【正文】 的 逸出功 A0，不同的材料具有不同的逸出功； ?因此對(duì)某種材料而言便有一個(gè)頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)；不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)電子，反之，被照射的物質(zhì)便能激發(fā)出電子，此 頻率限稱為“紅限” ； ?其臨界波長(zhǎng) λK為 λK =hc/A0 (一 ) 光電發(fā)射探測(cè)器 結(jié)構(gòu)組成： 在一個(gè)抽成真空或充以惰性氣體的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極： 光電陰極 和 光電陽(yáng)極 。 光電管的結(jié)構(gòu)示意圖 陽(yáng)極 光電陰極 光窗 光電管 光電管 工作原理： 當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。 結(jié)構(gòu)組成： 光電陰極、 光電倍增極 、 陽(yáng)極。 光電倍增管 入射光 光電陰極 第一倍增極 陽(yáng)極 第三倍增極 工作原理： 當(dāng)有入射光照射時(shí)，陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起 二次電子發(fā)射 。 典型的倍增管一般有 10個(gè)左右的倍增極，相鄰極之間加有 200－ 400V的電壓，陰極和陽(yáng)極間的總電壓差可達(dá)幾千伏，電流增益為 105左右。 如圖所示，對(duì)于 氧銫陰極的光電管， I與 Φ呈線性關(guān)系，但對(duì)于 銻銫陰極 的光電管，當(dāng)光通量較大時(shí)， I與 Φ呈非線性關(guān)系。 光電管的光電特性 (一 ) 光電發(fā)射探測(cè)器 － 基本特性 伏安特性： 入射光的頻率及光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系。 光電管的伏安特性 (一 ) 光電發(fā)射探測(cè)器 － 基本特性 光譜特性： 光電陰極材料對(duì)光譜有選擇性，光電管對(duì)光譜也有選擇性。 氧銫陰極 銻銫陰極 (一 ) 光電發(fā)射探測(cè)器 － 基本特性 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件稱為 光敏電阻 （ 半導(dǎo)體材料 ），也叫 光導(dǎo)管 。 ?當(dāng)受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子受到光子激發(fā)，由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴數(shù)目增加，半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率變大。 A 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 光導(dǎo)電材料 絕緣襯低 引線 電極 引線 光電導(dǎo)體 RG RL E I 光敏電阻兩端帶有金屬電極，加上電壓，便有電流通過(guò)，若有光線照射，則電流增大。為了得到高的靈敏度，電極做成 梳狀 。如 PbS探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)達(dá) ，靈敏度峰值在 2μm 。 亮電阻： 在受到光照時(shí)的電阻 ， 此時(shí)的電流稱為 亮電流 。 描述光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系 。 不宜做線性測(cè)量元件 ， 一般用做開(kāi)關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器 。 材料與相對(duì)靈敏度峰位波長(zhǎng)： 硫化鎘 ， 300～ 800nm， 在可見(jiàn)光區(qū)域 ， 常被用作光度量測(cè)量（ 照度計(jì) ） 的探頭 。 光譜特性 100 80 60 40 20 0 )( um?入射光波長(zhǎng)%相對(duì)靈敏度 硫化鎘硫化鉈硫化鉛光敏電阻的光譜特性 (二 ) 光敏電阻 － 基本特性 所加電壓越高 ， 光電流越大 ， 而且沒(méi)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 。 溫度特性 (二 ) 光敏電阻 － 基本特性 0 100 80 60 40 20 )(um入射波長(zhǎng))(uAI電流C?20? C?20?光敏電阻的溫度特性 光敏電阻的頻率特性 頻率特性 (二 ) 光敏電阻 － 基本特性 初制成的光敏電阻 ， 由于電阻體與其介質(zhì)的作用還沒(méi)有達(dá)到平衡 ， 性能不穩(wěn)定 。 光敏電阻在最初的老化過(guò)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 。 (二 ) 光敏電阻 － 基本特性 穩(wěn)定性 工作原理與光電導(dǎo)型相似，其差別只是光照在 半導(dǎo)體結(jié) 上。其中，光敏二極管探測(cè)器最為常用，又可分為 普通光敏二極管 和 雪崩二極管 等。而光電結(jié)型的光敏管則必須使 PN結(jié)受最大光照射。 ?光敏二極管的光譜帶寬與材料有關(guān)，硅光敏二極管 ，峰值 ，鍺光敏二極管帶寬 ，峰值 。 雪崩光敏二極管的功率比一般光敏二極管大 104倍左右。 光敏晶體管（三極管） RL E P N P 基極 集電極 發(fā)射極 光 工作原理： ① 光電轉(zhuǎn)換：光照時(shí)，一個(gè)反向偏置結(jié)給出 幾 mA電流； ② 光電流放大：同樣條件，晶體管的集電極－發(fā)射極產(chǎn)生 幾 mA電流，即該結(jié)激發(fā)的光電流放大 ?倍。 光敏晶體管（三極管） 光敏管的光譜特性指在一定照度時(shí) ， 輸出的光電流 (或用相對(duì)靈敏度表示 )與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系 。 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 100 80 60 40 20 0 )( nm?入射光波長(zhǎng)%相對(duì)靈敏度 硅光敏三極管鍺光敏三極管一般鍺管的暗電流較大 ，因此性能較差 ， 故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí) ， 一般都用硅管 。 與一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣 。 晶體管具有放大作用 ， 在同樣照度下 ， 光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍 。 光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種 ，普通光敏二極管頻率響應(yīng)時(shí)間達(dá) 10ms。 光敏晶體管的頻率特性 (三 ) 光電結(jié)型探測(cè)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 。 因此 ， 光敏晶體管作為測(cè)量元件時(shí) ， 在電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償 ， 否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差 。 但光照足夠大時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象 。 (三 ) 光電結(jié)型探測(cè)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(yīng) ： 半導(dǎo)體器件受到光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)，而不需要外部電源。 硅光電池（硅太陽(yáng)能電池）的工作原理 ： (四 ) 光電伏特型探測(cè)器 ＋ － 接線點(diǎn) 接線點(diǎn) 光 薄 P層 PN結(jié) N層 結(jié)構(gòu)原理 符號(hào) 硅光電池（硅太陽(yáng)能電池）的工作原理： ? N型硅片上擴(kuò)散 P型雜質(zhì)形成大面積 PN結(jié)， P層很薄。 ? 光照結(jié)區(qū)，光子使電子由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子－空穴對(duì)，內(nèi)電場(chǎng)將電子推向 N區(qū)，空穴拉向 P區(qū)。 (四 ) 光電伏特型探測(cè)器 硅太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)： ? 輕便、簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生氣體或熱污染； ? 用于不便鋪設(shè)電纜的地區(qū)、宇宙飛行器等。 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(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的 ， 硅光電池波長(zhǎng)在 800nm附近 ， 硒光電池在 500nm附近 。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系 。 光電特性 (四 ) 光電伏特型探測(cè)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 。 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 。 溫度漂移影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo) ， 因此溫度特性是光電池的重要特性之一 。 硅光電池的溫度特性 (四 ) 光電伏特型探測(cè)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(jiǎn)稱 CCD。博伊爾 和 喬治 2022年被授予 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) ； ?應(yīng)用： CCD圖像傳感器：數(shù)碼照相機(jī)的電子眼，通過(guò)用電子捕獲光線來(lái)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(dòng)了醫(yī)學(xué)和天文學(xué)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。 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(gè)電荷耦合單元組成 。 MOS單元結(jié)構(gòu)： 以 P或 N型半導(dǎo)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(dǎo)體的 MOS結(jié)構(gòu)單元 。 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(shì)阱 :耗盡區(qū)對(duì)帶負(fù)電的電子而言是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域 ,稱為 勢(shì)阱 (一 ) MOS光敏單元 金 屬氧 化 物 S i O2溝 阻耗 盡 區(qū)（ 勢(shì) 阱 ）襯 底少 數(shù) 載 流 子P － S i勢(shì) 阱信 號(hào) 電 荷表 面 勢(shì)( a ) 剖 面 圖 ( c ) 有 信 號(hào) 電 荷 勢(shì) 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(shì)阱 —— 產(chǎn)生電子和空穴 —— 勢(shì)阱俘獲電子（與光強(qiáng)成正比） —— 形成MOS光敏元（象素） 光 (一 ) MOS光敏單元 ?像素： 一個(gè) MOS光敏元為一個(gè)像素； ?電荷包： 一個(gè)勢(shì)阱所收集的光生電荷為一個(gè)電荷包； ?MOS光敏單元 陣列 ： 在半導(dǎo)體硅片上制成幾百或幾千個(gè)相互獨(dú)立的 MOS光敏單元（如 1024 768 ） ，在金屬電極上加上正電壓，就會(huì)形成幾百或幾千個(gè)相互獨(dú)立的勢(shì)阱。 (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(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào) “ 圖像 ” ， 即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成正比的 、 大小不等的電荷包空間分布 。 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(lái) ，從輸出電路上檢測(cè)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(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)圖像 。 (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(dǎo)體三部分組成。 (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(guò)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(shì)阱，存入電荷。因兩電極靠的很近，電荷就從 ?1電極下耦合到 ?2電極下。 ④ t=t4：只有 ?2相處于高電平，電荷全部耦合到電極 ?2下。 ⑤ t=t5：電荷又耦合到電極 ?3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(hào)電荷存貯于感光區(qū)的光敏單元中，接通轉(zhuǎn)移柵后，信號(hào)電荷流入傳輸區(qū)。 (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(guò)程： ? 光學(xué)成像系統(tǒng)將圖像成像在 CCD的光敏面上，光敏單元開(kāi)始電荷積累，這一過(guò)程也稱 光積分 。 ? 轉(zhuǎn)移柵施加 轉(zhuǎn)移脈沖 ?t，轉(zhuǎn)移柵開(kāi)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(yīng)單元輸出。 ? 讀出移位寄存器串行輸出各位的信息。 (三 ) 線陣電荷耦合器件 ?組成 :光敏元面陣、存儲(chǔ)器面陣、讀出移位寄存器 (線陣 ) (四 ) 面陣電荷耦合器件 ? 工作過(guò)程： ? 在光積分時(shí)間，各個(gè)光敏單元曝光，吸收光生電荷。此后光敏元面陣開(kāi)始第二次光積分。 (四 ) 面陣電荷耦合器件 ?工件尺寸檢測(cè)： 依據(jù)工件成像輪廓覆蓋的光敏單元數(shù)目來(lái)計(jì)算工件尺寸。 2d－ 圖像末端兩個(gè)光敏單元之間可能的最大誤差 (五 ) CCD應(yīng)用舉例 ?物體缺陷檢查： ?檢查對(duì)象：表面有缺陷的不透明物體；體內(nèi)有缺陷的透明物體。 ?實(shí)例：磁帶