《光电检测技术》全

第一章

光电检测技术概论光电检测系统的基本组成：3）光学变换：光载波与被测对象相互作用而将被测量载荷到光载波上，称为光学变换。1）光源：产生信息传递的媒介——光。2）光学系统：对光线传播方向等作处理以适应要求。光学变换是用各种调制的方法来实现的。使用各种光学元件和光学系统来实现的，如平面镜、光狭缝、光楔、透镜等，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。能源与动力工程学院光电检测系统的组成6）控制、存储、显示部分。7）被测对象与被控对象4）光电转换：光信息经光电器件实现由光向电的信息转换，称为光电转换。用各种光电变换器件来完成的，如光电检测器件、光电摄像器件等。5）电信息处理：用各种电信号处理的方法实现解调、滤波、整形、判向、细分等，或送到计算机进行进一步的运算。光学变换与光电转换是光电测量的核心部分。能源与动力工程学院三、光电检测系统的组成3）远距离、大量程。1）高精度。2）高速度。能源与动力工程学院五、光电检测技术特点4）非接触测量。6）具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。5）寿命长。光辐射的光度学基础光电检测系统中的常用光源光电检测常用器件的工作原理和特性光电检测电路设计光束的调制与扫描能源与动力工程学院七、本课程的学习内容第二章

光辐射的光度学基础二、与光源有关的辐射度参数与光度学参数：1、光能：光能：ＱV定义：也叫光量，光在可见光范围内辐射的光的能量。单位：流明·秒（lm·s）能源与动力工程学院2.1辐射量和光学量及其单位2、光通量：光源在单位时间内发出的光量的多少，光通量：Φv公式：Φv=dQv/dt

单位：lm（流明）2.1辐射量和光学量及其单位面光源单位元表面内向外所发射的光通量3、光出射度：光出射度:Mv公式：Mv=dΦV/dＡ发光均匀：Mv=Φv/Ａ单位：lm/m2（流明/平方米）＝勒克司lx能源与动力工程学院4、辐射强度与发光强度：(1)立体角：

整个空间：▲单位：以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，如果锥面在圆球上所截出的面积为r2,则该立体角为1个球面度（sr）.

▲定义:一个任意形状的封闭锥面所包含的空间。能源与动力工程学院2.1辐射量和光学量及其单位（sr）（3）发光强度：点光源①定义:点光源在给定方向上的立体角元内发射的光通量③单位:坎德拉(cd),1cd=1lm/Sr②定义式:均匀辐射:能源与动力工程学院2.1辐射量和光学量及其单位光亮度ＬV：发光强度dIV与面元dA在垂直于发光强度方向平面上的投影面积之比。定义式:单位:cd/m2能源与动力工程学院2.1辐射量和光学量及其单位光照度Ev:被照物体单位元表面入射或获得的光通量的多少照度流明面积(m2)单位:lx（勒克斯)定义式:光通量均匀分布:能源与动力工程学院2.1辐射量和光学量及其单位2.1辐射量和光学量及其单位2、辐照量与嚗光量：辐照量He:将照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间t内的积分单位:J/m2定义式:均匀辐射:嚗光量HV:将照射到物体表面某一面元的照度EV在时间t内的积分定义式:均匀辐射:

单位:lx·s能源与动力工程学院参数小结：1、光源有关：光能通量出射度强度亮度2、接收器有关：照度曝光量3、这些参数都与波长有关能源与动力工程学院2.1辐射量和光学量及其单位一、余弦定律:1、照度的余弦定律

不随传播距离而变化

任意表面上照度随该表面法线与辐射能传播方向的夹角余弦而变化。能源与动力工程学院能源与动力工程学院2.3光度学基本定律如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变，则有:

在θ方向上：

2、光强余弦定律

朗伯表面在某方向辐射光强随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化。

在法线方向上：

能源与动力工程学院能源与动力工程学院2.3光度学基本定律二、亮度守恒定律:能源与动力工程学院能源与动力工程学院2.3光度学基本定律光束在同一种介质中传播时，若传输过程中无能量损失，则光能在传输的任意表面亮度相等。

能源与动力工程学院能源与动力工程学院2.3光度学基本定律面积为dA的照度E为:

在垂直dA

方向上的光强为:三、照度与距离平方反比定律:垂直于光线传播方向的被照元表面的照度与光强成正比，而与光源到被照元表面的距离平方成反比能源与动力工程学院能源与动力工程学院2.3光度学基本定律第三章

光电检测系统中的常用光源能源与动力工程学院能源与动力工程学院1、光源：一切能产生光辐射的辐射源，都称为光源。（1）天然光源：自然界中存在的，如太阳、恒星等2、按照发光机理分类：热辐射光源气体放电光源金属卤化物灯电致发光光源激光器（2）人造光源：人为将各种形式的能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。能源与动力工程学院3.1光源的基本参数1、发光效率：在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量ΦV与产生该光通量所需要的功率Pi之比.单位：流明每瓦可见辐射通量在输入功率中所占比例：光源在可见光区光谱能量分布系数：能源与动力工程学院2、寿命：灯及其电源的无故障工作时间全寿命：到不能工作时间平均额定寿命：当有一半的灯不能工作时有效寿命：光强下降到初始值的0.7时能源与动力工程学院3.1光源的基本参数3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系常见的光谱功率分布有四种型式：线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成；带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线；连续光谱：谱线连成一体；复合光谱：由以上三种光谱混合而成。能源与动力工程学院3.1光源的基本参数4、空间光强分布：（1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。（2）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，称为配光曲线；（3）HG500型发光二极管的配光曲线。（4）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。能源与动力工程学院3.1光源的基本参数5、光源光辐射的稳定性：光源出射光的功率或者频率保持随时间不变的能力直接检测光功率：相干检测：稳频光源能源与动力工程学院3.1光源的基本参数6、光源的色温和显色性：（1）辐射本领：a.温度辐射：任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射；b.辐射本领：辐射体表面在单位面积表面单位波长间隔内所辐射的通量c.吸收率：在波长λ到λ+dλ

间隔内被物体吸收的通量与入射通量之比，即：能源与动力工程学院3.1光源的基本参数d.黑体：能够完全吸收从任何角度入射的任意波长的辐射，并且在每一个方向上都能最大限度地发射任意波长辐射能的物体，α＝1，发射系数也为1。（2）光源色温：a.色温：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b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。能源与动力工程学院3.1光源的基本参数3.2热辐射光源1、太阳光：直径约为1.392×109m的光球，到地球的年平均距离是1.496×1011m复色光——平行光源，随大气层、海平面不同而不同；太阳光的照度值在不同光谱区所占百分比是不同的，紫外区（λ<0.38微米）约占6.46%；可见光区（0.38微米<λ<0.78微米）占46.25%

红外光区（λ>0.78微米）占47.29%。能源与动力工程学院2.白炽灯——第一代光源：（1）原理：靠电能将灯丝加热至白炽而发光。（熔点高、蒸发率小、可见光区发射效率高）（2）真空钨丝灯：将玻璃灯泡抽成真空，钨丝被加热到2300～2800K时发出复色光，发光效率约为10lm/W（3）充气灯泡：灯泡内充氩、氮等惰性气体，抑制钨的蒸发，延长灯的寿命，工作温度提高到2500～2800K，发光效率约为17lm/W。3.2热辐射光源能源与动力工程学院（4）灯丝的尺寸：电压灯丝长度电流灯丝直径白炽灯的供电电压对灯的参数（电流、功率、寿命和光通量）影响关系：能源与动力工程学院3.2热辐射光源3.卤素灯：灯泡内充有卤族元素（碘、溴、氯、氟等）温度：2400-3250oC,发光效率：20-35流明每瓦3.2热辐射光源能源与动力工程学院立式碘钨灯复印机用卤素灯结构示意图能源与动力工程学院3.2热辐射光源1、气体放电原理：（1）将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸汽（汞、钠、硫等）充入灯中，在电场等作用下激励出电子。（2）当电子向阳极运动，其已经从电场中获得能量，当它们与气体原子碰撞时，能量转交给原子使其激发。（3）受激原子跃迁到高能级，高能级不稳定，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。能源与动力工程学院3.3气体放电光源2、气体放电灯的结构：阴极、阳极、泡壳、气体为防止辉光放电、弧光放电、采用镇流器（电阻、电感或电容）能源与动力工程学院3.3气体放电光源实例：荧光灯（汞）——第二代光源3、气体放电光源的特点：1）发光效率高，比白炽灯高2～10倍。2）结构尺寸较大。3）寿命长，大约是白炽灯的2～10倍。4）光色范围宽。5）光源的功率稳定性差。普通高压汞灯发光波长大约为400～500nm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能源与动力工程学院3.3气体放电光源能源与动力工程学院3.4金属卤化物灯——第三代光源1、工作原理：（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散（2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子（3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电（4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环3.4金属卤化物灯能源与动力工程学院2、结构：钠、铊、钨金属卤化物灯碘化铊（黄绿色）碘化钠（黄绿色）碘化铟（蓝色）电极：氧化钍-钨色温：5500K,光效：75~80流明每瓦缺点：光色稳定性差、电源电压变化会影响特性、一般用于强光照明的场合。3.5电致发光光源一、分类：能源与动力工程学院高电场激发电致发光光源半导体注入式电致发光光源粉末型无机薄膜型交流激励型交直流激励型◆高电场电致发光光源：将发光材料与介质粉末的混合体或者薄膜夹于平板电极之间，直接加速初电子碰撞激发中心而发光。3.5电致发光光源能源与动力工程学院1——玻璃2——导电SnO2膜(正)3——发光层，ZnS4——金属背电极6——基板5——反射层，TiO2◆优点：体积小、安装方便；缺点：驱动电压高、老化快◆交流电致发光器件结构3.5电致发光光源能源与动力工程学院二、半导体发光器件：◆半导体发光（注入式场致发光）器件：在电场的作用下，使半导体的电子与空穴复合而发光的器件，(LED)1、工作原理（发光二极管）：3.5电致发光光源能源与动力工程学院（1）由某些半导体材料做成的二极管，在未加电压时，由于半导体P-N结阻挡层的限制，使P区比较多的空穴与N区比较多的电子不能发生自然复合（2）当给P-N结加正向电压时，N区的电子越过P-N结而进入P区，并与P区的空穴相复合（3）由于高能电子与空穴复合将释放出一定能量，即场致激发使载流子由低能级跃迁到高能级（4）高能级的电子不稳定，总要回到稳定的低能级，这样当电子从高能级回到低能级时放出光子，即半导体发光。3.5电致发光光源能源与动力工程学院辐射光的波长决定于半导体材料的禁带宽度Eg，即3.5电致发光光源能源与动力工程学院2、主要参数和特性（1）伏安特性：3.5电致发光光源能源与动力工程学院（2）光谱特性：谱线宽度、峰值波长发光二极管发出的光不是纯单色光，其谱线宽度比激光宽，但比复色光源谱线窄。3.5电致发光光源能源与动力工程学院（3）光出射度与电流密度的关系：大多数LED的光出射度与电流密度成正比，但随着电流密度的增加，光出射度有趋于饱和的现象。3.5电致发光光源能源与动力工程学院（4）温度特性：3.5电致发光光源能源与动力工程学院◆温度升高，光谱峰值向长波方向飘移。◆温度对LED电流有影响：PN结温度升高到一定程度，电流变小，发光亮度减弱。（5）配光曲线：◆下降时间tf：切断电源后，发光亮度从90％10％所经历的时间，一般4～（30－50）ns◆

开启时间tr：接通电源后，发光亮度从10％90％所经历的时间，一般4～10ns（6）功率：：最大功率：额定功率，20摄氏度时的最大功率（7）响应时间：响应时间短，适合高频场合能源与动力工程学院3.5电致发光光源3、发光二极管优点：能源与动力工程学院3.5电致发光光源◆

应用：光源、数字文字显示、指示照明等◆

优点：（1）低电压、小电流、低功耗器件；（2）发光响应速度快；（3）性能稳定，寿命长；（4）驱动简单，易于匹配；（5）单色性好；（6）重量轻、体积小。二、激光器的发光原理：受到一个入射光子激发，频率为：（2）受激吸收：3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院1、光与原子两能级系统相互作用的跃迁过程：（1）自发辐射：◆三种跃迁过程的概率（爱因斯坦，1971年）：（1）受激辐射与吸收几率相同（2）常温下，吸收大于发射（3）要产生激光必须使受激辐射占主导地位。当时可实现上述条件

受到1个入射光子激发，原子从高能态跃迁至低能态，并发射2个频率完全相同的光子。（3）受激辐射：——产生激光必要条件之一3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院2、粒子数反转（分布反转）：目的：将原子从低能态抽运到高能态，并将能量注入原子系统，维持激光运转所需的能量。目的：处于激发态(高能态)载流子数大于低能态载流子数，受激辐射占主导地位。粒子数反转——产生激光发射必要条件之一。3、光泵：——产生激光发射必要条件之一。3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院4、谐振腔：（1）目的：产生“振荡”，增益提高；（2）方法：平行反光镜，其中一面是部分透射具有谐振腔————激光发射的必要条件之一。3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院法布里-珀罗谐振腔同心谐振腔共焦谐振腔广义共焦式谐振腔◆几种常用的谐振腔：3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院综上：获得激光输出的三个必要条件：（1）有大量的粒子数反转，使受激辐射占主导地位（2）需要光泵将处于低能态的电子激发或泵浦到高能态上去；（3）有一个谐振腔为出射光子提供高增益，用以维持受激辐射时的持续振荡。3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院三、激光器的结构和工作过程：一般由工作物质、谐振腔、泵浦源三个部分组成1、工作物质：组成原子具有亚稳态结构，且能产生粒子数反转、可以是固、液、气和半导体2、泵浦源：激光器的能量源泉，常用的物质是辐射源和电源3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院3、工作过程：（1）当高能态粒子从高能态跃迁到低能态而产生辐射，并通过受激原子时会感应出同相位同频率的辐射；（2）这些辐射在谐振腔的两平面之间来回传播形成振荡时，沿轴线来回反射的次数越多，它会发出更多的辐射，从而使辐射能量放大；（3）受激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院按照工作物质分类：四、激光器的类型：（一）气体激光器：

激励方式多样、发射波长范围最宽——氦氖激光器气体激光器固体激光器半导体激光器染料激光器3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院氦氖激光器CO2激光器1、氦氖激光器结构：内腔式A阳极（钨或钼棒）K阴极（小铝片）T毛细管L放电管M1

、M2

反射镜ALTKM1M23.6激光光源——激光器能源与动力工程学院ALTKM1M2ATKM1M2外腔式:3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院半内腔式:2、氦氖激光器的工作原理：

阴极阳极加高压，放电管内放电，电子从K向A加速运动，与He、Ne原子相撞，He、Ne原子受激吸收ALTKM1M23.6激光光源——激光器能源与动力工程学院a、氦原子激发到低的能态，He比Ne的的能级度低；b、He原子寿命长，比Ne大三个数量级；c、与氖原子相撞，使氖原子跃迁到高能态,He原子回到基态。综上：激光谱线都是由Ne原子产生，He原子不产生激光，但是它们促使Ne原子能级的粒子数反转。3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院3、氦氖激光器的性能（常用于精密计量）：（1）输出三种波长的谱线：632.8纳米、1.5微米、3.39微米；（2）输出功率在nmw到十几nmw之间；（3）引起光强变化的因素：微小几何变形、热变形、应力应变、工作电流不稳定、外界磁场等；3.6激光光源——激光器能源与动力工程学院4、氦氖激光器的模式：横模、纵模2、方向性：用发散角描述，氦氖激光器的发散角可以达到1、单色性：发射光的波长范围（谱线范围）越窄单色性越好；五、激光的特性：3、亮度：发散角小、立体角小，亮度高4、相干性：发出的是相干光束。激光发散角：激光传播方向与光束边缘线夹角能源与动力工程学院3.6激光光源——激光器第四章

光电检测常用器件能源与动力工程学院能源与动力工程学院2、能级(EnergyLevel)：原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有确定的分立能量值，也就是电子按能级分布。在电子能级图上用高低不同的水平线表示电子的能级。电子能量电子只能在一些分离开的、特定的轨道上绕核运动。电子的不同内能值形成不同的能级。4.1半导体基础知识能源与动力工程学院遵守能量最低和泡利不相容原理4.1半导体基础知识3、电子的共有化运动：（1）孤立原子中，电子有规则的排列，电子按照能级分布（2）固体中大量原子结合在一起，原子距离很小，以使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠；（3）交叠使外层电子不再局限于某个原子，可能转移到相邻原子的相似壳层上去。晶体中电子的这种运动形式称为电子的共有化运动。4、能带的形成：

电子的共有化运动使本来处于同一能量状态的电子发生能量的微小差异，因为他们不仅受到本身原子势场的作用，还受到周围其他原子的作用。例如：一个晶体，N个原子，N个原子中每一个相同的能级都分裂成N个新能级，他们之间能量差异小，N个新能级形成有一定宽度的能带。能带能源与动力工程学院4.1半导体基础知识5、能带结构：

（1）允带：允许被电子占据的能带—遵守能量最低和泡利不相容原理；（2）禁带：允带之间范围，不允许被电子占据；（3）满带：被电子占满的允带；（4）价带：原子中最外层电子（价电子）所在这一壳层分裂所形成的能带，可以满也可以未满；（5）导带：比价带能量更高的能带，电子跃迁到导带，有电子、空穴，可以导电。能源与动力工程学院4.1半导体基础知识一、光电器件的探测灵敏度（响应度）1、意义：定量描述光电器件输出的电信号和输入的光信号之间的关系

定义为光电器件输出的方均根电压Us（或电流Is）与入射光通量Φ之比——电压灵敏度和电流灵敏度

单位：伏每流明单位：安每流明能源与动力工程学院4.2光电器件的性能参数2、分类：根据使用光波波长的不同可分为：（1）单色灵敏度：又叫光谱灵敏度、光谱响应度，使用波长为的单色辐射源，它描述光电器件对单色辐射的响应能力（2）积分灵敏度：使用复色辐射源，表示探测器对连续入射光辐射的反应灵敏程度。能源与动力工程学院4.2光电器件的性能参数分别为光电器件对应的长波限和短波限；电流积分灵敏度：能源与动力工程学院4.2光电器件的性能参数3、光谱响应：光谱响应度（单色灵敏度）S（λ）随波长的变化关系，常使用相对光谱响应来表示；光谱响应宽度：峰值响应的50%之间的波长范围；光谱响应宽度能源与动力工程学院4.2光电器件的性能参数2、脉冲响应特性：（1）上升时间tr：10%90％（2）下降时间tf：90％10％二、响应时间和频率响应1、惰性：光电器件的电信号输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴扩展的特性——由响应时间描述（脉冲响应特性法、频率响应特性法）能源与动力工程学院4.2光电器件的性能参数3、频率响应特性：光电器件的响应灵敏度随入射光的调制频率而变化的特性（1）响应度与频率关系：频率升高、响应度降低。能源与动力工程学院4.2光电器件的性能参数（2）上限截止频率fc：当输出信号功率降为0频率功率一半时的频率。 当调制频率大于fc时，响应度变差能源与动力工程学院4.2光电器件的性能参数一、噪声定义：1、定义：这种随即的、在平均值上瞬间的幅度不能预先知道的起伏，称为噪声。能源与动力工程学院4.3光电器件的噪声等效功率

2、噪声功率谱S(f)：把噪声随机时间函数进行傅立叶变换，得到一系列频谱（频谱分析），就得到噪声功率随频率变化关系S(f)数值为频率f的噪声在1Ω电阻上所产生的功率S(f)与f关系有：白噪声

1/f噪声能源与动力工程学院4.3光电器件的噪声等效功率

二、光电器件噪声：1、热噪声：由于导体和半导体之中、载流子热运动引起的电流起伏和电压起伏。热噪声均方电流热噪声均方电压影响因素：（1）温度一定时，热噪声只与电阻和频段有关，与频率无关——白噪声（2）温度升高，热噪声有增加趋势能源与动力工程学院4.3光电器件的噪声等效功率

2、散粒噪声：散粒无规则落在某一表面，随即起伏所形成的噪声，常发生于光电管、PN结、光电器件表面热噪声、散粒噪声都与频带有关、与频率无关，所以为白噪声能源与动力工程学院4.3光电器件的噪声等效功率

3、产生—复合噪声：瞬间载流子产生和复合是有起伏.载流子浓度的起伏电导率的变化输出电流有噪声能源与动力工程学院4.3光电器件的噪声等效功率

4、噪声：功率谱近似与频率成反比

噪声主要与器件表面状态有关们，主要在低频段起作用，所以也叫低频噪声5、温度噪声：由本身温度变化引起的噪声，影响相对较小能源与动力工程学院4.3光电器件的噪声等效功率

2、探测度D：越大越好单位：能源与动力工程学院4.3光电器件的噪声等效功率

四、量子效率：在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比.1、入射光子数：单位时间内,波长为λ

的光辐射,光通量为Φ，单个光子能量2、出射光子数：相应的光电流为IS3、量子效率(微观灵敏度、理论上等于1，实际小于1)：能源与动力工程学院4.3光电器件的噪声等效功率

光电发射器件中的光阴极为光敏面，当照射的入射频率或频谱成分不变时，U一定，光电流Ik（单位时间内发射的光电子数目）与发射光通量φ成正比。光电特性：4.4

光电发射器件

能源与动力工程学院4.4.1

光电发射效应

阈值频率：（1）光子最大初始动能：爱因斯坦方程，1921年获得诺贝尔物理学奖;密立根根据实验曲线，求出普朗克常数h，1923年获奖。电子逸出功，电子从材料表面逸出时所需要的最低能量，单位eV，与材料性质有关的常数——功函数4.4

光电发射器件

能源与动力工程学院4.4.1

光电发射效应

（2）阈值频率（最小频率）：只有满足上式大于零，才能发生光电子发射。求出产生光电发射的最低频率——阈值频率求出产生光电发射的最大波长4.4

光电发射器件

能源与动力工程学院4.4.1

光电发射效应

五、半导体的光电发射1、电子亲合势EA：

导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量它表征半导体材料在发生光电效应时，电子逸出材料的难易程度。电子亲和势越小，光电子就越容易逸出。数值上等于真空能级（真空中静止电子能量E0）与导带底能级Ec

之差，即EA=E0-Ec4.4

光电发射器件

能源与动力工程学院4.4.1

光电发射效应

4、负电子亲和势光电阴极：（1）电子亲合势：等于真空能级（真空中静止电子能量E0）与导带底能级Ec

之差，即EA=E0-Ec正电子亲和势：通常导体无边界、平直时负电子亲和势：有界表面破坏局部晶格排列，氧化、被杂质污染——能带弯曲4.4

光电发射器件

能源与动力工程学院4.4.1

光电发射效应

特别指出：负电子亲和势是指内衬底材料的有效电子亲和势，而不是指表面材料的电子亲和势。负电子亲和势材料：量子效率高、光谱响应延伸到红外区、响应均匀、光电子能量集中。二、光电倍增管（PMT）：增加光学系统、电子倍增极——灵敏度高响应快。1、结构：能源与动力工程学院4.4

光电发射器件

4.4.2

光电真空器件及其特性2、工作原理：光光电阴极进入倍增系统二次发射倍增放大阳极采集信号输出光电效应，发出光子聚焦极电场作用能源与动力工程学院4.4

光电发射器件

4.4.2

光电真空器件及其特性4、光电倍增管的主要特性参数：基本参数（静态参数）应用参数（动态参数）运行特性（例行特性）基本参数与管子工作原理、结构特征、材料性质、制造工艺有关。包括灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应等。能源与动力工程学院4.4

光电发射器件

4.4.2

光电真空器件及其特性4.5光电导器件能源与动力工程学院（1）光电导效应？（2）光电导效应定量计算？（3）常用光电导器件——光敏电阻的特性参数？一、光电导效应：内光电效应1、定义：光照变化引起半导体材料电导变化的现象。2、原理：光照晶格原子和杂质原子的束缚电子激发为自由电子载流子浓度增大电导率增大4.5光电导器件4.5.1光电导效应能源与动力工程学院1、本征光电导现象：只有光电子能量大于材料的禁带宽度的入射光才能激发出电子空穴对，使材料产生光电导现象。二、本征光电导：4.5光电导器件4.5.1光电导效应能源与动力工程学院能源与动力工程学院4.5光电导器件4.5.1光电导效应2、稳态光电导：（均匀光照入射到样品表面，且入射光通量恒定）入射光4.5光电导器件4.5.1光电导效应能源与动力工程学院（1）无光照时（暗态）：具有一定热激发载流子浓度——暗电导率4.5光电导器件4.5.1光电导效应能源与动力工程学院（2）有光照时（亮态）：（3）光电导：从暗态到亮态变化主要由于光照作用光电导：光电流：影响因素：4.5光电导器件4.5.1光电导效应能源与动力工程学院3、光电导驰豫过程：（惰性）（1）意义：从光照到获得稳定的光电流，或从光照停止到电流消失，都需要一定的时间（2）描述方法：矩形光脉冲、以电流为研究对象——反映光电导对光强变化的反应快慢程度上升时间tr:063％下降时间tf:100％37％4.5光电导器件4.5.1光电导效应能源与动力工程学院（3）光电导器件的带宽（上限截至频率）：临界值不能保持原有调制信号特征能保持原有调制信号特征4.5光电导器件4.5.1光电导效应能源与动力工程学院4、光电导增益：长度L半导体，两端加U电压4.5光电导器件4.5.1光电导效应能源与动力工程学院5、增大光电导器件光电流、提高灵敏度方法：减小两极距离，常做成梳状结构4.5光电导器件4.5.1光电导效应能源与动力工程学院一、光敏电阻的原理和结构1、原理：利用半导体光电效应制成，电导率变化引起电阻变化。工作进程：2、结构：半导体材料两端加上电极、接上引线能源与动力工程学院4.5光电导器件4.5.2光敏电阻及其特性3、常用材料：本征型、掺杂型二、光敏电阻的特性光敏电阻的特点：（1）光谱响应范围宽（2）所测光强范围宽（3）工作电流大（4）灵敏度高（5）偏置电压低，无极性之分能源与动力工程学院4.5光电导器件4.5.2光敏电阻及其特性1、光电导灵敏度和光电特性：(1)光电导灵敏度：(2)光电特性：当R为常数，由欧姆定律：能源与动力工程学院4.5光电导器件4.5.2光敏电阻及其特性实际R变化，引入电压、光照指数，进行修正：只有欧姆接触且弱光照射时：能源与动力工程学院4.5光电导器件4.5.2光敏电阻及其特性4.5光电导器件4.5.2光敏电阻及其特性能源与动力工程学院4、伏安特性：照度一定、U与Ip关系，可由实验方法得到5、温度特性：（1）温度对光谱响应的影响：Eg很小，当温度升高时，半导体热激发使自由载流子浓度增加，复合运动加快，灵敏度降低。能源与动力工程学院4.5光电导器件4.5.2光敏电阻及其特性6、前历效应：测试前光敏电阻所处状态（有光照或无光照时）对光敏电阻特性的影响能源与动力工程学院4.5光电导器件4.5.2光敏电阻及其特性（1）暗态前历效应：（2）亮态前历效应：当光照与工作时所要达到的照度不同时，出现的一种滞后现象亮电阻由高照度——低照度，时间短亮电阻由低照度——高照度，时间长能源与动力工程学院4.5光电导器件4.5.2光敏电阻及其特性4.6光伏器件能源与动力工程学院（1）光伏效应？（2）光伏效应下电流方程计算？（3）常用光伏器件——光电池、光敏二极管、PSD的工作原理、特性参数？1、光伏效应：光照某些固体（半导体），使不均匀半导体或者半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。机理：势垒型光伏效应2、光伏器件：光电池、光敏二(三)极管、位置敏感器件等。4.6光伏器件4.6.1光伏效应能源与动力工程学院一、热平衡态下的半导体PN结：1、PN结内电场的形成：N型P型（1）形成原因：载流子向浓度梯度减小的方向扩展（2）方向：NP（3）作用：对多子扩散抑制、对少子漂移帮助，当两者相等，达到热平衡。4.6光伏器件4.6.1光伏效应能源与动力工程学院PN结2、光照下PN结电流方程：（1）两端施加电压U时：光生电场内建电场4.6光伏器件4.6.1光伏效应能源与动力工程学院反向且U很大（2）外电路开路时：开路电压4.6光伏器件4.6.1光伏效应能源与动力工程学院（3）外电路短路时：短路电流4.6光伏器件4.6.1光伏效应能源与动力工程学院（4）外电路接一负载时：4.6光伏器件4.6.1光伏效应能源与动力工程学院3、光照时PN结伏安特性：E=0时，伏安特性与普通二极管类似。（1）整体情况（2）开路电压Uoc

短路电流IscE>0时，曲线下移反偏电压很大时，电流饱和4.6光伏器件4.6.1光伏效应能源与动力工程学院第一象限，PN结加正向电压，光电流小于暗电流第三象限，PN结加反向电压—光导模式（恒流）（3）几种工作模式第四象限，PN结加零电压，外接负载—光伏模式

(恒压)4.6光伏器件4.6.1光伏效应能源与动力工程学院一、光电池的结构及特点：（2）按照结构分：同质结，异质结1、分类：（1）按照用途分：太阳能光电池，测量光电池（3）按照PN结材料分：硒光电池、硅光电池、锗电池等能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.2光电池2、硅光电池的基本结构：（1）同质结硅光电池按照衬底材料分：

2CR系列：以N型硅为衬底，P型硅为受光面

2DR系列：以P型硅为衬底，N型硅为受光面上电极能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.2光电池（2）结构设计要点：

a、受光面电极做成梳状——减小遮光b、受光面涂有SiO2,MgF2,Si3N4等材料，作用：减少反射光，增加透射光，同时起到防潮、防腐蚀的保护作用能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.2光电池3光敏二极管结构特点：（1）按照衬底材料分：2CU系列：以N型硅为衬底,加P型硅构成PN结,2个引线2DU系列：以P型硅为衬底,加N型硅构成PN结,3个引线受光面涂有SiO2防反射膜能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.3光敏二极管（2）2DU系列结构特点——增加环极：①防反射膜内有少量钠、钾离子，与P型硅内带负电受主离子产生感应电子层，该层与N型硅类似，可以使P表面与N型硅连通，产生漏电流。②设置偏置电压后，从前极流出的电流包括2部分——PN结、P型硅表面感应电子层，增大流过负载电阻的暗电流和噪声。能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.3光敏二极管③设置N+—Si环，把受光面包围，接比前极更高电位，为表面漏电流提供达到电源通路.达到减小流过负载的电阻，减小噪声的目的。2CU二极管不需要。能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.3光敏二极管一、概述：1、机理：连续的模拟式光斑位置检测器件，利用光照情况下，光敏二极管表面阻抗的变化来检测光斑位置(PSD输出与光能量中心位置有关)——一维、二维。2、特点：（1）对光斑无严格要求；（2）可连续测量光斑位置；（3）可同时检测出位置和光强。能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.7光电位置器件（PSD）二、结构及工作原理：1、结构：(PIN型)P:光敏面、均匀电阻层I:半导体层能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.7光电位置器件（PSD）2、原理：光照到光敏层上产生与光能正比的电荷作为光电流流过电阻层输出I1,I2作与光点到电极距离反比I3=I1+I2计算出xA能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.7光电位置器件（PSD）3、推导过程：由于电阻均匀，与长度成正比，设：则：能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.7光电位置器件（PSD）三、一维PSD:1、结构原理：细长矩形能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.7光电位置器件（PSD）2、转换电路能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.7光电位置器件（PSD）四、二维PSD:测光点在平面上坐标（x,y）1、结构：二维感光面为方形，比一维的多一对电极表面分离型（单面型）两面分离型（双面型）能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.7光电位置器件（PSD）2、表面分离型能源与动力工程学院4.6光伏器件k：与探测器灵敏度、电流放大系数、器件几何尺寸有关的比例系数4.6.7光电位置器件（PSD）3、两面分离型：两面都是均匀电阻层能源与动力工程学院4.6光伏器件反偏电压加在正面电极与背面电极之间k：与探测器灵敏度、电流放大系数、器件几何尺寸有关的比例系数4.6.7光电位置器件（PSD）两种类型PSD特点表面分离型：施加偏压容易、暗电流小、响应速度快。两面分离型：电流分路少、灵敏度高、有较高的位置线性度和空间分辨率、彼此间干扰小。能源与动力工程学院4.6光伏器件4.6.7光电位置器件（PSD）改进结构的二维PSD能源与动力工程学院4.6光伏器件PSD非线性影响因素：光敏面上电阻率不均匀、电极大小及形状不一致、结电容分布不均匀、温度漂移4.6.7光电位置器件（PSD）1、光电转换部分，即光电阴极，它可以使不可见光图像或亮度很低的光学图像，转换成光电子发射图像；A、能量为ｈν的辐射量子入射到光电发射体内，电子被激发到受激态。B、电子在到达真空界面时仍有克服电子亲和势的能量，就可以发射到真空中而成为光电发射电子。C、入射辐射分布所构成的图像可以通过光电阴极转换成由电子流分布所构成的图像，这一图像称为电子图像。能源与动力工程学院4.8光电成像器件4.8.1像管一、像管结构及工作原理：2、电子光学部分，它可以使光电阴极发射出来的光电子图像，在保持相对分布不变的情况下获得能量或数量增强，并聚焦成像；A、在刚离开光阴极面时是低速运动的电子流，其初速度由爱因斯坦方程式所决定。B、低能量的电子图像在静电场或者电磁复合场的作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。C、在到达像面时是高速运动的电子流，能量很大，完成了电子图像的能量增强。也称为电子透镜，有静电场或电磁复合场、微通道板。能源与动力工程学院4.8光电成像器件4.8.1像管3、电光变换部分，即荧光屏，它的功能是使发射到它上面的电子图像变成可见的光学图像。A、结构：荧光屏是由发光材料的微晶颗粒沉积而成的薄层。在对着光敏面的内侧蒸镀一层铝膜，引走积累的负电荷，从而增加荧光面的光输出，同时可防止光反馈到光阴极。B、当像管中电子图像的加速电压一定时，荧光屏的发光亮度正比于入射电子流的密度。因此，像管的荧光屏可以将电子图像转化为可见的光学图像。一般１个入射的光电子，可使荧光屏产生多个光子。例如，用１个１０ｋｅＶ的电子去轰击Ｐ２０荧光体时，可产生３００个光子；１个２０ｋｅＶ的电子，可产生１千多个光子。能源与动力工程学院4.8光电成像器件4.8.1像管2、摄像三个步骤：

１）摄像管的光敏元件接收输入图像的辐照度进行光电转换，将二维空间分布的光强转变为二维空间分布的电量：

２）摄像管的电荷存储元件在一帧的周期内连续积累由光敏元件产生的电量，并保持电荷量在空间的分布，这一存储电荷的元件称之为靶。一、摄像管的基本原理：1、摄像是将二维空间分布的光学图像转换为随时间变化的一维电信号的器件。能源与动力工程学院4.8光电成像器件4.8.2摄像管３）摄像管的电子枪产生空间二维扫描的电子束，在一帧的周期内完成全靶面的扫描。逐点扫描的电子束将靶面存储的电荷与负载回路接通，因此在输出回路中即可得到视频信号。能源与动力工程学院4.8光电成像器件4.8.2摄像管二、摄像管的基本结构：光电变换电荷积累信号读取能源与动力工程学院4.8光电成像器件4.8.2摄像管（１）光电发射体光电阴极在光照下产生与光通量成正比的光电子流。

（２）光电导体基于光电导效应工作的。它的光敏面和靶面合二为一称之为靶，其既有光电变换的功能，又具有存储和积累电荷的作用。光电导摄像管又称为视像管。

（3）电荷积累元件在整个帧周期内对图像上的任一像元不断地积累电荷信号，要达到积累和存储的目的，在帧周期内要求信号不能漏走。1、光电变换与电荷积累部分：能源与动力工程学院4.8光电成像器件4.8.2摄像管2、信号读取部分：电子束发射源电子束的聚焦系统电子束的偏转系统扫描电子枪能源与动力工程学院4.8光电成像器件4.8.2摄像管二、电荷耦合器件工作原理：（一）MOS电容的平衡态特性：1、MOS电容的构成（金属－氧化物－半导体）4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院2、MOS电容的平衡态特性：（1）平面状态：UG=0,电中性，能带平坦，不存在表面空间电荷区。4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院（2）耗尽状态：UG>0,值不大，P型衬底空穴被排斥远离栅极，留下带负电受主离子，多数载流子（空穴）耗尽。表面处能带向下弯曲，耗尽区宽度W与UG成正比4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院（3）反型状态：4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院UG值进一步增大，耗尽层扩展，能带进一步弯曲。当UG超过某个阈值时，表面处电子浓度超过空穴浓度，P型半导体转变成N型半导体——反型状态。P—Si衬底，反型层电荷是负——N型沟道CCDN—Si衬底，反型层电荷是正——P型沟道CCD4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院（二）MOS电容的非平衡态特性：1、CCD工作状态：UG达到阈值瞬间，热激发载流子经过一段时间才能形成反型层，形成空的电子势阱，表面仍处于载流子耗尽状态，耗尽区进一步延伸——深度耗尽状态。4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院2、势阱中电荷储量:能源与动力工程学院4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理注入电子空穴对，光生空穴被驱赶到耗尽区以外（衬底），电子以电荷包形式在势阱中存贮起来。CCD电荷传输条件：（1）势阱（耗尽层）耦合；（2）有确定的方向；（3）电位脉冲满足时序要求；4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院4、保证CCD转移功能，对时钟脉冲要求：（1）三相时钟脉冲有一定交叠，保证充分转移；（2）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表面处于耗尽状态（3）时钟脉冲幅度选择得当。4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院2、单边传输CCID工作原理：（1）结构：光敏区通过其一侧转移栅与CCD移位寄存器相连，光敏单元被沟阻分隔，光敏元与CCD转移单元一一对应，两者之间设有转移栅，移位寄存器上有铝遮光4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院①高电平，低电平，光敏二极管反向偏置——光信号积分，产生的自由电子存入势阱、空穴进入衬底；②高电平,低电平，光敏区光生电荷流入CCD通道③

驱动脉冲作用，电荷包转移（2）工作原理：4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件工作原理能源与动力工程学院（二）时钟频率的上下限：势阱工作于非平衡状态，考虑驱动脉冲的频率：过低，周期长，热生载流子进入电荷包，引起失真过高，周期短，电荷包来不及转移，势阱就变了，残留多1、下限fL：非平衡载流子平均寿命τ，相邻两电极之间转移时间为t4.8光电成像器件4.8.3

电荷耦合器件