上分別帖上三片感光片，各自感光。彩色CCD1302.BAYER彩色相機

利用BAYER濾光片，讓相臨四個像素分別只能接收R，G，G，B光。每個像素輸出的信息只是相應色光的灰度值。之

后，通過軟件合成為彩色。這樣，每個像素的彩色信息其實

是不獨立的，依賴于相臨像素的信息。彩色CCD131顏色變化不大顏色變化很大彩色CCD1323

layerCCD彩色相機使用RGB3層芯片重疊放置，由于不同能量的光子對芯片物質(zhì)的穿透率差異，可以通過計算在每一層上感光的電荷數(shù)目來獲知最初入射的原始光子情況。從而知道每一個點的RGB值光線彩色CCD133彩色線陣芯片的結(jié)構(gòu)單行Bayer3CCD水平排列RGB棱鏡3CCD彩色CCD134有效像素多，拍攝的圖像精度更高幀頻高，速度快，拍攝的運動過程更細致CCD的芯片的圖像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS，但速度比CMOS慢像素尺寸大，能夠更多地接收光子，不容易飽和對于高精密測量，應盡量使用整個像素面積都感光的芯片使用多通道傳輸?shù)男酒?，能提高傳輸速度使?-CCD技術(shù)的彩色相機，色彩更真實CCD性能小結(jié)135典型CCD用法(以TCD1209D型號為例)TCD1209D器件是一種很典型的線陣CCD，詳細資料請見TCD1209D.PDF文檔行周期（積分時間）SHTCD1209D時序電路圖SH低電平，形成勢阱電荷定向轉(zhuǎn)移輸出電荷時的復位脈沖緩沖控制脈沖輸出信號136/products-and-services/high-performance-imaging-solutions/imaging-solutions-cmos-ccd-emccd/datasheets/大面積CCD產(chǎn)品現(xiàn)狀型號為CCD231-84，像素為4096(H)

x

4112(V)，像素大小為15

μm，面積為61.4*61.4mm，量子效率也高達90%。137/products-and-services/high-performance-imaging-solutions/imaging-solutions-cmos-ccd-emccd/datasheets/大面積CCD產(chǎn)品現(xiàn)狀型號為CCD231-84，像素為4096(H)

x

4112(V)，像素大小為15

μm，面積為61.4*61.4mm，量子效率也高達90%。138/products/fpa/ccd/area/index.htm大面積CCD產(chǎn)品現(xiàn)狀型號為CCD486的CCD，像素為4096*4096，像素大小為15um,面積為61.4*61.4mm,該CCD有背光照明和前照兩種方式，背光照明量子效率90%，前照為40%。139/products/fpa/ccd/area/ccd_595.htmCCD型號為CCD595像素為9216x9216，像素大小為8.75μmx8.75μm，面積為80.64mmx80.64mm。

大面積CCD產(chǎn)品現(xiàn)狀140固體成像器件及其應用固體成像器件的應用圖8-82CMOS器件的應用情況保安監(jiān)視PC攝像頭機頂盒玩具醫(yī)療儀器數(shù)碼相機手機可視電話生物特征識別PDA條碼識別汽車141CCD的應用——一些月基望遠鏡方案142線陣CCD在掃描儀中的應用

CCD圖像傳感器的應用143線陣CCD在圖像掃描中的應用線陣CCD攝像機可用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控風云一號衛(wèi)星可以對地球上空的云層分布進行逐行掃描144線陣CCD用于字符識別145CCD用于圖像記錄146彩色CCD采用三基色分離原理CCD數(shù)碼照相機的結(jié)構(gòu)147數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)解剖

（索尼F828）CCD148CCD數(shù)碼攝像機

149嫦娥一號上的CCDCCD立體相機中國首幅月圖由嫦娥一號衛(wèi)星搭載的CCD立體相機采用線陣推掃的方式獲取，軌道高度約200公里，每一軌的月面幅寬60公里，像元分辨率120米。150下圖中，左圖為第一軌原始數(shù)據(jù)（前視、正視、后視），右上圖為三維立體模型，右下圖為彩色編碼的三維立體模型。三維立體模型彩色編碼的三維立體模型俯視正視后視原始數(shù)據(jù)嫦娥一號上的CCD151光學耦合的像增強型CCD（ICCD)像增強器CCD攝像頭中繼透鏡物鏡像增強器CCD攝像頭光纖(錐)面板物鏡光錐耦合ICCD結(jié)構(gòu)示意圖光錐或光纖面板耦合IntensifiedCCD兩個環(huán)節(jié):像管實現(xiàn)圖像增強CCD實現(xiàn)電視成像;兩種耦合方式光學耦合光纖（錐）面板耦合光錐的優(yōu)勢－變放大率152光學耦合的像增強CCD（ICCD)153光學耦合的像增強CCD（ICCD)154特殊CCD——ICCD特點提高了CCD的靈敏度提供了利用普通CCD在紫外、X光波段成像的可能提供了可選通成像的可能實現(xiàn)了微光圖像、紫外成像的視頻化，并為其進一步數(shù)字化提供了可能攝像器件不再是全固體的了！攝像器件的外形尺寸、體積重量明顯加大！155特殊CCD——電子轟擊CCD（EBCCD）ElectronbombardmentCCD成像過程:光子光電子電子,BCCD通過背面照明來收集電荷，成像光子不需要通過多晶硅門電極進入CCD，克服了前照明CCD的性能限制。156特殊CCD——EBCCD特點高靈敏度，高增益，低暗電流結(jié)構(gòu)較ICCD緊湊工作壽命短！CCD在高速電子轟擊下會產(chǎn)生輻射損傷，從而導致暗電流、漏電流增加，轉(zhuǎn)移效率下降。攝像器件依然離不開真空環(huán)節(jié)！157特殊CCD——電子倍增CCD(EMCCD)EMCCD倍增原理示意圖電子倍增CCD(ElectronMultiplyingCCD)芯片的轉(zhuǎn)移寄存器和輸出放大器之間具有一個特殊的增益寄存器。158特殊CCD——EMCCD技術(shù)電離效應倍增電子示意圖增益寄存器的結(jié)構(gòu)和一般的CCD類似，只是電子轉(zhuǎn)移第二階段的勢阱被一對電極取代，第一個電極上為固定值電壓，第二個電極按標準時鐘頻率加上一個高電壓(40V~50V)。通過兩個電極之間高電壓差形成對待轉(zhuǎn)移信號電子的沖擊電離形成了新的電子。由于大幅提高了輸出信號的強度，使得CCD器件固有的讀出噪聲對于系統(tǒng)的影響減小。強電場作用下的電離造成電子數(shù)量倍增159鈔票檢查系統(tǒng)原理圖圖像傳感器應用技術(shù)需要對信號的二值化處理160信號的二值化處理

CCD傳感器光敏單元的輸出可以看成“0”、“1”信號,通過對輸出為“0”的信號進行計數(shù),即可測出物體的寬度。這就是信號的二值化處理。實際應用時,物像邊緣交界處光強是連續(xù)變化的,而不是理想的階躍跳變,要解決這一問題可用兩種方法:比較整形法;或者微分法。

圖像傳感器應用技術(shù)161比較器輸出CCD輸出濾波輸出參考電平tt10n個脈沖在低電平期間對計數(shù)脈沖進行計數(shù),從而得np

。信號二值化法——比較整形法162

比較整形法計數(shù)脈沖CCD低通濾波比較器計數(shù)顯示參考電平+－信號二值化法——比較整形法163濾波后CCD視頻信號AA，微分絕對值微分過零觸發(fā)二值化信號OOOOOOtttttt微分法波形圖信號二值化法——微分法164信號二值化法——微分法低通濾波微分絕對值微分過零觸發(fā)二值化CCD視頻信號165例子：小尺寸的檢測信號處理計數(shù)顯示控制器Ln·p

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