第3章-光电检测器件-《光电检测技术及应用》课件

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,28 十一月 2024,光电检测技术及应用,第,3,章 光电检测器件,任课教师：徐熙平,目 录,3.1,光电导器件,光敏电阻,3.2,光生伏特器件,光敏二极管、硅光电池、光敏晶体管、光电位置敏感器件,3.3,光电发射器件,光电倍增管,3.4,热辐射探测器件,热敏电阻、热电偶、热电堆,3.5,热释电器件,3.6,光耦合器件,3.7,图像传感器,真空摄像管、电荷耦合器件、,CMOS,图像传感器、红外热成像、图像的增强与变像,第,3,章 光电检测器件,一、光电导器件,利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化的器件，成为光电导器件或光敏电阻。,具有体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽等优点，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。,1,、光敏电阻的原理与结构,符号,当光敏电阻受到光照时，光生电子,空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,第,3,章 光电检测器件,一、光电导器件,2,、典型光敏电阻,第,3,章 光电检测器件,一、光电导器件,CdS,光敏电阻：是最常见的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率,的光电器件,，,CdS,光敏电阻的峰值波长为,0.52m,，,在可见光波段范围内最,灵敏。它广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动调光等。,晚上，,CdS,光敏电阻阻值大，,J,的电流小，不能工作而关闭，灯亮。,白天，阻值小，,J,工作，常闭触头断开，灯灭。,第,3,章 光电检测器件,一、光电导器件,PbS,光敏电阻：,近红外波段最灵敏的光电导器件。由于在,2m,附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测、红外报警系统等领域。室温下的,PbS,光敏电阻的光谱响应范围为,1,3.5m,，峰值波长为,2.4m,。,将,PbS,光敏电阻放在光学系统的焦点上，使进入接收系统的红外线能全部会聚到探测器上。报警装置与放大器相连接，它可输出报警信号。,第,3,章 光电检测器件,一、光电导器件,InSb,光敏电阻：是,3,5m,光谱范围内的主要探测器件之一。,InSb,光敏电阻由单晶制备，制造工艺比较成熟，经过切片、磨片、抛光后，再采用腐蚀的方法减薄到需要的厚度。光敏面尺寸由,0.5mm0.5mm,到,8mm8mm,不等。大光敏面的器件由于不能做得太薄，其探测率降低。,InSb,材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜做阵列器件。,InSb,光敏电阻在室温下的长波长可达,7.5m,，峰值波长在,6m,附近。当温度降低到,-160,（液氮）时，其长波长由,7.5m,缩短到,5.5m,，峰值波长也移至,5m,，恰为大气的窗口范围。,第,3,章 光电检测器件,一、光电导器件,3,、光敏电阻的基本特性,1,）光电特性,CdS,光敏电阻光照特性,当照度很低时，曲线近似为线性，随着照度的增高，线性关系变坏，当照度升为很高时，曲线近似为抛物线形。,光电转换因子,在弱辐射作用的情况下为,1,，随着辐射的增强，,值减小，当辐射很强时,值降低到,0.5,。,第,3,章 光电检测器件,一、光电导器件,2,）伏安特性,CdS,光敏电阻的伏安特性曲线,光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量的变化而变化的。,图中的虚线为额定功耗线。使用时，应使光敏电阻的实际功耗不超过额定值。,第,3,章 光电检测器件,一、光电导器件,4,）时间响应,光敏电阻的时间响应（惯性）比其他光电器件要差些（惯性要大），频率响应要低。,光敏电阻在被强辐射照射后，其阻值恢复到长期处于黑暗状态的暗电阻,RD,所需要的时间将是相当长的。因此，光敏电阻的暗电阻,RD,常与其检测前是否被曝光有关，这个效应常被称为光敏电阻的前历效应。,光敏电阻的频率特性,1Se,光敏电阻,2CdS,光敏电阻,3TeS,光敏电阻,4PbS,光敏电阻,第,3,章 光电检测器件,一、光电导器件,6,）光谱响应,光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。,三种典型光敏电阻的光谱响应特性曲线,CdS,材料制成的光敏电阻的光谱响应很接近人眼的视觉响应，,CdSe,材料的光谱响应较,CdS,材料宽，,PbS,材料的光谱响应范围最宽，覆盖了,0.4,2.8m,的范围，,PbS,光敏电阻常用于火点探测与火灾预警系统。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,1,、光敏二极管,光敏二极管可分为以,P,型硅为衬底的,2DU,型与以,N,型硅为衬底的,2CU,型两种结构形式。,将光敏二极管的,PN,结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的,PN,结时，电子,-,空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,全电流方程与输出特性,全电流方程：,硅光敏二极管输出特性曲线 旋转后的硅光敏二极管输出特性曲线,光辐射作用下产生的光生电流。,无辐射时对应的暗电流。与普通二极管一样。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,光谱响应,典型材料的光敏二极管的光谱响应曲线,典型硅光敏二极管光谱响应长波限约为,1.1m,，短波限接近,0.4m,，峰值响应波长约为,0.9m,。硅光敏二极管光谱响应长波限受硅材料的禁带宽度,E,g,的限制，短波限受材料,PN,结厚度对光吸收的影响，减薄,PN,结的厚度可提高短波限的光谱响应。,GaAs,材料的光谱响应范围小于硅材料的光谱响应，锗（,Ge,）的光谱响应范围较宽。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,时间响应,1,）在,PN,结区内产生的光生载流子渡越结区的时间,dr,，称为漂移时间。漂移时间约为 ，为,ns,数量级。,2,）在,PN,结区外产生的光生载流子扩散到,PN,结区内所需要的时间,p,，称为扩散时间。扩散时间,p,很长，约为,100 ns,，它是限制,PN,结硅光敏二极管时间响应的主要因素。,3,）由,PN,结电容,C,j,、管芯电阻,R,i,及负载电阻,R,L,构成的,RC,延迟时间,RC,。 ，也在,ns,数量级。但是，当负载电阻,R,L,很大时，时间常数,RC,将成为影响硅光敏二极管时间响应的一个重要因素，应用时必须注意。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,噪声,包含低频噪声,I,nf,、散粒噪声,I,ns,和热噪声,I,nT,等三种噪声。其中，散粒噪声是光敏二极管的主要噪声。散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，它与电流的关系为：,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,PIN,型光敏二极管,a,）结构,b,）外形图,PIN,型光敏二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半导体，光生载流子在内建电场的作用下只产生漂移电流，因此，,PIN,型光敏二极管在反向电压作用下的时间响应只取决于,dr,与,RC,，在,10,-9,s,左右。提高了时间响应。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,PIN,型光敏二极管的工作原理,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,雪崩光电二极管,在,P,型硅基片上扩散杂质浓度大的,N,+,层，制成,P,型,N,结构。,在,N,型硅基片上扩散杂质浓度大的,P,+,层，制成,N,型,P,结构。,a,）,P,型,N,结构,b,）,N,型,P,结构,c,）,PIN,结构,必须在基片上蒸涂金属铂形成硅化铂（约,10ns,）保护环。,PIN,型雪崩光敏二极管，具有较强的抗击穿功能，不必设置保护环。市场上的均以,PIN,型为主。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,2,、硅光电池,不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的,PN,结光电器件。,太阳能硅光电池：因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。,测量硅光电池：应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。,柔光罩下面为圆形光电池,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能 硅光电池板,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,太阳能发电,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,光电池在人造卫星上的应用,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,基本结构,a,）,2DR,结构,b,）外形,c,）符号,硅光电池按衬底材料的不同可分为,2DR,型和,2CR,型。,硅光电池的受光面的输出电极多做成梳齿状或“,E,”字形电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。另外，在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透明膜，它既可以起到防潮、防尘等保护作用，又可以减小硅光电池的表面对入射光的反射，增强对入射光的吸收。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,根据光生伏特效应制成的,PN,结型器件，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。,硅光电池的工作原理示意图,硅光电池的伏安特性曲线,工作原理,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,令 ，得：,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,3,、光敏晶体管,两种基本结构：,NPN,结构,PNP,结构,用,N,型硅材料为衬底制作的光敏晶体管为,NPN,结构，称为,3DU,型；,用,P,型硅材料为衬底制作的光敏晶体管为,PNP,结构，称为,3CU,型。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,工作原理,a,）原理结构,b,）电路符号,c,）工作原理,3DU,型硅光敏晶体管,集电结,发射结,光电转换：集电结,光的放大：发射结,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,a,）光敏二极管,-,三极管集成器件,b,）光敏晶体管,-,三极管集成器件,c,）达林顿光敏晶体管,集成光电器件,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,伏安特性,光敏晶体管伏安特性曲线,光敏晶体管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。,必须在一定的偏置电压作用下才能工作。偏置电压要保证光敏晶体管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。,应使光敏晶体管工作在偏置电压大于,5 V,的线性区域。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,时间响应（频率特性）,光敏晶体管时间响应与集电流的关系曲线,一方面在工艺上设法减小结电容,C,be,、,C,ce,；另一方面要合理选择负载电阻,R,L,，尤其在高频应用的情况下应尽量降低负载电阻,R,L,。,增大输出电流可以减小时间响应，提高光敏晶体管的频率响应。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,温度特性,光敏二极管、光敏晶体管温度特性曲线,光敏晶体管亮电流,I,L,随温度的变化要比光敏二极管快。由于暗电流的增加，使输出的信噪比变差，不利于弱光信号的检测。在进行弱光信号的检测时应考虑温度对光电器件输出的影响，必要时应采取恒温或温度补偿的措施。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,光谱响应,光敏晶体管的光谱特性曲线,对于光敏二极管，减薄,PN,结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高，因为,PN,结的厚度变薄后，长波段的辐射光谱很容易穿透,PN,结，而没有被吸收。短波段的光谱容易被减薄的,PN,结吸收。因此，利用,PN,结的这个特性可以制造出具有不同光谱响应的光生伏特器件。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,4,、色敏光生伏特器件,利用不同结深,PN,结光敏二极管对不同波长光谱灵敏度的差别，实现对彩色光源或物体颜色的测量。,PN,结深，对长波光谱辐射的吸收增加，长波光谱的响应增加，而,PN,结浅对短波长的响应较好。,a),结构示意图,b),等效电路,图,3-27,双结光敏二级管色敏器件 图,3-28,双结光敏二极管的光谱响应,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,双结光敏二极管只能通过测量单色光的光谱辐射功率与黑体辐射相接近的光源色温来确定颜色。用双结光敏二极管测量颜色时，通常测量两个光敏二极管的短路电流比（,I,sc2,/,I,sc1,）与入射波长的关系。,短路电流比与入射波长的关系,非晶态硅集成全色色敏传感器的结构示意图,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,典型硅集成三色色敏器件的颜色识别电路框图,从标准光源发出的光，经被测物反射，投射到色敏器件后，,R,、,G,、,B,三个光敏二极管输出不同的光电流，经运算放大器放大、,A/D,转换，将变换后的数字信号输入到微处理器中。微处理器进行颜色识别与判别，并在软件的支持下，在显示器上显示出被测物的颜色。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,5,、光生伏特器件组合件,光生伏特器件组合件是在一块硅片上制造出按一定方式排列的具有相同光电特性的光生伏特器件阵列。具有光敏点密集，结构紧凑，光电特性一致性好，调节方便等优点，而且它独特的结构设计可以完成分立元件所无法完成的检测工作。它广泛应用于光电跟踪、光电准直、图像识别和光电编码等方面。,主要有硅光敏二极管组合件、硅光敏晶体管组合件和硅光电池组合件。它们分别排列成象限式、阵列式、楔环式和按指定编码规则组成的阵列方式。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,象限阵列式组合件,a,）二象限器件,b,）四象限器件,c,）八象限器件,象限阵列光生伏特器件组合件示意图,a,）光斑中心位置示意图,b,）二象限检测电路,光斑中心位置的二象限检测电路,一维,两象限,二维,四象限,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,和差电路,四象限组合器件的和差检测电路,u,1,、,u,2,、,u,3,、,u,4,分别为四个象限输出的信号电压经放大器放大后的电压值；,u,x,、,u,y,分别表示光斑在,x,方向和,y,方向偏离四象限组合器件中心（,O,点）的情况。,当四象限组合器件的坐标线与基准线成,时，常采用。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,直差电路,四象限组合器件的直差电路,当四象限组合器件的坐标线与基准线成,时，常采用。,电路简单，但是灵敏度和线性等特性相对较差。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,由于器件本身有明显缺陷，所以测量精度受到一定限制：,光刻分割区将产生盲区，盲区会使微小光斑的测量受到限制。,若被测光斑全部落入某一个象限光敏区，输出信号将无法测出光斑的精确位置，因此它的测量范围受到限制。,测量精度与光源的光强及其漂移密切相关，测量精度的稳定性受到限制。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,线阵列式组合件,a,）,b,）,c,）,光敏二极管线阵列光生伏特器件组合件,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,光敏晶体管线阵列器件,线阵列光生伏特器件组合件是一种能够进行并行传输的光电传感器件，在精度要求和灵敏度要求并不太高的多通道检测装置、光电编码器和光电读出装置中得到广泛的应用。但是，线阵,CCD,传感器的出现使这种器件的应用受到很大的冲击。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,楔环阵列式组合件,楔环探测器,楔环探测器中的楔形光电器件可以用来检测光的功率谱分布，极角方向（楔形区）用来检测功率在角度方向的分布，环形区探测器用来检测功率在半径方向的分布。因此，可以将被测光功率谱的能量密度分布以极坐标的方式表示。,目前，楔环探测器已广泛应用于面粉粒度分析、癌细胞早期识别与疑难疾病的诊断技术中。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,6,、光电位置敏感器件（,PSD,）,PSD,器件结构示意图,基于光生伏特器件的横向效应的器件。它对光斑的形状无严格的要求，即它的输出信号与光斑是否聚焦无关；光敏面也无需分割，消除了象限探测器件盲区的影响；它可以连续测量光斑在光电位置敏感器件上的位置，且位置分辨率高，一维的,PSD,器件的位置分辨率可高达,0.2m,。,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,一维,PSD,器件,一维,PSD,位置检测电路原理图,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,二维,PSD,器件,a) b),二维,PSD,的结构图与等效电路,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,二维,PSD,器件,a,）结构示意图,b,）等效电路,改进后的,PSD,器件的光敏面,第,3,章 光电检测器件,二、光生伏特器件,二维,PSD,光点位置检测电路原理图,当光斑落到二维,PSD,器件上时，光斑中心位置的坐标可由,PSD,检测电路进行各分支电流的加、减和除运算计算出光点的位置坐标，将位置信息经过,A/D,转换和数据采集送入到计算机，从而在计算机软件的配合下完成光点位置的检测工作。,注意：,使用,PSD,检测光斑位置时，尽量使光点位置靠近器件中心。,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,基于外光电效应做成的器件，如：真空光敏二极管、光电倍增管、变像管、像增强器和真空电子束摄像管等。,在许多应用领域，真空光电发射器件已被性价比更高的半导体光电器件所占领。,但由于真空光电发射器件具有极高的灵敏度、快速响应等特点，它在微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息的捕捉等方面应用很多，如在天文观测快速运动的星体或飞行物，材料工程、生物医学工程和地质地理分析等领域的应用。,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,1,、光电倍增管,由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。光子入射经过光入射窗到达光电阴极，产生电子发射，电子在电场和电子光学系统的作用下加速运动到第一倍增级，倍增的电子在电场作用下高速运动到第二倍增级，依此类推，,N,次倍增后被阳极收集。,光电倍增管工作原理示意图,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,端窗式和侧窗式,端窗式：百叶窗倍增极结构、盒栅倍增极结构、瓦片静电聚焦结构；,侧窗式：圆形鼠笼结构,光电倍增管,(R928),光电倍增管,BB49-CR162,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,聚焦型与非聚焦型,聚焦型：瓦片静电聚焦结构、圆形鼠笼结构；,非聚焦型：百叶窗倍增极结构、盒栅倍增极结构。,a,）百叶窗倍增极结构,b,）盒栅倍增极结构,c,）瓦片静电聚焦结构,d,）圆形鼠笼式结构,基本特性,-,灵敏度,阴极灵敏度：,阴极积分灵敏度：,阳极灵敏度：,阳极积分灵敏度：,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,基本特性,电流放大倍数（增益）,理想情况：,修正后：,锑化铯：,氧化的银镁合金：,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,基本特性,暗电流,光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下很小，一般为,10,-16,10,-10,A,，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。,但是，影响光电倍增管暗电流的因素很多，注意不到会造成暗电流的增大，甚至于无法使光电倍增管正常工作，影响光电倍增管暗电流的主要因素有：,1,）欧姆漏电,2,）热发射,3,）残余气体放电,4,）场致发射,5,）玻璃壳放电和玻璃荧光,通常比较稳定，对噪声贡献小。,制冷降温可减少该暗电流。,适当降低工作电压可减少该暗电流,通常比较稳定,负高压时增加屏蔽壳和玻璃壁管距离,随着极间电压的升高，暗电流将增大，极间电压高至,100 V,，热电子发射急剧增大；电压再继续升高就将发生气体放电、场致发射，以至于玻璃壳放电或玻璃荧光等，使暗电流急剧增加，存在使倍增管产生自持放电而损坏倍增管的危险。当然，电源电压的增高使倍增管的增益增高，信号电流也随之增大，对弱信号的检测非常有利。但是，不能过分地追求高增益而使光电倍增管的极间电压或电源电压过高。否则，将损坏光电倍增管。,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,基本特性,噪声,主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。,热噪声：,散粒噪声：,总噪声：,在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声，即：,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,基本特性,伏安特性,阴极伏安特性曲线,阳极伏安特性曲线,当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流,I,a,与入射到阴极面上的光通量,呈线性关系，而与阳极电压的变化无关。因此，可以把光电倍增管的输出特性等效为恒流源处理。,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,基本特性,线性,光电倍增管的线性一般用它的阳极伏安特性表示，它是光电测量系统中的一个重要指标。,造成非线性的原因：内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率等的变化；外因，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降，对末级倍增极电压产生的负反馈和电压的再分配等。,在较强辐射作用下倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳。这是暂时的现象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来。当然，过度的疲劳也可能造成永久损坏。,光电倍增管在正常使用的情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会逐渐下降，且不能恢复，将这种现象称为衰老。这是真空器件特有的正常现象。,基本特性,疲劳与衰老,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,供电电路,分压器电阻,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,典型电路的光电倍增管的电阻分压式供电,注：当流过分压电阻的电流,I,R,I,a,时，流过各分压电阻,R,i,的的电流近似相等。,供电电路,末级的并联电容,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,当入射辐射信号为高速迅变信号或脉冲时，末,3,级倍增极电流变化会引起,U,DD,的较大变化，引起光电倍增管的增益起伏，将破坏信息的变换。,为此，在末,3,级并联,3,个电容,C,1,、,C,2,与,C,3,，通过电容的充放电过程使末,3,级电压稳定。,基本特性,电源电压稳定度,锑化铯：,电流增益稳定度：,银镁合金：,输出信号的稳定度：,第,3,章 光电检测器件,三、光电发射器件,基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,思考：基于热效应和基于光电效应制成的器件之间的区别。,1,、热敏电阻,吸收入射辐射后引起温升而使电阻值改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件，叫做热敏电阻。,相对于一般的金属电阻，热敏电阻有如下特点：,温度系数大，一般为金属电阻的,10100,倍，灵敏度高。,结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。,电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。,阻值与温度的变化关系呈非线性。,不足之处是稳定性和互换性较差。,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,原理、结构,热敏电阻探测器的结构示意图,a,）圆形片,b,）薄膜形,c,）柱形,d,）管形,e,）平板形,f,）珠形,g,）扁形,h,）垫圆形,i,）杆形,几种常用的热敏电阻的外形图,a,）热敏电阻器结构图,b,）热敏电阻器电路符号,热敏电阻器结构图与电路符号,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,参数,电阻温度特性,正温度系数：,负温度系数：,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,参数,热敏电阻的输出特性,图中：,假定：,在热敏电阻上加上偏压 之后，由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而负载电阻电压增量为：,热敏电阻电路,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,参数,热阻和冷阻,热敏电阻在某个温度下的电阻值 ，常被称为冷阻。,如果功率为 的辐射入射到热敏电阻上，设其吸收系数为,，则热敏电阻的热阻 定义为吸收单位辐射功率所引起的温升，即：,热时间常数为：,热敏电阻的时间常数约为,110 ,因此，使用频率上限约为,20200kHz,。,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,参数,灵敏度（响应率）,直流灵敏度：,交流灵敏度：,提高灵敏度需采取的措施：,1,）适当增加偏压 。,2,）把热敏电阻的接收面涂黑，以提高吸收效率。,3,）增大热阻 。但随着热阻 的增大，响应时间 也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上。,4,）选用温度系数大的材料。还可使元件冷却工作。,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,参数,最小可探测功率,热敏电阻的最小可探测功率受噪声的影响。热敏电阻的噪声主要有,1,）热噪声 热敏电阻的热噪声与光敏电阻相似 。,2,）温度噪声 因为环境温度起伏而造成元件温度起伏所产生的噪声称为温度噪声。将元件装入真空壳内可降低这种噪声。,3,）电流噪声 与光敏电阻的电流噪声类似，当工作频率,10kHz,时，此噪声完全可忽略不计。,根据以上这些噪声，热敏电阻可探测的最小功率约为,10,-8,10,-9,W,。,2,、热电偶,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极,A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极,B,热电势,A,B,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,辐射热电偶,温度差电位差,U,的大小与,A,、,B,材料有关，通常由铋和锑所构成的一对金属有最大的温度差电位差，约为,100V/,。用来接触测温的测温热电偶，常由铂（,Pt,）等合金组成。它具有较宽的测量范围，一般为,-2001000,，测量准确度高达,1/1000,。,温差热电偶,半导体辐射热电偶,一般采用半导体材料，温差电动势可高达,500,V/,。,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,恒定辐射作用下：,交流辐射作用下：,、,热阻,热容,热导,热导与材料的性质及周围的环境有关，为使热导稳定，常将热电偶封装在真空管中，因此，通常称其为真空热电偶。,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,基本特性参数,直流辐射：,灵敏度,交流辐射：,提高热电偶的灵敏度的办法，除选用泽贝克系数较大的材料外，增加辐射的吸收率 ，减小内阻 ，减小热导 等措施都是有效的。对于交流灵敏度降低工作频率，减小时间常数 ，也会使其有明显的提高。但是热电偶的灵敏度与时间常数是一对矛盾，应用时不能兼顾。,响应时间：热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒，比较长。因此常被用来探测直流状态或低频率的辐射，一般不超过几十赫。,最小可探测功率：取决于探测器的噪声，主要包括热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率一般为,10,-11,W,左右。,3,、热电堆,第,3,章 光电检测器件,四、热辐射探测器件,热电堆,热电堆探测器在耳式体温计、放射体温计、电烤炉、食品温度检测等领域中作为温度检测器件，获得了广泛的应用。,半导体热电堆发电技术在军事、医疗、科研、通信、航海、动力以及工业生产等各个领域得到了广泛的应用。,热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其他热探测器相比，热释电器件具有以下优点：,1,）具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹。,2,）热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的探测率比热释电器件稍高，且这一差距还在不断减小。,3,）热释电器件可以有均匀的大面积敏感面，而且工作时可以不必外加偏置电压。,4,）与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小。,5,）热释电器件的强度和可靠性好，且制造比较容易。,第,3,章 光电检测器件,五、热释电器件,但是，热释电器件采用压电类晶体，容易受外界振动的影响，并且它只对入射的交变辐射有响应，而对入射的恒定辐射没有响应。而热释电器件不需要制冷。,第,3,章 光电检测器件,电极化与铁电体的自发极化,a,）一般电介质,b,）铁电体电介质,电极化现象,电介质的极化曲线,五、热释电器件,第,3,章 光电检测器件,居里温度,随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值时，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度,P,s,为温度,T,的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。,五、热释电器件,a,）,TGS,材料,b,）,BaTiO,2,材料,自发极化强度随温度变化的关系曲线,第,3,章 光电检测器件,工作原理,当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片上时，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于释放了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。,五、热释电器件,第,3,章 光电检测器件,电极结构,五、热释电器件,电极面积较大，极间距离较短，因而极间电容较大，故其不适于高频使用。,电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小，适合高频使用。,a,）面电极结构,b,）边电极结构,第,3,章 光电检测器件,输出特性,五、热释电器件,第,3,章 光电检测器件,电压灵敏度,五、热释电器件,当入射为恒定辐射时，即 时， ，这说明热释电器件对恒定的辐射不灵敏；,在低频段， 或 时，灵敏度 与 成正比，这正是热释电器件交流灵敏的体现；,当 时，通常 ，在 范围内， 为一个与 无关的常数。,高频段时，灵敏度与信号的调制频率成反比，减小热释电器件的有效电容和热容有利于提高高频段的灵敏度。,第,3,章 光电检测器件,噪声：,热噪声,放大器噪声,温度噪声,响应时间：,阻抗特性：,热释电探测器几乎是一种纯容性器件，由于其电容量很小，所以其阻抗很高。因此必须配以高阻抗的负载，通常在,10,9,以上。常用,JFET,器件作为热释电探测器的前置放大器。,五、热释电器件,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,把发光器件与光敏元件封装在一起构成光电耦合器件。这种器件在信息的传输过程中用光作为媒介把输入边输出边的电信号耦合在一起的，具有线性变化关系，且在电性能上是完全隔离的。所以，我们,把利用光耦合做成的电信号传输器件，一般称为光电耦合器件。,发光器件,:,白炽灯、,LED,、激光器,光敏元件：光敏电阻、光电二极管、光电三极管,1,、结构与电路符号,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,发光器件和光接收器件封装一体，但不接触，具有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。,用途：用于隔离线路、开关、数模转换、逻辑电路、过流保护、电平匹配等。,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,特点：,具有电隔离功能；绝缘电阻高达,10,10,10,12,欧姆，击穿电压高达,25,100,千伏，耦合电容小到零点几个皮法；,信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以，模拟、数字信号都适用；,具有抗干扰噪声的能力，可作为继电器变压器等使用；,响应速度快，一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级；,使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性价比高，工作温度范围在,55,到,100,摄氏度之间。,即具有耦合特性又具有隔离特性，很容易把不同电位的两组电路互连起来，圆满的完成电平匹配、电平转移等功能。,2,、特性参数,传输特性,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流,I,C,与发光二极管的注入电流,I,F,之比，称为光电耦合器件的电流传输比，用,表示，若有一工作点,Q,，则,工作点选择在输出特性的不同位置时，具有不同的,值。故常用交流电流传输比来表示：,光耦合器件的输出特性曲线,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,I,F,T,在电流较小时，耦合器件处于截止区，,值较小，当电流变大后，,值变小，器件处于线性工作状态，但其变化量较小。,在零摄氏度以下，,值随温度的升高而上升；在零摄氏度以上，随温度的升高而下降。,0,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,最高工作频率,f,M,V,V(t),R,F,C,R,Fo,E,F,E,c,R,c,C,R,L,测量器件最高工作频率的电路,向发光二极管送入幅度相等而频率变化的交流小信号，在光电耦合器的输出端用交流电压表测其交流输出电压值。,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,随着频率的增高，虽然电压幅度不变，而输出幅度却下降了，当输出电压相对幅值降至,0.707,时，所对应的频率就称为器件的最高工作频率。它会随负载的变化而改变。,f,M,f,相对输出,0.707,相对输出,0.707,f,M1,f,M2,f,M3,f,R,C1,R,C2,R,C3,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,脉冲上升时间下降时间,最高工作频率,、脉冲上升时间,和下降时间,都是衡量光电,耦,合器件动态特性的参数。当用光电,耦,合器件传送小的正弦信号或非正弦信号时,，,用最高工作频率来衡量较为方便,；,而当传送脉冲信号时,，,则用,脉冲上升时间和下降时间,来衡量较为直观。,光耦合器件和脉冲响应特性曲线,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,输入输出间绝缘耐压,BV,CFO,绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管光敏三极管之间的距离有直接关系，且是一对矛盾体。当二者距离增大，绝缘耐压提高，但电流传输比却降低，反之，绝缘耐压降低，但电流传输比却提高。,输入输出间绝缘电阻,R,FC,一般在,10,9,10,13,欧姆之间，它的大小意味着耦合器件的隔离性能的好坏。,输入输出间绝缘寄生电容,C,FC,一把为几个皮法，影响器件的工作频率。,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,抗干扰特性,输入阻抗很低，而干扰源的内阻很大，从而能馈入器件输入端的干扰噪声就变得很小；,虽然有较大的干扰电压，但干扰源的内阻很大，只能形成微弱电流，不足以使发光二极管发光，从而避免干扰；,器件的输入输出边是用光耦合的，且密封在管壳中进行，避免了外界光的干扰；,器件的输入输出间的寄生电容很小，绝缘电阻又非常大，故输出系统的各种干扰很难通过器件反馈到输入系统中去。,3,、应用,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,电平转换,工业控制系统使用的集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度不同，如,TTL,为,5V,，,HTL,为,12V,，,PMOS,为,-22V,，,CMOS,为,5-20V,，如在系统中采用两种集成电路芯片，就需要电平转换电路，以便逻辑控制的实现。,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,与门电路,利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路。如下图的与门电路：如果输入端同时输入高电平，则两个发光二级管都发光，,TD1,和,YD2,两个三极管都导通，即输出为,1.,思考：如何设计与非门。,隔离方面的应用,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,输入与输出在电方面是绝缘的,，,可很好地解决互连问题,，,即可方便地实现不同电源或不同电平的电路之间的互连。电路之间不仅可以电源不同,(,极性和大小,),，,而且接地点也可分开。,有时为隔离干,扰,或者为使高压电路与低压信号分开,，,可采用光电,耦,合器件。,为,提高计算机,工,作的可靠性,，,亦可采用光电,耦,合器件把计算机与外围设备隔离开来。,晶闸管控制电路中的应用,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,典型光耦合晶闸管,典型光耦合双向晶闸管,第,3,章 光电检测器件,六、光耦合器件,光电,耦,合双向,晶闸管,大功率负载控制电路,1,、分类,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,扫描型,直视型,通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式,，,将二维光学图像转换成一维时序,视频,信号输出。视频信号通过信号放大和同步控制等处理后,，,通过相应的显示设备,(,如监视器,),还原成二维光学图像信号。或者将视频信号通过,A/D,转换器输出具有某种规范的数字图像信号,，,经数字传输后,，,通过显示设备,(,如数字电视,),还原成二维光学图像,。,用于图像的转换和增强,。,它的工作原理是,，,将入射辐射图像通过外光电效应转化为电子图像,，,再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强,，,并利用二次电子的发射作用进行电子倍增,，,最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。,2,、真空摄像管,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,外光电效应：,析,像管、超正析像管、分流管、二次电子导电摄像管,内光电效应：,硫化,锑,摄像管、氧化铅摄像管,a,）摄像管结构,b,）靶结构,氧化铅摄像管结构示意图,光学图像直接投射在靶面上,，,入射光子大部分被本征层吸,，,产生光生载流子。光生载流子被内电场拉开,，,电子,被,拉向,N,区,，,空穴被拉向,P,区。这样,，,若假定把曝光前本征型层两端所加的强电场看做是对电容的充电,，,则此刻由于光生载流子漂移运动的结果就相当于电容的放电。,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,氧化铅,靶结构,因此,，,在一帧的时间内,，,靶面上便获得与输入图像光照分布相对应的电位分布,，,从而实现图像的变换和记载,。,当有光学图像输入时,，,N,型硅将吸收光子产生电子空穴对。这些电子空穴对将在电场的作用下经过,PN,结漂移到,P,型岛。空穴的漂移在一帧的周期内连续进行,，,从而提高了,P,型岛的电位,。,并且,，,其电位升高的数值正比于该点的曝光量。其结果是在靶面,P,型岛上形成了积累的电荷图像,。,此时通过电子束扫描,，,即可得到视频信号。,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,硅靶的结构,性能参数,光电转换特性,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,典型摄像管光电转换特性,光谱响应特性,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,几种摄像管的光谱响应特性曲线,时间响应特性,表示摄像管滞后特性的指标。,一般,滞后特性随输入照度增大而下降,。,输出信噪比,取决于光电阴极的量子噪声、靶噪声、扫描电子束的噪声、二次电子倍增器,，,以及前置放大器的噪声等因素。,一般，,随着入射照度的增加,，,输出信噪比得到提高,。,动态范围,取决于摄像管的暗电流及其饱和电流。二者之比即为该摄像管的动态范围,。,图像传递特性,图像传递特性取决于移像区的电子光学系统的像差,、,靶的电荷图像像差,，,以及扫描电子束的弥散和滞后等因素,。,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,线阵,CCD,图像传感器,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,表面沟道,CCD,器件（,SCCD,）：,信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面,，,并沿界面进行转移的器件,。,体沟道或埋沟道,CCD,器件（,BCCD,）：,信号电荷包存储在距离半导体表面一定深度的半导体体内,，,并在体内沿一定方向转移的器件,。,电,荷,存,储,CCD,栅极电压变化对耗尽区的影响,3,、电荷耦合器件,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,表面势 与栅极电压 的关系曲线,表面势 与反型层电荷密度的关系曲线,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,a,）空势阱,b,）填充,1/3,势阱,c,）全满势阱,势阱,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,电,荷,耦,合,三相,CCD,中电荷的转移过程,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,电,荷,的,注,入,-,光,注,入,背面照射式光注入的示意图,当光照射到,CCD,硅片上时,，,在栅极附近的半导体体内产生电子,-,空穴对,，,多数载流子被栅极电压排斥,，,少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。,正面照射式,背面照射式,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,电,荷,的,注,入,-,电,注,入,电压注入式,电流注入式,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,电,荷,的,检,测,电流输出方式电路,d,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,特性参数,电荷转移效率和电荷转移损失率,-,一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比称为转移效率。,影响电荷转移效率的主要因素是表面态对电荷的俘获。为此，常用“胖零”工作模式，即让“零”信号也有一定的电荷。,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,影响电荷转移效率的主要因素是表面态对电荷的俘获。为此，常用“胖零”工作模式，即让“零”信号也有一定的电荷。,不同频率电荷损失率与“胖零”电荷的关系,第,3,章 光电检测器件,七、图像传感器,驱动频率,注入信号电,荷从一个电极转移到另一个电极,所用的时间 必须小于少数载流子的平均寿命 ，即 ，在正常工作条件下，对于三相,CCD,而言， ，则得到：,电荷从一个电极转移到另一个电极的时间 应大于电荷从一个电极转移到另一个电极,的固有时间,，,才能保证电荷的完全转移,。对于三相,CCD,而言， ，则得到：,第,3,章 光电