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文檔簡介

光電檢測技術第四章第四章發(fā)光與耦合器件主要教學內容4.1發(fā)光二極管和激光器4.1.1發(fā)光器件4.1.2激光器4.2光電耦合器件4.3CCD光源分類:(根據(jù)頻譜寬度)非相干光源4.1發(fā)光二極管和激光器熱輻射光源(如白熾燈)氣體放電光源(如汞燈、脈沖氙燈)固體發(fā)光光源(如發(fā)光二極管)相干光源:激光(波長范圍窄)1.白熾光源

用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通,一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。

發(fā)光范圍:可見光、大量紅外線和紫外線,所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。

特點:壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差,但對接收光敏元件的光譜特性要求不高,是可取之處。4.1發(fā)光二極管和激光器2.氣體放電光源定義:利用電流通過氣體產生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。

氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的,光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小,可得到主要在某一光譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源,統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm,鈉燈的輻射波長為589nm,可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑,由于光線與涂層材料的作用,熒光劑可以將氣體放電譜線轉化為更長的波長,通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長,如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3第四章發(fā)光與耦合器件主要教學內容4.1發(fā)光二極管和激光器4.1.1發(fā)光二極管4.1.2激光器4.2光電耦合器件4.3CCD4.4.1發(fā)光二極管(Lightemittingdiode)特點:由半導體PN結構成,其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕,因此獲得了廣泛的應用。

半導體中,由于空穴和電子的擴散,在PN結處形成勢壘,從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。當PN結上加有正向電壓時,勢壘降低,電子由N區(qū)注入到P區(qū),空穴則由P區(qū)注入到N區(qū),稱為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復合,注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復合,這種復合同時伴隨著以光子形式放出能量,因而有發(fā)光現(xiàn)象。

發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結區(qū)的注入與復合而產生發(fā)光的一種半導體光源,也稱作注入式場致發(fā)光光源發(fā)光二極管的工作原理:P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出發(fā)光二極管結構原理1、ELED(側面發(fā)光型)的結構(Flash演示)2、SLED(正面發(fā)光型)的結構(Flash演示)

出射光束是朗伯型,平行于PN結結平面的方向光束發(fā)散角為1200,垂直于結平面的方向,光束發(fā)散角為300。發(fā)光二極管的類型:側面發(fā)光型ELED和正面發(fā)光型SLED光譜特性:LED的發(fā)光譜決定其發(fā)光顏色,目前可實現(xiàn)各類顏色。LED具有正的溫度系數(shù),溫度升高時,發(fā)射波長紅移,約為:0.2-0.3nm/度0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAs0.6P0.4λp=690nmλp=650nmGaP(Zn,N)λp=565nmGaP(Zn,O)λp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度發(fā)光二極管的光譜特性

發(fā)光的相對強度隨波長變化的分布曲線,它直接決定發(fā)光二極管的發(fā)光顏色,并影響其流明效率

間接躍遷型GaP的響應時間為100ns載流子復合只放出光子載流子復合放出光子和聲子響應時間:

標志器件對信息反應速度的物理量。即指器件啟亮與熄滅時間的延遲。發(fā)光二極管的響應時間一般很短。直接躍遷型GaAs的響應時間幾個ns發(fā)光二極管的P-I特性曲線:原理:由正向偏置電壓產生的注入電流進行自發(fā)輻射而發(fā)光4321050100150電流/mA輸出光功率/mW0℃25℃70℃驅動電路及伏安特性:UccRLUFIFRL為限流電阻UF和IF為二極管參數(shù)例如:GaAs電流選用20mA,GaP電流選用10mA,即可獲得足夠亮度。1.01.52.02.5120100806040200閾值特性與材料有關:GaAs是1.0V;GaAsP、GaAlAs約為1.5V;發(fā)紅光的GaP是1.8V,發(fā)綠光的GaP是2.0V,反向擊穿電壓一般在-5V以上。+5VLEDReRb2Rb1VinLED信號控制電路:

發(fā)光二極管LED介紹(補充)LED的應用:

1、數(shù)字顯示用顯示器

利用LED進行數(shù)字顯示,有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型數(shù)字顯示字段型數(shù)字顯示樹脂反射框引線框架LED芯片LED的特點:LED輻射光為非相干光,光譜較寬,發(fā)散角大。

七段式數(shù)碼管文字顯示器的內部接線14劃字碼管LED的應用

1、數(shù)字顯示用顯示器LED的特點:LED輻射光為非相干光,光譜較寬,發(fā)散角大。

2、指示、照明

單個發(fā)光二極管可在儀器指示燈,示波器標尺,收音機刻度及鐘表中的文字照明等。目前已有雙色、多色甚至變色的單個發(fā)光二極管3、光源

紅外發(fā)光二極管多用于光纖通信與光纖傳感器中。4、光電開關、報警、遙控&耦合第四章發(fā)光與耦合器件主要教學內容4.1發(fā)光二極管和激光器4.1.1發(fā)光二極管4.1.2激光器4.2光電耦合器件4.3CCD梅曼和第一只激光器4.1.2激光器激光器的種類:氣體(如He-Ne、CO2)固體(如紅寶石Al2O3)半導體(如砷化鎵GaAs)按工作物質分類激光器的工作原理:自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射——工作物質——激勵能源——光學諧振腔產生激光必要條件1.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉2.使原子被激發(fā)3.要實現(xiàn)光放大激光的形成過程:

工作物質激勵、受激輻射自激振蕩增益外界能量注入(泵浦)光學諧振腔部分反射鏡全反射鏡光學諧振腔一、氣體激光器He-Ne氣體激光器He-Ne

激光器中He是輔助物質,Ne是激活物質,He與Ne之比為5∶110∶1。Ne原子可以產生多條激光譜線,最強的三條:

0.6328m、1.15m、3.39m根據(jù)工作物質分類:紅寶石:激活離子Cr3+,波長:694.3nm,三能級;

Nd:YAG:激活離子:Nd,波長:1.06m,四能級;釹玻璃:

激活離子:Nd,波長:1.06m,四能級;

二、固體激光器1960年5月15日,加州休斯實驗室的梅曼(T.H.Maiman,1927)制成了世界上第一臺紅寶石激光器,獲得了世界上第一束激光,波長為694.3納米。紅寶石激光器燈泵浦Nd:YAG激光器

大功率激光器中,典型的Nd:YAG棒一般是長150mm,直徑7-10mm。泵浦過程中激光棒發(fā)熱,限制了每個棒的最大輸出功率。單棒Nd:YAG激光器的功率范圍約為50-800W。1kW的脈沖Nd:YAG激光器半導體激光器三、半導體激光器(LD,LaserDiode)半導體激光器是向半導體PN結注入電流,實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布,產生受激輻射,再利用諧振腔的正反饋,實現(xiàn)光放大而產生激光振蕩的。LD的工作原理和基本結構四、激光器的基本特性1、單色性

普通光的光譜成份較復雜,以日光為例,它包含著多種波長,即包含了各種顏色的光,如從紅光到紫光一概全有(相應波長從760-380nm)。在這些紅、黃、藍等各色光中也并不是單一的波長,每一種顏色的光都對應著一個波長范圍。波長范圍用“譜線寬度”來描述。各種顏色的光波的波長范圍越窄則其單色性越好。例如:紅光的波長從630-760nm,黃光的波長是從560-590nm。上述紅光、黃光等,其譜線寬度約為幾十nm到幾百nm。而He—Ne激光的譜線寬度僅為10-9nm,可見激光具有很好的單色性,是理想的單色光源。

從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度成為方向性。激光器輸出的光束發(fā)散角度很小,可以小于或等于10-3-10-5弧度。激光通過直徑為D的孔徑時,由于衍射會產生一定發(fā)散:2、方向性好

He-Ne氣體激光:3×10-4rad;固體激光:10-2rad

半導體激光:5°-10°。激光的方向性帶來兩個結果:

光源表面的亮度高;被照射地方光的照度大。

例如:一個具有10mW功率的He-Ne激光器可產生比太陽高幾千倍的亮度,可在屏幕上形成面積很小但照度很大的光斑。

激光定位、導向、測距等就利用了方向性好的特點。3、高亮度

亮度是光源在單位面積上,向某一方向的單位立體角內發(fā)射的功率。

激光的輸出功率雖然有個限度,但由于其光束細(發(fā)散特別?。?,功率密度特別大,因而其亮度也特別大。把分散在180°范圍內的光集中到0.18°范圍,亮度提高100萬倍。通過調Q等技術,壓縮脈沖寬度,還可以進一步提高亮度。4、相干性好全息照相

相干計量、全息照相、全息存儲等就利用了激光相干性好的特點。

自然光由無數(shù)的原子與分子發(fā)射,產生波長各不相同的雜亂光,合成后不能形成整齊有序的大振幅光波。相干長度只有幾個mm或幾十cm。激光是受激輻射,單色性、發(fā)散角小,在空間和時間上有很好的相干性。兩激光束合成后能形成相位整齊、規(guī)則有序的大振幅光波。相干長度達到幾十公里。采用穩(wěn)頻技術,He-Ne激光線寬可壓縮到10kHz,相干長度可達30km。

第四章發(fā)光與耦合器件主要教學內容4.1發(fā)光二極管和激光器4.1.1發(fā)光二極管4.1.2激光器4.2光電耦合器件4.3CCD光電耦合器件的工作原理:光電耦合器以光電轉換原理傳輸信息,由于光耦兩側是電絕緣的,所以對地電位差干擾有很強的抑制能力,同時光耦對電磁干擾也有很強的抑制能力。光電耦合器由發(fā)光器件(發(fā)光二極管)和受光器件(光敏三極管)封裝在一個組件內構成;當發(fā)光二極管流過電流IF時發(fā)出紅外光,光敏三極管受光激發(fā)后導通,并在外電路作用下產生電流IC。4.2光電耦合器件光耦合器件有透光型與反射型兩種。比起透光型來顯得體積小,把它放在物體的側面就能使用。

利用這一現(xiàn)象可以檢測出物體的有無。采用這種方式的耦合器件后邊連接的接口電路設計比較簡單,檢測位置精度也高。透光型反射型光電耦合器件的特點具有電隔離的功能,其輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯(lián)系,所以輸入和輸出電路得電平零位可以任意選擇;信號的傳輸是單向性的,不論脈沖、直流都可使用,適用于模擬和數(shù)字信號傳輸;具有抗干擾和噪聲的能力,作為繼電器和變壓器使用時,可以使線路板上看不到磁性元件,不受外界電磁、電源和雜光影響;響應速度快,可達微秒數(shù)量級,甚至納秒數(shù)量級;使用方便,結構小巧,防水抗震,工作溫度范圍寬;即具有耦合特性又具有隔離特性。光電耦合器件的主要參數(shù)1、電流傳輸比βIc/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1ΔIFΔIFΔIFQIFO

定義為在直流狀態(tài)下,光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比。如圖中在Q點處電流傳輸比為:如果在小信號下,交流電流傳輸比用微小變量定義:β在飽和區(qū)和截止區(qū)都變小。β與IF的關系:

由于發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比,所以β有如圖示的變化。43210

50100150

電流/mA輸出功率/mW發(fā)光二極管的P-I曲線β01020304050607012010080604020IF/mAIF與β的關系曲線2、最高工作頻率f/MHz相對輸出1.00.7070fm1fm2fm3RL1>RL2>RL3

最高工作頻率取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性。同時與負載電阻的阻值有關,阻值越大,最高工作頻率越低。光電耦合器件的應用(一)有光照時,T1飽和導通,u0≈0V光被遮時,T1截止,u0≈+5V由此對電路起控制(開關)作用。光電耦合器件的應用(二)

當u1為低電平時,V1截止,光電耦合器B1中發(fā)光二極管的電流近似為零,輸出端Q11、Q12間的電阻很大,相當于開關“斷開”;當u1為高電平時,v1導通,B1中發(fā)光二極管發(fā)光,Q11、Q12間的電阻變小,相當于開關“接通”.該電路因u1為低電平時,開關不通,故為高電平導通狀態(tài).左圖為“與門”邏輯電路。其邏輯表達式為P=A×B.圖中兩只光敏管串聯(lián),只有當輸入邏輯電平A=1、B=1時,輸出P=1.同理,還可以組成“或門”、“與非門”、“或非門”等邏輯電路.請同學們自行分析課本圖3-53,圖3-54光電耦合器件的應用(三)光電耦合器件光電耦合繼電器光電隔離器(傳感器)第四章發(fā)光與耦合器件主要教學內容4.1發(fā)光二極管和激光器4.1.1發(fā)光二極管4.1.2激光器4.2光電耦合器件4.3CCD4.3CCD(選講)電荷耦合器件(CCD)的類型:表面溝道CCD(SCCD):電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面,并沿界面?zhèn)鬏?;體溝道CCD(BCCD):電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內,并在半導體體內沿一定方向傳輸。MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片

CCD全稱電荷耦合器件,它具備光電轉換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?,具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。CCD圖像傳感器被廣泛應用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。

彩色CCD顯微照片(放大7000倍)

一個完整的CCD器件由光敏元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。

1)CCD工作時,在設定的積分時間內,光敏元對光信號進行取樣,將光的強弱轉換為各光敏元的電荷量。

2)取樣結束后,各光敏元的電荷在轉移柵信號驅動下,轉移到CCD內部的移位寄存器相應單元中。

3)移位寄存器在驅動時鐘的作用下,將信號電荷順次轉移到輸出端。

4)輸出信號可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處理設備中,可對信號再現(xiàn)或進行存儲處理。

CCD的基本工作原理工作過程:電荷的產生、存儲、傳輸&檢測。一、電荷存儲柵電極G氧化層P型半導體耗盡區(qū)反型層uG>uthuG<uthuG=0構成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導體)結構。當柵極G施加正偏壓UG之前(UG=0),P型半導體中的空穴(多數(shù)載流子)的分布是均勻的;當柵極電壓加正向偏壓(UG<Uth)后,空穴被排斥,產生耗盡區(qū),偏壓繼續(xù)增加,耗盡區(qū)進一步向半導體內延伸;當UG>Uth時,半導體與絕緣體界面上的電勢(表面勢ФS)變得如此之高,以至于將半導體體內的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面,形成電荷濃度極高的極薄反型層,反型層電荷的存在說明了MOS結構具有存儲電荷的功能。ФSUGP型硅雜質濃度Nd=1021m-3反型層電荷QINV=0

Uth=1.0V1.4V2.2V3.0Vdox=0.1um0.30.40.6表面勢與柵極電壓的關系ФSQINVdox=0.1umdox=0.2umUG=15VUG=10V表面勢與反型層電荷密度的關系曲線的直線特性好,說明兩者有著良好的反比例線性關系。可以“勢阱”的概念來解釋。u010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空勢阱填充1/3勢阱全滿勢阱

電子被加有柵極電壓的MOS結構吸引到勢能最低的氧化層與半導體的交界面處。MOS電容存儲信號電荷的容量為:Q=Cox?UG?A電荷存儲過程:

假定開始有一些電荷存儲在偏壓為10V的第二個電極下面的勢阱里,其它電極上均加有大于閾值得較低電壓(例如2V)。設a圖為零時刻,經過一段時間后,各電極的電壓發(fā)生變化,第二個電極仍保持10V,第三個電極上的電壓由2V變?yōu)?0V,因這兩個電極靠的很近(幾個微米),它們各自的對應勢阱將合并在一起。原來在第二個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。如圖b&c。若此后第二個電極上的電壓由10V變?yōu)?V,第三個電極電壓仍為10V,則共有的電荷轉移到第三個電極下的勢阱中,如圖e。由此可見,深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。二、電荷耦合2V10V2V2Va存有電荷的勢阱b2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2VcdefФ1Ф2Ф3作業(yè)1.請對第三、四章所介紹的各種光電檢測器件進行性能比較。2.各種光電檢測器件的應用選擇,在應用時要注意哪些參數(shù)和使用要點?謝謝!三、電荷的注入&檢測1、電荷的注入(1)光注入當光照射CCD硅片時,在柵極附近的半導體體內產生電子空穴對,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阱中形成信號電荷。它有可分為正面照射式&背面照射式。其光注入電荷:材料的量子效率入射光的光子流速率光敏電壓的受光面積光注入時間U+U+勢壘P-Si背面照射式光注入(2)電注入:CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣,將信號電壓或電流轉換為信號電荷。電流注入法IDuINuIDN+IGФ1Ф2Ф3Ф2PФ2ID為源極,IG為柵極,而為漏極,當它工作在飽和區(qū)時,輸入柵下溝道電流為:經過Tc時間注入后,其信號電荷量為:IDIGФ2Ф1Ф3Ф2Ф3Ф1N+P-Si電壓注入法與電流注入法類似,但輸入柵極IG加與Ф2同位相的選通脈沖,在選通脈沖作用下,電荷被注入到第一個轉移柵極Ф2下的勢阱里,直到阱的電位與N+區(qū)的電位相等時,注入電荷

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