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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),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、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非平衡载流子:n、 p3. 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、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1/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、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,
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