第二节 第二节 光电器件 光电器件 热探测型 光子探测型 电荷耦合器件（CCD） 位置敏感器件（PSD） 返回 一、热探测器 一、热探测器 z基于光辐射与物质相互作用的热效应 将光信号的能量变为自身的温度变化，再将温 度变化转变为相应的电信号，对波长没有选择 性，只与接收到的总能量有关 z优点: 能够接收超低能量的光子， 具有宽广和平坦的光谱响应， 尤其适用于红外的探测 返回上一页下一页 （一）测辐射热电偶 （一）测辐射热电偶 与常规热电偶相似， 在电偶的一个接头上增加光吸收涂层， 当有光线照射到涂层上，电偶接头的温 度随之升高，造成温差电势。 响应时间受限制于热扩散速度， 带宽可以达到几千赫兹， 响应灵敏阈为几个毫瓦。 返回上一页下一页 （二）测辐射热敏电阻 （二）测辐射热敏电阻 z与测辐射热电偶不同之处在于用热敏电 阻代替了热电偶， z当有光线照射到涂层上，首先引起温度 的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻 值的变化。 z工作在小于30Hz的低频区， 用在远红外的测量领域。 返回上一页下一页 （三）热释电探测器 （三）热释电探测器 z敏感部分是一种铁电材料 z光辐射照射到铁电材料上，电偶极矩的有序排 列会有所减弱，铁电材料表现为表面电荷的减 少，这相当于释放一部分电荷。释放的电荷可 用放大器转变成输出电压。 工作波长远至100μm 的远红外区域。 z应用广泛，从常见的防火、防盗装置到复杂的 光谱仪、红外测温仪、热象仪和红外遥感技术 等都有实际的应用。 返回上一页下一页 制作热释电器件的常用材料 制作热释电器件的常用材料 z硫酸三甘肽（TGS）晶体，掺α丙胺酸改性后的 硫酸三甘肽（LATGS）晶体，钽酸锂（LiTaO 3 ） 晶体，锆钛酸铅（PZT）类陶瓷，聚氟乙烯 （PVF）和聚二氟乙烯（PVF 2 ）聚合物薄膜等。 z不论那种材料，都有一个特定温度，称居里温度。 当温度高于居里温度时，自发极化矢量为零，只 有低于居里温度时，材料才有自发极化性质。正 常使用时，都是使器件工作于离居里温度稍远一 点的温区 返回上一页下一页 二、光子探测器 二、光子探测器 z基于光电效应原理， 即利用光子本身能量激发载流子， z有一定的截止波长，只能探测短于这一 波长的光线，当光的频率低于某一阈值 时，光的强度再大也不能激发导电电子。 z响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。 返回上一页下一页 光电效应 光电效应 z光能是由分离的能团——光子组成，光子的能量 E和频率f的关系为 E= h f 式中h——普朗克常数，h=6.626×l0 -34 z光照射在物体上可看成是一连串具有能量为E 的光子轰击物体,如果光子的能量足够大，物质 内部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚， 成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出， 也可能参与物质内部的导电过程 返回上一页下一页 （一）光电发射探测器 （一）光电发射探测器 z基于外光电效应 在光线作用下能使电子逸出物体表面 真空光电管 光电倍增管 返回上一页下一页 频率限（红限） 频率限（红限） z根据爱因斯坦的假设：一个光子的能量只能给一个电 子，要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量 E必须大于该物质表面的逸出功A 0 ，表面逸出的电子 具有能量 z不同的材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言 便有一个频率限( 红限) λ K =hc/A 0 (临界波长) 00 2 0 2 1 AhfAEmvE K ?=?== 返回上一页下一页 光电管的结构 光电管的结构 与工作原理 与工作原理 2 1 １－阴极（逸出功小的光敏材料）　 ２－阳极 电阻上的电压降或电路中的电流大小都与光强成函数关系 返回上一页下一页 光电倍增管的结构 光电倍增管的结构 与工作原理 与工作原理 z光电阴极　　光电倍增极　　　阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并 且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起 二次电子发射 二次电子发射系数σ =二次发射电子树／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σ n 返回上一页下一页 （二）光电导探测器 （二）光电导探测器 z基于光导效应 半导体材料在光线作用下，电阻值变小 z优点：灵敏度高，体积小，重量轻 　　光谱响应范围宽，机械强度高 z光电导效应只限于受光照的表面层，因 此光敏电阻通常做得很薄 为了得到高的灵敏度，电极做成梳状 返回上一页下一页 (三 三 )光伏器件 光伏器件 （光电池） （光电池） 光电池的基本结构就是一个PN结。按材料分， 有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光 电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池 等。 光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同 质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成 2CR系列和2DR系列两种。 当光电池短路时，短路电流I sc 与照度E成线性 关系，S＝I sc /E称为灵敏度。 返回上一页下一页 （四）光电结型探测器 （四）光电结型探测器 z光电二极管探测器 z光电三极管探测器 PN结光电二极管 PIN光电二极管 返回上一页下一页 三、电荷耦合器件（ 三、电荷耦合器件（ CCD） ） 电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices） MOS光敏单元阵列+读出移位寄存器 具有自扫描功能的图像传感器 优点: 量子效率高、电荷传递性优异、噪音低、象素小等 应用：广播电视、可视电话和传真 自动检测和控制等领域 返回上一页下一页 （一） （一） MOS光敏单元 光敏单元 金属–氧化物–半导体结构元（MOS） 返回上一页下一页 势阱内所吸收的光生电子数量与入射到 势阱附近的光强成正比 一个势阱所收集的若干光生电荷称为一 个电荷包 一个MOS结构元为MOS光敏元或叫做一 个象素， 半导体硅片上制有几百或几千个相互独 立的MOS光敏元 返回上一页下一页 （二）读出移位寄存器 （二）读出移位寄存器 MOS结构，亦即由金属电极、氧化物和半导体三部分组成。 它与MOS光敏元的区别在于： ①在半导体的底部覆盖上一层遮光层， 防止由于外来光线的干扰； ②它由三组邻近的电极组成一个耦合单元（亦即传输单元） 返回上一页下一页 信 息 电 荷 传 输 原 理 图 信 息 电 荷 传 输 原 理 图 返回上一页下一页 （三）线阵电荷耦合器件 （三）线阵电荷耦合器件 MOS光敏元列阵+转移栅+读出移位寄存器 线阵CCD结构原理图 返回上一页下一页 （四）面阵电荷耦合器件 （四）面阵电荷耦合器件 场 转 移 面 阵 电 荷 耦 合 器 件 光敏元面阵+存储器面阵+读出寄存器（线阵） 返回上一页下一页 四、位置敏感器件（ 四、位置敏感器件（ PSD） ） z Position Sensitive Detector 坐标光电池 对其感光面上入射光点位置敏感的器件 一维PSD用于测定光点的一维坐标位置 二维PSD用于测定光点的二维坐标位置 优点：高灵敏度、高分辨力 响应速度快、配置电路简单 位置坐标的精确测量、兵器制导和跟踪、工业 自动控制、位置变化等技术领域 返回上一页下一页 L II II X ? + ? ?= 12 12 A 2 1 PSD测量结果X A 与I 1 、I 2 比值有关， 入射光强的变化不影响测量结果 L——PSD的长度； X A ——入射光点的位置 X A 入射光 I 1 I 2 一 维 一 维 PS D PS D I 0 返回上一页