典型光电检测器件

• ＣＣＤ主要由三部分组成：信号输入、电荷 转移、信号输出。
• 输入部分：将信号电荷引入到ＣＣＤ的第一 个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。
– 光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输 入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极 附近的半导体体内产生电子—空穴对，其 多数载流子被栅极电压排开，少数载流子
则被收集在势阱中形成信号电荷。
• 与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其 记录资讯的载体，而数码相机的“胶卷”就是其 成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相 机的心脏。
• 感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。
• 数码相机的发展道路，可以说就是感光器的发展 道路。
• 目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广 泛使用的CCD（电荷耦合）元件；另一种是 CMOS（互补金属氧化物半导体）器件。
✓CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而发
展迅速，广泛应用于航天、遥感、 工业、农业、天
文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等
方面，尤其适用以上领域中的图像获取。
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1. CCD的结构及工作原理
CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本 单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。 它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一 层厚度约120 nm的SiO2，再在SiO2表面依次 沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。 这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。 将 MOS 阵 列 加 上 输 入 、. 输 出 结 构 就 构 成 了25
CMO.S
热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电
阻 热释电探测器
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典型的光电探测器
–CCD--- Charge Coupled Device –CMOS--- Complementary Metal-
Oxide Semiconductor
– CIS（接触式图像传感器）
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• 提到CCD与CMOS，不得不说到数码相机。
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光敏电阻：当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。
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大面积光电池
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红外发射、接收对管外形
红外发射管
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红外接收管10
光热效应
• 光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相 互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生 变化．
– 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变 化，引起电荷表面电荷变化的现象．
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数码相机 vs 胶卷式相机
• 1.经过镜头光聚焦在 CCD（CMOS）上
• 2.CCD（CMOS）将 光转换成电信号
• 3.经处理器加工，记 录在记忆体上
• 4.显示器输出或打印
• 1.经过镜头光聚焦在 胶片上
• 2.胶片上的感光剂随 光发生化学变化
• 3.变化了的感光剂胶 片经显影液显像
• 4.呈现在相纸上
– 辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热 而造成电阻率变化的现象．
– 温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差 而在两结点间产生电动势，回路中产生电流．
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光电检测器件
光子器件
热电器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
固体器件
光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光纤传感器 电荷耦合器件CCD
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• CCD的突出特点：是以电荷作为信号， 而不同于其它大多数器件是以电流或者 电压为信号。
• 它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器
集成为一体，构成具有自扫描功能的图
像传感器。是一种金属氧化物半导体
（MOS）集成电路器件, 基本功能是进
行光电转换电荷的存储和电荷的转移输
出。பைடு நூலகம்
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ＣＣＤ的工作原理
束缚而逸出金属表
面，形成电子发射。
紫外管多用于紫外
线测量、火焰监测
等。
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光电管
光电管的阴极受 到从光窗透进的光照 射后，向真空发射光 电子，这些光电子向 阳极作加速运动，形 成空间电子流，光电 流的数值取决于阴极 的灵敏度与光强。停 止光照，外电路将无 电流输出。
K
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阳极 A 阴极 K A
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• 光电倍增管
光电倍增管的 电流是逐级增加 的。由于光电倍 增管具有放大作 用，因此适用做 灵敏的弱光探测 器。
• K为光电阴极,A为光电阳极；D1、D2、
D3…等若干个光电倍增极(又称二次发射极)，
涂有光敏物质。
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2、 内光电效应
当光照在物体上，使物体的电导率发生 变化，或产生光生电动势的现象。分为光 电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。
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• 外光电效应：物体受光照后向外发射电子— —多发生于金属和金属氧化物
• 内光电效应：物体受到光照后所产生的光电 子只在物质内部而不会逸出物体外部——多 发生在半导体
• 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效 应
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2、外光电元件
• 紫外管
紫外线
当入射紫外
线照射在紫外管阴
极板上时，电子克
服金属表面对它的
• 光电检测器件是利用物质的光电效应把 光信号转换成电信号的器件.
• 光电检测器件分为两大类:
– 光子(光电子)检测器件 – 热电检测器件
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光电效应
• 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导 电率发生变化、或产生光电动势等，这种因 光照而引起物体电学特性发生改变统称为光 电效应
• 光电效应包括外光电效应和内光电效应
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• 在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小 超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同 深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深 度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿 半导体表面传输，最后从输出二极管送出视 频信号。
Device，电荷耦合元件
• CＣＤ上感光元件的表面具有储存电荷的能力， 以百万像素〈megapixel〉 为单位 。
• 光电转换—当其表面感受到光线时，会将电荷 反应在元件上
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✓电荷耦合器件（Charge Couple Device）是一 种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电
器件。它以电荷为信号， 具有光电信号转换、 存储、 转移和读出信号电荷的功能。
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相机(成像)原理
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数码相机的「视网膜」
• CCD（Charge Coupled Device ） 电荷耦合元件
• CMOS（Complementary MetalOxide Semiconductor）
互补性氧化金属半导体
可记录光线变化的半导体
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CCD --- Charge Coupled