光电检测总结.doc
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1、第一章概论1检测技术的概念与分类。定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测技术分类按工作原理:机械式 阻抗式 电量式 光电式 辐射式按工作方式:接触式,非接触式按工作物质:电量式,非电量式2光电检测技术特点,光电检测系统组成。特点:光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础,通过对载有被检测物体信号的光辐射(发射、反射、散射、衍射、折射、透射等)进行检测,即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。显 示控制:统组.系 统屮.、談电路光学变£eu6plu2吕跖luaoss1000 MHz 500 MHz -UHFtVHF7-13100 MHz FMVHF4. 1 n
2、mX-Rays10 J1D匚101_FarMicrowavesRadar1000 m m1 mm1 cm1O cm10BRadio, TV第二章基础知识100 mAMWOO mLong-wavesLouis E. Keiner - Coastal Carolina University光谱光视效率函数SvVoPiPi器件的基本特性参数响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度一、响应特性1响应度(或称灵敏度):是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系 的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应率和电流响应率电压响应率:光电探测器件输出电压与入射光功
3、率之比电流响应率:光电探测器件输出电流与入射光功率之比2 光谱响应度:探测器在波长为 曲勺单色光照射下,输出电压或电流与入 射的单色光功率之比3 积分响应度:检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度.4 .响应时间:响应时间t是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数 上升时间:入射光照射到光电探测器后,光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间:入射光遮断后,光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。5 .频率响应:光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频 率响应二、噪声特性在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的,而是在平均值上下随机地起伏,它实质上就是物理量围绕
4、其平均值的涨落现象用均方噪声来表示噪声值大小1 T噪声的分类及性质 ° i (t)dt 外部干扰噪声:人为干扰噪声的和自他干扰噪声。Ti(t)_ i(t)2dt人为干扰:电子设备的干扰噪声。如焦距测量仪在日光灯下,人的走动对干 涉仪的光程影响自然干扰:雷电、太阳等。如光电导盲器在太阳下内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。人为噪声:如工频交流电(50Hz)、测试仪器的散热风扇引起的光路变化。固有噪声:散粒噪声、热噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声光电探测器常见的噪声热噪声:载流子无规则的热运动造成的噪声。 热噪声存在于任何电阻中,热 噪声与温度成正比,与频率无关,热噪声又称为白噪
5、声。散粒噪声:入射到光探测器表面的光子是随机的,光电子从光电阴极表面逸 出是随机的,PN结中通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是白噪声,与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性, 对 大多数光电探测器的研究表明:散粒噪声具有支配地位。产生-复合噪声:半导体受光照,载流子不断产生-复合。在平衡状态时,在 载流子产生和复合的平均数是一定的。但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是 有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。1/f噪声:或称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比。多数 器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。典型代表:电流幅 值漂移温度噪声:由热
6、探测器和背景之间的能量交换所造成的探测器自身的温度起伏,称为温度噪声。第三章光电器件电荷耦合器件(CCD)原理和工作过程CCD 是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device)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CCD的基本功能电压为信号。了存储和电荷移。CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。CCD的结构MOS光每成;CD的基本单os(金属一氧化物一半导体)结构。P型半导怵耗尽战反型层电荷存储在栅极加正偏压之前,P型半导体中的空穴(多子)的分布是均匀的。 ®X后,空穴被排斥而产生耗尽区,偏压增加,耗尽区向内延伸。
7、99QQ9999XXXX加正时,半导体与绝缘体界j75上,势变得非22斗于将半常高,导体内的电子一有育电荷二(少子)吸引到表面,形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了2V10V-*2V10V2V电荷的转移(耦合)(b)MOS结构存储电荷的功能。2V 2V 10V 2V丄9999如口-10V 斗2V很紧(间隔持10V,第二个电极上的电压由2V变到foy,因这两个电极靠得 f几微米),它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。中苕节转押汇珥 若此后第一个电极电压由10V变为2V,第二个电极电压仍为10V,则共有的电 荷转移到第二个电极下
8、的势阱中。这样,深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 CCD电极间隙必须很小,电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对 绝大多数CCD,1 pm的间隙长度是足够了。CCD的工作原理CCD主要由三部分组成:信号输入、输入咅部分:将信号电荷引入到ccd的第一个转移栅极下的势阱中,称为电荷注入电荷注入的方法主要有两类:光注入和电注入0电注入:用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压 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一空穴对, 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 在CCD栅极
9、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。为了实现电荷的定向转移,在 CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻 MOS电 荷为一单元的循环结构。一位 CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD,简称为N型CCD。而以空穴为 信号电荷的CCD称为P型沟道CCD,简称为P型CCD。由于电子的迁移率远 大于空穴的迁移率,因此 N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。CCD的特点体积小,功耗低,可靠性高,寿命长。空间分辨
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