光电检测技术第7-8节课

1、各位同学下午好！各位同学下午好！光电检测技术内蒙古大学2012.3光电检测技术光电检测技术门克内木乐E_mail: py_Office: 综合楼610室（Tel:4991463）Lab: 综合楼812室第一章 光电检测物理基础 1.1 光电检测技术概论（1学时） 1.2 光辐射物理基础（1学时） 1.4 光在介质中的传输（4学时） 1.5 常用光学系统（4学时） 1.6 光学变换器件（调制器，4学时） 1.7 半导体基础知识与光电效应（4学时）第二章 光电转换技术（探测器） 2.1 光电探测器（点，8学时） 2.2 热电探测器（点， 4学时） 2.3 光电成像器件（面， 4学时）第三章 光电检

2、测电路设计（4学时）第四章 非相干与相干系统（8学时）第五章 典型光电检测应用系统（其它2学时）课程内容光电检测系统的组成光电检测系统的组成1.3 常用光源（2学时）光源光学系统被测对象传输介质光电转换电信号处理光学变换hvhvhvss+nhvs+ne存储显示控制eee上一节课内容回顾1.3. 半导体基础知识1能带理论2热平衡态下的载流子3半导体对光的吸收4非平衡态下的载流子5载流子的输运 扩散与漂移绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体、金属的能带图a) 绝缘体 b) 半导体 c) 金属1.2 本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体晶体、非晶体、N、P型半导体Ix=I0(1-R)e

3、-x本征吸收与非本本征吸收与非本征吸收：征吸收：hEg电注入、光注入电注入、光注入nnnn0+nnpnpn0+pnnnpn寿命寿命漂移：漂移：载流子在外电场作用下，电子向载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。向运动称为漂移。J=EPnpenej=-DdN(x)/dx D=(kT/q)上一节课内容回顾二、光电导效应二、光电导效应Pndepen00暗电导率暗电导率Plnllepen)(Pndlpne光致电导率的变化量光致电导率的变化量亮电导率亮电导率LAg光电导光电导Ugi光电流光电流GhvPeis)(221tjmsmemGhvPe

4、i上一节课内容回顾三、光伏效应三、光伏效应光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。内建电场、扩散电流、漂移电流：内建电场、扩散电流、漂移电流：光生电场、光生电流：（只考虑少光生电场、光生电流：（只考虑少数载流子运动）数载流子运动）光伏探测器在光照下的总电流(从n到p)为其中，在没有电流内增益时，上一节课内容回顾三、光伏效应三、光伏效应第二章 常用光源2.1 光源的基本参量光源的基本参量1. 发光效率 2. 光谱功率谱分布 3. 空间光强分布特性 4. 光源的温度和颜色2.2 光电检测中常用光源光电检测中常用光源在给定的波长范围内，某一光

5、源所发出的光通量与产生该光通量所需要的功率之比，成为该光源的发光效率，单位lm/W，表示为式中，l1l2为该光电测量系统的光谱范围。应用中宜采用发光效率高的光源以节省能源。 PdPV21)(llll1. 发光效率发光效率 2.1 光源的基本参量光源的基本参量2.光谱功率谱分布光谱功率谱分布 光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长有关，成为光谱功率分布。常见的有四种典型的分布，如图所示。(a) (b) (c) (d)图2-9 典型光源功率谱分布：(a)线状光谱；(b)带状光谱；(c)连续光谱；(d)复合光谱图中(a)为线状光谱，如低压汞灯光谱；(b)为带状光谱，如高压汞灯光谱；(c) 为连续光谱

6、，如白炽灯、卤素灯；(d) 为复合光谱，它由连续光谱、线状光谱和带状光谱组合而成，如荧光灯光谱。l0Pll0Pll0Pll0Pl在选择光源的时候，为了最大限度的利用光能，应选择光功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致；对于目视测量，一般可以选用可见光谱辐射比较丰富的光源；对于目视瞄准，为了减轻人眼的疲劳，以选用绿光光源；对于彩色摄像则应该采用白炽灯、卤素灯作光源。同样对于紫外和红外测量，也宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。由于光源发光的各向异型，许多光源的发光强度在各个方向是不同的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线，成

7、为配光曲线配光曲线。为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦点应位于光源的发光中心。 3. 空间光强分布特性空间光强分布特性 4. 光源的温度和颜色光源的温度和颜色 任何具有一定温度的物体都能转换本身的热能而自发地向外辐射能量，这种辐射称为温度辐射，也叫热辐射，物体本身称为温度辐射体温度辐射体。 温度辐射是一种能量交换的热平衡过程热平衡过程。任何温度辐射体能够辐射能量，也能吸收辐射能量。 温度为T的物体吸收入射辐射功率的比率，称为物体对辐射的吸收比吸收比，在热平衡状态下，物体发射的辐射功率等于吸收的辐照功率。亦即M(l,T)=a

8、 (l,T) E （基尔霍夫定律） 表明，吸收比越大的物体吸收比越大的物体，辐出度也越大辐出度也越大，所以好的辐射吸收体，必然也是好的辐射源。 黑体黑体黑体是一种理想的、完全的温度辐射体，它吸收全部的入射光辐射而一点也不反射（a=1）。是一种辐射仅取决于它的温度的辐射体，它在给定的温度下比在同样温度下的任何实际物体辐射出更多的能量。故也称之为“完全辐射体”或“理想的温度辐射体”或“普朗克辐射体”。Mb(l,T) = E自然界中并不实际存在黑体，所有具有一定温度的物体都是温度辐射体，但不能完全吸收入射辐射的功率，因此称为非黑体。非黑体与同温度黑体的辐出度之比，称为物体的发射率e:),(),(),

9、(TMTMTbllle),(Tla4. 光源的温度和颜色光源的温度和颜色课外话题黑体与黑洞1) 黑体辐射的光谱分布普朗克定律 ) 1(/512TCTeCElll2) 黑体辐射的积分表达式斯忒藩波尔兹曼定律 40TdEETTll3) 维恩位移定律 lmax = A / TW/cm3 球面角波长（微米）W/cm3 球面角波长（微米）4. 光源的温度和颜色光源的温度和颜色C13.74151016 （瓦特/米3）C21.4388102（米开尔文） 5.6697 10-8（瓦/米2 开尔文4） A2.896 10-3 (米开尔文) 黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于一般的光源，它的某些特性常用黑体辐射

10、特性近似地表示，其温度常用色温表示其温度常用色温表示。色温是辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温色温。由于一种颜色可以有多种光谱成分产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。在光电检测中为了减少光源温度对测量的影响，应采用冷光源或设法减少热辐射的影响。4. 光源的温度和颜色光源的温度和颜色光源的颜色与发光波长有关，复色光源如太阳光、白炽灯、卤素灯、镝灯等发光一般为白色，其显色性较好，适合于变色要求较高的场合，如彩色摄像、彩色印刷等。单色光源，如氦氖激光为红色，氪灯与钠灯发光为黄色，氘光为紫色。光的颜色对人眼的工作效率有影响，

11、绿色比较柔和而红色则使人容易疲劳。用颜色来进行测量也是一门专门的技术。常常用用光光源源分类分类发光原理发光原理热辐射光源太阳光（黑体辐射器）温度辐射白炽灯（钨丝灯、能斯脱灯、硅碳棒）气体放电光源辉光放电 氢、氦、氘、氙、氪 放射线发光弧光放电 金属蒸汽（汞、钠、硫等） 荧光灯复色荧光灯、单色荧光灯光致发光燃烧体蜡烛、煤油灯、煤气灯化学反应半导体发光器件LED注入式场致发光激光光源氦-氖激光器受激辐射半导体激光器其它2.2 光电检测中常用光源光电检测中常用光源1、太阳光、太阳光太阳向地球辐射热我们称之为阳光。阳光是复色光，太阳光源是很好的平行光源。太阳光的照度值在不同光谱区所占百分比是不同的，紫

12、外区约占6.46%；可见光区占46.25%；红外光区占47.29%。 表面温度：6000K，最大吸收波长lmax=480nm2、白炽灯（钨丝灯、能斯脱灯、硅碳棒）、白炽灯（钨丝灯、能斯脱灯、硅碳棒）钨丝灯钨丝灯靠灯泡中的钨丝被加热而发光，它发出连续光谱。发光特性稳定、简单、可靠、寿命比较长，得到广泛的应用。真空钨丝灯真空钨丝灯是将玻璃灯泡抽成真空，钨丝被加热到23002800K时发出复色光，发光效率为10lm/W。若灯泡内充氩、氮等惰性气体称为充气灯泡充气灯泡，当灯丝蒸发出来的钨原子与惰性气体原子相碰撞时，部分钨原子会返回灯丝表面而延长灯的寿命，工作温度提高到27003000K，发光效率约为1

13、7lm/W。若灯泡内充有卤素元素（卤化碘，溴化硼等）时，称为卤素灯卤素灯。钨丝被加热后，蒸发出来的钨原子在玻璃壳附近与卤素化合成卤钨化合物，如WI2，WBr等，然后卤钨化合物又扩散到温度较高的灯丝周围且又被分解成卤素和钨，而钨原子又沉积到灯丝上，弥补钨原子的蒸发，以此循环而延长等的寿命，卤钨灯的工作温度达30003200K，发光效率约为30lm/W。 白炽灯的灯压灯压决定了灯丝的长度长度，供电电流电流决定了灯丝的直径直径，100W的钨灯发出的光通量大约200lm。 白炽灯的供电电压对灯的参数（电流、功率、寿命和光通量）有很大的影响，其关系如下式所示。式中，V0, I0, V0, fV0, t0

14、分别为灯泡额定电压、电流、发光效率、光通量和寿命；V, I, V, fV, t分别为使用值。对于充气灯泡n=0.0714，对于真空灯泡n=0.0769。例如额定电压为220V的灯炮降压到180V使用，其发光的光通量降低62%，但其寿命延长到13.6倍。降压使用对光电测量用的白炽灯光源十分重要，因为灯泡寿命的延长将使系统的调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。如光栅莫尔条纹法测量，常用6V、5W的白炽灯照明，若将压至4.5V使用，灯的寿命延长20倍左右。白炽灯泡的灯丝形状对发光强度的方向性有影响，普通照明常用W形灯丝，使灯360发光；而光栅的莫尔条纹测量则用直丝形状仪器灯泡，且灯丝长度方向应与

15、光栅刻线方向一致。 nVVVVIIVV0278. 005 . 0000钨丝灯钨丝灯能斯脱灯能斯脱灯灯丝不是钨丝，而是陶瓷杆，空气中不会被氧化，所以不用装到真空或惰性气体中。玻璃罩只起隔绝高温发光体与外界的作用。Developed by the German physicist and chemist Walther Nernst in 1897 at Goettingen University, these lamps were about twice as efficient as carbon filament lamps and they emitted a more natural l

16、ight (more similar in spectrum to daylight). The lamps were quite successfully marketed for a time, although they eventually lost out to the more-efficient tungsten filament incandescent light bulb. One disadvantage of the Nernst design was that the ceramic rod was not electrically conductive at roo

17、m temperature so the lamps needed a separate heater filament to heat the ceramic hot enough to begin conducting electricity on its own硅碳棒硅碳棒硅碳棒为非金属电热元件，是用高纯度绿色六方碳化硅为主要原料，经2200高温再结晶制成的，正常使用温度可达1450，合理使用条件下，连续使用超过2000小时，在空气中使用，不需要任何保护气氛。适适用于各种电炉电窑。用于各种电炉电窑。用途：由于硅碳棒使用温度高，有良好的化学稳定性。如果与自动化供电系统配套，即可得到精确的恒

18、定温度，又可根据生产工艺的实际需要按曲线自动调温。现已广泛应用于国防、机械、冶金、轻化、陶瓷、半导体、分析化学、科学研究等领域，成为各种电炉电窑的电加热元件。隧道窑、辊道窑、玻璃窑炉、真空炉、马弗炉、冶炼炉以及各类加热设备，使用硅碳棒加热既方便，又安全可靠。如：铜、铝及各种合金的冶炼，机械器件的热处理，陶瓷和磁性材料的烧结，以及作为各类试验、化验设备的加热元件，均能得到较为理想的效果。 3、气体放电光源、气体放电光源利用气体放电原理来发光的光源称为气体方电光源，如将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸汽（汞、钠、硫等）冲入灯中，在电场作用下激励出电子和离子。当电子向阳极，离子向阴极运动时，如此碰撞不断

19、进行，使一些原子跃迁到高能级，由于高能级的不稳定性，处于高能级的原子就会发出可见辐射（发光）而回到低能级，如此不断地进行，就实现了气体持续放电、发光。常见的有辉光放电辉光放电和弧光放电弧光放电两类。气体放电电源的特点是：1）发光效率高，比白炽灯高210倍，可节能能源。2）结构紧凑，耐震、耐冲击。3）寿命长，大约是白炽灯的210倍。4）光色范围大，如普通高压汞灯发光波长大约为400500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色（589nm），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。由于以上特点气体放电光源经常被用于工程照明和光电测量之中。 电弧灯电弧灯短弧氙灯金属卤化物灯4、荧光灯、荧光灯紧凑荧光灯荧光灯结

20、构A fluorescent lamp is a gas-discharge lamp that uses electricity to excite mercury vapor in argon or neon gas, resulting in a plasma that produces short-wave ultraviolet light. This light then causes a phosphor to fluoresce, producing visible light.气体灯5、燃烧发光体、燃烧发光体煤油灯蜡烛酥油灯注入式半导体激光器和它类似，也是一个PN结，也是利用

21、外电源向PN结注入电子来发光的。只是它的结构公差没有激光器那么严格，而且无粒子数反转、谐振腔等条件要求。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。由于它的结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，所以在光电系统中应用得也极为普遍。发光二极管按发光波长来分，有红外发光二极管和可见光发光二极管两种。它们的结构原理都是类似的，下面着重以红外发光二极管为例作一介绍。6、半导体发光器件、半导体发光器件(LED)在电场作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件成为半导体器件，又称注入式场致发光光源，通常称为LED。 制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多

22、的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，N区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg，即1.24eV/Eg （m）由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。另外，有些材料由于组分和掺杂不同，例如，有的具有很复杂的能带结构，相应的还有间接跃迁辐射等，因此有各种各样的发光二极管。（1）发光二极管的发光原理）发光二极管的发光原理（2）发光二

23、极管的主要参数）发光二极管的主要参数即使半导体器件也是发光器件，因此其工作参数有电学参数和光学参数，如正向电流、正向电压、功耗、响应时间、反向电压、反向电流等电学参数；辐射波长、光谱特性、法光亮度、光强分布等光学参数。材料光色峰值波长nmGaA 0.6P0.4红650GaA 0.15P0.85黄589GaP:N绿565GaAs红外910GaAsSi红外9401）伏安特性）伏安特性 通过发光二极管的电流与加到二极管两端电压之间的关系，称为发光二极管的伏安特性。图中，UT为开启电压。UUT时，二极管导通发光。UUT时，二极管截止不发光。UT的大小与材料、工艺等因素有关。一般GaAs管的UT约为1.

24、3V；GaP管的UT约为2V；GaAsP管的UT约为1.6V；GaAlAs管的UT约为1.55V。 发光二极管伏安特性曲线各种发光二极管发光出射度与电流密度的关系曲线2）发光亮度）发光亮度发光二极管的发光亮度，基本上是正比于电流密度的（上图给出的是各种发光二极管的光出射度与电流密度关系），由图可见，一般管的发光亮度都与电流密度成正比例，只有”GaP红”的发光亮度略有随电流密度的增加而趋于饱和的现象。亮度正比于电流密度这种性质，对于采用脉冲驱动的方式是很有利的，它可以在平均电流与直流电流相等的情况下，获得很高的亮度。（3）发光二极管的主要特性）发光二极管的主要特性3）光谱特性）光谱特性几种LED

25、的光谱特性曲线 发光二极管所发出的光不是纯单色光，但是，除了激光外，它的谱线宽度都比其它光源所发出光的谱线窄。例如，砷化镓发光二极管的谱线宽度只有25nm。因此，可认为是单色光。其它发光二极管的光谱特性曲线示于上图。（3）发光二极管的主要特性）发光二极管的主要特性4）温度特性）温度特性（3）发光二极管的主要特性）发光二极管的主要特性 发光电流与温度的关系曲线 温度对PN结的复合发光是有影响的，在偏置电压不变的情况下，结温升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度减弱，电流与温度的关系大致如上图所示。5）时间响应）时间响应 这里说的时间响应，是指发光二极管启亮与熄灭时的时间延迟。发光二极管的响应时间

26、很短，一般只有几纳秒至几十纳秒。当利用脉冲电流去驱动发光二极管时，应考虑到脉冲宽度、空度比与响应时间的关系。6）寿命）寿命 发光二极管的寿命都很长，在电流密度j1A/cm2的情况下，可达105h以上。不过，电流密度对二极管的寿命是有影响的，电流密度大时，发光亮度高，寿命就会很快缩短。7）配光曲线）配光曲线（3）发光二极管的主要特性）发光二极管的主要特性（4）发光二极管的主要应用）发光二极管的主要应用白色LED照明灯手电筒大屏显示器仪器仪表的指示灯仪器仪表的指示灯交通信号灯交通信号灯汽车信号灯汽车信号灯地砖灯地砖灯装饰灯、礼品灯 可以卷起来的显示器（OLED）激光器是一种新型光源，和钨丝灯等常见

27、光源相比，有许多突出的特点，例如，方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等。激光的发散角很小，只有几毫弧，激光束几乎就是一条直线。氦氖激光的谱线宽度，只有10-8nm，颜色非常纯。激光的产生和一般光不同，它的发光原子彼此间都密切联系着，各发光原子所发出的光，振动方向、频率、相位等都相同，因此具有良好的相干条件。激光的能量十分集中，一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm2sr，比太阳表面的亮度还高若干倍。 7、激光光源、激光光源1.3.2 激光器LASER英文名称的含义是什么？激光发展简史n1917年Einstein的理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受激吸收和受激辐射

28、（按此模型推导出和实验完全符合的黑体辐射Planck公式），提出在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收，预示了有可能利用受激发射实现光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASER ）n理论工作指出：受激辐射光波与激励光波同相位、同方向、同频率、同偏振n1954年汤斯(Townes)、巴索夫(Basov)、普洛霍洛夫(Prokhorov) 利用原子、分子的受激辐射来放大电磁波的新概念，实现氨分子微波量子振荡器(Maser)-量子电子学n1958年汤斯、肖洛(Sch

29、awlow)尺度远大于波长的开放式光谐振腔（Fabry-Perot）n布隆伯根（Bloembergen）利用光泵浦三能级原子系统实现粒子数反转分布n1960年梅曼（Maiman）世界上第一台红宝石激光器n1961年：He-Ne激光器、第一台调Q激光器、钕玻璃激光器n1962年：砷化镓（GaAs）半导体激光器n1963年：激光器的半经典理论n1964年：氩离子（Ar+）激光器、二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器n1965年：铌酸锂光参量振荡器n1966年：固体锁模激光器、染料激光器n1970年：准分子激光器n1977年：红外波段的自由电子激光器激光器的组成与分类激光器的组成与分类工作物质泵浦源谐振腔固体激光器（晶体和玻璃激光器）气体激光器（原子、离子、分子、准分子）液体激光器（化合物、无机液体、有机燃料）半导体激光器非稳定腔激光器共焦腔激光器平面腔激光器调Q激光器锁模激光器电泵浦激光器热泵浦激光器光泵浦激光器化学泵浦激光器核泵浦激光器太阳泵浦激光器