《光电检测技术》总复习.ppt

1、课程:光电检测原理与技术 主选教材：光电检测技术 作者：雷玉堂、王庆友 主讲：徐志洁,主要讲述：分五部分（48学时） 一、光电检测技术基础、概论 (2学时) 第一章 二、各类光电与电光器件 (6学时) 第二五章 *三、检测电路与微机接口(14学时) 六七章 复习（1学时） 期中考试（1学时） *四、光电变换检测技术与方法 (18学时) 第八九章 五、典型应用 (2学时) 第十章 总复习（2学时） 习题课：（2学时）,概述： （ 0.5学时） 一、 辐射度量与光度量（ 0.3 学时） 二、 半导体物理基础 （1 学时） 三、光电效应 （ 0.2 学时）,第一部分 光电检测技术基础 （2 学时）,

2、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。,（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 在到+d 间隔内， 光谱辐射度量= 辐射度量/ d ,（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= 单位：流明（lm） 式中，Km为辐射度量与光度量间的比例系数，V()为人眼的光谱光视效率。 Km= 683 流明/瓦， 它表示在= 555nm、

3、V()=1处， 1W= 683 lm,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。,（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。,（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

4、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EEF时， f(E)1/2,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 , np= ni 2 ni = （N+ N-）1/2 exp（(-Eg)/ 2kT),（四）非平衡载流子 1. 半导体在热平衡时，n、p恒定，即 n=n0 , p=p0 电子和空穴相遇复合，产生率复合率。 2. 在外界因素作用下，如受光照时，产生率复合率，使电子、空穴数增加, n=n0+n , p=p0+p 非

5、平衡载流子：n、 p 3. 当光照稳定时，产生率较高，复合率随n、 p的增加而增加，复合率产生率，系统达到新的稳定状态。,4.当光照停止时，产生率下降，复合率产生率，n、p减少，复合率也下降，复合率产生率， n=n0 , p=p0（光照前的）系统恢复到平衡状态。复合率 n/ p / 描述复合的参数寿命 的物理意义： （1）n、 p复合的快慢。 （2）为n（或p）下降到原来的1/e所需的时间 （3） 为n（或p）的平均存在时间。 所有n存在的时间总和/n的总数 ,（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

6、用下的 定向运动。,（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0c h/ Eg=1.24/Eg (m) 上式中Eg 的单位 为电子伏特（eV） 1 eV=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Ei ，即 杂质吸收所需光子的波长 0c h/Ei,（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（ exp qV/ kT1 ） 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

7、式。,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,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=SKK （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,（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

8、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,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。,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,1.主要介绍基本结构、工作原理、

9、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）,第二部分 各类光电与电光元器件（4 学时）,光电倍增管的结构示意图,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）,第三章 热电检测器件 一、热电偶、热

10、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T的关系为 UOC=M12T (3-9) 式中，M12为塞贝克常数，又称温差电势率（V/）。,使用热电偶的注意事项 （1）不许强辐射照射，max几十微瓦 （2）电流100A，一般在1A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 。,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 (3-

11、16) 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：,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,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 f1/ 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。,第四章 发光与耦合器件（0.5学时） 一、

12、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。,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（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

13、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。,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） 光信号检测电路的噪声设计 （2学时） 光信号的放大电路 （2学时）,第三部分 检测电路与微机接口 （14学时）,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,2.光电信号的数据采集与微机接口 （2学时） 二值化处理 量化处理 单元光电信号的采集与接口 视频信号的采集与接口,1、光电变换和检测技术（8学时） 时变光电信号的直接检测 （5学时） 时变光电信号的调制检测 简单光学目标的形位检测 （3学时） 复杂光学图像的扫描检测,第四部分 光电变换检测技术与方 法（18学