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新型固态光电传感器 第二章 新型固态光电传感器 本章内容提要 1 光电效应 定义： 物质由于光的作用而产生电流、电压，或电导率变化的现象 分类： 外光电效应(电子发射效应) 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应 1.1 外光电效应 原理与结构 光照?物质?电子获能?逸出表面?光电流 (光子) (光电子) 光电流正比于光强度 入射光的频率必须大于材料的红限 光电传感器对光具有选择性 光电材料:银氧铯\锑铯\镁化镉等 1.2 内光电效应 ——光敏器件进行光电转换的物理基础 光电导效应—半导体材料在光的照射下，电导率发生变化的现象。 光生伏特效应—半导体材料在光的照射下，在一定方向产生电动势的现象。 应用 —“电眼睛” 光电编码器 火灾报警器 光电控制 自动化产生 条形码读出器 机器安全设施等 第一节 普通光敏器件阵列 象限探测器 光敏器件阵列 1、 象限探测器 作用 确定光点在平面上的位置坐标； 用于准直、定位、跟踪等。 结构 利用光刻技术，将一整块圆形或正方形光敏器件敏感面分割成若干区域； 各个区域各面积相等、形状相同、位置对称； 背面仍为一体。 各类象限探测器示意图 原理 光点投射到探测器上； 各象限上光斑大小不同； 光生电动势也不同： U2U1U3U4； 可断定光心在第4象限； 标定后，可知光心在X、Y方向的坐标。 和差坐标换算 Y方向： X方向： 和差测量电路 直差坐标换算—器件旋转45° Y方向： X方向： 直差测量电路 象限探测器的缺点 测量精度与光强变化有关及漂移密切相关，因此它的分辨率和精度受到限制； 它需要分割，存在死区，光斑很小时特明显； 光斑落在一个象限时，失效，测量范围小。 2 、光敏二极管阵列 一种低集成度的集成传感器 多个光敏晶体管等间隔线性排列 集成度一般为10～32像素／片； 集成封装，独立引线； 电路复杂，用多路开关简化电路。 多路开关输出 第二节 自扫描光电二极管阵列SSPD 普通光电二级管阵列＋数字位移寄存器 输出电路简化 集成度提高：64，128，256，512～4096 线阵、面阵两种形式 工作原理复杂 1、电荷存储工作原理 N型硅表面扩散P型硅材料，形成P-N结 蒸涂SiO2（透明） 覆盖铝膜，氧化层部分外露 引出栅极、漏极、源极 形成MOSFET（金属-氧化层-半导体-场效晶体管）场效应管 等效电路 VD：理想光敏二极管 Cd：结电容 Ug：栅极控制电压 1－通；0－短 Uc：PN结反偏电压 RL：负载电阻 IL ：负载电流 VT：场效应管（开关） 工作过程 预充电?放电(积分)?充电(信号输出)?放电?充电?...... 循环往复,负载上周期性的输出像元上的光信号. 预充电 Ug=1, VT开 VD反向截止 电源Uc经RL给Cd充电 Uc?Cd?VT?RL P-N结上所充电荷Q Q=CdUc 充电结束 放电(积分) Ug=0, VT关断 Cd经VD放电 Cd?VD?Cd 放电荷为ΔQ ΔQ=(Ip+Id)Ts ≈IpTs Cd电压减小为Ucd Ucd=Uc-ΔQ/Cd 循环充电(信号输出) Ug=1， VT开 VD反向截止 Uc经Cd?VT?RL充电,Cd电压由Ucd开始至Uc Cd上充电量为ΔQ R上最大电压增量为 Ulmax=ΔQ/Cd =Ip(Ts/Cd) Ip与光强成正比 2、线阵SSPD 结构 感光阵列+多路开关+移位寄存器 公共端相连(COM) 各管性能相同 多路开关多选一 在时钟与脉冲的 作用下依此输出 移位输出_以4像素SSPD为例 预充电:S=[ 1 1 1 1 ] 循环输出 SSPD器件工作波形 Φ1周期:S=[ 0 1 1 1 ] VT1关闭, VD1放电 其余截止 无输出 Φ2周期: S= [1 0 1 1] VT1通,VD1充电 VD1输出至U0 VT2关闭,VD2放电 Φ3周期: S= [1 1 0 1] VT2通,VD2充电 VD2输出至U0 VT3关闭,VD3放电 以此类推...... Φn+1周期输出VDn 充电时间时钟周期 3、面阵SSPD器件 与线性SSPD相比，同样有感光，多路开关和移位寄存器三部分构成，只不过移位寄存器分水平和垂直两块（称水平和垂直扫描电路），另外其感光部分是以二维阵列分布的。 4、开关噪声及其补偿 同普通MOS型开关一样，SSPD的MOSFET在采样脉冲出现的瞬间，也会形成微分状