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[工學(xué)]第7章光電式傳感器-文庫(kù)吧資料

2025-03-28 02:30本頁(yè)面
  

【正文】 I2與 I0之間存在如下關(guān)系: 1 A 012(1 )2I X IL??2 A 012(1 )2I X IL??式中: L為 PSD的長(zhǎng)度; XA為入射光點(diǎn)的位置 。 (一 ) PSD的工作原理 PSD通常工作在反向偏壓狀態(tài) , 即 PSD的公共極 3接正電壓 , 輸出電極 2分別接地 。 (一 ) PSD的工作原理 當(dāng)一束具有一定強(qiáng)度的光點(diǎn)從垂直于 P的方向照射到PSD的 I層時(shí) , 光點(diǎn)附近就會(huì)產(chǎn)生 電子 空穴對(duì) , 在 PN結(jié)電場(chǎng)的作用下 , 空穴進(jìn)入 P區(qū) , 電子進(jìn)入 N區(qū) 。 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 。 用來(lái)測(cè)定光點(diǎn)在平面上的二維 ( x, y)坐標(biāo) 。 主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在一維方向上的位置或位置移動(dòng)量 。其對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求,即其輸出信號(hào)與光斑是否聚焦無(wú)關(guān);另外,它可以連續(xù)測(cè)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(dá) 。一維 PSD用于測(cè)定光點(diǎn)的一維坐標(biāo)位置,二維 PSD用于測(cè)定光點(diǎn)的二維坐標(biāo)位置,其工作原理與一維 PSD相似。 (五 ) CCD應(yīng)用舉例 位置敏感器件 (Position Sensitive Detector, PSD)是一種對(duì)其感光面上 入射光點(diǎn)位置 敏感的器件,也稱為坐標(biāo)光電池。 ?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(gè)光敏單元, CCD可察覺(jué)。 工件尺寸測(cè)量系統(tǒng) (五 ) CCD應(yīng)用舉例 ? ?MdNdL 2??例如:光學(xué)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。 ? 與此同時(shí),存儲(chǔ)器面陣存儲(chǔ)的光生電荷自存儲(chǔ)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。 ? 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(hào)全部迅速轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器區(qū)暫存。 ? 說(shuō)明: CCD輸出脈沖的幅度取決于對(duì)應(yīng)光敏元所受光強(qiáng);輸出脈沖頻率和驅(qū)動(dòng)脈沖 ?1等的頻率相一致。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉時(shí), MOS光敏單元陣列開(kāi)始下一行的光電荷積累過(guò)程。施加 電壓脈沖 ?p,勢(shì)阱吸收附近的光生電荷 將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾砂?。傳輸區(qū)是遮光的,以防因光生噪聲電荷干擾導(dǎo)致圖像模糊。 ⑥ t=t6:電荷又轉(zhuǎn)移到下一位的電極 ?1下。至此信息電荷轉(zhuǎn)移了一位。 ③ t=t3:更多的電荷耦合到電極 ?2下。 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(shì)阱。與 MOS光敏元的區(qū)別在于,半導(dǎo)體底部覆蓋了一層遮光層,防止外來(lái)光線干擾。 也稱為 讀出移位寄存器 。 CCD電荷耦合器件直接產(chǎn)生的為電荷信號(hào)而不是電壓 、 電流信號(hào) 。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(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的 光生電荷圖像 ,即將整個(gè)圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷包陣列。 空穴耗盡區(qū): 金屬電極上施加正電壓 、 襯底接地時(shí) , 在電場(chǎng)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(gè) 空穴耗盡區(qū) 。 基本單元是MOS( MetalOxide Semiconductor) 光敏元 。 —— 獲獎(jiǎng)成就介紹評(píng)語(yǔ) 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(dǎo)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(hào),具有光電信號(hào) 轉(zhuǎn)換 、 存儲(chǔ) 、 移位 并 讀出 信號(hào)電荷的功能。史密斯 1969年共同發(fā)明了 CCD圖像傳感器。 ?歷史: 美國(guó)科學(xué)家 威拉德 從硅光電池溫度特性可知 , 開(kāi)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 。 光電池的頻率特性 (四 ) 光電伏特型探測(cè)器 - 基本特性 頻率特性 光電池溫度特性 , 描述光電池的 開(kāi)路電壓 和 短路電流 隨溫度的變化 。 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(yīng)較差 , 而硅光電池的較好 。 開(kāi)路電壓與光強(qiáng)是非線性的 , 且在 2022lx時(shí)趨于飽和 。 20 40 60 80 100 硒 硅 入射光波長(zhǎng) λ/nm 0 400 600 800 1000 1200 相對(duì)靈敏度/ % 光電池的光譜特性 (四 ) 光電伏特型探測(cè)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(dòng)勢(shì) 。 (四 ) 光電伏特型探測(cè)器 P型硒層 N型氧化鎘層 金屬基板 + - PN結(jié) 光 符號(hào) 結(jié)構(gòu)原理 對(duì)不同波長(zhǎng)的光 , 光電池的靈敏度是不同的 。故 P區(qū)和 N區(qū)分別帶正、負(fù)電,形成電位差,即光生伏特效應(yīng)。 ? PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)阻止空穴、電子自由擴(kuò)散。 可見(jiàn)光作光源的光電池 : 硅光電池、硒光電池等。 故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件 , 也可做開(kāi)關(guān)元件 。 (三 ) 光電結(jié)型探測(cè)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 。 從光敏晶體管的溫度特性曲線可看出:溫度變化對(duì)光電流影響很小 , 而對(duì)暗電流影響很大 。 光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響 , 減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)范圍 , 但輸出電壓響應(yīng)也減小 。 2 4 6 8 10 12 14 4 3 2 1 0 )(mAI)(VUcelm500lm1000lm1500lm2022lm2500(三 ) 光電結(jié)型探測(cè)器 - 基本特性 伏安特性 鍺光敏晶體管的伏安特性 光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流 ( 或相對(duì)靈敏度 ) 隨頻率變化的關(guān)系 。 只需把光通量看作基極電流即可 。 (三 ) 光電結(jié)型探測(cè)器 - 基本特性 光譜特性 硅光敏晶體管的伏安特性 ,縱坐標(biāo)為光電流 , 橫坐標(biāo)為集電極 發(fā)射極電壓 。 硅和鍺光敏管光譜特性:硅的峰值波長(zhǎng)約為 ,鍺的峰值波長(zhǎng)約為 ,此時(shí)靈敏度最大 , 當(dāng)入射光波長(zhǎng)增長(zhǎng)或縮短時(shí) , 相對(duì)靈敏度都會(huì)下降 。 ③ 殼體頂部用透明材料做成聚光鏡,光線聚焦到 N型材料上,增大了 PN結(jié)電流。 基本結(jié)構(gòu): 具有兩個(gè) PN結(jié),基極一般無(wú)引出線。 光敏二極管 雪崩光敏二極管 工作原理: 通過(guò)反向電壓擊穿,引起電流增大,類似于光電倍增管原理:當(dāng)反向偏置接近反向擊穿電壓時(shí),一個(gè)入射光子激發(fā)出一個(gè)電子,電子通過(guò)碰撞電離又產(chǎn)生更多的二次電子-空穴對(duì)。 (三 ) 光電結(jié)型探測(cè)器 P N 光 光敏二極管符號(hào) RL P N 光敏二極管接線 光敏二極管 工作原理: ?當(dāng)光不照射時(shí),光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài),這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下,渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流 Id ; 光敏二極管 ?受光照射時(shí), PN結(jié)附近受光子轟擊,吸收其能量而產(chǎn)生 電子 空穴對(duì) ,從而使 P區(qū)和 N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加,因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下, P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入 N區(qū),N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入 P區(qū),從而使通過(guò) PN結(jié)的反向電流大為增加,這就形成了光生電流。 常規(guī)的二極管和三極管都用金屬殼密封,以防光照。 光電結(jié)型探測(cè)器主要有 光敏二級(jí)管 和 光敏晶體管 兩種。 這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn) 。 但在人工加溫 、 光照及加負(fù)載情況下 ,性能可達(dá)穩(wěn)定 。 伏安特性 (二 ) 光敏電阻 - 基本特性 光敏電阻的伏安特性 50 100 6 5 4 3 2 1 )(VU電壓)(uAI電流硫化鉛硫化鉈光敏電阻硫化鉛的溫度特性 , 峰值隨溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng) 。 但受最大功耗限制 。 硫化鉛 , 1000~ 2500nm, 響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū) , 常用做火焰探測(cè)器的探頭 。 (二 ) 光敏電阻 - 基本特性 光電特性 0 )( lm入射光通量)(mA光電流光敏電阻的光照特性 光敏電阻的光電流: ?? ?? kUI 光譜響應(yīng):光敏電阻靈敏度與入射波長(zhǎng)有關(guān) 。 多數(shù)是非線性的 。 光電流: 亮電流與暗電流之差 。 (二 ) 光敏電阻 ?主要參數(shù) 暗電阻 、 暗電流 、 亮電阻 、 亮電流 、 光電流 暗電阻: 光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值 , 此時(shí)流過(guò)的電流為 暗電流 。 (二 ) 光敏電阻 光電導(dǎo)探測(cè)器主要用于探測(cè)波長(zhǎng)較長(zhǎng),光電二極管和倍增管無(wú)法探測(cè)的紅外區(qū)域。由于光電導(dǎo)效應(yīng)只限于受光照的表面層,因此光敏電阻通常做得很薄。 ?電子躍遷條件: hvEg 或 λhc/Eg 。 (二 ) 光電導(dǎo)探測(cè)器 基本原理: 導(dǎo)帶 價(jià)帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價(jià)電子所占能帶 Eg hvEg 或 λhc/Eg (二 ) 光電導(dǎo)探測(cè)器 基本原理: ?半導(dǎo)體材料在黑暗環(huán)境下,內(nèi)部電子為原子所束縛,處于價(jià)帶上,不能自由移動(dòng),半導(dǎo)體的電阻值很高。保持光通量和陽(yáng)極電壓不變, 陽(yáng)極電流與光波波長(zhǎng)之間的關(guān)系 稱為光電管的光譜特性。 陽(yáng)極電壓較低時(shí),陰極發(fā)射的部分電子到達(dá)陽(yáng)極,其余返回陰極;陽(yáng)極電壓增高,電流增大,陰極發(fā)射的電子全部到達(dá)陽(yáng)極時(shí),電流穩(wěn)定,處于飽和狀態(tài)。光照特性曲線的斜率稱為 光電管的靈敏度 。 光電倍增管 光電特性: 光電管兩端所加電壓不變時(shí),光通量 Φ與光電流 I間的關(guān)系。這樣,在陰極和陽(yáng)極間的電場(chǎng)作用下, 逐級(jí) 產(chǎn)生二次電子發(fā)射,電子數(shù)量迅速遞增。倍增極上涂有 SbCs或 AgMg等光敏材料 ,且電位逐級(jí)升高。外電路串入一適當(dāng)阻值的電阻,在該 電阻上的電壓降或電路中的電流大小都與光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系 ,從而實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。光電陰極通常是用逸出功小的 光敏材料 (如銫)涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成,其感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。光電發(fā)射探測(cè)器主要有 真空光電管 和 光電倍增管 等。 有光照時(shí) , 光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子 — 空穴對(duì) ,在 PN結(jié)電場(chǎng)作用下 , 形成光電流 , 電流方向與反向電流一致 , 光照越大光電流越大 器件: 光敏二 、 三極管 。 光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì) , 光照部分載流子濃度比未受光照部分大 , 出現(xiàn)濃度梯度 , 因而載流子要擴(kuò)散 。 基于該效應(yīng)的器件有 光電池 和光敏二極管 、 三極管 等 。 禁帶 導(dǎo)帶 價(jià)帶 Eg 電子能量 E 自由電子 所占能帶 hυ≧ Eg 不存在電子 所占能帶 價(jià)電子 所占能帶 禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶電子能量?h 光生電子空穴對(duì) ? 內(nèi)光電效應(yīng) ( 1) 勢(shì)壘效應(yīng) ( 結(jié)光電效應(yīng) ) 光照射 PN結(jié)時(shí) , 若 h?≧ Eg, 使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶 , 而產(chǎn)生電子空穴對(duì) , 在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下 , 電子偏向 N區(qū)外側(cè) , 空穴偏向 P區(qū)外側(cè) , 使 P區(qū)帶正電 , N區(qū)帶負(fù)電 ,形成光生電動(dòng)勢(shì) 。 在光線作用下 , 電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)度到自由狀態(tài) ,而引起材料電導(dǎo)率的變化 。 ? 外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng): 當(dāng)光照在物體上 , 使物體的 電導(dǎo)率發(fā)生變化或 產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì) 的效應(yīng) 。 愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程: ( 1) 光電子能否產(chǎn)生 , 取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功 。 02021 Amh ?? ??( 3) 逸出的光電子具有動(dòng)能 。 內(nèi)
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