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1、光电 光的基本特性 1 直线传播光在均匀介质中沿直线传播是光最基本的性质2 折 反射 3 色散 4 散射 5 干涉 6 衍射 7 偏振 小孔的衍射现象 双孔干涉 光电 一 光电效应 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体 物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量 E h 爱因斯坦光子假说光是运动着的粒子流 这些光粒子称为光子 光子是具有能量的粒子 每个光子的能量为 电子获得能量后释放出来 参加导电 这种物体吸收光的能量后产生电效应的现象叫做光电效应 光电效应可以分为 外光电效应内光电效应 外光电效应物体中的电子吸收的入射光子能量 若足以克服表面逸出功 电子就逸出物体表面
2、 产生光电发射 在光的作用下 物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应 向外发射的电子叫做光电子 只要物体中的电子吸收了入射光子的能量 就能产生光电子 逸出物体表面 光电子能否产生 取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0 超过物体的表面逸出功部分的能量表现为逸出电子的动能 根据能量守恒定理 有 m 电子质量 v0 电子逸出速度 该方程称为爱因斯坦光电效应方程 为逸出电子的动能 h 为光子能量 可见只有当光子能量大于逸出功时才有电子发射出来 不同的物质具有不同的逸出功 即每一个物体都有一个对应的光频阈值 称为红限频率或波长限 光线频率低于红限频率 光子能量不足以使物体内
3、的电子逸出 因而小于红限频率的入射光 光强再大也不会产生光电子发射 反之 入射光频率高于红限频率 即使光线微弱也会有光电子射出 外光电效应多发生于金属和金属氧化物 基于外光电效应的光电器件有光电管 光电倍增管等 光强愈大 入射光子数目越多 逸出的电子数也就越多 即当入射光的频谱成分不变时 产生的光电流与光强成正比 光电流与光强有没有关系 当光照射在物体上 使物体的电阻率 发生变化 或产生光生电动势的现象叫做内光电效应 它多发生于半导体内 由于没有电子从物体向外发射 因此仅改变物体内部的电阻或电导 内光电效应 根据工作原理的不同 内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类 1 光电导效应在光线作
4、用下 电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态 引起材料电导率的变化 基于这种效应的光电器件有光敏电阻 光电导效应有没有频率限制呢 与外光电效应一样 要产生光电导效应 也要受到红限频率限制 机理 当光照射到半导体材料上时 价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击 并使其由价带越过禁带跃入导带 使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加 从而使电导率变大 导带 价带 禁带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带 Eg 任一种光电导材料都存在一个照射光波长限 0 只有波长小于 0的光照射在光电导体上 才能产生电子能级间的跃进 从而使光电导体的电导率增加 式中 分别为入射光的频
5、率和波长 为了实现能级的跃迁 入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg 即 2 光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应 机理 光照射PN结区时 如果光子能量足够大 将在结区附近激发出电子 空穴对 在N区聚积负电荷 P区聚积正电荷 这样N区和P区之间就出现了电位差 形成了光电动势 基于该效应的光电器件有光电池 光敏二极管等 光电池实质上是一个较大面积的PN结 当光照射在PN结上时 在结的两端出现电动势 二 光电器件 1 光电管 由一个阴极和一个阳极构成 并且密封在一只真空玻璃管内 阴极装在玻璃管内壁上 其上涂有光电发射材料 要求阴极有足够的面积来接受光的
6、照射 阳极要既能有效地收集阴极发射的电子 而又不妨碍光线照射到阴极上 因此 是用一细长的金同丝弯成圆形或矩形制成 放在玻璃管的中心 外光电效应光电器件 一般都是真空的或充气的光电器件 如光电管和光电倍增管 2 光敏电阻光敏电阻的工作原理基于光电导效应 又称光导管 为纯电阻元件 其阻值随光照增强而减小 如果把光敏电阻连接到外电路中 在外加电压的作用下 用光照射就能改变电路中电流的大小 光敏电阻具有很高的灵敏度 很好的光谱特性 光谱响应可从紫外区到红外区范围内 而且体积小 重量轻 性能稳定 价格便宜 因此应用比较广泛 3 光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件 由于它可把太阳能直
7、接变电能 因此又称为太阳能电池 L klx L klx 5 4 3 2 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 2 4 6 8 10 开路电压 Uoc V 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 3 0 1 0 1 2 3 4 5 Uoc V Isc mA Isc mA a 硅光电池 b 硒光电池 1 光照特性开路电压曲线 光生电动势与照度之间的特性曲线短路电流曲线 光电流与照度之间的特性曲线 光电池的基本特性 开路电压 短路电流 短路电流 负载电阻RL越小 光电流与强度的线性关系越好 且线性范围越宽 硒光电池在不同负载电阻时的光照特性 不同负载电阻的光照特性 I 2 光谱特性光电
8、池的光谱特性决定于材料 1 硒光电池2 硅光电池 硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度 峰值波长在540nm附近 适宜测可见光 硅光电池应用的范围为400nm 1100nm 峰值波长在850nm附近 因此硅光电池可以在很宽的范围内应用 3 频率特性光电池作为测量 计数 接收元件时常用调制光输入 光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系 由于光电池PN结面积较大 极间电容大 故频率特性较差 硅光电池具有较高的频率响应硒光电池则较差 硅 硒光电池的频率响应曲线 太阳光能光谱 如何提高太阳能电池的效率 讨论题 光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件CTD ChargeTransf
9、erDevice 集合而成 是一种大规模集成电路光电器件 它的核心是CTD 最常用的是电荷耦合器件CCD ChargeCoupledDevice 4 光固态图象传感器 1 CCD CCD由若干个电荷耦合单元组成 CCD的最小单元是在P型 或N型 硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2 再在SiO2层上沉积铝电极而构成的MOS电容器 将MOS阵列加上输入 输出端 便构成了CCD CCD的MOS结构 若衬底是P型硅半导体在栅极上加正电压 衬底接地 则带正电的空穴被排斥离开Si SiO2界面 带负电的电子被吸引到Si SiO2界面附近 当电压高到一定值 形成对电子而言的所谓势阱 电子一旦进入就
10、不能复出 电压愈高 产生的势阱愈深 可见MOS电容器具有存储电荷的功能 如果衬底是N型硅 则可在电极上加负电压 如何实现电荷定向转移呢 电荷转移的控制方法有二相 三相等控制方式之分 以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程 t 三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1 P2 P3 依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲 1 2 3 当P1极施加高电压时 在P1下方产生电荷包 t t0 P2极加上同样的电压时 由于两电势下面势阱间的耦合 原来在P1下的电荷将在P1 P2两电极下分布 t t1 当P1回到低电位时 电荷包全部流入P2下的势阱中 t t2 然后 P3的电位升高 P2回到低
11、电位 电荷包从P2下转到P3下的势阱 t t3 即使P1下的电荷转移到了P3下 随着控制脉冲的分配 少数载流子便从CCD的一端转移到最终端 终端的输出二极管搜集了少数载流子 送入放大器处理 便实现电荷移动 线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体 在它们之间设有一个转移控制栅 当入射光照射在光敏元件阵列上 光敏元件聚集光电荷 进行光积分 在光积分时间结束时 转移栅上的电压提高 平时低电压 与CCD对应的光敏元件电极也同时处于高电压状态 然后 降低光敏元件电极电压 各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中 当转移完毕 转移栅电压降低 光敏元件电极电压回复
12、原来的高电压状态 准备下一次光积分周期 同时 在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲 将存储的电荷从CCD中转移 由输出端输出 目前 实用的线型CCD图像传感器为双行结构 单 双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上 下方的移位寄存器中 然后 在控制脉冲的作用下 自左向右移动 在输出端交替合并输出 面型CCD图像传感器面型CCD图像传感器由感光区 信号存储区和输出转移部分组成 目前存在三种典型结构形式 析像单元 输出栅 a 行传输 b 帧传输 光栅报时钟 二相驱动 输出寄存器 检波二极管 视频输出 垂直转移寄存器 感光区 二相驱动 c 行间传输 CMOS ComplementaryMetal Oxid
13、e Semiconductor互补金属氧化物半导体 2 CMOS 工作原理利用光电二极管进行光电转换 光线越强 电流越大 从而将图像转换为数字数据 每个象素都邻接一个放大器及AD转换电路 电荷信号直接放大并转换成数字信号 并可分别由两个方向的地址译码器进行选择 上世纪60年代末期美国贝尔实验室提出固态成像器件概念 70年代初CMOS传感器制造成功 80年代末 英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件 1995年高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功 1997年英国首次实现了CMOS图像传感器的商品化 2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学开发的CMO
14、S APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品 CMOS与CCD的研究几乎是同时起步 但由于受当时工艺水平的限制 CMOS的图像质量差 分辨率低 噪声降不下来和光照灵敏度不够 因而没有得到重视和发展 而CCD器件因为有光照灵敏度高 噪音低 像素少等优点一直主宰着图像传感器市场 但是 集成电路设计技术和工艺水平的提高 CMOS图像传感器过去存在的缺点 现在都可以找到办法克服 而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的 因而它再次成为研究的热点 都采用感光元件作为影像捕获的基本手段 感光元件的核心都是一个感光二极管 其在接受光线照射之后能够产生输出电流 而电流的强度则与光照的强度对应 工作原理
15、 但在周边组成上 CCD包括一个用于控制相邻电荷的存储单元 感光二极管占据了绝大多数面积 也即CCD感光元件中的有效感光面积较大 在同等条件下可接收到较强的光信号 对应的输出电信号也更明晰 CMOS感光元件的构成比较复杂 它还包括放大器与模数转换电路 每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管 而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分 造成CMOS传感器的开口率远低于CCD 开口率 有效感光区域与整个感光元件的面积比值 因此 在接受同等光照及元件大小相同的情况下 CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件 灵敏度较低 体现在输出结果上 就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CC
16、D传感器来得丰富 图像细节丢失情况严重且噪声明显 这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因 CMOS开口率低造成的另一个缺陷是它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步 因为随着密度的提高 感光元件的比重面积将因此缩小 而CMOS开口率太低 有效感光区域就很小 图像细节丢失情况会愈为严重 因此在传感器尺寸相同的前提下 CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器 这也是CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一 灵敏度差异 由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成 含放大器与A D转换电路 过多的额外设备缩小了单一像素感光区域的表面积 因此在象素尺寸相同的情况下 CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器 分辨率差异 CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂 其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平 因此 当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时 CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平 功耗差异 CMOS传感器的图像采集方式为主动式 感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出 但CCD传感器为被动式采集 需外加电压让每个象素中的
