光电位置敏感器件的非线性误差分析及其在医学中的应用

　　1 引言

　　半导体光电位置敏感器件(Position SensitiveDetector 简称 PSD),是在 20 世纪 70 年代研制成功的。随着这种光电器件的出现，一些新的检测方法和手段也不断出现。这种器件的优点是：位置分辨率高;响应速度快;光谱范围宽等。然而由于这种器件存在着非均匀、非线性，所以由其构成的测量系统及仪器的测量精度及可信度下降。本文首先简要阐述 PSD 的工作原理与产生非线性的因素，采用电桥理论分析 2D- PSD 的非线性方法，再利用该敏感器件和连续发射激光束的激光器，设计一种优化的 2D- PSD 信号处理电路用于高精度光学测量系统中。这一系统与计算机、摄影技术以及层析技术相结合可以用于多种参数的测量与医学临床诊断，具有重要应用价值.

　　2 PSD 工作原理

　　2.1 PSD 的横向光电效应

　　PSD 是一种对其感光面上入射光点位置非常敏感的光电器件。当有光线照射到 PSD 的 P- N 结时，半导体吸收光子后激发出电子 - 空穴对，在结电场作用下使空穴进入 P区，电子进入 N 区，从而产生了结光电势。如果入射光仅集中照射在 P- N 结光敏面上的某一点，则光生电子和空穴亦将集中在该点。由于 P区掺杂浓度远大于 N 区，因此进入 P区的空穴由入射点迅速扩散到整个 P区，N 区的导电率较低，进入 N 区的电子将仍集中在入射光点，在P- N 结的横向形成不平衡电势，建立了一个横向电场，这就是横向光电效应。当入射光点落在 PSD 器件感光面的不同位置时，将对应输出不同的电流信号，通过对此输出电流

　　信号的处理，入射光点在 PSD 器件感光面上的位置可以确定，由此可以做成多种测量位置的测试系统和仪器。

　　2.2 2 D- PSD 的结构、工作原理

　　图 1 给出了 2D- PSD 的平面结构。表面分流型2D- PSD在感光层表面四周有两对互相垂直的电极，这两对电极在同一平面上，其中 X ₁，X ₂，Y ₁，Y ₂为各信号电极输出的信号，x，y 为入射光点的位置坐 标 。

         无论是一维光电位置敏感器件还是二维光电位置敏感器件，其工作原理大致相同。对于二维 PSD四个电极输出的电流与光点位置坐标的关系为

        式中，I _{X 1}，I _{X 2}，I _{Y 1}，I _{Y 2}为 2D- PSD 四个电极输出的电流;L为 PSD 中心到电极距离;I ₀为光电流。四个电极输出的电流 I _{X 1}，I _{X 2}，I _{Y 1}，I _{Y 2}不仅与入射光点位置有关，而且与入射光的强度有关。将电极输出的电流I _{X 1}，I _{X 2}，I _{Y 1}，I _{Y 2} 作如下处理