-傳感器課件39-PPT

1、由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達(dá)30級(jí)。通常為1214級(jí)。使用時(shí)在各個(gè)倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場(chǎng)。8.3.2 光電倍增管及其基本特性1IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT2入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極A34光電倍增管的電流放大倍數(shù)為如果n個(gè)倍增電極二次發(fā)射電子的數(shù)目相同,則in 因此陽極電流為i in,M與所加的電壓有關(guān)。一般陽極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個(gè)相鄰的倍

2、增電極的電位差為50100V。主要參數(shù)：1.倍增系數(shù)M：等于各個(gè)倍增電極的2次發(fā)射電子數(shù)i的乘積。5一個(gè)光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度.(2) 光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度最大靈敏度可達(dá)10A/lm太高，不能受強(qiáng)光照射。圖8-7 光電倍增管的特性曲線25 50 75 100 125106極間電壓/V倍增系數(shù)M1051041036（3）暗電流和本底電流由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。在其受人眼看不到的宇宙射線的照射后，光電倍增管會(huì)有電流信號(hào)輸出本底

3、脈沖。4.光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的相似。7國(guó)產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)88.4 內(nèi)光電效應(yīng)器件8.4.1 光敏電阻1. 光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理AE電極半導(dǎo)體玻璃底板RLEIRG圖8-8 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接9如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大?。?10光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、很長(zhǎng)的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、小的體積及工藝簡(jiǎn)單，故應(yīng)用廣泛。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。 11

4、2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、光電流光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流為暗電流。在受到光照時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差為光電流。12（2）光照特性用于描述光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。多數(shù)是非線性的。不宜做線性測(cè)量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。0.050.100.150.200.250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0光通量/lm光電流/mA圖8-9 光敏電阻的光照特性13（3）光譜特性硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時(shí)要把元件和光源結(jié)合起來考慮。圖8-10 光敏電阻的

5、光譜特性0 500 1000 1500 2000 250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長(zhǎng)/nm相對(duì)靈敏度/%14(4) 伏安特性所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。0 10 20 30 40 5050100150200250I/ AU/V 圖8-11 光敏電阻的伏安特性 15（5） 頻率特性時(shí)間常數(shù)：光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時(shí)間。入射光調(diào)制頻率/Hz相對(duì)靈敏度/%0 10 102 103 10420406080100硫化鎘硫化鉛圖8-12 光敏電阻的頻率特性 多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都很大

6、。16(6) 溫度特性峰值隨溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。204060801000 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0/m相對(duì)靈敏度（%）+20 C-20 C圖8-13 光敏電阻的光譜溫度特性17初制成的光敏電阻，性能不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照及加負(fù)載情況下，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會(huì)有變化，但最后達(dá)到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下幾乎是無限長(zhǎng)的。 （7）穩(wěn)定性188.4.2 光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。由于它可把太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此又稱為太陽能電池。它有較大面積的PN

7、結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。故光電池是有源元件。19光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見光。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。適于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等方面應(yīng)用。201. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖8-14 光電池的結(jié)構(gòu)圖下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些

8、P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。 21圖8-15 光電池的工作原理示意圖RLI-mAV+ P N當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。 222.基本特性（）光譜特性 故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表。如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波長(zhǎng)/nm0 400 600 800 1000 1200相對(duì)靈敏度/%圖8-16 光電池的光

9、譜特性23(2) 光照特性不同光照射下有不同光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。圖8-17 光電池的光照特性開路電壓0.10.30.2照度/lx0 2000 4000 光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短路電流開路電壓與光強(qiáng)是非線性的，且在2000 lx(光照度)時(shí)趨于飽和。光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好。24(3) 頻率特性硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面。光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。圖8-18 光電池的頻率特性20406080100硒光電池硅光電池0

10、 1500 3000 4500 6000 7500相對(duì)光電流/%入射光調(diào)制頻率/Hz25(4) 溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。 短路電流隨溫度升高而緩慢增加。 因此作測(cè)量元件時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)行溫補(bǔ)。圖8-19 光電池的溫度特性開路電壓溫度/光生電流/mA1.82.22.0光生電壓/V短路電流1002003004005000 20 40 60 80 10026第一代太陽能電池發(fā)展最長(zhǎng)久技術(shù)也最成熟?？煞譃?，單晶硅(Monocrystalline Silicon)、多晶硅(Polycrystalline Silicon)、非晶硅(Amor

11、phous Silicon)。以應(yīng)用來說是以前兩者單晶硅與多晶硅為大宗。第二代薄膜太陽能電池以薄膜制程來制造電池。種類可分為多晶硅(Polycrystalline Silicon)、非晶硅(Amorphous Silicon)、碲化鎘(Cadmium Telluride CdTe)、銅銦硒化物(Copper Indium Selenide CIS)、銅銦鎵硒化物(Copper Indium Gallium Selenide CIGS)、砷化鎵(Gallium arsenide GaAs)第三代電池與前代電池最大的不同是制程中導(dǎo)入有機(jī)物和納米科技。種類有光化學(xué)太陽能電池、染料光敏化太陽能電池、高

12、分子太陽能電池、納米結(jié)晶太陽能電池。第四代則是針對(duì)電池吸收光的薄膜做出多層結(jié)構(gòu)。278.4.3 光敏晶體管1. 光敏二極管光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。RL 光PNPN光28PNRE+-If當(dāng)光不照射時(shí)，形成微弱的反向偏置電流，又稱暗電流，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。29PNRE-+Is當(dāng)光照射時(shí)，只要光子能量hv大于禁帶寬度，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，通過PN結(jié)的反向電流大為增加 .30RE-+I當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。PN31322. 光敏三極管集電結(jié)一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照

13、射面積，且基極一般不接引線。PPN becNNPe bc33普通三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP34光敏三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基區(qū)很薄，基極一般不接引線；集電極面積較大。35ICeECIERCcNNPb36當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時(shí)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，相當(dāng)于給發(fā)射結(jié)加了正向偏壓，使電子大量流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍?；竟ぷ骶€路：cbeRL373. 光敏晶體管的主要特性(1) 光譜特性 存在一個(gè)最佳靈敏度波長(zhǎng)204

14、0608010040080012001600入射光波長(zhǎng)/nm鍺硅相對(duì)靈敏度（%）038(2) 伏安特性01234 5外加電壓（V）20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx與一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。只需把光電流看作基極電流即可。39(3) 光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(A)故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件， 也可做開關(guān)元件近似線性關(guān)系。但光照足夠大時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。40(4) 溫度特性暗電流（mA)1030507002550C200400100300 500光電流（ A)103050700C溫度變

15、化對(duì)光電流的影響很小，對(duì)暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償。41(5) 頻率特性減小負(fù)載電阻可以提高響應(yīng)頻率，但將使輸出降低。故使用時(shí)要根據(jù)頻率選擇最佳的負(fù)載電阻。硅管的響應(yīng)頻率比鍺管的好。20 406080100相對(duì)靈敏度（%）f(kHZ) 110 1000RL=1kRL=10kRL=100k428.5 新型光電傳感器8.5.1 高速光電二極管1. PIN結(jié)光電二極管PIN P、N間加了層很厚的高電阻率 的本征半 導(dǎo)體I。P層做的很薄。比普通的光電二極管施加較高的反偏壓。43入射光照射在P層上，由于P層很薄，大量的光被較厚的I層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電流；又PIN結(jié)光

16、電二極管比PN結(jié)光電二極管施加較高的反偏置電壓，使其耗盡層加寬。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在交界處形成電子和空穴的濃度差別，因此，N區(qū)的電子要向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散。圖8-28 PIN光電二極管偏壓價(jià)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光電極電極輸出端P I N44P區(qū)一邊失去空穴，留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子，在PN交界面形成空間電荷，即在交界處形成了很薄的空間電荷區(qū)，在該區(qū)域中，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方而復(fù)合掉，即消耗盡了，耗盡層的電阻率很高。擴(kuò)散越強(qiáng)，耗盡層越寬，PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，加速了光電子的定向運(yùn)動(dòng)，大大減小了漂移時(shí)間，因而提高了響應(yīng)速度。PIN結(jié)光電二極管仍然具有

17、一般PN結(jié)光電二極管的線性特性。4546 2.雪崩式光電二極管（APD）在PN結(jié)的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P +層，且在其上加上高反偏壓。偏壓輸出端價(jià)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光電極電極P+ I N圖8-29 雪崩式二極管47當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)， 光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。 新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增， 488.5.2 色敏光電傳感器不同區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)分別具有不同 靈敏度

18、，淺結(jié)對(duì)紫外光靈敏度高。NP123P+12349深結(jié)對(duì)紅外光有較高的靈敏度。即半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)分別具有不同的靈敏度。根據(jù)光學(xué)性能，不同顏色的光在不同的介質(zhì)中的穿透能力不同。利用不同介質(zhì)對(duì)某一色光的吸收，用這種色光去投射液體管道，根據(jù)接收到的光強(qiáng)來判斷管道中的液流介質(zhì)。508.5.3 光固態(tài)圖象傳感器 光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD（Charge Transfer Device），最常用的是電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）。由于它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號(hào)按順序傳送等功能，以及集成度高、功

19、耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用。511CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理CCD是一種半導(dǎo)體器件，由若干個(gè)電荷耦合單元組成。CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長(zhǎng)一層厚約120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅電極而構(gòu)成金屬-氧化物-半導(dǎo)體的電容式轉(zhuǎn)移器。其中，“金屬”為SiO2層上沉積的金屬或摻雜多晶硅電極，稱為“柵極”；半導(dǎo)體硅作為底電極，俗稱“襯底”；“氧化物”為兩電極之間夾的絕緣體SiO2。5253P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管 SiO2 CCD的MOS結(jié)構(gòu)54當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢(shì)阱），耗盡區(qū)的深度

20、隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖中1極下），形成電荷包（勢(shì)阱）。對(duì)于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。55電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下圖以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)電荷轉(zhuǎn)移過程圖t=t0t=t1t=t2t=t3056 三相控制是在線陣列的每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極P1,P2,P3,

21、依次在其上施加三個(gè)相位不同的控制脈沖1，2，3，見圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時(shí)，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時(shí)，由于兩電勢(shì)下面勢(shì)阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；57當(dāng)P1回到低電位時(shí)，電荷包全部流入P2下的勢(shì)阱中（t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢(shì)阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，

22、便實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。58 CCD 圖像傳感器是利用CCD 的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移雙重功能。當(dāng)一定波長(zhǎng)的入射光照射到光敏元上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)（光生電荷），電子被吸引存儲(chǔ)在勢(shì)阱中。其數(shù)目與光照時(shí)間和光強(qiáng)度成正比。使用時(shí)鐘控制將CCD 的每一位下的光生電荷依次轉(zhuǎn)移出來，分別從同一輸出電路上檢測(cè)出，就可以得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD 上的光學(xué)圖象轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)“圖象”592線型CCD圖像傳感器 線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵,如圖所示。在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極,由一個(gè)P型溝阻使其在電氣上隔

23、開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。60在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。61實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中

24、的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，就形成了原來光敏信號(hào)電荷的順序。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出623面型CCD圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種形式。 圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。63二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)溝阻P1 P