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1、过程参数新型检测技术,授课教师: 姜 波,2011年5月18日,本次课主要内容,1 概述,2 光电效应,3 光电器件的主要特性,4 常用光电器件及特性, 电荷藕合器件(CCD) 光电位置敏感器件(PSD), 外光电效应 内光电效应, 光敏电阻(光导管)结构与基本特性 光电池结构与基本特性 光敏晶体管结构与基本特性 光电管结构与基本特性,5 新型光电器件,6 光电器件的应用,第七章 光电式传感器, 近年来,新的光电器件不断出现,特别是CCD图像传 感器的诞生,为光电式传感器的应用开创了新的一页.,1.光电式传感器特点, 光电式传感器具有反应速度快,能实现非接触测量, 而且高精度、高分辨力、高可靠
2、性等特点,加之半导体光 敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点. 使光电式传感器在检测和控制领域获得广泛应用.,第七章 光电式传感器, 目前,广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动 化控制等多种领域中. 世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性 研究与应用开发.随着光电技术的日趋成熟,对光电传感器 实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键.,2.光电式传感器用途,第七章 光电式传感器, 基于光通量对光电元件的作用原理不同可制成多种 多样的光学测控系统.,3.光电传感器的类型, 按光电元件(光学测控系统)输出量性质,光电传感器可 分二类：模拟式光电传感器、脉冲(开关)式光电传
3、感器。其中模拟式光电传感器按检测方法又可分为三大类： 透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档).,第七章 光电式传感器,日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电 传感器的研究与开发. 日本：20世纪90年代,由东芝、日本电气等15家公司和研 究机构,研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器, 日本的电器产品以价格适中、质量好而响誉全球.,4.光电传感器国内外的发展状况,西欧各国：西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光 电传感器的研发和市场竞争.,中国：对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远. 目前,已有上百个单位在这一领域开展工作,主要是在光电 温度传感器、压力计、流量计、液位计
4、、电流计等领域进行 了大量的研究,取得了上百项科研成果,有的达到世界先进 水平.,第七章 光电式传感器,4.光电传感器国内外的发展状况,与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要 表现在商品化和产业化方面, 大多数品种仍处于实验研制 阶段,还无法投入批量生产和工程化应用.,第七章 光电式传感器,近年来,由于传感器的广泛应用及在日常生活中 所起的越来越重要的作用,人们对传感器提出越来越 高的要求. 21世纪初期,敏感元件与传感器发展的总趋势是 小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化. 传感器领域的主要技术：在现有基础上予以延伸 和提高,并加速新一代传感器的开发和产业化.,5.光电传感器
5、的发展方向,第七章 光电式传感器,5.光电传感器的发展方向,(1)开发新型传感器 包括：采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器等诸方面。,(2)开发新材料 其主要趋势有几个方面：从单晶体到多晶体、非晶体； 从单一型材料到复合材料；原子(分子)型材料的人工合成. 用复合材料来制造性能更良好的传感器是今后的发展方向之一. 半导体敏感材料；陶瓷材料；磁性材料.,(3)智能材料 是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等 参数,研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料 性能的人造材料.,(4)新工艺的采用 新工艺的含义范围很广,这里主要指与发展 新型传感器联系特别密切的加工技术.,(5)集成化
6、、多功能化与智能化。,第七章 光电式传感器,光电效应分两类：外光电效应、内光电效应.,第七章 光电式传感器,1 外光电效应,根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量. 因此,要使一个电子从物体表面逸出,必须 使光子能量E大于该物体的表面逸出功A0 .,每个光子具有的能量为：,逸出物体表面的电子具有的动能：,-光电效应方程式,第七章 光电式传感器,每个光子具有的能量为：,逸出物体表面的电子具有的动能：,1 外光电效应, 基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管.,不同材料具有不同的逸出功A0 .对某特定材料,将有一个频率限 (或波长限 ),称为“红限”.,当入射光的频率低于
7、时(或波长大于 ),不论入射光有多强,也不能 激发电子；,当入射光的频率高于 时(或波长小于 ),不管入射光有多么弱也会 使被照射的物体激发光子,光越强则激发出的电子数目越多.,-光电效应方程式,-在光的照射下,材料的电阻率变化的现象., 光电导效应,第七章 光电式传感器,2 内光电效应,-在光的照射下,PN结两端产生电动势的效应., 光生伏特效应,第七章 光电式传感器,2 内光电效应,基于这种效应制作的光电器件有硅光电池、硒光电池等.,第七章 光电式传感器,1.光照特性, 光照特性常用响应率R来描述。,对于光生伏特器件,表示为输出电压 与光输入功率 之比, 称为电压响应率RV,即,对于光生电
8、流器件,表示为输出电流 与光输入功率 之比, 称为电流响应率RI,即,第七章 光电式传感器,2.光谱特性,光敏晶体管的光谱特性, 由图可看出器件的长波限和短波限 硅的长波限为1.1um，锗为1.8 um，短波限一般在0.40.5左右.,第七章 光电式传感器,3.响应时间(频率特性),半导体光电器件,频率特性是指 器件输出电信号与调制光频率变化 的关系.,第七章 光电式传感器,4.峰值探测率,NEP定义为：产生与器件暗电流大小相等的光电流入射光量. NEP与器件的有效面积A和探测系统带宽 有关.,用 表征探测器件的峰值探测率.,值大噪声等功率小,光电器件性能好.,第七章 光电式传感器,5.温度特
9、性,硫化铅(PbS)光敏电阻的光谱温度特性,第七章 光电式传感器,6.伏安特性,伏安特性是传感器设计时选择电参数的依据. 使用时应注意不要超过器件允许的功耗限.,第七章 光电式传感器,第七章 4 光电器件及特性,(1)光敏电阻材料与结构,具有内光电效应的光导材料本身就称为光敏电阻, 用光敏电阻制成的器件称“光导管”,通常也简称为 光敏电阻.,第七章 4 光电器件及特性,(1)光敏电阻材料与结构,光敏电阻种类:有硅、锗及硫化物、硒化物、蹄化物等很多, 不同材料及制做工艺不同,器件的性能差别很大.,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏电阻的基本特性,：亮电流与暗电流之差., 光电流,光敏电阻在受
10、光照时的阻值称“亮电阻”, 或称 亮阻,此时接通电源后流过的电流称“亮电流”.,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏电阻的基本特性, 伏安特性,光敏电阻在不同光照下的伏安特性曲线不同.,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏电阻的基本特性, 光照特性,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏电阻的基本特性, 光谱特性,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏电阻的基本特性, 频率特性 (响应时间),光敏电阻响应时间一般在10-110-3S.,从图看出：硫化铅光敏电阻有较好的频率特性.,：表示光电器件受温度变化的影响情况.,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏电阻的基本特性, 温度特性,硫化铅光
11、敏电阻的光谱温度特性,第七章 4 光电器件及特性,(1)光电池材料与结构, 光生伏特效应,第七章 4 光电器件及特性,(1)光电池材料与结构,第七章 4 光电器件及特性,(1)光电池材料与结构,第七章 4 光电器件及特性,(2)光电池的基本特性, 光谱特性,第七章 4 光电器件及特性,(2)光电池的基本特性, 光照特性,开路电压曲线-光生电动势E与照度Ee间的特性曲线； 短路电流曲线-光电流密度Je与照度Ee间的特性曲线.,硅光电池的光照特性曲线,硅光电池的光照特性曲线,第七章 4 光电器件及特性,(2)光电池的基本特性,试验得知：负载电阻越小,光电流与光照度之间 的线性关系越好,且线性范围越
12、宽.,对于不同的负载电阻,可在 不同的照度范围内,使光电流与 光照度保持线性关系.所以,用 光电池作为检测元件时,所用的 负载电阻大小,应根据光照的具 体情况来决定.,第七章 4 光电器件及特性,(2)光电池的基本特性, 频率特性,第七章 4 光电器件及特性,(2)光电池的基本特性, 温度特性,光电池的温度特性,第七章 4 光电器件及特性,(1)光敏晶体管材料与结构,第七章 4 光电器件及特性,(1)光敏晶体管材料与结构,第七章 4 光电器件及特性,(1)光敏晶体管材料与结构,光敏晶体管利用半导体受光照 时载流子增加的半导体光电元件.,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏晶体管的基本特性,
13、光谱特性,光敏晶体管的光谱特性,入射波长 很大时光子能量 太小；但波长 太短,光子在半导 体表面激发的的电子-空穴对不能 达到P-N结,使相对灵敏度K下降.,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏晶体管的基本特性,光敏晶体管的光谱特性,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏晶体管的基本特性, 光照特性,光敏晶体管的光照特性,第七章 4 光电器件及特性,(2)光敏晶体管的基本特性, 伏安特性,光敏三极管的伏安特性,第七章 4 光电器件及特性,(1)光电管材料与结构,光阴极有多种形式： -在玻璃管内壁涂上阴极涂料作为光阴极； -在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形 极板作为光阴极.,光阳极为置于光电
14、管中心的 环形金属板或置于柱面中心轴位 置上的金属柱.,第七章 4 光电器件及特性,(1)光电管材料与结构-真空光电管,当电子在被引向的阳极的 过程中, 电子流对惰性气体进 行轰击,使其电离,产生更多的 自由电子,从而提高了光电变换 的灵敏度.,第七章 4 光电器件及特性,(1)光电管材料与结构,第七章 4 光电器件及特性,(1)光电管材料与结构,设每级的倍增率 ,若有n级,则光电 倍增管的光电流倍增率将为 .,第七章 4 光电器件及特性,(1)光电管材料与结构,第七章 4 光电器件及特性,(2)光电管的基本特性, 光电特性,一种光电倍增管的光电特性,第七章 4 光电器件及特性,(2)光电管的
15、基本特性, 伏安特性,第七章 4 光电器件及特性,(2)光电管的基本特性, 光谱特性,第七章 光电式传感器,1.电荷藕合器件(CCD),电荷耦合器件具有集成度高、分辨率高、固体化、低 功耗及自扫描能力等一系列优点,自问世后很快地被应用 于工业检测、电视摄像、高空摄像及人工智能等领域.,第七章 5 新型光电器件,(1)MOS光敏单元,第七章 5 新型光电器件,(1)MOS光敏单元,第七章 5 新型光电器件,(2)读出移位寄存器,第七章 5 新型光电器件,t4时刻：2高电平,1、3低电平,信息电荷 全部转移到第二组电极2下面. 至此信息电荷转移了一位.,(2)读出移位寄存器,t1时刻：1高电平,2
16、、3低电平,这时1电极 下形成深势阱,存储信息电荷.,t2时刻：1、2高电平,3低电平,1、2电极 下都形成深势阱,由于两个电极靠得 很近,电荷从1电极耦合到2电极下.,t3时刻：1电压减小,2高电平,3低电平, 1电极下的势阱减小,信息电荷从 1电极下面向2转移., 基本原理 在三个电极上分别施加脉冲波1、2、3.,这样,在三相脉冲的控制下,信息电荷不 断向右转移,在它的末端,可依次接收到原先 存储在各个电极下的光生电荷.这就是电荷 传输过程的物理效应.,第七章 5 新型光电器件,(2)读出移位寄存器,如上同样的过程, t5时刻：电荷又耦合到第三组电极3下.,t6时刻：电荷转移到下一位第一组
17、1电极下.,(3)线阵电荷耦合器件,第七章 5 新型光电器件,(如果是一个1024位的线阵器件,那么 该器件是由1024个光敏元、1024位读 出移位寄存器和一个转移栅组成).,基本原理如图.,在光敏元金属电极上施加一正电压脉冲P, 当光敏元进行曝光(或叫光积分)时,光敏元 吸收附近的光生电荷；,第七章 5 新型光电器件,(3)线阵电荷耦合器件, 基本原理,接着转移栅关闭,读出移位寄存器上施加 的三相脉冲1、2、3开始工作,读出移位 寄存器的输出端依次输出各位的信息,直至 最后一位的信息为止. (这是一次串行输出的过程),在光积分结束时,施加在转移栅上的转移 脉冲t,将转移栅打开,此时每个光敏
18、元所俘 获的光生电荷,通过转移栅耦合到各自对应的 移位寄存器极下；(这是一次并行转移的过程),第七章 5 新型光电器件,(3)线阵电荷耦合器件,第七章 5 新型光电器件,(4)面阵电荷耦合器件,场转移面阵电荷藕合器件结构图,它由一个光敏元面阵、存储器面阵 和读出移位寄存器(线阵)组成.,光敏元面阵可视为由若干列线阵电 荷藕合器件组成, 存储器面阵可视为 由若干列线阵读出寄存器组成.,在光积分时间,各个光敏元曝光, 吸收光生电荷； 曝光结束时,器件实行场转移,在一 瞬间内将原整场的光电图像迅速地转 移到存储器列阵中去,如图,将注脚为 的光敏元中的光生电荷, 分别转移到注脚相同的存储器单元中； 此
19、时光敏元开始第二次光积分,而存 储器列阵则将它里面存储的光生电荷 信息一行行地转移到读出移位寄存器；,第七章 5 新型光电器件,(4)面阵电荷耦合器件,场转移面阵电荷藕合器件结构图, 基本原理：,如图为 面阵.,第七章 5 新型光电器件,(4)面阵电荷耦合器件,场转移面阵电荷藕合器件结构图,在高速时钟驱动下,读出移位寄存 器输出每行中各位的光生电荷信息. 如第一次将 这一行信息 转移到读出移位寄存器,读出移位寄存 器立即将它们按 的次序有 规则地输出.接着再将转移过来的 这一行信息输出,直到 最后输出 的信息为止., 基本原理：,如图为 面阵.,第七章 5 新型光电器件,(4)面阵电荷耦合器件
20、,第七章 5 新型光电器件,(1)PSD的结构及基本原理,第七章 5 新型光电器件,(1)PSD的结构及基本原理,PSD通常工作在 反向偏压状态. PSD的公共电极接正 电压,输出极A和B分 别接地.,PSD通常工作在 反向偏压状态. PSD的公共电极接正 电压,输出极A和B分 别接地.,第七章 5 新型光电器件,(1)PSD的结构及基本原理, 基本原理：,横向光电效应当有光点照射在P点上时,流经公共电极的 光生电流I0与入射光强成正比,如果PSD表面电阻层(P层)是 均匀的,流经P层电极A和B的电流IA 、IB与光点到相应电极的 距离成反比.,I0=IA+IB,将上面两式整理得:,可看出光点
21、坐标 值 与总电流无关,即它不受 光强变化的影响,给测量 带来极大的方便。,第七章 5 新型光电器件,(1)PSD的结构及基本原理,一维PSD有一对信号电极,一个公共电极和一个感光面, 感光面是细长的矩形,也有少数是方形的.,一维PSD的等效电路,一维PSD的外形结构图,第七章 5 新型光电器件,(1)PSD的结构及基本原理,二维PSD的外形结构图,二维PSD的外形等效电路,二维PSD的外形等效电路,(2)PSD的主要特性,第七章 5 新型光电器件,第七章 5 新型光电器件,(2)PSD的主要特性, PSD器件的一些具体特性参数使用时参看产品说明.,第七章 5 新型光电器件,(2)PSD的主要
22、特性,第七章 光电式传感器,1.科研(四川255厂)获部级科技进步三等奖 张文政,刘小秋,姜波,魏桂香.一种快速火情控制器.火炸药, 1986(3)：42-45. 2.科研(杨泉104厂)获校级科技进步一等奖 魏桂香,姜波.一种数字式红外火焰探测器.北京理工大学学报, 1999,19(5)：660-662.,1.光照特性 2.光谱特性 3.响应时间(频率特性) 4.峰值探测率 5.温度特性 6.伏安特性,1.外光电效应 2.内光电效应 光电导效应 光生伏特效应,第七章 光电式传感器 课程小结, 光电式传感器特点、用途及类型 光电传感器国内外的发展状况及发展方向,第七章 光电式传感器 课程小结,1.光敏电阻(光导管) 2.光电池 3.光敏晶体管 4.光电管,1.电荷藕合器件(CCD) 2.光电位置敏感器件(PSD),