Ch7光輻射探測(cè)器件光電探測(cè)器的物理效應(yīng)光電探測(cè)器件中的噪聲光電導(dǎo)、光伏探測(cè)器件、光電倍增管熱釋電探測(cè)器件變像管、增像管、攝像管電荷耦合器件（CCD）光電探測(cè)器的物理效應(yīng)光電效應(yīng)：入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子相互作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象。光熱效應(yīng)：吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子能量狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度的上升，從而使元件的電學(xué)或其他的物理性質(zhì)發(fā)生變化。1887年，赫茲研究了電火花的紫外光照射在火花隙縫的負(fù)電極上時(shí)有助于放電．1888年，德里斯登的霍爾瓦克斯發(fā)現(xiàn)在光的影響下，物體釋放出負(fù)電．1900年，普朗克提出能量子假設(shè)，給出正確的黑體輻射公式，為此獲1918年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)．1905年，愛因斯坦提出光量子理論，解釋了光電效應(yīng)，為此獲1921年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)．1916年，密立根用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，為此及其油滴實(shí)驗(yàn)獲Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)1905年，愛因斯坦發(fā)表了論文<<關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)>>，成功的解釋了光電效應(yīng)并確定了它的規(guī)律．他以勒納利總結(jié)出的光電效應(yīng)性質(zhì)作為光是微粒的根據(jù)，并且和德國(guó)物理學(xué)家普朗克的量子假設(shè)結(jié)合起來，提出了量子假說.光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體材料吸收能量足夠大的光子后，使原來處于束縛態(tài)的電子或空穴變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。光照前：光照后：物理效應(yīng)光伏效應(yīng)：零偏狀態(tài)，光照射p（或n）區(qū)，只要照射波長(zhǎng)<=lc，就會(huì)激發(fā)出光生電子空穴對(duì)，p區(qū)的電子在電場(chǎng)作用下到N區(qū)，n區(qū)的空穴到p區(qū)，使得勢(shì)壘降低，相當(dāng)于加了正向電壓eVDeVD-eV光照前后pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)物理效應(yīng)光熱效應(yīng)：探測(cè)元件吸收光能量后，把吸收的光能轉(zhuǎn)化為晶格的熱運(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)器件的材料物理性質(zhì)的變化．探測(cè)器件材料吸收輻射而溫度升高，可產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，電阻率，自激化強(qiáng)度或使氣體體積，壓強(qiáng)發(fā)生變化溫差熱電偶，熱電堆金屬和半導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)輻射熱器熱釋電探測(cè)器介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而改變，引起表面電荷變化的現(xiàn)象．PsTTc光輻射的強(qiáng)度物質(zhì)溫度變化自發(fā)極化強(qiáng)度變化物理效應(yīng)光輻射探測(cè)的噪聲１.與信號(hào)檢測(cè)有關(guān)的噪聲２.其他噪聲量子噪聲：光子的隨機(jī)性和光電子的隨機(jī)性．暗電流噪聲：無光照，流過檢測(cè)器的電流具有隨機(jī)起伏的特性．漏電流噪聲：器件表面不完善（缺陷和污染）引起的．倍增噪聲：由于倍增過程的統(tǒng)計(jì)特性而產(chǎn)生的附加散粒噪聲．產(chǎn)生－復(fù)合噪聲１/f噪聲背景噪聲熱噪聲噪聲功率譜密度表明非周期起伏量中含諧波成分的方法．噪聲一系列隨機(jī)事件的譜密度函數(shù)散粒噪聲光電子發(fā)射器件和光伏器件中出現(xiàn)的噪聲，是由載流子隨機(jī)產(chǎn)生和流動(dòng)造成電流波動(dòng)引起的噪聲．電路中的通頻帶帶寬噪聲噪聲功率載流子數(shù)的平均值熱噪聲１／f噪聲lnf1/f產(chǎn)生復(fù)合噪聲熱噪聲ln溫度噪聲噪聲光電轉(zhuǎn)換器件是把光轉(zhuǎn)換成電或通過光信號(hào)來控制電信號(hào)的器件光電轉(zhuǎn)換器件根據(jù)光與物質(zhì)的相互作用而產(chǎn)生的不同物理效應(yīng)，光電轉(zhuǎn)換器件分為：光電導(dǎo)器件：是無結(jié)光檢測(cè)器，它根據(jù)半導(dǎo)體在光的照射下，會(huì)改變自身的電導(dǎo)率的特點(diǎn)制成，是利用了內(nèi)光電效應(yīng)的器件。光伏器件：結(jié)型光檢測(cè)器，其內(nèi)部有一個(gè)以上的PN結(jié)，它根據(jù)光照射下結(jié)的耗盡層或本征層內(nèi)產(chǎn)生了電荷，從而改變器件對(duì)流過自身電流的控制能力的原理工作的。利用光生伏打效應(yīng)，可制成不同類型光伏器件，如：光電池、光電二極管、光電三極管、光控可控硅、攝像器件(CCD)等。利用內(nèi)光電效應(yīng)制成的器件。3.光電子發(fā)射器件：是利用外光電效應(yīng)的器件。如光電倍增管。分類：光電轉(zhuǎn)換器件根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器件的用途來區(qū)分：光電探測(cè)器件。光電成像器件。光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制作的光探測(cè)器，主要特征是受到光照后，器件的電阻發(fā)生變化。包括：光敏電阻、光導(dǎo)管。0.03eV1eV2.4eV禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶光電導(dǎo)體的能帶能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的電子躍遷類型包括：本征吸收和雜質(zhì)吸收。電子吸收了光子能量后，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶或從禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶或從價(jià)帶躍遷到禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)，其結(jié)果是在導(dǎo)帶中產(chǎn)生了自由電子或在價(jià)帶中產(chǎn)生了空穴。光電轉(zhuǎn)換器件如果入射光子的能量大到足以使價(jià)帶中所有電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，光生載流子的數(shù)目不再隨之增加，就會(huì)引起響應(yīng)率下降。因此，在響應(yīng)率從增加到減小的過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)（略小于0）3.照度特性在外加電壓V一定時(shí)，光電流與入射光照度E的關(guān)系可表示為：I=KVE式中K、、均為常數(shù)，K與器件的材料、尺寸、形狀及載流子壽命有關(guān)；是電壓指數(shù)，一般為1.1-1.2;是照度指數(shù)，隨雜質(zhì)的種類和復(fù)合中心數(shù)的多少而不同。值對(duì)弱光約為1，對(duì)強(qiáng)光則為0.5。4.響應(yīng)速度光電導(dǎo)材料在受到光照射時(shí)，需要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到新的平衡，載流子濃度達(dá)到穩(wěn)定值。而光照消失后，也要經(jīng)過一段時(shí)間，光生載流子濃度才能恢復(fù)到初始狀態(tài)。這種現(xiàn)象反映了光電導(dǎo)的惰性。

光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間：光照時(shí)流過光導(dǎo)器件的電流上升到0.63I0所需要的時(shí)間t以及遮光后電流下降到0.37I0所需的時(shí)間tf。光電轉(zhuǎn)換器件20K90K195K290K12345波長(zhǎng)(m)響應(yīng)率R（相對(duì)值）0.11.0硫化鉛探測(cè)器光譜響應(yīng)與溫度的關(guān)系5.溫度效應(yīng)半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件受溫度變化的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱激發(fā)載流子增多，熱噪聲變大；光生載流子復(fù)合幾率增大，壽命變短，導(dǎo)致靈敏度降低；響應(yīng)峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。器件的電阻值也是與溫度有關(guān)的，一般在弱光照與強(qiáng)光照時(shí)，溫度系數(shù)都較大，而中等強(qiáng)度的光照時(shí)的溫度系數(shù)較小。6.基本工作電路V0VsRLRdC入射光光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)器件的暗電阻很大（無光照射時(shí)的電阻），在10M以上。負(fù)載無光照時(shí)，有光照時(shí)，因?yàn)樗?，輸出的信?hào)電壓與入射功率成正比光電轉(zhuǎn)換器件隨照射在器件上信號(hào)光強(qiáng)度的變化,在負(fù)載上的電流發(fā)生變化,光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后從電容輸出光電轉(zhuǎn)換器件制作光電池的材料：硅、硒、砷化鎵、氧化亞銅、硫化鎘、碲化鎘。原理：

硒光電池的結(jié)構(gòu)屬于金屬－半導(dǎo)體接觸型。在鐵或鋁的基底上鍍一層鎳，然后將P型半導(dǎo)體硒涂在上面，再鍍上一層半透明導(dǎo)電薄膜（金或氧化鎘），最后安裝電極，從上部與下部引線就形成了光伏器件。當(dāng)光照射到半透明膜下的硒表面時(shí)，由于硒的本征吸收而產(chǎn)生了電子－空穴對(duì)，在導(dǎo)電膜與半導(dǎo)體硒交界處的勢(shì)壘作用下，電子流向?qū)щ娔ひ贿?，空穴則向另一邊集中，從而形成了光生電動(dòng)勢(shì)。

硅光電池是PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，在P型（或N型）半導(dǎo)體硅表面擴(kuò)散一層N型（或P型）雜質(zhì)以形成PN結(jié)，組成最基本的光伏器件。為了提高效率，在受光面上要形成SiO2氧化層，以防止表面反射，且將表面電極做成梳狀，以減少光生載流子的復(fù)合而提高轉(zhuǎn)換效率。光電池特性1.光譜特性硅光電池的光譜響應(yīng)范圍：0.4－1.1m，峰值波長(zhǎng)：0.8－0.9m硒光電池的光譜響應(yīng)范圍：0.4－0.7m，峰值波長(zhǎng)：0.54m附近光電轉(zhuǎn)換器件2.伏安特性無光照時(shí)的伏安特性與一般的二極管的伏安特性類似有光照時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。開路條件下的光電池的端電壓等于電動(dòng)勢(shì)，如果接成短路形式，則光電池兩端電壓為零，短路電流為負(fù)值（PN結(jié)內(nèi)的電流是由N區(qū)流向P區(qū)）。RL光電池VI聯(lián)接電路RL1RL2RL3V(mV)I(mA)P1(1000lx)P2P3P4P5硅光電池的輸出特性RL1>RL2>RL3P1>P2>P3光電轉(zhuǎn)換器件I(mA)I(mA)E(xl)E(xl)103

102

105x103

103

102

50硅光電池硒光電池3.光照特性光生電動(dòng)勢(shì)、光電池與光照度的關(guān)系。當(dāng)負(fù)載電阻不等于零時(shí)，隨著照度的增加，光電流與端電壓都在增加，二極管處在正向偏置下，內(nèi)阻變小，外電流增加變緩，與光照成非線性關(guān)系。負(fù)載越大，非線性越顯著。光電轉(zhuǎn)換器件太陽電池光電池構(gòu)成太陽能裝置一般采用多個(gè)光電池進(jìn)行串并聯(lián)組合方式。單片光電池電動(dòng)勢(shì)很低，輸出電流很小，不能直接作為電源使用。為使裝置達(dá)到實(shí)用效果，可采用光電池串聯(lián)以增加輸出電壓，并聯(lián)以增加輸出電流。RL光電池組蓄電池組光電池組aabb太陽電池裝置a.先串后并b.先并后串太陽電池發(fā)展歷史早在1839年，法國(guó)科學(xué)家Alexandre-EdmondBecqurel發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。Alexandre-EdmondBecquerel(1820-1891)1983年美國(guó)建成1MWp光伏電站；冶金硅（外延）電池效率達(dá)11.8%。1986年美國(guó)建成6.5MWp光伏電站。1990年德國(guó)提出“2000個(gè)光伏屋頂計(jì)劃”，每個(gè)家庭的屋頂裝3~5kWp光伏電池。1995年高效聚光砷化鎵太陽電池效率達(dá)32%。1997年美國(guó)提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計(jì)劃”，在2010年以前為100萬戶，每戶安裝3~5kWp。光伏電池。有太陽時(shí)光伏屋頂向電網(wǎng)供電，電表反轉(zhuǎn)；無太陽時(shí)電網(wǎng)向家庭供電，電表正轉(zhuǎn)。家庭只需交“凈電費(fèi)”。1997年日本“新陽光計(jì)劃”提出到2010年生產(chǎn)43億Wp光伏電池。1997年歐洲聯(lián)盟計(jì)劃到2010年生產(chǎn)37億Wp光伏電池。1998年單晶硅光伏電池效率達(dá)24.7%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬個(gè)太陽光伏屋頂計(jì)劃”，到2020年完成?！怆姵剞D(zhuǎn)換效率；太陽能電池的最大輸出功率Pmax與輸入光功率P之比。＝PPmaxi的大小與材料的性質(zhì)有關(guān)，器件的結(jié)構(gòu)、工藝等因素對(duì)其也有影響。N＋P減反射膜表面層基層背面接觸正面接觸條太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖為提高效率：1.提高光生載流子的收集效率2.提高光能的收集效率常用材料：Si,GaAs,CdS,InP,CdTe光電轉(zhuǎn)換器件光電二極管

在反向偏壓下工作的光伏器件。結(jié)構(gòu)上，在外殼上有透明、能入射光線的窗口，以便讓光能照射導(dǎo)管芯上。為提高轉(zhuǎn)換效率，窗口上裝有能聚焦光的透鏡；PN結(jié)做得比較淺，以保證有更多的光子被利用；PN結(jié)面積通常做得比較大，電極面積做得比較小，以增加受光面積。一、工作特性1.靈敏度（響應(yīng)度）：光電二極管輸出的光電流與入射光功率之比R0=P0Ip(A/W)2.光譜特性：不同的半導(dǎo)體材料－不同的禁帶寬度－不同的光譜響應(yīng)范圍每一種探測(cè)器件，存在一個(gè)響應(yīng)的峰值，其對(duì)應(yīng)的光子能量稍大于禁帶寬度，當(dāng)h<Eg時(shí)，響應(yīng)呈迅速下降的趨勢(shì)。SiGe(m)I%204060801000.20.40.81.21.6光電轉(zhuǎn)換器件3.響應(yīng)時(shí)間影響響應(yīng)時(shí)間的快慢的重要因素載流子的運(yùn)動(dòng)速度。4.伏安特性無光照時(shí)，光電二極管的V－I特性：I＝I[e－1]kTeVsV是外加偏壓，為負(fù)值。有光照時(shí)，光電二極管的V－I特性：I＝I－I[e－1]kTeVspV光照增大無光照時(shí)有光照時(shí)有光照時(shí)IPD：光電二極管Ec：電源電壓R：負(fù)載電阻PD光電轉(zhuǎn)換器件常見類型的光電二極管1.PIN光電二極管PIN光電極電極PINVa.結(jié)構(gòu)示意圖b.反向偏置圖在P區(qū)與N區(qū)之間加了一層本征層，中間I層的電阻率很高，厚度為毫米量級(jí)。耗盡層變寬增大了光電轉(zhuǎn)換的作用區(qū)域加強(qiáng)了對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光波的吸收。耗盡層變寬結(jié)電容變小高頻端的響應(yīng)得到改善。反向偏壓越高，結(jié)電容變小的效應(yīng)越顯著。光電轉(zhuǎn)換器件2.雪崩（APD）光電二極管靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快。PN＋P＋Rb輸出h電場(chǎng)耗盡區(qū)W雪崩區(qū)碰撞電離所需的最小電場(chǎng)(1)結(jié)構(gòu)與工作原理N＋區(qū)、P＋區(qū)為重?fù)诫s區(qū)；為接近本征的低摻雜區(qū)；光照射到光電二極管時(shí)，由于器件的耗盡層很寬，大部分光子在這個(gè)區(qū)域被吸收并生成電子－空穴對(duì)。在外電壓的作用下，載流子定向移動(dòng)成為初始光電流，一次電子在向PN＋結(jié)區(qū)漂移的過程中動(dòng)能增大，到達(dá)PN＋結(jié)后，在更高的電場(chǎng)作用下產(chǎn)生雪崩倍增，一次空穴則直接被P＋

區(qū)吸收。因此，PIN中的光電流主要是一種載流子的貢獻(xiàn)(a)電場(chǎng)分布(b)結(jié)構(gòu)示意圖光電轉(zhuǎn)換器件(2).倍增增益(3).噪聲G＝11－V－IRmiVbVb：APD的擊穿電壓，Ri：為APD的內(nèi)阻，：為常數(shù)，與材料、摻雜、波長(zhǎng)有關(guān)；mI：為倍增后的電流。除了一般光電二極管的噪聲類型外，還有一種由于倍增增益的起伏而引起的附加噪聲。(4).溫度特性環(huán)境溫度的變化，主要表現(xiàn)在對(duì)倍增增益以及暗電流的變化上3.肖特基光電二極管半導(dǎo)體材料與金屬接觸形成肖特基勢(shì)壘構(gòu)成肖特基光電二極管。不同的肖特基勢(shì)壘不同波長(zhǎng)響應(yīng)；工作區(qū)靠近表面，有利于短波長(zhǎng)的吸收，適于對(duì)藍(lán)光、紫外光的探測(cè)。光電轉(zhuǎn)換器件光電倍增管一、結(jié)構(gòu)與工作原理1.光陰極KDD1D3D5D7D9D2D4D6D8D10AV0RL-1200-1000-800-600-400-200-1100-900-700-500-300-100

光電子發(fā)射型光檢測(cè)器；靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快；適用于微弱光信號(hào)檢測(cè)。K：光陰極，D：倍增極A：陽極，陰極在光照下，發(fā)射出電子，電子受到極間電場(chǎng)作用而獲得較大的能量。當(dāng)電子以足夠高的速度打到倍增極上時(shí)，倍增極產(chǎn)生了二次電子發(fā)射，使得向陽極方向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)目成倍的增加，經(jīng)過多次倍增，最后到達(dá)陽極被收集而形成陽極電流。在倍增因子不變的條件下，陽極電流隨光信號(hào)的變化而變化。產(chǎn)生初次電子。因此它決定了光電倍增管的頻譜相應(yīng)特性。常用銻銫材料和銀化銫材料。光電轉(zhuǎn)換器件2.倍增極某些金屬、金屬氧化物及半導(dǎo)體，如銻化銫（CsSb）、銀鎂合金（MgAg）、氧化鈹（BeO）、GaP、GaAs等，其表面受到高速粒子轟擊后，可以重新發(fā)射出更多的電子（即二次電子發(fā)射），用二次電子發(fā)射來表征二次電子發(fā)射的量值。＝I2I1＝en2en1式中I1=en1,I2=en2分別表示一次和二次發(fā)射電子流。表示每一個(gè)入射電子所產(chǎn)生的二次電子數(shù)目，即每個(gè)倍增極的電流增益。G＝IA/IK=f(g)n如果倍增極的級(jí)數(shù)為n,且各級(jí)性能相同式中IA為陽極電流，IK為陰極電流，f為第一倍增極對(duì)陰極電子的收集效率，g為各倍增極之間的傳遞效率。通常取3－6，n取9－14級(jí)，光電轉(zhuǎn)換器件二、工作特性參數(shù)1.陰極靈敏度3.工作電壓與電壓供給V0VKARLD1D2Dn-2Dn-1DnR1R2R3Rn-1RnRn+1C1C2C3負(fù)高壓供電，電源正極接地，可響應(yīng)變化緩慢的光信號(hào)。正高壓供電，電源負(fù)極接地，適用于要求低噪聲的光脈沖信號(hào)檢測(cè)。光陰極被光照射后產(chǎn)生的初始電流IK與入射光通量V之比IKSK＝

V[A/lm]光通量大陰極疲勞靈敏度下降光通量小測(cè)量誤差光電倍增管供電回路V0總的工作電壓負(fù)高壓供電光電轉(zhuǎn)換器件3.伏安特性2.陽極靈敏度在一定的工作電壓下，陽極輸出電流與光通量之比。IASK＝

V6121824V(x10-6W)IA(mA)2468100在一定的光通量范圍內(nèi)，IA與V

成線性關(guān)系，但V大到一定程度，IA反而下降，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。陰極疲勞所致。50100150Vn+1(V)IA(mA)246810012光電特性伏安特性在一定的光強(qiáng)照射下，陽極電流與最后一級(jí)倍增極和陽極之間的電壓關(guān)系。1.5x10-7W1.2x10-7W0.9x10-7W0.6x10-7W0.3x10-7W光電轉(zhuǎn)換器件4.暗電流ID5.頻率特性6.噪聲特性光電倍增管在無光照射時(shí)，加上工作電壓后的輸出電流，稱為暗電流。暗電流對(duì)測(cè)量微弱信號(hào)不利。產(chǎn)生暗電流的主要因素：陽極和其他電極間的漏電流；熱電子發(fā)射電流，主要由陰極及第一倍增級(jí)產(chǎn)生；光反饋及離子反饋引起的反饋電流，主要由非信號(hào)的微弱光或殘余氣體電離轟擊陰極產(chǎn)生的二次電子造成。電子從陰極發(fā)出，到達(dá)陽極的渡越時(shí)間是影響光電倍增管頻率特性的主要因素，因不同電極、不同部位發(fā)出的電子到達(dá)陽極的距離不同，造成電子渡越時(shí)間的彌散，此外極間電容，負(fù)載電阻都影響到光電倍增管的響應(yīng)時(shí)間。頻率響應(yīng)的寬度與倍增級(jí)數(shù)n成反比。倍增管的截止頻率：Vc＝12RLC對(duì)電磁屏蔽良好的光電倍增管，其噪聲的主要來源是散粒噪聲和負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲。光電轉(zhuǎn)換器件變像管、像增強(qiáng)管、攝像管

成像器件與探測(cè)器件的區(qū)別：探測(cè)器件的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并在電子技術(shù)范圍進(jìn)行處理，其性能主要看響應(yīng)率、響應(yīng)速度和噪聲等。成像器件的工作目的是熒光屏上完成二維圖像，其工作過程由兩部分構(gòu)成，首先是將光的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷男盘?hào)，然后將電的信號(hào)作用于熒光屏上顯示出圖像。成像器件除了要求靈敏度高、噪聲低等條件外，還要求有高的空間信息分辨能力。成像器件分為兩大類：像管和攝像管。像管集光電轉(zhuǎn)換與成像于一體，其輸入輸出皆為光信號(hào)，其中把各種不可見圖像轉(zhuǎn)換為可見圖像的器件成為變像管；把微弱的輻射圖像增強(qiáng)到可以用眼睛觀察的器件成為像倍增管。攝像管是一種光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，帶有圖像信息的電信號(hào)可傳送到異處的接受系統(tǒng)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后，在熒光屏上顯示出圖像。光電轉(zhuǎn)換器件外光電效應(yīng)光電導(dǎo)一、像管的結(jié)構(gòu)與工作原理陰極外筒陽極和聚焦電極光纖面板光纖面板熒光屏光陰極像管的基本結(jié)構(gòu)包括輸入部分，電子光學(xué)成像系統(tǒng)以及輸出部分。靜電聚焦式變像管示意圖1.輸入部分光陰極的材料與真空倍增管的陰極類似，常用的有，對(duì)紅外光敏感的銀化銫紅外光陰極、對(duì)可見光敏感的單堿和多堿光電陰極、對(duì)紫外光敏感的III－V族化合物陰極等。2.電子光學(xué)系統(tǒng)作用：加速光電子，使電子束按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以保證能入射到熒光屏的相應(yīng)位置。類型：靜電系統(tǒng)：電磁復(fù)合系統(tǒng)非聚焦式聚焦式光電轉(zhuǎn)換器件兼有探測(cè)與成像功能．包含光電、電光轉(zhuǎn)換特性和光學(xué)傳遞特性．二、像管的主要特性3.輸出部分將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像，熒光屏的電阻率約為1010－1014

.cm光譜響應(yīng)特性

2.增益特性輸出亮度與入射面照度之比的倍。GL=LEV3.背景特性無光照時(shí)的暗電流在電場(chǎng)作用下，轟擊熒光屏使之發(fā)光，這種亮度稱為暗背景亮度。原因：熱電子發(fā)射、局部強(qiáng)電場(chǎng)引起的發(fā)射、二次電子發(fā)射。4.時(shí)間響應(yīng)特性時(shí)間響應(yīng)特性主要取決于熒光屏。熒光屏對(duì)電子轟擊的反應(yīng)通常達(dá)3ms。光電陰極的光譜響應(yīng)特性，如量子效率，光譜靈敏度，光譜特性曲線光電轉(zhuǎn)換器件三、變像管與像倍增管1.變像管將不可見光轉(zhuǎn)換為可見光器件，通常指紅外變像管。其核心部分是對(duì)紅外光敏感的光陰極，當(dāng)紅外光照射到光陰極時(shí)，產(chǎn)生光電子發(fā)射，經(jīng)過電子光學(xué)系統(tǒng)，打倒熒光屏，發(fā)出可見光，實(shí)現(xiàn)了光譜的轉(zhuǎn)換。輸入輸出窗口材料通常采用光纖面板，它是由許多單根纖維組合而成，由于單根光纖只能傳遞一個(gè)單元信息，要傳送圖像就要將光纖束按一定的方式排列結(jié)合起來，制成光學(xué)纖維板。2.像倍增管主要用于增強(qiáng)圖像的亮度，用在微光夜視的條件下。早期采用兩電極定焦式靜電聚焦像管，常常將3個(gè)單支管耦合起來，施以高壓，達(dá)到提高增益的目的。第二代微光像增強(qiáng)管在級(jí)間插入微通道板以代替多級(jí)倍增，其倍增效果好，體積也小。微通道板是在電阻管內(nèi)壁涂具有二次電子發(fā)射能力的物質(zhì)，在兩端直流高壓的作用下，通過入射電子對(duì)管壁的碰撞實(shí)現(xiàn)電荷的倍增。光電轉(zhuǎn)換器件外光電效應(yīng)

像管屬于直接成像器件。能實(shí)時(shí)觀察微光圖象或不可見圖象，但無法實(shí)現(xiàn)光圖象的處理、存儲(chǔ)、變換及遠(yuǎn)距離觀察等功能。具有視距短，不能超越障礙的缺點(diǎn)。

攝像管把光圖象變?yōu)殡妶D象后，并不是直接變回光圖象，而是根據(jù)應(yīng)用要求，可對(duì)電圖象進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、再傳到接收端，經(jīng)電光轉(zhuǎn)換，形成光圖象。比較：四、攝像管攝像管的主要工作是將被觀測(cè)的圖像，不失真地變換成電信號(hào)，并能高質(zhì)量地傳送出去。后面的圖像再現(xiàn)工作由傳輸以及接受系統(tǒng)來完成。1.基本工作原理三個(gè)基本組成部分：光電轉(zhuǎn)換元件（光電導(dǎo)材料）、光電流存儲(chǔ)元件以及掃描讀取裝置。網(wǎng)電極靶視頻信號(hào)RL聚焦線圈偏轉(zhuǎn)線圈校正線圈聚焦極1聚焦極2陰極控制柵極加速極結(jié)構(gòu)示意圖玻璃板信號(hào)板光敏層靶的結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換器件光電導(dǎo)效應(yīng)2.攝像管的工作特性(1)靈敏度(2)惰性(3)分辨能力輸出信號(hào)電流與輸入光通量（或照度）之比，單位：A/lx或A/lm。指輸出信號(hào)相當(dāng)于輸入信號(hào)的滯后程度。惰性過大對(duì)于攝取動(dòng)態(tài)圖像是不利的，在照度增加時(shí)，所產(chǎn)生的輸出信號(hào)的滯后為上升惰性，而照度下降時(shí)所產(chǎn)生的輸出信號(hào)的滯后為衰減惰性。惰性產(chǎn)生的原因有光電導(dǎo)材料本身所具有的特點(diǎn)以及光電導(dǎo)層的電容性特點(diǎn)造成的。垂直分辨力：能分辨出垂直方向上的像元素，或黑白相同的等寬矩形條紋數(shù)。水平分辨力：在水平方向上能夠分辨的像元素。光電轉(zhuǎn)換器件瑞典皇家科學(xué)院2009年10月6日宣布，將該年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)華裔科學(xué)家高錕以及美國(guó)科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯。

瑞典皇家科學(xué)院常任秘書貢諾·厄奎斯特在記者招待會(huì)上說，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，他將獲得今年物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬瑞典克朗(約合70萬美元)；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件——電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器，將分享今年物理學(xué)獎(jiǎng)另一半獎(jiǎng)金。博伊爾1924年出生于加拿大阿默斯特，史密斯1930年出生于美國(guó)紐約，兩人發(fā)明CCD圖像傳感器時(shí)均供職于美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室。諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)通常頒發(fā)給年齡較大的科學(xué)家，因?yàn)楂@獎(jiǎng)成果都經(jīng)過了幾十年的檢驗(yàn)。電荷耦合器件（Charge-CoupledDevice-CCD）1969年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的WSBoyle、GESmith提出了CCD概念，隨后得以發(fā)展。電耦合器件是以電荷作為信號(hào)，通過電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換與檢測(cè)。這不同于以電流或電壓為信號(hào)的檢測(cè)器件。光電轉(zhuǎn)換器件電荷耦合器件（Charge-CoupledDevice-CCD）一、基本結(jié)構(gòu)與工作原理AlSiO2Si襯底MOS電容器1.基本結(jié)構(gòu)CCD的基本單元是金屬－氧化物－半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)。在P型或N型的硅單晶的襯底上生長(zhǎng)一層厚度約為0.12m的SiO2薄膜，薄膜上再蒸發(fā)一層金屬膜（通常使用金屬鋁）。經(jīng)過光刻，將鋁膜分割成間距很小的單元。每一個(gè)鋁膜作為一個(gè)電極，與下面的SiO2層和Si單晶組成MOS結(jié)構(gòu)，如同一個(gè)MOS電容器。MOS電容器可以排成一維形式（線陣），或二維形式（面陣）。2.電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移(a)P型半導(dǎo)體氧化層電極(b)耗盡層氧化層電極VG<Vth(c)反型層氧化層電極VG>Vth在鋁膜電極上加上正電壓，襯底接負(fù)電壓，由于場(chǎng)的感應(yīng)作用，使P型半導(dǎo)體中的電荷分布發(fā)生變化。正電荷被排斥而遠(yuǎn)離Si與SiO2的界面，使得在接近界面的位置上出現(xiàn)耗盡層，如圖b所示。耗盡層的出現(xiàn)使界面處的表面勢(shì)（Es）增加。隨著電極上的電壓增加，耗盡層加深，表面勢(shì)更高。表面