【文章內(nèi)容簡介】 或相對靈敏度 ） 隨頻率變化的關(guān)系 。 光敏二極管的頻率特性是半導體光電器件中最好的一種 ，普通光敏二極管頻率響應時間達 10ms。 光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響 ， 減小負載電阻可以提高頻率響應范圍 ， 但輸出電壓響應也減小 。 光敏晶體管的頻率特性 (三 ) 光電結(jié)型探測器 － 基本特性 頻率特性 光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系 。 從光敏晶體管的溫度特性曲線可看出：溫度變化對光電流影響很小 ， 而對暗電流影響很大 。 因此 ， 光敏晶體管作為測量元件時 ， 在電子線路中應該對暗電流進行溫度補償 ， 否則將會導致輸出誤差 。 (三 ) 光電結(jié)型探測器 － 基本特性 溫度特性 鍺光敏晶體管的溫度特性 光敏三極管的光照特性近似線性關(guān)系 。 但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象 。 故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件 ， 也可做開關(guān)元件 。 (三 ) 光電結(jié)型探測器 － 基本特性 光電特性 光敏晶體管的光電特性 光生伏特效應 ： 半導體器件受到光照射時會產(chǎn)生一定方向的電動勢，而不需要外部電源。 可見光作光源的光電池 ： 硅光電池、硒光電池等。 硅光電池（硅太陽能電池）的工作原理 ： (四 ) 光電伏特型探測器 ＋ － 接線點 接線點 光 薄 P層 PN結(jié) N層 結(jié)構(gòu)原理 符號 硅光電池（硅太陽能電池）的工作原理： ? N型硅片上擴散 P型雜質(zhì)形成大面積 PN結(jié)， P層很薄。 ? PN結(jié)內(nèi)電場阻止空穴、電子自由擴散。 ? 光照結(jié)區(qū)，光子使電子由價帶躍遷至導帶，結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子－空穴對，內(nèi)電場將電子推向 N區(qū)，空穴拉向 P區(qū)。故 P區(qū)和 N區(qū)分別帶正、負電，形成電位差，即光生伏特效應。 (四 ) 光電伏特型探測器 硅太陽能電池的優(yōu)點： ? 輕便、簡單，不產(chǎn)生氣體或熱污染； ? 用于不便鋪設電纜的地區(qū)、宇宙飛行器等。 (四 ) 光電伏特型探測器 P型硒層 N型氧化鎘層 金屬基板 ＋ － PN結(jié) 光 符號 結(jié)構(gòu)原理 對不同波長的光 ， 光電池的靈敏度是不同的 。 從硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線可知 ， 不同材料的光電池 ， 光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的 ， 硅光電池波長在 800nm附近 ， 硒光電池在 500nm附近 。 20 40 60 80 100 硒 硅 入射光波長 λ/nm 0 400 600 800 1000 1200 相對靈敏度/ % 光電池的光譜特性 (四 ) 光電伏特型探測器 － 基本特性 光譜特性 不同光照射下有不同光電流和光生電動勢 。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系 。 開路電壓與光強是非線性的 ， 且在 2022lx時趨于飽和 。 光電特性 (四 ) 光電伏特型探測器 － 基本特性 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 。 從硅光電池和硒光電池的頻率特性曲線可知 ， 硒光電池的頻率響應較差 ， 而硅光電池的較好 。 硅光電池有很高的頻率響應 ， 可用于高速記數(shù) 、 有聲電影等方面 。 光電池的頻率特性 (四 ) 光電伏特型探測器 － 基本特性 頻率特性 光電池溫度特性 ， 描述光電池的 開路電壓 和 短路電流 隨溫度的變化 。 溫度漂移影響到測量精度或控制精度等重要指標 ， 因此溫度特性是光電池的重要特性之一 。 從硅光電池溫度特性可知 ， 開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快 ， 而短路電流隨溫度升高而緩慢增加 。 硅光電池的溫度特性 (四 ) 光電伏特型探測器 － 基本特性 溫度特性 電荷耦合器件 ?概念： 電荷耦合器件 (ChargeCoupled Devices)，簡稱 CCD。 ?歷史： 美國科學家 威拉德 博伊爾 和 喬治 史密斯 1969年共同發(fā)明了 CCD圖像傳感器。 2022年被授予 諾貝爾物理學獎 ； ?應用： CCD圖像傳感器：數(shù)碼照相機的電子眼，通過用電子捕獲光線來替代以往的膠片成像，攝影技術(shù)徹底革新；這一發(fā)明也推動了醫(yī)學和天文學的發(fā)展，在疾病診斷、人體透視及顯微外科等領(lǐng)域都有著廣泛用途。 —— 獲獎成就介紹評語 電荷耦合器件和位置敏感器件 ?結(jié)構(gòu)： 是一種大規(guī)模金屬氧化物半導體 (MOS)集成電路光電器件， 集 MOS光敏單元陣列和讀出移位寄存器于一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖像傳感器； ?功能： CCD以電荷為信號，具有光電信號 轉(zhuǎn)換 、 存儲 、 移位 并 讀出 信號電荷的功能。 電荷耦合器件 (一 ) MOS光敏單元 襯底型 SiP）（ nmS iO 12021?2?3?n n輸入二極管 輸出二極管金屬電極CCD是由若干個電荷耦合單元組成 。 基本單元是MOS（ MetalOxide Semiconductor） 光敏元 。 MOS單元結(jié)構(gòu)： 以 P或 N型半導體為襯底；上面覆蓋一層厚度約 120nm的氧化層 SiO2作為電解質(zhì)；再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極為柵電極 ， 形成金屬氧化物 半導體的 MOS結(jié)構(gòu)單元 。 空穴耗盡區(qū)： 金屬電極上施加正電壓 、 襯底接地時 ， 在電場作用下 ， 靠近氧化層的 P型硅中的多數(shù)載流子 （ 空穴 ） 受到排斥 ，從而形成一個 空穴耗盡區(qū) 。 SiP型1?2?3?n nS二極管輸入S二極管輸出??? ???耗盡區(qū)顯微鏡下 MOS元表面 勢阱 :耗盡區(qū)對帶負電的電子而言是一個勢能很低的區(qū)域 ,稱為 勢阱 (一 ) MOS光敏單元 金 屬氧 化 物 S i O2溝 阻耗 盡 區(qū)（ 勢 阱 ）襯 底少 數(shù) 載 流 子P － S i勢 阱信 號 電 荷表 面 勢( a ) 剖 面 圖 ( c ) 有 信 號 電 荷 勢 阱 圖 P S i???????S i O2金 屬柵 極GV( b ) 結(jié) 構(gòu)GV 施加正電壓于電極上 —— P型區(qū)形成勢阱 —— 產(chǎn)生電子和空穴 —— 勢阱俘獲電子（與光強成正比） —— 形成MOS光敏元（象素） 光 (一 ) MOS光敏單元 ?像素： 一個 MOS光敏元為一個像素； ?電荷包： 一個勢阱所收集的光生電荷為一個電荷包； ?MOS光敏單元 陣列 ： 在半導體硅片上制成幾百或幾千個相互獨立的 MOS光敏單元（如 1024 768 ） ，在金屬電極上加上正電壓，就會形成幾百或幾千個相互獨立的勢阱。如果照射在這些光敏單元上的是一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏單元就形成一幅與光照強度相對應的 光生電荷圖像 ，即將整個圖像的光信號轉(zhuǎn)換為電荷包陣列。 (一 ) MOS光敏單元 MOS光敏元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏元上的光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號 “ 圖像 ” ， 即將光強的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強成正比的 、 大小不等的電荷包空間分布 。 CCD電荷耦合器件直接產(chǎn)生的為電荷信號而不是電壓 、 電流信號 。 移位寄存器的作用： 移位寄存器的移位功能將光生電荷 “ 圖像 ” 轉(zhuǎn)移出來 ，從輸出電路上檢測到幅度與光生電荷包成正比的電脈沖序列 ， 從而將照射在 CCD上的光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號圖像 。 也稱為 讀出移位寄存器 。 (二 ) 讀出移位寄存器 ?移位寄存器的結(jié)構(gòu) MOS結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物、半導體三部分組成。與 MOS光敏元的區(qū)別在于，半導體底部覆蓋了一層遮光層，防止外來光線干擾。 (二 ) 讀出移位寄存器 ?1 ?3 ?2 遮光層 氧化物 P型硅 金屬 t1?2?3?1t 2t 4t 5t 6t3t(二 ) 讀出移位寄存器 1t2t3t4t?電荷轉(zhuǎn)移過程： t1?2?3?1t 2t 4t 5t 6t3t① t=t1： ?1相處于高電平， ? ?3相處于低電平，電極 ?1下出現(xiàn)勢阱，存入電荷。 ② t=t2： ? ?2相處于高電平， ?3相處于低電平，電極 ? ?2下都出現(xiàn)勢阱。因兩電極靠的很近，電荷就從 ?1電極下耦合到 ?2電極下。 ③ t=t3：更多的電荷耦合到電極 ?2下。 ④ t=t4：只有 ?2相處于高電平，電荷全部耦合到電極 ?2下。至此信息電荷轉(zhuǎn)移了一位。 ⑤ t=t5：電荷又耦合到電極 ?3下。 ⑥ t=t6：電荷又轉(zhuǎn)移到下一位的電極 ?1下。 (二 ) 讀出移位寄存器 轉(zhuǎn)移柵 光敏元 不透光 輸出 移位寄存器 ?原理： 光照產(chǎn)生的信號電荷存貯于感光區(qū)的光敏單元中，接通轉(zhuǎn)移柵后，信號電荷流入傳輸區(qū)。傳輸區(qū)是遮光的，以防因光生噪聲電荷干擾導致圖像模糊。 (三 ) 線陣電荷耦合器件 ?組成 :單排 MOS光敏元陣列、轉(zhuǎn)移柵、讀出移位寄存器 ? 工作過程： ? 光學成像系統(tǒng)將圖像成像在 CCD的光敏面上，光敏單元開始電荷積累，這一過程也稱 光積分 。施加 電壓脈沖 ?p，勢阱吸收附近的光生電荷 將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾砂? ? 轉(zhuǎn)移柵施加 轉(zhuǎn)移脈沖 ?t，轉(zhuǎn)移柵開啟，各光敏單元的光生電荷并行轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器的相應單元輸出。當轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉時， MOS光敏單元陣列開始下一行的光電荷積累過程。 ? 讀出移位寄存器串行輸出各位的信息。 ? 說明： CCD輸出脈沖的幅度取決于對應光敏元所受光強；輸出脈沖頻率和驅(qū)動脈沖 ?1等的頻率相一致。 (三 ) 線陣電荷耦合器件 ?組成 :光敏元面陣、存儲器面陣、讀出移位寄存器 (線陣 ) (四 ) 面陣電荷耦合器件 ? 工作過程： ? 在光積分時間，各個光敏單元曝光，吸收光生電荷。 ? 曝光結(jié)束后，在轉(zhuǎn)移脈沖控制下，光敏元面陣的電荷信號全部迅速轉(zhuǎn)移到對應的存儲器區(qū)暫存。此后光敏元面陣開始第二次光積分。 ? 與此同時，存儲器面陣存儲的光生電荷自存儲器底部向下一排一排轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器中，然后再順次從讀出移位寄存器輸出，完成二維圖像信息向二維電信息的轉(zhuǎn)換。 (四 ) 面陣電荷耦合器件 ?工件尺寸檢測： 依據(jù)工件成像輪廓覆蓋的光敏單元數(shù)目來計算工件尺寸。 工件尺寸測量系統(tǒng) (五 ) CCD應用舉例 ? ?MdNdL 2??例如：光學系統(tǒng)放大率為 1/M ，則工件尺寸 N－ 覆蓋的光敏單元數(shù)目； d－ 相鄰光敏單元的中心距離； 177。 2d－ 圖像末端兩個光敏單元之間可能的最大誤差 (五 ) CCD應用舉例 ?物體缺陷檢查： ?檢查對象：表面有缺陷的不透明物體；體內(nèi)有缺陷的透明物體。 ?判斷缺陷的依據(jù)：缺陷與材料背景有足夠反差，且缺陷面大于兩個光敏單元， CCD可察覺。 ?實例：磁帶的小孔，鈔票的缺陷；玻璃中的針孔、氣泡、夾雜物。 (五 ) CCD應用舉例 位置敏感器件 (Position Sensitive Detector， PSD)是一種對其感光面上 入射光點位置 敏感的器件，也稱為坐標光電池。 PSD有兩種，一維 PSD和二維 PSD。一維 PSD用于測定光點的一維坐標位置，二維 PSD用于測定光點的二維坐標位置，其工作原理與一維 PSD相似。 PSD器件在光點位置測量方面有許多優(yōu)點。其對光斑的形狀無嚴格要求，即其輸出信號與光斑是否聚焦無關(guān)；另外，它可以連續(xù)測量光斑在 PSD上的位置，且分辨力高，一維 PSD的位置分辨力高達 。 位置敏感器件 (PSD) PSD有兩種：一維 PSD和二維 PSD 一維 PSD的感光面大多為細長的矩形條 。 主要用來測量光點在一維方向上的位置或位置移動量 。 二維 PSD的感光面是方形的 。 用來測定光點在平面上的二維 （ x， y）坐標 。 位置敏感器件 (PSD) PSD一般為 PIN結(jié)構(gòu) 。 在硅板的底層表面上以膠合的方式制成 2片均勻的 P和 N電阻層 ， 在 P和 N電阻層之間注入離子而產(chǎn)生 I層 ， 即本征層 。 在 P層表面電阻層的兩端各設置一個輸出電極 。 (一 ) PSD的工作原理 當一束具有一定強度的光點從垂直于 P的方向照射到PSD的 I層時 ， 光點附近就會產(chǎn)生 電子 空穴對 ， 在 PN結(jié)電場的作用下