1、Ch4 Opto-electronic Sensing and DetectionNorth China University of Technology/Xu Fen2n光电测量系统及其特点光电测量系统及其特点非接触测量、精度高、可靠性高、反应快。nPhoto detectorsnPhoto resistornPhoto diode&photo transistorsn硅光电池(photovoltaic cell)nPhoto diode arrayn光电位置敏感器(position sensitive detector)n集成成像器件(e.g.CCD,CMOS)4.1 Introducti
2、onNorth China University of Technology/Xu Fen3波粒二象性波粒二象性(wave-particle duality)：具：具有波的特征，又具有粒子的特点。有波的特征，又具有粒子的特点。Property related to waveProperty related to photon光的传播速度光的反射(reflection)光的干涉(interference)光的衍射(diffraction)光的吸收(absorption)光的发射(emission of photons)光电效应(photo-electric effect)n Property o
3、f LightNorth China University of Technology/Xu Fen4In the photoelectric effect,electrons are emitted from matter(metals and non-metallic solids,liquids or gases)as a consequence of their absorption of energy from electromagnetic radiation(电磁辐射）of very short wavelength,such as visible or ultraviolet
4、light.n Photoelectric Effect（光电效应）（光电效应）North China University of Technology/Xu Fen5Key PointsnA0是材料的表面逸出功(work function);n每种物体存在一个红限频率(threshold frequency)，只有该频率之上的光才能产生光电流；n光电流与光强成正比；n光电子的能量正比于入射光的频率。光子的能量光子的能量：E=hf,h=6.62*10-34(J.S)光电效应方程：光电效应方程：Ek=1/2(mV2)=hf-A0North China University of Technolo
5、gy/Xu Fen6Typical devices:光电管(photo tube)光电倍增管(Photo Multiplier Tube)优点:灵敏度高,稳定性好,响应速度快,噪音小缺点:结构复杂,工作电压高,体积大North China University of Technology/Xu Fen7光电管(Photo tube)分为真空光电管(vacuum tube)和充气光电管(gas-filled tube).真空光电管一般由阴极(cathode),阳极(anode)和真空玻璃管(vacuum tube)组成.当阴极受到光线照射后发射出光电子,光电子在极间电场的作用下运动到阳极被阳极吸
6、收,在光电管内部形成电子流,光电流的数值通过阳极电路测出.North China University of Technology/Xu Fen8Photomultiplier tubePMT are extremely sensitive detectors of light in the ultraviolet,visible,and near-infrared ranges of the electromagnetic spectrum.These detectors multiply the current produced by incident light by as much a
7、s 100 million times(i.e.,160 dB),in multiple dynode stages,enabling individual photons to be detected when the incident flux of light is very low.当阴极受到光线照射后发射出光电子,光电子在极间电场的作用下打在第一个倍增极上(Dynode),激发出多个光电子,这些光电子接着打到第二个倍增极,产生更多的光电子,如此经过几个倍增极后,电子流迅速增大,最后被阳极吸收,从阳极电路输出.North China University of Technology/X
8、u Fen10入射光子在物质内部产生光生载流子，这些光生载流子引起物质电学性质发生变化，这种物理现象称为内量子效应。如光电导效应(photoconductive effect)，光生伏特效应(photovoltaic effect)。nPhoto-conductivity 半导体吸收光子的能量，通过本征激发产生电子-空穴对，这时在外电场作用下通过的电流会增大,即半导体的电导率增大。n Internal Quantum EffectNorth China University of Technology/Xu Fen11For intrinsic semiconductor(本征半导体),入射光
9、子使电子离开价带(valence band)跃入导带(conduction band),使电导率增大,入射光的临界波长由禁带宽度决定.hvEg导带价带(a)Eg是禁带宽度(band gap)(0nmEhcgNorth China University of Technology/Xu Fen12b)掺杂半导体hvEi(b)(0nmEhci对掺杂型(extrinsic semiconductor),光子使施主(donor)能级中的电子或受主(acceptor)能级中的空穴跃迁到导带或价带,进而使半导体的电导率增大.其临界波长由杂质的电离能(ionization energy)决定.North C
10、hina University of Technology/Xu Fen13无光照时,PN结内存在一个自建电场.当光照射PN结及其附近时，在结区附近产生少数载流子，这些载载流子在自建场的作用下分别向流子在自建场的作用下分别向P区和区和N区移动区移动,在半导在半导体内部产生附加光势垒，即光生电势体内部产生附加光势垒，即光生电势.这一现象称为光生伏特效应。光生伏特效应的入射光临界波长决定于半导体材料的禁带宽度。n光生伏特效应光生伏特效应(photo-voltaic effect)迁移区域P型N型导带价带费米能级PN结的光电效应hvNorth China University of Technolo
11、gy/Xu Fen14n量子效率量子效率(quantum efficiency)单位时间内光电探测器输出的光电子数与入射光的光子数之比。从微观上反映了光电探测器件的灵敏度。ePIhvhvPeI/1n光电探测器件的特性参数光电探测器件的特性参数North China University of Technology/Xu Fen15n响应度响应度(responsiveness)响应度是与量子效率相对应的一个宏观参数，指单位入射的光辐射功率所引起的反应。包括电压响应度和电流灵敏度。入射的单位光功率所产生的信号电压Us,定义为电压灵敏度.产生的信号电流定义为电流灵敏度.PISPURsdsuNorth
12、 China University of Technology/Xu Fen16n光谱响应特性光谱响应特性(spectral response)光谱响应特性指光电探测器的响应度相对于入射光波长的关系。光谱响应主要取决于材料的禁带宽度。硅光敏的响应波段在400nm1100nm之间。峰值波长约为900nm。n 响应时间响应时间(responding time)在阶跃输入光功率的条件下，探测器输出电流由零上升到稳态值的63%时的时间称为响应时间。North China University of Technology/Xu Fen17n噪声等效功率噪声等效功率(Noise-equivalent po
13、wer)使探测器输出电压正好等于输出噪声电压时的入射光功率定义为噪声等效功率（NEP).nsunUUPRUNEP/n噪声与探测度噪声与探测度光电探测器的探测度往往受限于器件中的噪声，尤其是在探测微弱光信号时。通常采用噪声等效功率的倒数的倒数表示光敏器件的探测度。North China University of Technology/Xu Fen184.2 光敏电阻光敏电阻(photo resistors)光敏电阻属于典型的光电导型传感器，一般采用CdS材料制作，适用于紫外线、可见光范围。nCdS光敏电阻的结构光敏电阻的结构 单晶CdS是N型半导体,禁带宽度Eg为2.42eV.光敏电阻中一般采
14、用CdS与适量的CdCl2混合作成浆料，涂在陶瓷基体上。玻璃窗CdS浆料陶瓷基体North China University of Technology/Xu Fen19nCdS光敏电阻的光敏特性光敏电阻的光敏特性n光电灵敏度在给定电压和给定照度下的输出电流值。也可用照度-电阻特性曲线来表示灵敏度。n光谱特性 响应度随入射光波长的不同而变化的特性。CdS光敏电阻的峰值波长处于0.67um附近，属于可见光波段。n响应时间 响应时间与材料种类、照度、负载电阻及环境温度有关，一般在10-210-6秒数量级。n温度特性 对温度敏感。温度特性一般用温度系数描述。%100)(21212RTTRRNorth
15、 China University of Technology/Xu Fen20硅光电池是一种利用光伏效应的光电探测器件。峰值波长为0.8um。有2DR型和2CR型。2DR型：基片是P型硅，上面扩散磷形成N型薄膜，受光面是N型层；2CR型：N型基片，上面扩散有硼形成P型层，受光面为P型层。P型层基片电极N型层PN结栅状电极2DR型4.3 硅光电池硅光电池(Si Photovoltaic cell)North China University of Technology/Xu Fen21RFVo硅光电池工作电路硅光电池工作时不需要外加偏置电压，使用比较方便.缺点是响应时间长.North Chin
16、a University of Technology/Xu Fen22n普通光敏二极管的基本结构半导体材料采用硅。Eg=1.12eV管芯电极NP管芯断面4.4 光敏二极管(photodiode)RLNorth China University of Technology/Xu Fen23n光敏二极管的特性光敏二极管的特性n光照特性反向电压/V2500 lux2000 lux1500 lux1000 lux1000 lux25015010050200102030光电流uA151052050100 150 200照度/lxNorth China University of Technology/X
17、u Fen24-+U=Is*RfcfRfLF411CN不加偏压的光电管的电流检测工作方式North China University of Technology/Xu Fen25加反向偏压的光敏二极管的互阻放大接口电路North China University of Technology/Xu Fen26nPIN型光敏二极管(PIN photodiode)PIN-PDi)在P区和N区中间加入一个本征的I区,I层是高阻区，外加偏压大部分落在I区，使耗尽区(depletion region)变宽，增大了光电转换的有效区域,提高了灵敏度；ii)耗尽区变宽,增加了二极管的反向阻抗,从而保证二极管有一
18、个较高的反向击穿电压；iii)耗尽区变宽使PN结的结电容减小,可以提高器件的响应速度。N+光IP+North China University of Technology/Xu Fen27材料掺杂均匀，PN结面积较大，减少表面漏电流。原理原理 在一个较高的反向偏置电压作用下，光生载流子在强电场作用下，加速运动，碰撞产生更多的电子-空穴对，使输出信号倍增。优点优点：灵敏度高；缺点缺点：对温度特别敏感，每个APD放大倍数各不相同。n雪崩二极管(Avalanche photodiode)P光N+Al电极（+）-SO2North China University of Technology/Xu Fe
19、n28RFVo过压检测和保护电路高反压电源（带温度补偿功能）限流电阻（1M欧以上）APDAPD接口电路的基本形式North China University of Technology/Xu Fen29光电三极管有NPN型和PNP型。NNPcbeecbec4.5 光电三极管光电三极管(photo-transistor)结构原理图符号North China University of Technology/Xu Fen30利用光刻技术，将一整块的圆形或方形光敏器件敏感面分成若干个面积相等、形状相同、位置对称的区域，各分隔面引出导线，就构成象限探测器。n功能用来确定光点在二维平面上的位置坐标。n典
20、型器件四象限光电二极管，四象限硅光电池，四象限光电倍增管等。n缺点分辩率和精度有限，存在测量死区。4.6 四象限探测器(4-quardrant photo detector)North China University of Technology/Xu Fen31n直差电路形式器件的坐标线和基准线成45角安装。X和Y轴各有两个对称的光电敏感部件。因此，DCBADByDCBACAxUUUUUUKUUUUUUUKU-+-/UxUyyx1234UAUBUCUDNorth China University of Technology/Xu Fen32n和差电路形式器件的坐标线和基准线成水平安装。对X轴
21、坐标，取相对于Y轴对称的光电部件（1+4象限和2+3象限）；对Y轴坐标，则取1+2象限相对于3+4象限。+/UxUyxy1234-+UAUBUCUDUA+UDUA+UBDCBADCBAyDCBACBDAxUUUUUUUUKUUUUUUUUUKU)()()()(North China University of Technology/Xu Fen33光敏管阵列将多个光敏管集成在一个硅片上，各管光敏管阵列将多个光敏管集成在一个硅片上，各管的同一极端连接在一起，另一端各自单独引出。阵的同一极端连接在一起，另一端各自单独引出。阵列中的每一个光电管成为像元。每个像元有独自的列中的每一个光电管成为像元。每
22、个像元有独自的信号处理和放大电路。信号处理和放大电路。4.7 光敏阵列光敏阵列(Photo detector array)North China University of Technology/Xu Fen34当光敏管中的像元数目较多时，一般采用自当光敏管中的像元数目较多时，一般采用自扫描光电二极管阵列扫描光电二极管阵列(SSPD)。SSPD内部集内部集成了数字移位寄存器等电路。其工作方式为成了数字移位寄存器等电路。其工作方式为电荷存储方式，通过对结电容的不断充电、电荷存储方式，通过对结电容的不断充电、放电，输出该像元上的光照度大小。放电，输出该像元上的光照度大小。NPSiO2栅极漏极源极A
23、l膜左图为SSPD像元的结构图。结构类似于普通的MOSFET,但其氧化层部分裸露，以便光线透过氧化层照射到PN结上。P型层与N硅衬底之间形成一个PN结型光电二极管。North China University of Technology/Xu Fen35SSPD的等效电路图如下所示。光电二极管等效为理想二极管和结电容。二极管上加有反向偏置电压Uc,电路由MOSFET进行开关控制。当栅极为高电平时，场效应管(FET)闭合，偏置电压对二极管的结电容充电，当栅极转为低电平时，场效应管断开，在光电流作用下,结电容缓慢放电，电压下降。光生电流在负载电阻的压降反映了光生电信号的大小。VTUcRLU0Ug=
24、LVD(a)放电VTUcRLU0Ug=HVD(a)充电SSPD有线阵和面阵器件。North China University of Technology/Xu Fen364.8 光电位置传感器(PSD)PSD(Position Sensitive Device)可以输出与入射光点在光敏感面上的位置相关的电信号，而且能同时输出入射光的光强。其精度和分辨率都较象限探测器高。North China University of Technology/Xu Fen37P层I层N层123I2I1I0LL左图为左图为PIN型型PSD的断面示意图，的断面示意图，包含有三层。包含有三层。P层既是光敏层，也层既是
25、光敏层，也是一个均匀的电阻层。是一个均匀的电阻层。North China University of Technology/Xu Fen38入射光在入射位置产生与光能成比例的电荷数。电荷作为光电流通过电阻层由电极输出。电极1和电极2的输出电流分别与光点到各电极的距离成反比。电极3处于中心点位置，其电流等于电极1和电极2的电流和。LIIIIXILXLIILXLIAAA1212020122P层I层N层123I2I1I0LLXANorth China University of Technology/Xu Fen39One-dimension PSD如S1545,用来测量光点在一维方向上的位置。感光面一般为细长矩形条。其等效电路如左图所示。入射光点的位置计算如下LIIIIXA12121RDRshIpVDCj23North China University of Technology/Xu Fen40Two-dimension PSD用来测量光点在平面上的二维坐标。感光面是方形的。有两对电极，在上下两个表面上，互相垂直。其等效电路如左图所示。入射光点的位置计算如下LIIIIYLIIIIXAA43431212RDRshIpVDCj12RD343124
