光电检测应用中的基础知识

序 光电信息技术是光子技术与微电子技术的结合 是现代信息技术的核心 已广泛应用于各行各业 随着现代信息技术的发展 光子以其独特的优点 具有极快的响应速度 极大的频宽 信息容量和极高的信息效率推动信息科学技术的发展 具有越来越大的竞争力 光电信息产业在市场的份额逐年增加 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 光子和微电子是现代信息产业的基础和核心 光电信息产业已成为世界上发达国家的主导产业 美国政府 已将光子学与光子技术列为国家发展的重点 认为该领域 在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力 并肯定 通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域 美国商务部指出 90年代 全世界光子产业以比微电子产业高得多的速度发展 谁在光子产业方面取得主动权 谁就将在21世纪的尖端科技的较量中夺魁 德国 政府已确定光子学是本世纪初 对保持德国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键技术之一 在日本有评论认为 21世纪具有代表意义的主导产 业 第一是光子产业 第二是信息通信产业 我国 政府十分重视光电子技术和产业的发展 已将它列入国民经济优先发展的领域 把光电子产业列为国家重点发展计划 继1986年3月王大恒等四位专家倡导的 863计划 之后 在此基础上开始了 973计划 这两个高科技计划的 重点是光电子产业 据国家统计资料显示 世纪具有代表意义的主导产业 第一是光子产业 第二是信息通信产业 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 真空成像器件第八章 红外辐射与红外探测器第七章 固体成像器件第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 光电检测系统组成 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 波长10纳米 1毫米 频率3 1011 3 1016HZ 范围的电磁辐射 100 380nm 380 780nm 10 100nm 780nm 1mm 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 或仿人眼的探测器 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 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 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 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 辐射强度 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 3 辐射亮度 单位 表征辐射面发光强弱并与辐射面特性有关的物理量 面元dS在 方向的辐射亮度定义为 此面元在 方向d 体积角内的的辐射通量d e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 4 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 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 辐照度 单位 W m2 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 光谱灵敏度K 及视见函数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 1 光谱灵敏度 定义 视见函数 2 视见函数 683lm W 二 光度学量 七个基本物理量之一 面元dS在 方向d 体积角内的的光通量d v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 单位 辐射亮度 面元dS在 方向d 体积角内的的辐通量d e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 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 单位 lm m2 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光量 或单位表面积接受的光通量 5 照度 单位 lm 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 辐照度 单位 W m2 lx勒克斯 1 1 3其它基本概念 1 点源 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 对于沿各方向匀均辐射的点源 点源对面的照度 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 辐射强度I与方向角 满足余弦定律的辐射体 大部分辐射体都有此性质 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 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 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 1 2 1固体的能带结构 3 能带的结构 价带中的空穴 导带中的电子 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 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 3 掺3族元素时 P型半导体 价带 导带 杂质能级 低温下 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 开始时 激发 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 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 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 工作时温度要低 防止热激发 P型半导体 2 非平衡载流子浓度 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 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的载流了浓度 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 反射比 1 基尔霍夫定律 2 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 斯忒藩 玻耳兹曼定律 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 维恩位移定律 Me T 1 4 1光电探测器中的噪声 噪声 信号随机的 瞬间幅度不能预知的起伏 圴方噪声 噪声 信号随机的 瞬间幅度不能预知的起伏 圴方噪声 白噪声 功率谱大小与频率无关 1 f噪声 功率谱与1 f成正比 噪声功率谱 在任何电阻性材料中 载流子都会有无规则的热运动 从而引起输出电流或电压的起伏 此种噪声称为 是最常见的一种噪声形式 1 热噪声 2 散粒噪声 一些不连续的量的随机起伏形成的噪声 如 入射到光电探测器表面的光子 光电子从光电阴极表面逸出等过程 这类噪声的大小与频率成反比 因此而得名 它的产生与器件的杂质和工艺缺陷有关 但原因比较复杂 4 1 f噪声 3 产生 复合噪声 半导体受光照时 载流子不断地产生 复合 载流子产生 复合的平均数是一定的 但某一瞬间是起伏的 这种起伏引起半导体电导率的起伏 从而