第二章新型固态光电传感器

第二章新型固态光电传感器

§2.2普通光敏器件阵列§2.3自扫描光电二极管阵列(SSPD)§2.4光电位置传感器(PSD)＊＊＊＊§2.1概述概述

利用半导体的光电效应来接受和探测光信号为电信号的功能器件。什么是新型固态光电传感器？★定义：光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及线性光敏传感器等。已从可见光波段，延伸到红外光区和紫外光区。

★探测光源的波长：★应用：1、检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测温2、检测能转换成光量变化的其他非电量，如位移、速度红外夜视镜§2。1普通光敏器件阵列一、象限探测器------将整块的光敏器件敏感面分隔成若干面，利用光电效应来探测光信号。★原理：。。。有光敏电阻、光电二极管、硅光电池等。★典型的光敏器件：(1)光敏电阻结构、外形：

用来确定光点的坐标测量、光点在二维平面上的位置坐标，一般用于准直、定位、跟踪等方面。★应用：同普通二极管⑴多数情况下，工作在反偏⑵不加电压时，用作微型光电池或作为光电检测pn（2）光电二极管的结构：二、坐标测量原理分析1、直差测量XYucuAuBuD4132÷÷3421直差电路uDucuA-uCuA+uB+uc+uD)(uAuBXYuB-uD二、坐标测量原理分析2、和差测量XYucuBuD3124uA缺点1、需要分割，从而产生死区，尤其当光班很小时，死区的影响更明显；2、若被测光斑全部落入某个象限时，输出的电信号无法表示光斑位置，因此它的测量范围、控制范围都不大；3、测量精度与光强变化及漂移密切相关，因此它的分辨率和精度受到限制。象限数

4光敏面直径(mm)

14mmSPD-043A四象限光电探测器用途：0.4～1.1μm波长信号的优良探测器，适用于光功率计、激光测距、测速、测角、光电探测、光电信息传输等系统特点：在低偏置电压下可获得较高的响应度主要技术指标：应用举例一种新型光电定向系统的设计与实现

用来确定光点的坐标测量、光点在二维平面上的位置坐标，一般用于准直、定位、跟踪等方面。1基本原理

光电定向是指用光电系统测定目标的方向，这是光学雷达和光学制导的重要组成部分[1]，利用光电系统可以直接、间接测定目标的方向，该系统主要由发射部分、光电探测器，信号处理电路，A/D转换器和单片机、计算机显示器组成，结构框图如图1所示。应用举例小资料2具体实现

2.1发射部分

光发射电路主要由光源驱动器、光源（主要是半导体光源，包括LED（发光二极管），LD（激光二极管）等）、光功率自动控制电路等部分组成，我们用NE555组成的脉冲发射电路来驱动650nm的激光器，为了使半导体激光器克服供电电源波动、器件老化等因素的影响，确保激光器输出功率稳定，还必须有自动功率控制电路。小资料2.2接收部分接收部分主要由四象限光电探测器组成，四象限光电探测器是把4个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图2所示[2]，一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面，当目标成像不在光轴上时，4个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较4个光电信号的幅度大小可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。小资料3）实现目标的手动跟踪和自动跟踪。每个象限的光强伏值可以直接从单片机采集的数据读取；目标光源的运动轨迹可以固定光斑的半径，而通过确定光心位置坐标的改变来观察光源的运动轨迹，而且直观地把目标光源的中心坐标显示出来，但要实现目标的手动跟踪和自动跟踪，则要通过手动平移台和电控平移台来实现，目标控制是希望通过在目标控制界面下直接输入目标坐标来直接定位探测器。在计算机中输入目标的坐标，单片机接收上位机的指令，从而驱动步进电机运动，把从计算机读入的数值和从步进电机读取的数值进行比较，当两者在一个很小的误差范围内时，步进电机停止运动，而光斑也到了需要达到的位置，从而实现了目标控制。

自动控制是指当偏移目标时，可以通过自动控制来实现目标的跟踪，当单片机检测到从计算机读入的坐标和从电控平移台读取的坐标不一致时，就会给步进电机一个驱动指令，从而控制步进电机运动，以实现目标的自动控制。小资料三、光敏管阵列:-----是将N个光敏管（光电二极管或光电三极管）集成在一个硅片上，将各管的每一同极端连接在一起，另一端各自单独引出。1、定义：

与分立光电二极管完全相同，只不过外型结构不同而已。阵列的每一个光电管称作象元，通常也称它们为连续工作方式。2、工作原理及特性：

信号引出比较复杂，每一个象元信号的引出需要一个独立的电路，有多少个象元就需要多少路信号放大和处理电路。3、外部电路MUXoutABCD第二节自扫描光电二极管阵列(SSPD)SSPD的内部集成了数字移位寄存器等电路，以电荷存贮方式工作。

与普通光电管阵列相似，自扫描光电二极管(SSPD)也是将N个光电二极管集成在一个硅片上，但工作原理以及内部结构完全不同。线阵的象元数有64、128、256、512、4096位等。分线阵、面阵以及其它形式的特殊列阵。简介：--------SelfScanningPhotodiodeArraySDGn-Si一、电荷存贮工作原理Ip+IDCdDpAlSiO2电荷储存原理定性分析充电（预充电）积分充电（信号输出）电荷储存原理定量分析（一）充电稳定后，p-n结上的电压接近Vc。Cd上的电荷为：

Q=Cd·Vc电荷储存原理定量分析（二）Ts内，交变照度E(t)产生的平均光生电流ＩｐCd上所释放的电荷：Cd的电压因放电而下降到Vcd：电荷储存原理定量分析（三）Cd上补充的电荷等于曝光时释放的电荷。充电电流在RL上的压降等于光生电流在RL上的压降，其最大值为：

VLmax=Vc-Vcd=Q/Cd。负载电阻RL上的电流：二、SSPD器件移位寄存器：T1～TN扫描控制(负脉冲)。

S：帧起始脉冲，：时钟信号

感光部分：D1～DN排列（即“线阵”）多路开关：T1～TN，漏极连在一起，组成视频输出线（即Vo）。

采样脉冲出现的瞬间(前后沿)，MOSFET形成微分状尖脉冲，并串入视频输出信号，产生开关噪声。输出信号VO（T）T开关噪声补偿阵列产生相同的开关噪声VN

。VN和视频输出Vs送差分放大。阵列补偿电路：第一位光电二极管输出开关噪声信号，抵消了相邻位的开关噪声。邻近位补偿电路：三、光电特性入射光的辐照度和积分时间Ts的乘积。曝光量H：光照引起SSPD器件的二极管输出电荷Q正比于曝光量。曝光量H/lx.sCd能存储的电荷量有限，曝光量达到某一值Hmax后，输出电荷达到最大值Qmax

，称Qmax称为饱和电荷。若允许的最小起始脉冲周期为Tsmin，那么饱和照度为：

Es=Hs/TsminHmax输出电荷Q/pCQmax饱和曝光量Hmax结电容Cd的饱和电荷Qmax=Cd·Vc，因此，饱和曝光量为：可用于光信息处理；文字、图像识别；；尺寸和位置的不接触测量；表面缺陷检测；机器视觉、光谱配量检测。I2I0I1第三节光电位置传感器(PSD)一、PSD的结构结构：在同一硅片上制作的三层结构：LPNI+②①③P层：既是光敏层，又是高掺杂的均匀的电阻层。I层：接近本征的高阻层。N层：高掺杂的均匀的电阻层。XA--------PositionSensitiveDevice二、PSD的工作原理原理：光照射在光敏层上，入射点产生与光能成比例的电荷，并形成光电流通过电阻层由电极输出。p层的电阻是均匀的，由电极①和②输出的电流I1

、I2分别与光点到各电极的距离(电阻值)成反比。I2I0I1LPNI+②①③XA电极③上的电流为总电流I0，则I0＝I1+I2。设光点离中心点的距离为xA，有：进而有：I2I0I1LPNI+②①③XA二、PSD及其等效电路一维PSD感光面：大多是细长矩形条。 等效电路：并联电阻Rsh，电流源Ip

，理想二极管D，定位电阻RD

，结电容Cj入射光点的坐标位置：123二维PSD

电流分路少、灵敏度高，位置线性度和空间分辨率高。上表面形成电流Ix、Ix’，汇总后在下表面分解形成电流Iy、Iy’。上下表面都是均匀电阻层，并设电极。两面分离型

电流：

特性：结构：表面分离型结构：上表面是均匀电阻层。电极在同一表面上。电流：光电流在上表面分解成：Ix、Ix’、Iy、Iy’，并作为位移信号输出。特性：施加偏压容易，暗电流小和响应速度快。二维PSD

暗电流小、响应快、边缘位置误差小，易于加反偏电压。改进表面分离型结构：改进了光敏面和电极。电流：同表面分离型特性：二维PSD3、PSD转换电路3123、PSD转换电路3124

1）对光斑形状无严格要求，只与光的能量中心位置有关，这给测量带来很多方便。2）光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，位置分辨率高，一维PSD可达0.2m；3）可同时检测位置和光强：PSD器件输出的总光电流与入射光强有关，而各信号电极输出光电流之和等于总光电流，所以从总光电流可求得相应的入射光强。