典型光电检测器件
长春理工大学光电检测填空和简答考试必备
B 半导体对光的吸收:半导体受光照射时，一质型半导体光敏电阻。
部分光被反射，一部分光被吸收。
半导体对光G 光敏电阻的相对光电导随温度升高而降低，的吸收可分为 : 本征吸收，杂质吸收，激子吸光电响应受温度影响较大收，自由载流子吸收和晶格吸收。
能引起光G 光敏电阻结构设计的基本原则：为了提高光电效应的有：本征吸收、杂质吸收。
敏电阻的光电导灵敏度Sg，要尽可能地缩短B 本征半导体光敏电阻常用于可见光波段的光敏电阻两电极间的距离L 。
测探，而杂质型半导体光敏电阻常用于红外波G 光敏电阻的基本特性：光电特性，时间响应，段甚至于远红外波段辐射的探测。
光谱响应，伏安特性，噪声特性。
B 半导体激光器发光原理：受激辐射、粒子数G 光敏电阻的光电特性：随光照量的变化，电反转和谐振。
导变化越大的光敏电阻就越灵敏。
C 粗光栅和细光栅：栅距d大于波长λ的叫粗G 光敏电阻的噪声特性：热噪声、产生复合噪光栅，栅距 d 接近于波长λ的叫细光栅。
声、低频噪声。
热噪声：光敏电阻内的载流子C 由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因热运动产生的噪声。
低频噪声：是光敏电阻再此 N 型 CCD 比 P 型 CCD 的工作频率高很多。
骗置电压作用下会产生信号光电流，由于光敏D 丹倍效应：由于载流子迁移率的差别产生受层内微粒的不均匀，会产生微火花电爆放电现照面与遮蔽面之间的伏特现象。
象，这种微火花放电引起的电爆脉冲就是低频F 发生本征吸收的条件:光子能量必须大于半噪声的来源。
导体的禁带宽度 Eg G 光敏电阻的光谱响应：光敏电阻的电流灵敏F 辐射源：一般由光源及其电源组成，是将电度与波长的关系 .决定因素 : 主要有光敏材料禁能转化成光能的系统。
带宽度 ,杂质电离能 ,材料掺杂比与掺杂浓度等F 发光效率：由内部与外部量子效率决定。
G 光敏电阻的设计的三种基本结构：梳状，蛇F 发光光谱：LED发出光的相对强度随波长形，刻线结构。
变化的分布曲线。
南理工光电检测技术课程光电检测器件
优点：灵敏度高，工作电流大（达数毫安） ， 光谱响应范围宽，所测光强范围宽，，无极性之分。
缺点：响应时间长，频率特性差，强光线性差， 受温度影响大。
主要用于红外的弱光探测与开关控制。
路灯自动点熄原理图如图所示，分析它的工作原理。
二、光电池
★它是利用光生伏特效应制成的将光能转换成电能的 器件。它是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电 能P-N结光电器件。
3、优缺点
优点：光电阴极面积大，灵敏度较高；暗电流小，最低 可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百 伏到数百伏、玻壳容易破碎等。目前已基本被固体光电器 件所代替。
建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上 的，把微弱入射光转换成光电子，并获倍增的器件。
金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★金属吸收效率很低 ； ★金属中光电子逸出深度很浅，只有几纳米； ★金属逸出功大多为大于3eV，对λ>410nm的可见光来说，很难 产生光电发射，量子效率低；
半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★光吸收系数比金属大； ★体内自由电子少，散射能量变小——故量子效率比金
光电检测光电池具有光敏面积大，频率响应高，光电流随 照度线性变化。
太阳能光电池耐辐射，转换效率高，成本低，体积小，结 构简单、重量轻、可靠性高、寿命长，在空间能直接利用太 阳能转换成电能的特点。
I
U RL
Ip Ij
I
U RL
符号 连接电路
等效电路
三、光敏二极管
与普通二极管相比:
共同点：一个PN结，单向导电性 不同点：
第二章、光电检测器件
光电检测技术(第五章 光电成像检测器件)
光电成像器件
1、图像的分割与扫描 图像分割的目的是分割后的电气图像经过扫描才能 输出一维时序信号。 分割的方法：超正析像管利用扫描光电阴极分割像 素、摄像管由电阻海颗粒分割、面阵CCD和CMOS图像传 感器用光敏单元分割。 扫描的方式：与图像传感器的性质有关。真空摄像 管采用电子束扫描方式输出一维时序信号。 具有自扫描功能的：面阵CCD采用转移脉冲方式将电 荷包顺序转移出器件；CMOS图像传感器采用顺序开同行、 列开关的方式完成信号输出。
传送
同步扫描
视频解调
图像再现
显像部分
光电成像系统原理方框图
光电成像器件
在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜 成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像。光 电成像器件完成将二维光学图像转变成二维“电气”图 像的工作。这里的二维电气图像由所用的光电成像器件 决定，超正析像管为电子图像，视像管为电阻图像或电 势图像，面阵CCD为电荷图像等。电气图像的电气量在 二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应 关系。组成一幅图像的最小单元称作像素，像素单元的 大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度。像素 数愈多，或像素几何尺寸愈小，反映图像的细节愈强， 图份愈清晰，图像质量愈高。这就是图像的分割。
光 电 成 像 器 件 （ 成 像 原 理 ）
固体自扫描：CCD 红外变像管 变像管（完成 紫外变像管 图像光谱变换） X射线变像管 非 扫 描 型 串联式 级联式 微通道板式 负电子亲和势阴极
像增强管（图像 强度的变换）
构子常 成透由 镜像 ＆敏 显面 像， 面电
光电成像器件
三、光电成像器件的基本特征 1、光谱响应 光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的 光谱响应，其短波限有时受窗口材料吸收特性影响。 外光电效应摄像管由光阴极材料决定； 内光电效应的视像管由靶材料决定，CCD摄像器件 由硅材料决定； 热释电摄像管基于材料的热释电效应，它的光谱 响应特性近似直线。
光电检测器件的类型复习
4.6.2 温差电偶
• 起源：1826年 红外探测器件。
• 应用：高、低温的温度探测领域。
• 基本原理：基于温差电第一效应 —— 塞贝克效应。 两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体， 当它们构成回路时，如果两个接触点的温度不同， 回路中就会产生温差电动势。只要两触点间的温 差不变，温差电动势将得到保持。 • 许多个热电偶串联起来即成为热电堆。
光电导效应
• 定义：光照变化引起半导体材料电导变化 的现象。 ——内光电效应
• 内光电效应产生的自由电子停留在物体内 部，不发生电子逸出。
器件：光敏电阻、由光敏电阻制作的光导管。
分类：本征光电导效应与杂质光电导效应
光敏电阻
• 利用半导体光电导效应制成的器件称为光 电导器件，也称光敏电阻。 • 光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半 导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟 （InSb）等。
光电倍增管及其基本特性
由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半 导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜 -铍的衬底上涂上锑铯 材料而形成的，次阴极多的可达 30 级；阳极是最后用来收集电子 l;k
光电阴极 阳极
第一倍增极
入射光
第三倍增极
的，收集到的电子数是阴极 发射电子数的105~106倍。即 光电倍增管的放大倍数可达 几万倍到几百万倍。光电倍 增管的灵敏度就比普通光电 管高几万倍到几百万倍。因 此在很微弱的光照时，它就 能产生很大的光电流。
光磁电探测器
光生伏特探测器
本征型
掺杂型
第三章_光电检测技术常用器件及应用
在强光照射下，光电线性度较差 响应时间较长，频率特性较差。
第六页，编辑于星期一：五点 五十九分。
•光敏电阻 (LDR) 和它的符号：
符号
第七页，编辑于星期一：五点 五十九分。
1. 光敏电阻的工作原理
光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，
贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上， 两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳 内。（如图）
不同光照度对应不同直线
第二十二页，编辑于星期一：五点 五十九分。
Ø受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能 超过最高工作电压， Ø图中虚线为允许功耗曲线
Ø由此可确定光敏电阻正常工作电压。
第二十三页，编辑于星期一：五点 五十九分。
频率特性
光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频 率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，
红外波段。
空穴
电子 ΔＥ
空穴
价带
第十一页，编辑于星期一：五点 五十九分。
光电导与光电流
光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时，阻
值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时， 光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减
少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形
成光电流（亮电流）。
光电流：亮电流和暗电流之I光 差；
不同照度时的伏-安特性曲线一般硅光电池工作
在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏 安特性将延伸到第三象限？？
I L I p I D I p I 0 ( e q / k V 1 T ) S E E I 0 ( e q / k V 1 T )
硅光电 池的电 流方程
式
IL I0(eq/k V T1 ) ID
光电检测实验报告光电二极管
光电检测实验报告光电二极管
与实验报告有关
一、实验目的
本实验旨在探究光电二极管的基本特性，了解不同参数对光电二极管
的作用原理。
二、实验原理
光电二极管是一种特殊的半导体器件，由一个P半导体和一个N半导
体组成。
其结构类似于普通的二极管，它是由一块金属片和一块硅片组成的。
金属片在表面覆盖着一层半导体材料层，而硅片则覆盖着一层P沟槽，形成一个PN结构，这就是光电二极管的基本结构。
当光电二极管接受到
外部光照时，在P层和N层之间就会产生电子-空穴对，并促使电子向N
层移动，从而在P层和N层之间构成一个电流，也就是由光引起的电流。
三、实验设备
1、光源：LED灯泡；
2、示波器：用于测量光电二极管的输出电流与电压；
3、电源：用于给光电二极管提供电势；
4、电阻：用于限制光电二极管的输出电流；
5、光电二极管：本次实验使用的是JH-PJN22；
6、多用表：用于测量电流、电压。
四、实验步骤
1、用多用表测量光电二极管JH-PJN22的参数，测量其正向电压和正向电流与LED照射强度的关系；
2、设置由电源、电阻和光电二极管组成的电路，并使用示波器测量输出电流和电压；。
光电检测器件工作原理及特性
光电检测器件的应用
02
光电检测器件工作原理
光电转换原理是指光子与物质相互作用，将光能转换为电能的过程。在光电检测器件中，光子通过照射在光敏材料上，激发出电子-空穴对，形成光生电流或电压。
光电转换效率是衡量光电检测器件性能的重要参数，它与光敏材料的性质、光的波长和入射角度等因素有关。
光电转换原理
光电检测器件的光谱响应特性
光电检测器件对不同波长的光具有不同的响应能力，这种响应能力即为光谱响应特性。
总结词
光谱响应特性描述了光电检测器件在不同波长光线下的敏感度。不同类型的光电检测器件具有不同的光谱响应范围，例如硅光电二极管对可见光和近红外光敏感，而硒镉汞光电探测器则对中红外光敏感。了解光谱响应特性对于选择适合特定应用的光电检测器件至关重要。
光电检测器件通常由光敏材料、电极和封装结构组成。光敏材料是实现光电转换的核心部分，电极的作用是收集和传输光生电流或电压，而封装结构则起到保护和支撑器件的作用。
不同类型的光电检测器件可能在结构上有所差异，但它们的基本原理是相似的。
光电检测器件的基本结构
光电检测器件的工作过程通常包括光的吸收、电荷的分离和电流或电压的产生三个步骤。
总结词
光电检测器件在接收光信号时产生的随机波动，即噪声特性。
详细描述
噪声特性是评价光电检测器件性能的重要参数。常见的噪声源包括散粒噪声、热噪声和闪烁噪声等。低噪声光电检测器件能够在弱光信号下提供更高的信噪比，从而提高检测精度和灵敏度。了解和优化光电检测器件的噪声特性对于提高其性能和应用范围具有重要意义。
总结词
影响光电检测器件稳定性的因素包括材料、工艺、封装等。
详细描述
采用高品质的材料和先进的工艺技术可以制造出具有高稳定性的光电检测器件。此外，良好的封装和保护措施也可以提高器件的稳定性，使其在恶劣环境下仍能保持性能参数的稳定。
光电二极管检测方法
光电二极管（Photodiode）是一种光电器件，它能够将光信号转换为电信号。
检测光电二极管的方法通常涉及评估其光电转换效率、响应速度、暗电流、灵敏度等参数。
以下是一些常见的光电二极管检测方法：1. 光电转换效率测试：-使用已知光强度的光源照射光电二极管。
-测量通过光电二极管的电流或电压变化。
-计算光电转换效率，即光电流与入射光强度之比。
2. 响应速度测试：-评估光电二极管对光信号变化的响应时间。
-可以通过改变光源的开关速度或使用脉冲光源来实现。
-通常使用示波器和光脉冲发生器来监测和记录响应波形。
3. 暗电流测试：-在无光照条件下测量光电二极管的电流。
-暗电流反映了光电二极管的噪声和泄漏电流水平。
4. 灵敏度测试：-测量光电二极管对弱光信号的响应能力。
-通常通过降低入射光的强度来评估。
5. 光谱响应测试：-评估光电二极管对不同波长光的响应。
-使用光谱仪或波长可调的光源来测试。
6. 温度特性测试：-测量光电二极管在不同温度下的性能变化。
-温度变化可能会影响光电二极管的响应速度、暗电流和光电转换效率。
7. 线性度测试：-评估光电二极管输出与输入光强度之间的线性关系。
-通常通过绘制电流-光强度曲线来评估。
8. 稳定性测试：-长时间监测光电二极管的性能，以评估其稳定性和可靠性。
9. 噪声测试：-评估光电二极管输出信号的噪声水平。
-可以通过频谱分析仪来检测噪声功率。
10. 保护电路测试：-检测光电二极管保护电路（如反向偏压保护）的有效性。
在实际应用中，光电二极管的检测通常需要使用专业的测试设备和软件，以确保准确和可靠的测量结果。
此外，根据不同的应用场景和性能要求，检测方法可能会有所不同。
新型光电探测器——二维in2se3光电探测器
• 78•近年来，随着科技的发展，传统半导体材料越来越不能满足人们的需求，科研人员逐渐把目光转移到新型材料上。
石墨烯的出现让二维材料成为了科研人员关注的重点。
基于二维材料的各种电子器件表现出的各种电子性能不弱于、甚至超过了传统半导体器件。
因此，科研人员认为基于二维材料的电子器件有望满足下一代电子器件的要求。
本文中，我们将介绍一种新型的光电探测器，基于二维In 2Se 3光电探测器。
1 实验我们采用脉冲激光沉积法（PLD ）制备二维In 2Se 3薄膜，其主要的原理是：通过激光器产生高能量的脉冲激光，然后脉冲激光直接打到In 2Se 3靶材上。
靶材在高能量的脉冲激光轰击下会产生离子羽，包含一系列带电粒子。
这些带电粒子会轰击在衬底上扩散、结晶、生长就形成了二维In 2Se 3薄膜。
之后我们在薄膜上光刻并蒸镀电极，形成一个基于二维In 2Se 3的光电探测器。
2 表征如下图1是所制备的In 2Se 3在扫描电子显微镜（SEM ）下的形貌图。
图中的比例尺为400nm ，可以确定In 2Se 3薄膜的晶粒的平均尺寸为在30nm~50nm之间。
图1 In 2Se 3薄膜的SEM图然后对于所制备的In 2Se 3薄膜进行了XRD 表征，其谱线如图2所示。
将测试得到的谱线图和JCPDS 35-1056进行了对比发现其数据是一致的。
这一点证明了所制备的In 2Se 3薄膜是β相的，该In 2Se 3薄膜是层状结构的。
同时对于2θ=9.36o 和2θ = 18.79o 的主峰分别可以索引为（003）和（006）平面，这表明该In 2Se 3薄膜具有高度的c 轴取向。
同时为了进一步的验证该In 2Se 3薄膜的晶体结构，让该样品在514 nm 的激光下进行拉曼测试。
所得拉曼光谱如图3所示，可以清楚的看到在110cm -1处有一个相当强的散射峰，其可以被认为是β-In 2Se 3的晶格声子 模式此外，位于151cm -1和205cm -1处的峰分别与区域中心的InSe 4团簇和A1(LO+TO)声子模式密切相关。
光电检测技术常用器件及应用
3、数字、文字以及图像显示
七段式数码管 14划字码管 文字显示器的内部接线
4、显示器
彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示
LCD
LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称， LCD 的构造是在 两片平行的玻璃 当中放置液态的 晶体，两片玻璃 中间有许多垂直 和水平的细小电 线，透过通电与 否来控制杆状水 晶分子改变方向， 将光线折射出来 产生画面。
发光二极管的发光机理
发光二极管 （即LED）是一种 注入电致发光器件， 它由P型和 N型半 导体组合而成。其 发光机理常分为PN 结注入发光与异质 结注入发光两种。
1. PN结注入发光
1、制作半导体发光二极管的材料是掺杂的，热平 衡状态下的N区很多自由电子，P区有很多多空穴。 2、当加以正向电压时，N区导带中的电子可越过PN 结的势垒进入P区。P区的空穴也向N区扩散 3、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于 空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在 p区。 光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强 弱与电流有关
4. 寿命
发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮 度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很 长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h， 最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降 的现象叫老化。电流密度大，老化快。
LED特点
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角较大。 2、 LED的发光颜色丰富，通过选用不同的材料，可以实 现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED 等。 3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即 使在日光下，由LED发出的光也能视认。 4、LED的单元体积小。再加上低电压、低电流驱动的特 点，可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的 使用。 5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场 地面的信号光源，是一个新的应用领域。
什么是光电检测光电检测技术介绍
什么是光电检测光电检测技术介绍光电检测技术是指利用光电器件对光信号进行检测和分析的一种技术，是现代光电技术领域中的重要分支之一。
该技术具有非接触、高精度和实时性强等优点，被广泛应用于各种领域，如制造业、生命科学、医学等领域。
一、光电检测的原理光电检测的原理是利用光电器件将光信号转化为电信号，然后通过电路对电信号进行处理，从而实现对光信号的检测和分析。
常见的光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电子倍增管、光电晶体管等。
这些器件都是通过光电效应将光信号转化为电信号。
其中，光电二极管和光敏电阻适用于光强检测，并且在环境光强变化较大时表现出较好的稳定性；光电子倍增管和光电晶体管适用于弱光信号检测，并且可以提高信号的增益和灵敏度。
二、光电检测的应用领域1. 制造业中的光电检测制造业中的光电检测主要是通过对产品的外观进行检测和分类。
例如，利用光电传感器对印刷品进行检测，检测印刷品的颜色、位置和质量等方面。
此外，还可以利用光电检测技术来检测机器人在工作过程中的运动和位置，从而保证生产线的正常运行。
2. 生命科学中的光电检测生命科学中的光电检测主要用于对细胞、分子和生物反应的研究。
例如，利用荧光探针和激光扫描共聚焦显微镜，可以对细胞进行活细胞成像；利用光谱学和红外光谱技术，可以对细胞、组织和血液等生物样品进行化学成分分析。
3. 医学中的光电检测医学中的光电检测主要用于医疗诊断和治疗。
例如，利用光相干层析成像技术，可以对眼部疾病进行检测和诊断；利用光动力疗法，可以对表皮瘤、糖尿病、癌症等疾病进行治疗。
三、光电检测技术的发展现状光电检测技术是一项高端技术，它不仅涵盖了科学领域中的众多前沿领域，而且在现代社会中得到广泛的应用。
目前，世界各国都在积极推进光电检测技术的研究和发展，探索其潜在的应用领域。
在我国，光电检测技术的应用已经越来越广泛。
例如，在制造业中，我国已经开始使用许多光电传感器对产品进行质量检测；在生命科学中，我国也开始利用光电显微技术开展一系列生物医学研究；在医疗领域中，我国也开始尝试利用光电检测技术来治疗眼部疾病。
光电检测器件光电检测器件资料
光电检测器件
非聚焦型光电倍增管， 由于极与极之间没有聚焦 场，电子损矢较大，为了要得到较大的电子倍增，就 要增加倍增极数目，相应地也就增加了飞行时间及其 涨落，所以这种管子的时间分辨本领较差，其优点是 同样大小的光脉冲照射到光阴极不同部位时，阳极灵 敏度变化不大，最后输出的脉冲幅度比较一致，因此 作能谱测量时的能量分辨率较好。
光电检测器件
3、分类 ①“聚焦型”和“非聚焦型”
电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的 打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去， 两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分 为圆环瓦片式（即鼠笼式）、直线瓦片式、拿栅式和 百叶窗式。
聚焦型光电倍增管，电子在其中飞行的时间较短， 飞行时间的涨落也小，它适用于要求分辨时间短的场 合；
Sp
IA
G
各倍增极和阳极
都加上适当电压；
注明整管所加的
V
电压
2．电流增益
阳极电流与阴极电流之比称为电流增益M（内增益）
M IA SAΦ SA IK SKΦ SK
M
IA IK
0
n
IA IK • 0 (11)(22 ) (nn )
M n
3、光电特性
阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数 关系，称为倍增管的光电特性。
1、常规光电阴极
（1）、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
最早的光电阴极，主要应用于近红外探测
•峰值波长： 350nm, 800nm
•光谱响应范围约300-1000nm； •量子效率约0.5％； •使用温度100°C； •暗电流大。
（2）单碱锑化物：
CsSb阴极最为常用，紫外和可见光区的灵敏度最高
光电检测器件
典型光电检测器件
相机(成像)原理
数码相机的「视网膜」 • CCD（Charge Coupled Device ）
电荷耦合元件 • CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）
互补性氧化金属半导体
可记录光线变化的半导体
CCD --- Charge Coupled Device，电荷耦合元件
• 面阵CCD：器件像元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。 • 目前达到实用阶段的像元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、
l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。
线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低； 面阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；
线阵CCD
• 每次只拍摄图像的一条线，这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使 用闪光灯。
效应（光伏效应）。
光敏电阻：当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。
大面积光电池
红外发射、接收对管外形
红外发射管
红外接收管
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． – 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．
1、CMOS传感器原理
（1）光照特性
2、CMOS传感器特性
CMOS传感器的主要应用也是图像的采集，也要求能够适应更宽的光照范围。因此也必须采用 非线性的处理方法和自动调整曝光时间与自动增益等处理方法。
结果与CCD相机一样损失了光电转换的线性，正因为此项，它也受限于灰度的测量。
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26
• 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。
.
27
ＣＣＤ的工作原理
– 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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11
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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
• 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—空穴中形成信号电荷。
✓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
• 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。
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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• 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
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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．
• 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。
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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数码相机 vs 胶卷式相机
• 1.经过镜头光聚焦在 CCD（CMOS）上
• D（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
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