光电检测应用中的基础知识.ppt

光电检测技术 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，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 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： 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：光波：波长 10 纳米1毫米（频 率3*1011 3*1016 HZ)范围的电磁 辐射 红、橙、黄、 绿、青、蓝、 紫 (100380nm) (380780nm) （10100nm) (780nm1mm) 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) 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 A1 A2 传播 A 接收 如果是多波长辐射 ，则有： 光谱功率谱密度 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、辐辐射强度 单单位 ： 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，则方向上的辐射强度，可表示为： d 3、辐辐射亮度 单单位： -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 在方向的光亮度定义为： 此面元在方向d体积角内的的辐射通量de 除立体角的大 小d 和此面元在观测方向上的表观面积cos(dS) 。 如果是多波长 辐射则： 如果辐射不均匀，则方向上的辐亮度，可表示为： N 4、辐辐射出射度 - 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。 dA1 dA2 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、辐辐照度单位：W/m2 dA1 dA2 同样有： 同样有： 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. 光谱谱灵敏度K 及 视见视见 函数V 相同 波长（）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 光谱灵敏度 (lm/W ) (1)光谱灵敏度 光通量 (lm流明) 定义: 视见函数 明视 0.55m 1 0.38 0.7 明视 暗视 0.55m 0.52 m Km= 683 （lm/W） 0.38 0.7 不同波长的光谱 灵敏度，如图所 示： C (2)视见函数 （二）光度学量 A1 A2 A1 A2 辐辐射通量 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） - 点光源在某一方向上，单单位 立体角 内发出的辐射通量。 - 点光源在某一方向上，单单位 立体角内的光通量。 2、发发光强度 单单位： 辐辐射强度 单单位： （cd 坎德拉） d -面元dS在方向d体 积角内的的光通量dv 除立 体角的大小d 和此面元在 观测方向上的表观面积 cos(dS)。 3、光亮度 单单位： 辐辐射亮度 -面元dS在方向d体积 角内的的辐通量de 除立体 角的大小d 和此面元在观 测方向上的表观面积 cos(dS)。 N 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。 dA1 dA2 单位：lm/m2 辐辐射出射度 - 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 - 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、辐辐照度 单位：lm/m2 dA1 dA2 - 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。 辐辐照度 单位：W/m2 (lx 勒克斯） 1.1.3 其它基本概念 1. 点源 dA dA 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 I r 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： 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 与方向角满满足余 弦定律的发发光体。大部分发 光体都有此性质 dS I I0 余弦定律 常数 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- dS dA d 2 2 2 d 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 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) 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 3s 2p 1.2.1 固体的能带结构 允带 禁带 允带 允带 禁带 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 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 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 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 3）掺3族元素时-P型半导体 低 温 下 B 价带 导带 杂质能级 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 1.2.2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 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m 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： 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 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 2.总电流 电子 空穴 总电流 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: 1. 1. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 2. 2. 普朗克辐射公式普朗克辐射公式 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 3. 3. 斯忒藩斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 700K 900K 400K (m）2 Me(,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. 4. 维恩位移定律维恩位移定律 Me(,T ) 1.1.响应率响应率 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： 2.2.光谱响应率光谱响应率 电流光谱灵敏度： S（） 1 相对光谱灵敏度 4 4、探测度、探测度D D与比探测度与比探测度D D * * 3 3、等效噪声功率、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 归一化等效澡声功率： 比探测率 （归一化探测率） Ad：cm2 f: Hz :A SI:A/W D*: c