光电检测技术基础

关于光电检测技术基础第一页，共六十八页，2022年，8月28日第一章光电检测技术基础本章内容检测技术的基本概念、方法和发展趋势误差的概念以及类型能带理论、载流子及其运动各类光电效应本章重点检测技术的基本概念和方法能带理论、载流子及其运动各类光电效应本章难点载流子及其运动第二页，共六十八页，2022年，8月28日第一节检测技术的基本概念及方法

静态测量

第三页，共六十八页，2022年，8月28日对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。

最高、最低温度计第四页，共六十八页，2022年，8月28日地震测量振动波形动态测量第五页，共六十八页，2022年，8月28日可以显示波形的便携式仪表便携式仪表第六页，共六十八页，2022年，8月28日直接测量

电子卡尺第七页，共六十八页，2022年，8月28日

对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。

间接测量第八页，共六十八页，2022年，8月28日接触式测量

第九页，共六十八页，2022年，8月28日非接触式测量

例：雷达测速车载电子警察第十页，共六十八页，2022年，8月28日离线测量

产品质量检验第十一页，共六十八页，2022年，8月28日

在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。在线测量第十二页，共六十八页，2022年，8月28日第二节测量误差及分类

绝对误差：

Δ=Ax－Ａ0某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？(1-1)其中Ax为测量值，A0为真实值。第十三页，共六十八页，2022年，8月28日相对误差及精度等级

几个重要公式：引用（满度）相对误差示值（标称）相对误差其中Am为仪器的满度值。第十四页，共六十八页，2022年，8月28日仪表的准确度等级和基本误差

例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为2.5%。为了确定仪表的准确度，常用（1－4）来表示其等级S。其中△m为最大绝对误差值。第十五页，共六十八页，2022年，8月28日例：用指针式万用表的10V量程测量一只1.5V干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量程合理吗？第十六页，共六十八页，2022年，8月28日

用2.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问引用相对误差哪一个大？第十七页，共六十八页，2022年，8月28日误差产生的因素：1.粗大误差

明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。

第十八页，共六十八页，2022年，8月28日产生粗大误差的一个例子第十九页，共六十八页，2022年，8月28日2.系统误差：夏天摆钟变慢的原因是什么？系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。

第二十页，共六十八页，2022年，8月28日3.随机误差

在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。第二十一页，共六十八页，2022年，8月28日随机误差的正态分布规律长度相对测量值次数统计第二十二页，共六十八页，2022年，8月28日随机事例的几个例子

彩票摇奖第二十三页，共六十八页，2022年，8月28日4.动态误差

由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差

当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。

第二十四页，共六十八页，2022年，8月28日第三节检测技术的发展趋势

1.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性：随着科学技术的不断发

展，人们对检测系统的测量精度要求也相应地在提高。近年来，人们研制出许多高精度和宽量程的检测仪器以满足各种需要。人们还对传感器的可靠性和故障率的数学模型进行了大量的研究，使得检测系统的可靠性及寿命大幅度的提高。现在，许多检测系统可以在极其恶劣的环境下连续工作数十万小时。目前，人们正在不断努力进一步提高检测系统的各项性能指标。第二十五页，共六十八页，2022年，8月28日提高测量精度[数字电压、欧姆表]

将量程切换到2V时，最小显示值为1μV第二十六页，共六十八页，2022年，8月28日提高可靠性

承受剧烈振动第二十七页，共六十八页，2022年，8月28日

2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域月球车第二十八页，共六十八页，2022年，8月28日2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域（续）

火星车第二十九页，共六十八页，2022年，8月28日2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域（续）“惠更斯”号登陆土卫六的效果图土卫六表面第三十页，共六十八页，2022年，8月28日

2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域（续）

安全检查第三十一页，共六十八页，2022年，8月28日3.发展集成化、功能化的传感器

可拍照的手机第三十二页，共六十八页，2022年，8月28日4.采用计算机技术，使检测技术智能化

面部识别技术第三十三页，共六十八页，2022年，8月28日4.采用计算机技术，使检测技术智能化（续）

单片机芯片第三十四页，共六十八页，2022年，8月28日5.发展网络化传感器及检测系统第三十五页，共六十八页，2022年，8月28日第四节半导体物理基础

一、定义导体半导体绝缘体10－6Ω•cm10－31012以电阻率界限定义铜，银等硅，锗等硫化镉云母，琥珀第三十六页，共六十八页，2022年，8月28日二、半导体特性1、电阻温度系数一般都是负的，对温度的变化十分敏感；2、导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化；3、导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界总有的影响而发生非常重要的变化。纯硅在室温下的电导率为5×10－6Ω－1•cm-1，当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时，电导率却上升至2Ω-1•cm-1，几乎增加了一百万倍。沉积在绝缘板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十千欧。第三十七页，共六十八页，2022年，8月28日三、能带理论1、电子运动的三个特点：1）具有稳定的运动状态（量子态），每一个量子态所确定的能量称为能级。越外层能量越高；2）严格讲原子中没有完全确定的轨道；3）泡利不相容原理：每一个能级中，最多容纳两个自旋方向相反的电子。第三十八页，共六十八页，2022年，8月28日1）原子以一定的周期重复排列所构成的物体称为晶体；2）晶体中的不同原子的电子轨道发生不同程度的交迭，使原来隶属于某一原子的电子，不再是此原子私有，而是在整个晶体中运动，成为整个晶体所共有，这种现象称作电子的共有化；3）电子的共有化只发生在能量相同的量子态之间。2、电子的共有化运动（Flash演示）第三十九页，共六十八页，2022年，8月28日1)能量区域中密集的能级形象称为能带；2）能量最高的价电子填满的能带称为价带；3）能量最低的能带为导带，中间为禁带；4）绝缘体、半导体、导体的能带情况。（见电子版22页）3、晶体中电子的能带（Flash演示）第四十页，共六十八页，2022年，8月28日四、载流子的运动1、几个概念（1）本征半导体：完全纯净＆结构完整的半导体。（2）本征激发：电子由价带直接激发跃迁到导带。（3）N型半导体＆P型半导体：主要由电子导电的半导体称为？？？（4）空穴：价带中的电子空位。第四十一页，共六十八页，2022年，8月28日（5）载流子：电子＆空穴都能导电，我们通称他们为载流子。在N型半导体中，一般把电子称为多数载流子，而在P型半导体中，空穴自然称为多数载流子；（6）在晶体中掺杂的杂质，如杂质本身为正电中心，施予电子，我们称之为施主杂质，而被束缚于施主上的电子的能量状态称为施主能级；如杂质本身是负电中心，接受电子，我们称之为受主杂质，受主的空能量状态称为受主能级。第四十二页，共六十八页，2022年，8月28日2、热平衡载流子（1）费米能级EF其中，(电子占据某一能量状态E的几率)E=EF时，＝1/2E>EF时，<1/2E<EF时，>1/2玻耳兹曼常数第四十三页，共六十八页，2022年，8月28日（2）半导体中的费米能级(EF＝(E-+E+)/2)EFDEDEAEFA导带价带E-EFE+本征半导体

N型半导体

P型半导体施主能级受主能级禁带宽度Eg＝E--E+导带底价带顶第四十四页，共六十八页，2022年，8月28日3、非平衡载流子（1）定义：在外界作用下，电子＆空穴的产生率大于复合率，导致载流子数目增加，这种增加的电子＆空穴称为非平衡载流子。（2）寿命：复合率=Δn/ζ，式中,，ζ为常数，称为非平衡载流子的寿命。其物理意义：（1）标志着非平衡载流子复合的快慢；（2）非平衡载流子的浓度衰减到原来的1/e所需的时间；（3）非平衡载流子的平均存在时间。（3）复合：（1）直接复合：导带电子直接落在价带空穴的位置上而与空穴结合失去其自由态的过程。（2）间接复合：导带电子通过复合中心（由于半导体中晶体结构的不完整性和杂质的存在，在禁带内存在一些深能级，这些能级能俘获自由电子与自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为复合中心）与价带上的空穴复合。（4）陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用。第四十五页，共六十八页，2022年，8月28日五、载流子的运动（Flash演示）六、半导体对光的吸收1、本征吸收：由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带引起的吸收（本征激发所对应的吸收）；其长波限λo=1.24/Eg(μm)。2、杂质吸收：杂质能级中的电子与空穴吸收光子；其长波限λo=1.24/ΔEi(μm)。3、自由载流子吸收：自由载流子在同一能带内不同能级之间的跃迁引起的吸收；杂质的电离能第四十六页，共六十八页，2022年，8月28日4、激子吸收：电子在价带中空穴库仑场的束缚下运动，形成可动的电子空穴对，称为激子。价带中的电子吸收光子而形成激子叫做激子吸收；5、晶格吸收：光子直接转变成晶格原子的振动。第四十七页，共六十八页，2022年，8月28日半导体的PN结及金属与半导体的接触一、PN结原理（结：P型，N型，i型半导体结合时其中的过渡区）（一）热平衡下的PN结（二）非平衡下的PN结其能带图见图1，另综合前边知识可得式（1），（2）。PN结的电流大小，即PN结的伏安特性公式（分析PN结器件的最基本公式）：（1）第四十八页，共六十八页，2022年，8月28日电子扩散区势垒区空穴扩散区npn=no+Δnp=po+ΔpxxP区N区E_E_E+E+EFPEFnqVEF-EF+图1：正向PN结能带图第四十九页，共六十八页，2022年，8月28日（2）1、当V=0时，即平衡态，2、当V>0时，即在PN结上加正向电压，此时，这说明载流子浓度增加，增加的载流子形成结的正向电流。3、当V<0时，即在PN结上加反向电压，此时，这说明载流子浓度减少，减少的载流子形成结的反向电流。式中，，EF-＆EF+分别表示在非平衡状态下的电子与空穴的费米能级，称为准费米能级。第五十页，共六十八页，2022年，8月28日（二）半导体异质结1、由两种不同质的半导体材料接触而组成的结。这种结构不仅改变了半导体的禁带宽度，其他诸如能带结构，迁移率等也发生了变化，电流－电压特性；2、对于金属、绝缘体与半导体也可构成异质结。如Ge-GaAs，ZnS-Pt等。第五十一页，共六十八页，2022年，8月28日3、安徒生模型（1）构成异质结的两种材料晶格完全匹配；（2）不同的禁带宽度，介电常数，功函数和电子亲和能等。通过以上假设可简化为同质结理论来讨论异质结。4、晶格失配系数：如小于0.01，则可视为晶格匹配异质结。第五十二页，共六十八页，2022年，8月28日3、三种接触（1）阻挡接触：金属与N型半导体接触，金属的费米能级低于半导体的费米能级，接触后电子由半导体注入金属，形成肖特基势垒。（2）注入接触：a、金属与N型半导体接触，金属的费米能级高于半导体的费米能级，接触后电子由金属注入半导体，形成一个由电子构成的负空间电荷区。b、金属与P型半导体接触，金属的费米能级低于半导体的费米能级，接触后电子由半导体注入金属，形成一个由空穴构成的正空间电荷区。（3）欧姆接触：若金属与半导体的费米能级相同，接触后没有电荷转移，接触区无电场。加上外电场时，V-I关系服从欧姆定律，这样的接触称为欧姆接触。第五十三页，共六十八页，2022年，8月28日第五节光电效应一、定义因光照而引起物体电学特性的改变称为光电效应。二、类型（1）外光电效应（光电发射效应）：物质受到光照后向外发射电子的现象，其多发生于金属＆金属氧化物。（2）物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象，其多发生于半导体内。又可分为光电导效应＆光生伏特效应。第五十四页，共六十八页，2022年，8月28日三、光电发射效应1、过程（1）电子吸收光子以后产生激发，即得到能量；（2）得到光子能量的电子（受激电子）从发射体内向真空界面运动（电子传输）；（3）这种受激电子越过表面势垒向真空逸出。第五十五页，共六十八页，2022年，8月28日1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，获得1921年诺贝尔物理学奖。

第五十六页，共六十八页，2022年，8月28日2、主要性质斯托列托夫定律（光电发射第一定律）当入射光线的频谱成分不变时（同一波长的单色光或者相同频谱成分的光线），光电阴极的饱和光电发射电流Ik与被阴极所吸收的光通量（标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量称）成正比。即

表征光电发射灵敏度的稀疏（3）第五十七页，共六十八页，2022年，8月28日爱因斯坦定律（光电发射第二定律）发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性增大，而与入射光的光强无关，即光电子发射的能量关系符合爱因斯坦公式：（4）

光电发射的瞬时性光电发射的延迟时间不超过s的数量级。光电阴极的逸出功第五十八页，共六十八页，2022年，8月28日光电发射的红限在入射光线频谱范围内，光电阴极存在临界波长，当光波波长等于这个临界波长时，电子刚刚能从阴极逸出。这个波长通常称为光电发射的“红限”。（5）380nm3.2ev780nm1.6ev第五十九页，共六十八页，2022年，8月28日四、光电导效应1、定义：半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。本征半导体＆杂质半导体都能产生光电导效应，当光子能量大时，易于发生本征光电导；当光子能量小时，易于发生杂质光电导。原因？？？？？？？见课本第15页第六十页，共六十八页，2022年，8月28日2、相关参数（1）光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。一般用光电增益G来表示。（6）Β为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；ζ为光生载流子寿命；μ为迁移率；U