光电检测应用中的基础知识

光电检测应用中的基础知识第一页，共四十二页，2022年，8月28日随着现代信息检测技术的发展，光子技术与微电子技术结合，相互交叉、相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一,具有越来越大的竞争力.序信息检测技术光学检测技术电子检测技术易与物质发生联系，传播速度快,频带宽，信息容量大易存储，可转移，好控制光电检测技术第二页，共四十二页，2022年，8月28日本课程所讨论的主要内容第一章：光电检测应用中的基础知识第二章：光电检测中的常用光源第三章：结型光电器件第四章：光电导器件第五章：真空光电器件补充：光电测试技术的一些简单应用第六章：真空成像器件第七章：固体成像器件第八章：红外辐射与红外探测器第9章：光导纤维与光纤传感器第三页，共四十二页，2022年，8月28日第一章光电检测应用中的基础知识被测对像光学系统光电转换被测对象的信息加载光源信息载体光电探测器信息处理光电检测系统组成：放大边缘检测电动机驱动门控处理主振激光外径扫描仪原理图例：第四页，共四十二页，2022年，8月28日§1.1辐射度学和光度学基本概念紫外辐射可见光辐射X光辐射红外光辐射光波：波长10纳米~1毫米（频率3*1011~3*1016HZ)范围的电磁辐射红、橙、黄、绿、青、蓝、紫(100~380nm)(380~780nm)（10~100nm)(780nm~1mm)第五页，共四十二页，2022年，8月28日1.辐射度学对各种电磁辐射进行定量评价的一门科学工具：光接收器件结果：与光能量相关的各种物理量评价对象：电磁辐射2.光度学工具：人眼对象：可见光辐射对可见辐射作用于人眼所引起的“光”感觉进行定量评价，是一种生理效应结果：对人眼刺激大小的各种物理量用下标(e)用下标(v)第六页，共四十二页，2022年，8月28日1.1.1辐射度学基本物理量1.辐射功率（辐射通量）对于辐射源说----单位时间内向空间各个方向发射的总能量。单位：W（瓦特）对于电磁波的传播----单位时间通过某一截面的电磁波能量对于电磁波的接收----单位时间内某一截面接收到的电磁能发射A1A2传播A接收如果是多波长辐射，则有：光谱功率谱密度第七页，共四十二页，2022年，8月28日

点光源:在某一方向上，在单位立体角内发出的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特性）。2、辐射强度单位：向空间各个方向辐射均匀的点光源：如果辐射是多波长的电磁波则：如果辐射不均匀，则θ方向上的辐射强度，可表示为：dΩθ第八页，共四十二页，2022年，8月28日3、辐射亮度单位：----表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量。面元dS在θ方向的光亮度定义为：此面元在θ方向dΩ体积角内的的辐射通量dΦe

除立体角的大小dΩ

和此面元在观测方向上的表观面积cosθ(dS)。如果是多波长辐射则：如果辐射不均匀，则θ方向上的辐亮度，可表示为：N第九页，共四十二页，2022年，8月28日4、辐射出射度----光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。dA1dA2单位：W/m2----受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。5、辐照度单位：W/m2dA1dA2同样有：同样有：第十页，共四十二页，2022年，8月28日1.1.2光度学基本物理量（一）光度学量和辐射度学量的关系1.

光谱灵敏度Kλ

及视见函数Vλ相同波长（λ）不同产生对人眼不同的刺激程度人眼对光的感受是光波长的函数单位时间内发射、传播或接收的光量K

λ

光谱灵敏度(lm/W)(1)光谱灵敏度光通量(lm流明)第十一页，共四十二页，2022年，8月28日定义:视见函数明视0.55μmλ

10.380.7明视暗视0.55μm0.52μmλ

Km=683（lm/W）0.380.7不同波长的光谱灵敏度，如图所示：C(2)视见函数第十二页，共四十二页，2022年，8月28日（二）光度学量A1A2A1A2辐射通量单位时间内发射、传播或接收的辐射能量。复色光时----单位时间内发射、传播或接收的光量。复色光时1、光通量A

lm(流明）W（瓦特）第十三页，共四十二页，2022年，8月28日----点光源在某一方向上，单位立体角内发出的辐射通量。----点光源在某一方向上，单位立体角内的光通量。2、发光强度单位：辐射强度单位：（cd坎德拉）dΩ第十四页，共四十二页，2022年，8月28日----面元dS在θ方向dΩ体积角内的的光通量dΦv

除立体角的大小dΩ

和此面元在观测方向上的表观面积cosθ(dS)。3、光亮度单位：辐射亮度----面元dS在θ方向dΩ体积角内的的辐通量dΦe

除立体角的大小dΩ

和此面元在观测方向上的表观面积cosθ(dS)。N第十五页，共四十二页，2022年，8月28日4、光出射度----光源单位时间由单位表面积辐射出的光量（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的光通量。dA1dA2单位：lm/m2辐射出射度----光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的辐通量。单位：W/m2第十六页，共四十二页，2022年，8月28日----受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。5、辐照度单位：lm/m2dA1dA2----受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。辐照度单位：W/m2(lx勒克斯）第十七页，共四十二页，2022年，8月28日1.1.3其它基本概念1.点源dA⊥θdA某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比---平方反比定律同时也与面源的方向有关Ir对于沿各方向匀均辐射的点源点源对面的照度-----光源S总辐射通量为：第十八页，共四十二页，2022年，8月28日2.扩展源---有一定面积的辐射源朗伯源或称为余弦辐射体向空间各个方向的辐射亮度相同，理想化的扩展源发光强度I

与方向角θ满足余弦定律的发光体。大部分发光体都有此性质dSθII0余弦定律常数第十九页，共四十二页，2022年，8月28日根据辐出度的定义根据亮度的定义朗伯源向空间各个方位的总辐射通量的计算---dSdAd222d第二十页，共四十二页，2022年，8月28日3.漫反射面----把入射光向各个方向均匀的散射的各种表面设某一漫反射面dS所受的光照度为E，则此面接收到的光通量为：设此反射面的反射系数为K，则它反射的光通量为：朗伯辐射体不透明漫反射体透明漫反射体亮度减半第二十一页，共四十二页，2022年，8月28日4.定向辐射体--光线的发射方向比较集中如：激光器太阳的辐射亮度只有3*108W/(sr.m2)第二十二页，共四十二页，2022年，8月28日1.2半导体的基础知识1.电子的共有化运动2.能带的形成能级3s2p1.2.1固体的能带结构允带禁带允带允带禁带第二十三页，共四十二页，2022年，8月28日3.能带的结构价带导带禁带物质的导电性：价带导带禁带价带中的空穴导带中的电子价带导带内层能带禁带禁带内层能带禁带满带：被电子填满的能带空带：没有电子占据的能带第二十四页，共四十二页，2022年，8月28日4.N型半导体和P型半导体价带导带禁带低温下低温下硅晶体中的价带中所有的能级都被电子占据，即被填满，价带以下的能带被内层电子填满，而导带的能级是空的，所以不导电。价带导带禁带本征激发常温下被激发到共价键之外不导电弱导电性1）本征半导体第二十五页，共四十二页，2022年，8月28日2）掺5族元素时------N型半导体的能级处于共价键之外低温下价带导带禁带杂质能级第二十六页，共四十二页，2022年，8月28日价带导带禁带施主能级本征激发+杂质激发价带导带禁带杂质能级低温下常温下被激发至导带第二十七页，共四十二页，2022年，8月28日3）掺3族元素时-----P型半导体低温下B价带导带杂质能级第二十八页，共四十二页，2022年，8月28日价带导带杂质能级常温下B低温下受主能级价带导带杂质激发+本征激发第二十九页，共四十二页，2022年，8月28日热平衡下的载流子浓度本征半导体中的载流子价带导带禁带本征激发开始时：激发>复合复合一段时间后：激发=复合（载流子浓度增大）（载流子浓度稳定）热平衡状态设由低温到高温的过程第三十页，共四十二页，2022年，8月28日1.2.3半导体中的非平衡载流子非平衡载流子---通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这些超出的载流子通常称为非平衡载流子，或过剩载流子。1.半导体材料的光吸收效应1）本征吸收价带导带常温光照时价带导带常温无光照时Eg要发生光电导效应，必须满足：单位是μm第三十一页，共四十二页，2022年，8月28日2）杂质吸收N型半导体：价带导带低温无光照时Ed价带导带低温有光照时价带导带低温无光照时Ea工作时温度要低---防止热激发价带导带低温有光照时P型半导体：第三十二页，共四十二页，2022年，8月28日2.非平衡载流子浓度光照射半导体时：载流子的浓度增加停止光照射后：由于复合，载流子的浓度不断的减少，直到热平衡复合方式有直接复合---导带中的电子直接回到价带填充空位间接复合---通过“缺陷、错位、杂质”等形成的复合中心复合价带导带价带导带第三十三页，共四十二页，2022年，8月28日1.2.4载流子的扩散和漂移1.扩散------在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载流子浓度高于其它地方和载流了浓度，这时载流子就从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为扩散扩散形成电流的大小：2.飘移------在电场做用下电荷的移动对于空穴导电第三十四页，共四十二页，2022年，8月28日2.总电流电子空穴总电流第三十五页，共四十二页，2022年，8月28日1.3基本定律1.3.1黑体辐射定律黑体：有一类物体其表面不反射光，它们能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射，这类物体就叫绝对黑体。吸收比:模拟黑体：反射比:第三十六页，共四十二页，2022年，8月28日1.基尔霍夫定律2.普朗克辐射公式常数光谱发射率短波区或温度不高的情况下------吸收能力强，发射能力也强第三十七页，共四十二页，2022年，8月28日3.斯忒藩-玻耳兹曼定律700K900K400Kλ(μm）2Me(λ,T)468短波区或温度不高的情况下一定温度下总的辐射出射度4.维恩位移定律Me(λ,T)第三十八页，共四十二页，2022年，8月28日1.响应率电压响应率(V/w)：电压/单色辐射通量电流/单色辐射通量电流响应率(A/w)：1.4.2光电探测器的特性参数探测器的输出信号电压/探测器接收的所有波长光的总辐射通量探测器输出的信号电流/探测器接收的所有波长光的总辐射通量电压光谱灵敏度：2.光谱响应率电流光谱灵敏度：S（λ）1相对光谱灵敏度第三十九页，共四十二页，2022年，8月28日4、探测度D与比探测度D*3、等效噪声功率如果探测器所接收到的辐射功率所引起的信号输出，正好等于探测器本身产生的噪声，则探测器此时所接收到的辐射功率称为等效噪声功率又称为最小可探测功率。设输出信号为电流信噪比探测率第四十页，共四十二页，2022年，8月28日归一化等效澡声功率：比探测率（归一化探测率）Ad：cm2Δf:Hz:ASI:A/WD*:cm