《光电检测技术》总复习

《光电检测技术》总复习第一页，共45页。主要讲述：分四个部分（40学时）一、（一）光电检测技术基础第二章(2学时)

（二）复习光电器件第三章(1学时)（三）热电检测器件第四章(2学时)（四）复习发光、光电耦合、成像器件

第五～六章(1学时)*二、检测电路与微机接口(14学时)第七～八章*三、光电变换检测技术与方法(16学时)第九～十章四、典型的应用、复习(4学时)第十一章总复习：2学时第二页，共45页。一、

辐射度量与光度量（一）光辐射度量

辐射是一种能的形式。它有电磁本质，又具有量子性质。辐射能及其引起的特性以能量或有效的物理量来测量。第三页，共45页。第四页，共45页。（二）光谱辐射度量为了表征辐射，不仅要知道辐射的总通量，还应知道其光谱成分。光源发出的光往往由许多波长的光组成。引入光谱辐射度量：表示单位波长间隔内的辐射度量。即在λ到λ+dλ间隔内，

光谱辐射度量=辐射度量/dλ第五页，共45页。第六页，共45页。（三）光度量光度量是基于人眼视觉的光学参量，是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。光通量φ=

单位：流明（lm）式中，Km为辐射度量与光度量间的比例系数，V(λ)为人眼的光谱光视效率。

Km=683流明/瓦，它表示在λ=555nm、V(λ)=1处，1W=683lm第七页，共45页。第八页，共45页。二、

半导体物理基础（一）半导体导电特性

（1）电阻温度系数一般为负，对温度很敏感。（2）导电性能因掺入微量杂质而十分显著变化。（3）导电性能受热、光、电、磁等外界的影响发生重要的变化。第九页，共45页。（二）能带理论及其类型1.原子中电子的能级（1）能带理论：原子中的电子只能处于能带的能级上，且每一个能带中都有与原子总数相适应的能级数。能级——量子态（2）

泡利原理：在每一个能级上最多只能填充一个电子。

根据能量最小原理，电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。第十页，共45页。第十一页，共45页。第十二页，共45页。（三）热平衡载流子热平衡：表征宏观性质的每一参数不随时间变化f(E)：费米—狄拉克分布：电子占据某一能量状态E的几率。

f(E)=1/(1+exp（E-EF)/kT）

当E=EF时，f(E)=1/2当E>EF时，f(E)<1/2当E<EF时，f(E)>1/2第十三页，共45页。电子浓度：n=N-exp(-（E--EF)/kT)空穴浓度：p=N+exp(-（EF-E+)/kT)本征半导体：n=p=ni,

n·p=ni2ni=（N+N-）1/2

exp（(-Eg)/2kT)

第十四页，共45页。第十五页，共45页。（五）载流子的运动（定向的）扩散运动：载流子浓度不均匀时，由热运

动使载流子从高浓度向低浓度

运动。漂移运动：载流子在外加电场的作用下的

定向运动。第十六页，共45页。（六）半导体对光的吸收主要掌握：1.本征吸收：从价带跃迁到导带的吸收。

长波限λ0＝ch/Eg=1.24/Eg(μm)上式中Eg的单位为电子伏特（eV）

1eV=1.6021892*10-19（J）2.杂质吸收：其光子能量应大于或等于所需的电离能ΔEi，即杂质吸收所需光子的波长

λ0＝ch/ΔEi

第十七页，共45页。（七）半导体的PN结计算通过PN结的电流（纯扩散电流）只能计算一种载流子（空穴）：

I=Ip（xp）＋In（xp）=I0（expqV/kT－1）

反向饱和电流I0=I0（T）

上式为PN结的伏－安特性公式，它是分析所有PN结器件的最基本的公式。第十八页，共45页。三、光电效应*

外光电效应：光电子发射*光电效应

光电导效应*

内光电效应

光生伏特效应*（势垒引起）

光电扩散效应（丹倍效应）

光磁电效应P.34-35第十九页，共45页。光电发射的基本定律（1）斯托列托夫定律(光电发射第一定律)当入射辐射的光谱分布不变时，入射辐射通量越大（携带的光子数越多），激发电子逸出光电发射体表面的数量也越多，因而发射的光电流就增加，所以光电流正比于入射辐射通量，

IK=SK·ΦK（2）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）

发射体发射的光电子的最大动能，随入射光频率的增加而线性增加，而与入射光的强度无关第二十页，共45页。（3）光电发射长波限（红限）根据爱因斯坦公式

式中

m为电子质量；

为电子逸出后的最大速度；为入射光的频率；为普朗克常数其值为

；

为光电发射体的逸出功。

当

时，逸出电子无动能，那么，就不会产生光电发射，因此，光电发射存在长波限第二十一页，共45页。PN结的光生伏特效应

PN结受到光照时：光线足以透过P型半导体入射到PN结，对于能量大于材料禁带宽度的光子，由于本征吸收，就可激发出电子空穴对。内建电场把N中的空穴拉向P区，把P中的电子拉向N区。大量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。第二十二页，共45页。在PN结两端通过负载RL构成的回路中，外电流I与光生电流Ip和PN结结电流IJ之间的关系为

由PN结电流特性知，结电流所以

光生电压为

第二十三页，共45页。1.主要介绍基本结构、工作原理、基本参数（0.5学时）2.光电检测器件（1学时）(1)真空光电探测器件：PMT*（0.5学时）

(2)半导体光电探测器件：

光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管（0.5学时）等3.*各器件性能比较及应用选择（0.5学时）第三章各类光电与电光元器件

（4学时）第二十四页，共45页。光电倍增管的结构示意图第二十五页，共45页。光电导型光电器件：光敏电阻光生伏型光电器件：光电池光电二极管光电三极管1.光敏电阻不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。

2.光电池(1)太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）(2)测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）第二十六页，共45页。

第四章热电检测器件一、热电偶、热电堆热电偶：利用温差效应的器件热电堆：多个热电偶串联，减小响应时间开路电压UOC与入射辐射使金箔产生的温升ΔT的关系为

UOC=M12ΔT

(4-19)式中，M12为塞贝克常数，又称温差电势率（V/℃）。第二十七页，共45页。第二十八页，共45页。使用热电偶的注意事项（1）不许强辐射照射，Φmax<几十微瓦（2）电流<100μA，一般在1μA以下，不要用万用表来检查热电偶的好坏。（3）保存时将两端短路，并防强烈振动（4）防止感应电流，尤其是电火花。（5）使用的环境温度不要超过60℃。第二十九页，共45页。二、热敏电阻热敏电阻：吸收入射辐射而升温使电阻变化，导致负载电阻两端电压发生变化。

温度系数：aT表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化为(4-30)式中，aT和RT为对应于温度T(

K)时的热电阻的温度系数和阻值。负温度特性的半导体材料热敏电阻：第三十页，共45页。三、热释电探测器件*（一）工作原理介质的极化强度随温度的变化而改变，引起表面电荷变化的现象。

束缚面电荷密度＝自发极化强度

温度低时，自发极化强度大；

温度高时，自发极化强度变小，相当于释放电荷第三十一页，共45页。当温度高于某一特定值时，自发极化强度变为零。此温度称为居里温度。（二）工作条件热释电器件工作在交流信号下，或外界环境如光照不稳定且外界的调制频率f>1/ττ为晶体内部自由电荷起中和作用的时间的情况下，一旦稳定，则无电荷的释放，即无信号输出。第三十二页，共45页。第五章光电成像器件（0.5学时）一、真空摄像机、、变相管、像增强管二、*电荷耦合器件（CCD）以电荷为信号使用一种高感光度的半导体感光二极管制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。第三十三页，共45页。第六章发光与耦合器件（0.5学时）

一、发光二极管（LED）工作原理——电致发光当它处于正向工作状态时，（P--正电，N--负电），结区势垒降低，有P---N的空穴扩散及有N---P的电子扩散在PN结区复合发光。可发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。第三十四页，共45页。二、光电耦合器件*是发光器件与光接受器件的组合器件。特点：具有电隔离（１０１０－１０１２欧）功能信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟／数字信号；具有抗干扰和噪声能力；响应速度快（微／纳秒，直流－１０兆赫兹），体积小，寿命长，使用方便；既有耦合特性，又有隔离功能；第三十五页，共45页。1.光电信号检测电路设计（重点）缓变光信号检测电路设计（4学时）交变光信号检测电路设计（4学时）光电信号检测电路的噪声设计（2学时）光电信号放大电路的设计（2学时）2.光电信号的二值化、量化处理（2学时）第二部分检测电路与微机接口

（14学时）第三十六页，共45页。第一节缓变光信号检测电路设计方法：静态计算手段：图解法、解析法*

电路：恒流源型（PMT/反偏光电二极管/三极管光伏型（光电池/反偏光电二极管）可变电阻型（光敏电阻/热敏电阻）计算的参数：转折点电压U0（确定线性工作区）负载电阻RL或偏置电压Ub

输出电压/电流变化⊿U或⊿I

输出电功率P第三十七页，共45页。第二节交变光信号检测电路设计方法：动态计算手段：解析法*

电路：交流检测电路第三十八页，共45页。第三节光电信号检测电路的噪声估算热噪声：P279散粒噪声：噪声等效带宽：Δ