导图社区 光电检测器件
光电检测器件知识思维导图，包括光子器件的外光电效应和内光电效应，图像传感器的分类、电荷耦合器件、红外热成像等，还有热电器件的光电效应等内容。
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第二章土的物理性质及工程分类
人工智能的运用与历史发展
电池拆解
光电检测器件
光子器件
外光电效应
光电发射效应
光电倍增管
基本原理
由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。光子入射经过光入射窗到达光电阴极，产生电子发射，电子在电场和电子光学系统的作用下加速运动到第一倍增级，倍增的电子在电场作用下高速运动到第二倍增级，依此类推，N次倍增后被阳极收集。
基本结构
入射窗
倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料
光电阴极
倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。
电子学系统
使下一级的收集率接近于1，渡越时间小
倍增系统
二次电子倍增材料构成，倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分
基本特性
灵敏度
电流放大倍数（增益）
暗电流ID
光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下很小，一般为10-16~10-10A，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件
主要因素
噪声
伏安特性
当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流Ia与入射到阴极面上的光通量Φ呈线性关系，而与阳极电压的变化无关。因此，可以把光电倍增管的输出特性等效为恒流源处理。
线性
光电倍增管的线性一般用它的阳极伏安特性表示，它是光电测量系统中的一个重要指标。 造成非线性的原因：①内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率等的变化；②外因，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降，对末级倍增极电压产生的负反馈和电压的再分配等
疲劳与衰老
在较强辐射作用下倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳。这是暂时的现象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来。当然，过度的疲劳也可能造成永久损坏。 光电倍增管在正常使用的情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会逐渐下降，且不能恢复，将这种现象称为衰老。
供电电路
电阻分压式
末级的并联电容
电源电压稳定度
光电倍增管优缺点
真空光电管
光电基本关系
内光电效应
光电导效应
光敏电阻
原理与结构
工作机理：当入射光子使半导体中电子由价带跃迁到导带时，导带中电子和价带中空穴均参与导电，阻值急剧减小，电导增加
分本征半导体和杂质半导体光敏电阻
梳妆结构，蛇形结构，刻线结构
典型光敏电阻
CdS光敏电阻：峰值波长0.52um，接近人眼光谱光视效率，可见光范围内最敏感
PbS光敏电阻：红外波段最敏感，2um附近红外辐射探测灵敏度最高
InSb光敏电阻：3-5um，大光敏器件不能做太薄
Hg(1-x)CdxTe系列光电导探测器：最有前途的，4-8大气窗口波段
光生伏特效应
光敏二极管
类型
P型硅为衬底的2DU型：带有透镜窗口，光线从窗口入射后，通过透镜聚焦在管心上，由于这种聚光效果增强了光照强度，因此可以产生较大的光电流。下端有正负电极引线
N型硅为衬底的2CU型：入射光窗口没有透镜，引线共有三条，分别称为前极，后极和环极
结构原理：
当光子入射到PN结形成的耗尽层内时，PN结中的原子吸收了光子能量，并产生本征吸收，激发出电子—空穴对，在耗尽区内建电场的作用下，空穴被拉到P区，电子被拉到N区，形成反向电流即光电流。光电流在负载电阻RL上产生与入射辐射相关的信号输出。
伏安特性曲线
光谱响应
典型硅光敏二极管光谱响应长波限约为1.1μm，短波限接近0.4μm，峰值响应波长约为0.9μm。硅光敏二极管光谱响应长波限受硅材料的禁带宽度Eg的限制，短波限受材料PN结厚度对光吸收的影响，减薄PN结的厚度可提高短波限的光谱响应
时间响应
1）在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间τdr，称为漂移时间。漂移时间约为 ，为ns数量级。 2）在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间τp，称为扩散时间。扩散时间τp很长，约为100 ns，它是限制PN结硅光敏二极管时间响应的主要因素。 3）由PN结电容Cj、管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC 延迟时间τRC。 ，也在ns数量级。但是，当负载电阻RL很大时，时间常数τRC将成为影响硅光敏二极管时间响应的一个重要因素，应用时必须注意。
低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT
PIN型光敏二极管
PIN型光敏二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半导体，光生载流子在内建电场的作用下只产生漂移电流，因此，PIN型光敏二极管在反向电压作用下的时间响应只取决于τdr与τRC，在10-9s左右。提高了时间响应。
雪崩光敏二极管
PIN型雪崩光敏二极管，具有较强的抗击穿功能，不必设置保护环
硅光电池
太阳能硅光电池
测量硅光电池
工作原理
输出功率
光敏晶体管
两种结构
PNP结构
用N型硅材料为衬底制作的光敏晶体管为NPN结构，称为3DU型；
NPN结构
用P型硅材料为衬底制作的光敏晶体管为PNP结构，称为3CU型
a）原理结构 b）电路符号 c）工作原理
特性
光敏晶体管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。 必须在一定的偏置电压作用下才能工作。偏置电压要保证光敏晶体管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。 应使光敏晶体管工作在偏置电压大于5 V的线性区域
时间特性
一方面在工艺上设法减小结电容Cbe、Cce；另一方面要合理选择负载电阻RL，尤其在高频应用的情况下应尽量降低负载电阻RL。 增大输出电流可以减小时间响应，提高光敏晶体管的频率响应
温度特性
光敏晶体管亮电流IL随温度的变化要比光敏二极管快。由于暗电流的增加，使输出的信噪比变差，不利于弱光信号的检测。在进行弱光信号的检测时应考虑温度对光电器件输出的影响，必要时应采取恒温或温度补偿的措施。
对于光敏二极管，减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高，因为PN结的厚度变薄后，长波段的辐射光谱很容易穿透PN结，而没有被吸收。短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收。因此，利用PN结的这个特性可以制造出具有不同光谱响应的光生伏特器件
色敏光生伏特器件
双色硅色敏光生伏特器件
三色硅色敏光生伏特器件
光生伏特器件组合
光生伏特器件组合件是在一块硅片上制造出按一定方式排列的具有相同光电特性的光生伏特器件阵列
主要有硅光敏二极管组合件、硅光敏晶体管组合件和硅光电池组合件。它们分别排列成象限式、阵列式、楔环式和按指定编码规则组成的阵列方式。
光电位置敏感器（PSD）
工作原理：基于光生伏特器件的横向效应的器件
图像传感器
分类
扫描型
直视型
真空摄像管
外光电效应：析像管、超正析像管、分流管、二次电子导电摄像管 内光电效应：硫化锑摄像管、氧化铅摄像管
氧化铅摄像管结构
组成：光电导靶、扫描电子枪、管体
氧化铅靶结构
子主在一帧的时间内，靶面上便获得与输入图像光照分布相对应的电位分布 ，从而实现图像的变换和记载。题
硅靶结构
摄像管的性能参数
光电转换特性
光谱响应特性，硅靶摄像管最广
时间响应特性
输出信噪比
动态范围
图像传递特性
电荷耦合器件
CCD图像传感器
像敏单元（MOS电容
光电转换、信息存储和传输
功能
线阵CCD图像传感器
表面沟道CCD器件（SCCD）
子体沟道或埋沟道CCD器件（BCCD）
电荷离半导体表面一定深度
工作过程
光电转换 （将光转换成信号电荷） 电荷的储存（存储信号电荷- 光积分） 电荷的转移（转移信号电荷） 电荷的检测（将信号电荷转换成电信号）
CCD 的构成基础：MOS 电容器，具有存储和转移信息的能力，故又称为动态移位寄存器。
（1）电荷储存
反型状态
表面势 ：半导体与氧化层界面上的电动势
与栅极电压（+）和氧化层厚度（-）有关
表面势表征了耗尽区的深度，表面势越大，电子在界面处的电势能越小，势阱（由表面势产生的阱状空间）的深度越深，可以存储（吸引）的电子越多
子主题
标注
电荷耦合
势阱及电荷是如何从一个位置转移到另一个位置的。
电荷的注入和检测
光注入
CCD光敏单元为光注入式：
背面照射式光注入的示意图
电注入
电注入就是CCD通过输入结构与信号电压或电流进行采样，然后将其转换为信号电荷注到相应的势阱中
特性参数
影响电荷转移效率的主要因素是表面态对电荷的俘获。为此，常用“胖零”工作模式，即让“零”信号也有一定的电荷。
驱动频率
ti平均寿命
固有时间tg
线阵CCD摄像器件的两种基本形式
单沟道线阵CCD
光敏阵列、转移栅、CCD模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成
双沟道线阵CCD
CMOS图像传感器
红外热成像
图像增强与变相
热电器件
光热效应
热辐射效应
热辐射探测器
热敏电阻
金属（正温度系数）吸收辐射，温度升高，晶格振动加剧，阻碍了电子的自由运动，电阻升高。 半导体（负温度系数）温度升高，晶格振动加剧，部分电子从价带跃迁到导带，成为自由电子，电阻减小
是一种无选择性的敏感器件
电阻-温度特性
输出特性
热阻和冷阻
灵敏度（响应率）
最小可探测功率
热电偶探测器
热电偶工作原理
接触电动势：不同材料之间结点处电子的扩散所致
温差电动势：同种材料存在温度梯度，载流子运动速度不同，从温度高的地方向温度低的地方运动。
热电偶时间常数
基本特性参数
灵敏度，响应时间，最小可探测功率，噪声（热噪声和温度起伏噪声）
热电堆探测器
热释电效应
电极化与铁电体的自发极化
居里温度：随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值时，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”
热释电器件的工作原理
当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片上时，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于释放了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。
电极结构
面电极结构：电极面积较大，极间距离较短，因而极间电容较大，不适于高频。 边电极结构：用于高频
其他
热释电器件采用压电类晶体，容易受外界振动的影响，并且它只对入射的交变辐射有响应，而对入射的恒定辐射没有响应。而热释电器件不需要制冷
优点
热释电器件具有以下优点： 1）具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹。 2）热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的探测率比热释电器件稍高，且这一差距还在不断减小。 3）热释电器件可以有均匀的大面积敏感面，而且工作时可以不必外加偏置电压。 4）与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小。 5）热释电器件的强度和可靠性好，且制造比较容易。
性质
电压灵敏度
当入射为恒定辐射时，辐射不灵敏； 在低频段，灵敏度与信号的调制频率成正比， 高频段时，灵敏度与信号的调制频率成反比，减小热释电器件的有效电容和热容有利于提高高频段的灵敏度。
噪声，响应时间，阻抗
光耦合器件
结构与电路符号
发光器件与光敏元件封装在一起构成光电耦合器件
把利用光耦合做成的电信号传输器件，一般称为光电耦合器件
特点
具有电隔离功能； 信号传输是单向性的， 具有抗干扰＆噪声的能力，可作为继电器＆变压器等使用； 响应速度快，一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级； 使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性价比高 即具有耦合特性又具有隔离特性
传输特性
交流电流传输比
当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就称为器件的最高工作频率
脉冲上升时间： 上到90% 和下降时间：下到10%
隔离特性
输入－输出间绝缘耐压BVCFO
输入－输出间绝缘电阻RFC
输入－输出间绝缘寄生电容CFC
抗干扰特性
应用
电平转换
门电路设计
