第3讲 光电技术简介-2007

光敏三极管
结构
光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作 用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电 流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引 出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度 补偿和附加控制等作用。
当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形
成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射
极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β
倍的信号电流。
与光敏二极管相比，具有很大的光 电流放大作用，即很高的灵敏度。
光敏三极管
灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管 的数十倍，故输出电流要比光敏二极管大 得多，一般为毫安级。但其它特性不如光 敏二极管好，在较强的光照下，光电流与 照度不成线性关系。频率特性和温度特性 也变差，故光敏三极管多用作光电开关或 光电逻辑元件。
2、电荷耦合器（CCD）
组成： MOS 光敏元 移位寄存器 电荷转移栅
光电技术应用
1 激光打印机 2 复印机 3 数码相机和摄像机
结构
1 激光打印机
激光打印机
打印原理
特点
(1) 像素密度高，印字清晰，分辨率比机 械 点阵式高近百倍；
(2) 打印速度快，比普通打印机快 6～30 倍； (3) 工作无撞击，打印噪声小。
特点
(1) 重量轻，体积小，价格便宜，耗电省，易于实 现数字化，近年来已趋于普及。
(2) 与光电导摄像机相比，CCD摄像机对摄像的 光 强波动范围要求低，可从烛光到强光，因为可 以调整曝光时间，但对同幅图像内光强的波动 范围要求高，即宽容度弱，不能真实反映图像 的亮暗程度；
(3) 清晰度也比光电导摄像机差些，无法进行频率 跟踪。
光敏二极管
雪崩光敏二极管
PN结有单向导电性，正向电阻小，反向电阻很大。
当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加。
就是反向电击穿--雪崩击穿。
雪崩击穿是Hale Waihona Puke N结反向电压增大到一数值时，载流子
倍增就像雪崩一样，增加得多而快。
利用这个特性制作的二极管就是雪崩二极管
雪崩击穿是在电场作用下，载流子能量增大，不断
象限探测器有二象限和四象限探测器，又分光 电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。象 限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器， 中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探测器 有完全相同性能参数。当被测体位置发生变化时， 来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异 会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位， 同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。
与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-
空穴对。新产生的载流子又通过碰撞产生自由电子-空穴
对，这就是倍增效应。1生2，2生4，像雪崩一样增加
载流子。
光敏二极管阵列
将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一 起，用来同时探测被测物体各部位提供的不 同光信息，并将这些信息转换为电信号的器 件。
象限探测器
第三讲 光电技术简介
1 光电转换原理 2 光电转换器件 3 光电转换集成器件
1 光电转换原理
1. 光电发射效应 2. 光电导效应 3. 光生伏特效应 4. 热释电效应
1. 光电发射效应
物体受到光照后向外发射电子的现象称 为 外光电效应或称光电发射效应。
在光电器件中，光电管、光电倍增管和 某些光电器件都是建立在光电发射效应基 础上的。
1、位置传感器（PSD）
结构
2、电荷耦合器（CCD）
随着集成电路技术的发展,二十年前 贝尔实验室的W.S.Doyle和G.Smith发明 了电荷耦合器件(Chanrge-CoupledDevices),缩写或简称CCD。由于它具有 结构简单，基础度高，制造工序少，功 耗低，信噪比好等优点，因而日益受到 人们的重视，它的用途广泛，包括工业 检测，数码相机，电视摄像等。
热释电探测器
由于由于温度的变化,热释电晶体和压电陶瓷等会出现结构上 的电荷中心相对位移,使它们的自发极化强度发生变化,从而在它 们的两端产生异号的束缚电荷,这种现象称为热释电效应。具有这 种性质的材料称为热释电体。
结构
热释电探测器
光谱范围：一般热释电在0.2～20μm； 用途：主要用于防盗报警和安全报警装置、
光电导摄像管
(1)基本原理 由半导体能带理论可知，当图像
的光子大量入射到半导体光电导材 料上时，使大量的电子吸收能量进 入导带，从而使其导电性能改善， 电导率增加或电阻下降，形成了电 子图像信号。
光电导摄像管
(2) 组成： 电子枪 偏转线圈 光电导靶
面
光电池
（1）原理与结构
光电池是一种在光的照射下产生电动 势的半导体元件。光电池的种类很多，常用 有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光 电池等。
可以单元使用，也可以线阵或面阵使用，具 有极高的灵敏度，已成功的应用在我国风云一 号和风云二号卫星上。
但碲镉汞（CMT）器件使用时一定要制冷， 一般采用半导体制冷。
3 光电转换集成器件
1、位置传感器（PSD） 2、电荷耦合器（CCD）
1、位置传感器（PSD）
PSD 是一种对其感光面上入射光点位 置敏感的光电器件。即当入射光点落在 器件感光面的不同位置时，PSD 将对应 输出不同的电信号。通过对此输出电信 号的处理，即可确定入射光点在 PSD 的 位置。入射光点的强度和尺寸大小对 PSD 的位置输出信号均无关。PSD 的位 置输出只与入射光点的“重心”位置有 关。
3 CCD摄像机和数码相机
CCD摄像机原理
CCD摄像机是利用MOS光敏元在光照后产生 电子和空穴分离的现象，电子被吸收到势阱，势 阱内的光生电子数与入射到势阱附近的光强成正 比，也与光照时间（曝光时间）成正比。
彩色摄像机是在CCD前置一片特殊结构的滤 色器，使透过滤色器的红、绿、蓝三色信号按某 种规律照射在不同的CCD单元上，最后对CCD 输出信号进行特殊的处理，可得到彩色的全电视 信号。
2 复印机
同激光打印机相同，复印机也是利用 光电技术和电子照相技术相结合的一种印 字方式。复印机与激光打印机的主要区别 是图象信息产生的方式不同。复印机是实 物文件被反射照明后由成像镜头成像曝光 在感光体上；而激光打印机则是由主计算 机产生的图象数据经控制电路控制激光束 的偏转和光强度扫描曝光完成打印的。
光敏二极管
(1) 原理 光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。在没
有光照时，反向电阻很大，反向电流很小，只有很 微弱的暗电流。当有光照时，光子打在pn结附近， 于是在pn结附近产生电子-空穴对，它们在pn结内 部电场作用下作定向运动，形成光电流。光照越强， 光电流越大大。
光敏二极管
(2) 特性 体积小，稳定性好； 灵敏度高，响应速度快； 易于获得定向性； 光谱响应在可见和红外区。
光电池也叫太阳能电池，直接把太阳光转变成电。 因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的 大量光能转化换成电能。
1839年，安托石-贝克雷尔制造出了最早的光电池。 贝克雷尔电池是一个圆柱体，内装硝酸铅溶液，溶
液中进入一个铅阳极和一个氧化铜阴极。这种电池 一经阳光照射，就会供给电流。
1875年，德国技师维尔纳-西门子是制成第一
个硒光电池，并提议用于光量测定。西门子的光电
池是根据1873年英国人史密斯发现的“内光电效应”
提出的。
光电池被广泛地用于自动控制技术、信息电子
学和测量技术。这些元件的性能约自1950年起，因
半导体技术的发展而得到显著改善。
光电池
（2）特性： 波长范围: 硅光电池为400 — 1100 nm，
峰值波长在 850 nm 附近； 灵敏度：硅光电池为 6-8 毫安／流明； 可靠性好，寿命也较长； 体积小。
数码相机
数码相机原理同CCD摄像机，所不同 的是CCD摄像机是采集连续的图像，而 数码相机只采集一幅图像；数码相机将 一幅图像的信息转换成数字量保存在内 存或软盘中。
目前数字摄像机也成为主流产品。
2. 光电导效应
光电导效应指固体受光照而改变其 电导率。
利用此现象制成各种光敏电阻。 20世纪又先后在氧化亚铜、硫化铊、
硫化镉、硫化铅等材料中发现光电 导效应，并由此发展了从紫外、可 见到红外各个波段的辐射探测器。
3. 光生伏特效应
光生伏特效应 由光照引起电动势的现象。
光生伏特效应：发生在半导体的界面。 基于该效应制成的光电转换器件有光电池，
光敏二极管，光敏三极管等。
4. 热释电效应
热释电效应指的是某些晶体的电极化强度 随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。
基于该效应制成的光电转换器件有红外探 测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种 光谱仪接收器等。
2 光电转换器件
1、光电发射效应器件 光电倍增管 2、光电导效应器件 光敏电阻、光电导摄像管 3、光生伏特效应器件 光电池、光敏二极管、光敏三极管 4、热释电效应器件 热释电探测器、热释电摄像管
自动门、自动照明装置、火灾报警 等一些自动控制系统中。 特点：（与测辐射计、温差热电堆等比较） 频率特性好，室温下工作，无需致冷， 体积小，重量轻，坚固。
热释电摄像管
热释电摄像管
热释电也可制成探测器阵列，已有320240 像敏元的热释电热成象系统上市，主要用于红 外摄像机。
碲镉汞（CMT）器件
光电倍增管
(1)光电倍增管利用外光电效应制成 (2)结构
光电倍增管
(3) 特点 灵敏度高，适宜弱光信号； 响应时间极短； 频率特性较好，频率可达106赫或更高； (4) 缺点
需高压直流电源、价贵体积大、经不 起机械冲击等。
光敏电阻
(1) 结构
光敏电阻
(2) 优点 光谱响应相当宽;
光敏电阻的灵敏域可在紫外光区，可见光区， 也可在红外区和远红外区。 所测的光强范围宽; 使用方便，成本低，稳定性高，寿命长; 灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。 (3) 不足 在强光照射下线性较差，频率特性也较差。