光電檢測(cè)技術(shù)課件

光電檢測(cè)技術(shù)課件第一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號(hào)

光敏二極管接法

第二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日外加反向偏壓可以不加偏壓，與光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會(huì)少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無(wú)限地加大反向偏壓，因?yàn)樗€受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。第三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日光敏二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，光譜響應(yīng)在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測(cè)中應(yīng)用多。第四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日選擇一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢(shì)必增加了串聯(lián)電阻，使時(shí)間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時(shí)間常數(shù)。

(2)反偏下，耗盡層較無(wú)i層時(shí)要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。第五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日PIN管的最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)40GHz。另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。缺點(diǎn):

由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。第六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日雪崩光敏二極管由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機(jī)理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時(shí)間響應(yīng)特性。通過一定的工藝可以使它在1.06微米波長(zhǎng)處的量子效率達(dá)到30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。第七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日

當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很高的電場(chǎng)，使進(jìn)入場(chǎng)區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子—空穴對(duì)。新的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下分別向相反方向運(yùn)動(dòng)．在運(yùn)動(dòng)過程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。只要電場(chǎng)足夠強(qiáng)，此過程就將繼續(xù)下去，達(dá)到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。第八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日雪崩光電二極管的

倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)系曲線第九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日在偏置電壓較低時(shí)的A點(diǎn)以左，不發(fā)生雪崩過程；隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加從B點(diǎn)到c點(diǎn)增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時(shí)噪聲也顯著增加，如圖中c點(diǎn)以右邊的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是c點(diǎn)以左，否則進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)燒壞管子。由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。第十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點(diǎn)。因此它在微弱輻射信號(hào)的探測(cè)方向被廣泛地應(yīng)用。在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無(wú)缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。其缺點(diǎn)是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大。第十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日雪崩光電二極管與光電倍增管比較體積小結(jié)構(gòu)緊湊工作電壓低使用方便但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大故光電倍增管更適宜于弱光探測(cè)第十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.4 CCDCCD是一種電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)CCD的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的耦合。CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。第十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日CCD的結(jié)構(gòu)MOS光敏元：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。（Ｐ／Ｎ型層）電極第十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。當(dāng)UG＞Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。一、電荷存儲(chǔ)第十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日表面勢(shì)與柵極正偏壓的關(guān)系表面勢(shì)0.1um0.2um0.4um0.6um

柵極正偏壓第十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日表面勢(shì)與反型層電荷密度的關(guān)系表面勢(shì)反型層電荷密度第十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日勢(shì)井第十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、電荷的耦合第十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日電荷的耦合第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有。若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢(shì)阱中。這樣，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對(duì)絕大多數(shù)CCD，1μm的間隙長(zhǎng)度是足夠了。第二十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日ＣＣＤ主要由三部分組成：信號(hào)輸入、電荷、信號(hào)輸出。輸入部分：將信號(hào)電荷引入到ＣＣＤ的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢(shì)阱中，稱為電荷注入。電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入電注入：用于濾波、延遲線和存儲(chǔ)器等。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。光注入：用于攝像機(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。ＣＣＤ的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2第二十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日在ＣＣＤ柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢(shì)阱。勢(shì)阱用于存儲(chǔ)信號(hào)電荷，其深度同步于信號(hào)電壓變化，使阱內(nèi)信號(hào)電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送出視頻信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位CCD中含的MOS個(gè)數(shù)即為CCD的像數(shù)。以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為N型CCD。而以空穴為信號(hào)電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。ＣＣＤ的工作原理第二十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日CCD的特點(diǎn)體積小，功耗低，可靠性高，壽命長(zhǎng)?？臻g分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測(cè)量精度。光電靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，紅外敏感性強(qiáng)，信噪比高。高速掃描，基本上不保留殘象(電子束攝象管有15~20％的殘象)集成度高可用于非接觸精密尺寸測(cè)量系統(tǒng)。無(wú)像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計(jì)算機(jī)結(jié)合接口。第二十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日CCD的特性參數(shù)像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素?cái)?shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。44萬(wàn)（768*576）、100萬(wàn)（1024*1024）、200萬(wàn)（1600*1200）、600萬(wàn)（2832*2128）信噪比：典型值為46分貝感光范圍—

可見光、紅外第二十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日

CCD按電荷存儲(chǔ)的位置分有兩種基本類型

1、電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?/p>

——表面溝道CCD(簡(jiǎn)稱SCCD)。

2、電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，

——體溝道或埋溝道器件(簡(jiǎn)稱BCCD)。ＣＣＤ的類型第二十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日ＣＣＤ的類型線陣ＣＣＤ：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從128位至5000位以至7000位不等，由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場(chǎng)上有數(shù)十種型號(hào)的器件可供選用。面陣CCD：器件象元排列為一平面，它包含若干行和列的結(jié)合。目前達(dá)到實(shí)用階段的象元數(shù)由25萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)個(gè)不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。第二十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日線陣CCD：一行，掃描；體積小，價(jià)格低；

面陣CCD:

整幅圖像；直觀；價(jià)格高，體積大；面陣CCD芯片第二十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日CCD在檢測(cè)方面的應(yīng)用幾何量測(cè)量自動(dòng)步槍激光模擬射擊系統(tǒng)。光譜測(cè)量光譜儀輸出信號(hào)測(cè)量。第二十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日習(xí)題1、何謂直接檢測(cè)系統(tǒng)的熱噪聲限、shot噪聲限和量子噪聲限，它們的條件和信噪比分別為多少。

2、為何直接檢測(cè)系統(tǒng)不用于信噪比較低的場(chǎng)合。第三十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三章直接探測(cè)方法第三十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日光電檢測(cè)系統(tǒng)分類主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測(cè)器可見光系統(tǒng)多用于民用點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測(cè)器接受目標(biāo)的總輻射功率用面接受元件測(cè)量目標(biāo)的光強(qiáng)分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測(cè)/相干檢測(cè)系統(tǒng)(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分)第三十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日主動(dòng)系統(tǒng)通過信息調(diào)制光源,或者光源發(fā)射的光受被測(cè)物體調(diào)制.返回第三十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日被動(dòng)系統(tǒng)光信號(hào)來自被測(cè)物體的自發(fā)輻射返回第三十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日直接檢測(cè)/相干檢測(cè)直接檢測(cè):

無(wú)論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息。光電探測(cè)器直接把接受到的光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，然后，用解調(diào)電路檢出所攜帶的信息。相干檢測(cè):

利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。因?yàn)橛霉獠ǖ南喔稍?，只能用相干光。類似于無(wú)線電外茶檢測(cè)，故又稱光外差檢測(cè)。第三十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.1直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理3.1.1直接檢測(cè)基本物理過程光學(xué)濾波器光探測(cè)器+前置放大器信號(hào)處理電路信號(hào)光噪聲光電路噪聲第三十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日

將待測(cè)光信號(hào)直接入射到光探測(cè)器光敏面，光探測(cè)器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度輸出相應(yīng)的電流或電壓。光探測(cè)器的平方律特性光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方輸出的電功率正比于入射光功率的平方第三十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日上式表明，輸出電功率與輸入光功率的平方成正比。如果入射光為強(qiáng)度調(diào)制調(diào)制信號(hào)為d(t)

則第三十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.1.2直接檢測(cè)系統(tǒng)信噪比PS:輸入信號(hào)光功率,Pn:

噪聲光功率SP:輸出信號(hào)電功率,NP:輸出噪聲電功率第三十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日系統(tǒng)的基本特性第四十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、再大信噪比的條件下，光電檢測(cè)后的信噪比比光信噪比小一半，可以接受。第四十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日計(jì)算SNR系統(tǒng)總噪聲功率為：信號(hào)功率為：信噪比為：第四十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日系統(tǒng)的性能

1．熱噪聲限制條件：系統(tǒng)熱噪聲功率大于其它噪聲功率總和十倍以上，占主導(dǎo)所用。2、shot噪聲限制:條件：系統(tǒng)shot噪聲功率大于其它噪聲功率總和十倍以上，占主導(dǎo)所用。第四十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、量子噪聲限制:條件：系統(tǒng)信號(hào)光產(chǎn)生的shot噪聲功率大于其它噪聲功率總和十倍以上，占主導(dǎo)所用。第四十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日8.1.3直接探測(cè)系統(tǒng)的NEP熱噪聲限制NEP

條件：系統(tǒng)熱噪聲功率大于其它噪聲功率總和十倍以上，占主導(dǎo)所用。

shot噪聲限制NEP

量子噪聲限制NEP第四十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日fS為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩光波，這兩束相干光入射到探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)。經(jīng)探測(cè)器變換后，輸出信號(hào)中包含的差頻信號(hào)，故又稱相干探測(cè)。

光外差檢測(cè)第四十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日設(shè)入射到探測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)為：

本機(jī)振蕩光場(chǎng)為：

入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為：

基本原理第四十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日

；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項(xiàng)（和頻項(xiàng)）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項(xiàng)（差頻項(xiàng)）相對(duì)光頻而言，頻率要低得多。當(dāng)差頻低于光探測(cè)器的截止頻率時(shí)，光探測(cè)器就有頻率為的光電流輸出。

光探測(cè)器輸出的光電流第四十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日光外差檢測(cè)的特性

可獲得全部信息：不僅可探測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)，即在光探測(cè)器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、頻率和相位等全部信息；轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)１０７－１０８，對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)有利．第四十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日光外差檢測(cè)的特性

可獲得全部信息：不僅可探測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)，即在光探測(cè)器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)１０７－１０８，對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)有利。差頻信號(hào)是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差探測(cè)。

第五十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日光外差檢測(cè)的特性良好的濾波性能

取差頻信號(hào)為信息處理器的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光；而直接探測(cè)中，所有的雜散光都被接收信噪比損失小檢測(cè)靈敏度高例如：量子效率為１，Δf為１Hz，則外差檢測(cè)的靈敏度極限為１個(gè)光子第五十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器性能的要求光外差檢測(cè)對(duì)探測(cè)器的要求比直接檢測(cè)高響應(yīng)頻帶寬均勻性好工作溫度高

第五十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日光電檢測(cè)系統(tǒng)的類型直接檢測(cè)光外差檢測(cè)(相干檢測(cè))典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)第五章光電檢測(cè)系統(tǒng)第五十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日光電檢測(cè)系統(tǒng)分類主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)？(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測(cè)？/光外差檢測(cè)系統(tǒng)？(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分)第五十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期日直接檢測(cè)的基本原理直接檢測(cè)(非相干檢測(cè)): 都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息,直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化