传感器与检测技术（二）

光电池主要有哪些应用？

光电池主要有两大类型的应用：

1. 将光电池作光伏器件使用
   利用光伏作用直接将太阳能转换成电能，即太阳能电池。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池将获得更广泛的应用，如太阳电池电源

2. 将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。
   这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中，如在光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同，它已广泛地应用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等，另如光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路有光电追踪电路、光电开关等

试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异，并简述在不同场合下应选用哪种器件最为合适？

1. 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。

• 优点：
  灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小，重量轻，机械强度高，耐冲击，耐振动，抗过载能力强和寿命长等
• 不足：
  需要外部电源，有电流时会发热

2. 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件，又称为太阳能电池，是基于光生伏特效应制成的

• 硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光

• 硒光电池电转换效率低，寿命短，适于接受可见光，最适宜制造照度计

• 砷化镓光电池转化率比硅光电池稍高，光谱响应特性于太阳光谱最吻合，工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射，主要用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源

3. 光敏二极管的基本结构是个PN结，结面积小，频率特性特别好，输出电流比光电池小，在电路中一般工作在反向工作状态

• 特点：
  频带宽，可达10GHz，在反偏压下可承受较高的反向电压，线性输出范围宽，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，结电容进一步减小，使频带宽度变宽，另外其光照特性是线性的，适合检测等方面的应用

• 不足：
  I层电阻大，输出电流小

4. 光敏三极管有PNP和NPN两种，具有电流增益，存在一个最佳灵敏度的峰值波长，能把光信号变成电信号，输出电信号比较大，一般来说光敏三极管的频响比光敏二极管差，硅管的频响比锗管好，在可见光或探测炽热状态的物体时一般选用硅管，对红外进行探测时采用锗管比较合适，因其光照特性，即可作线性转换元件也可作开关元件

简述电荷耦合器件的工作原理，用它如何组成电视摄像系统？

工作原理：

电荷耦合器件CCD的最小单元是在硅衬底上生长一层约为120nm的二氧化硅，再依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器，再加上输入和输出，形成CCD，向电极加正偏压时，硅衬底中形成耗尽区（势阱），其深度随正偏压升高而加大，少数载流子（电子或空穴）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）

当物体反射的光线透射到CCD上时，光电二极管收到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便产生了，就是在向电容式转移器上施加电压，便开始上述工作原理中的电荷转移过程，此处即完成了电视摄像系统中CCD的工作过程

何为CCD势阱？论述CCD的电荷转移过程。

CCD势阱：

在向CCD中最小单元的二氧化硅上方的电极加偏压时，少数载流子被吸收到最高正偏压电极下的区域内的情况

CCD电荷转移过程：

1. 由上方的三个电势分别使得电极的偏压在电荷包附近为+V，比如在第一个电极上加偏压并在第二个电极上不加偏压，形成上图电荷包

2. 然后再在前两个电极上同时加偏压而第三个电极不加偏压，使得电荷包均分到两个偏压电极上

3. 然后使第一和第三个电极不加偏压，使第二个电极加偏压，形成电荷包的移动

4. 如此循环往复即使得电荷包最终移动到最右端电极

图像传感器中，无源像素和有源像素的区别是？

无源像素：

简单，无放大功能

有源像素：

复杂，集成了放大器，具有复位、积分（曝光）和读出的操作，有固定图案噪声问题，需要相关双采样电路结构，有宽动态响应范围、随机读取像素电路，存在温漂和稳定性问题

CMOS图像传感器中，固定噪声的来源有哪些？如何解决？

来源：

1. 有源晶体管开启电压Vth不一致；
2. 重置开关导通电阻Ron不一致；
3. 由导通电阻的不一致引起热噪声kBTRon不一致；
4. 光电二极管的暗电流Idark不一致；
5. 列选择开关和列处理电路参数的不一致

解决方法：

相关双采样电路用于消除复位噪声的干扰；四管（4T）有源像素电路用于提高灵敏度；五管（5T）有源像素电路用于解决“开花”问题

简述外光电效应的光电倍增管的工作原理。

若单位时间入射到单位面积上的光子为10个（一个光子等效于一个电子电量），光电倍增管共有16个倍增极，输出阳极电流为20A，且16个倍增极二次发射电子数按自然数的平方递增，试求光电倍增管的电流放大倍数和倍增系数。

工作原理：入射光射入光阴极上，光阴极向真空中激发出光电子，光电子按聚焦极电场进入倍增系统，即次阴极，并再次激发光电子，逐步使逸出的光电子倍增，如此反复激发即可实现倍增，最后由阳极来收集电子

由公式
得

I=20A，i=10 X 1.6 X 10-19A

由题意得

倍增系数：M=（16！）2=4.378X10^26

电流放大倍数：β=I/i=1.25 X 10^19