三光电检测技术常用器件及应用PPT课件

1 第三章光电检测技术常用器件及应用 2 1 光电器件的类型与特点 2 光电检测器件的特性参数 3 光电导器件 光敏电阻 4 光生伏特效应 光电池 光电二极管 光电三极管等 6 光电发射效应 光电管 光电倍增管等 7 光热效应 热敏电阻 热电偶 5 发光器件及耦合器件 3 光电测量中的常用光源 根据光谱宽度 可将光源分为相干光源和非相干光源 相干光源 激光 气体 固体 半导体 非相干光源 除了激光之外的其他光源1 热辐射光源 白炽灯 太阳光等 2 气体放电光源 汞灯 脉冲氙灯等 3 固体发光光源 LED发光二极管 4 白炽灯利用热辐射发出可见光的电光源 在灯泡内充入卤钨循环剂 如氯化碘 溴化硼等 可以形成卤钨循环 就构成了卤钨灯 卤钨灯的工作温度为3200K 光效为30lm W 卤钨灯 白炽灯 5 利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源 制作时在灯中充入发光用的气体 在电场作用下激励出电子和离子 气体变成导电体 当离子向阴极 电子向阳极运动时 从电场中获得能量 使内层电子跃迁到高能级 引起原子的激发 受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外辐射 气体放电光源有辉光放电灯 弧光放电灯 高频放电灯等 气体放电光源 6 7 发光二极管的基本工作原理与特性 发光二极管 LED LightEmittingDiode 是一种固态发光 是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件 属于低场下的注入式电致发光 8 1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光 1923年 由Losev在产生p n结的SiC中发现注入式电致发光60年代末 LED得到迅速发展1964年 Gvimmeiss和Scholz以GaP间接带材料隙得到橙 黄 绿的LED70年代末 人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器 发展史 9 发光二极管 即LED 是一种注入电致发光器件 它由P型和N型半导体组合而成 其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种 发光二极管的发光机理 10 1 制作半导体发光二极管的材料是掺杂的 热平衡状态下的N区很多自由电子 P区有很多多空穴 2 当加以正向电压时 N区导带中的电子可越过PN结的势垒进入P区 P区的空穴也向N区扩散3 于是电子与空穴有机会相遇 复合发光 由于空穴迁移率低于自由电子 则复合发光主要发生在p区 光的颜色 波长 决定于材料禁带宽度Eg 光的强弱与电流有关 1 PN结注入发光 11 为了提高载流子注入效率 可以采用异质结 由于p区和n区的禁带宽度不相等 当加上正向电压时两个势垒均减小 但P区的势垒减小多 两区的价带几乎相同 空穴就不断向n区扩散 对n区电子 势垒仍然较高 不能注入p区 这样 禁带宽的p区成为注入源 禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区 由于n区所发射的光子能量hv比EG2小得多 它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去 2 异质结注入发光 透射窗 12 为了进一步提高载流子注入效率 常常采用双异质结 DH 注入 双异质结注入发光 13 LED的特性参数 LED的发光光谱指LED发出光的相对强度 或能量 随波长 或频率 变化的分布曲线 它直接决定着发光二极管的发光颜色 1 发光光谱 14 发光二极管发射的光通量与输人电能之比表示发光效率 单位lm W 也有把光强度与注入电流之比称为发光效率 单位为cd A 坎 安 2 发光效率 发光效率对比 白炽灯9lm w日光灯40lm wLED60lm w 15 10 90 1 亮度 t tr tf 3 时间响应 响应时间指器件启亮 上升 与熄灭 衰减 时间的延迟 实验证明 二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减 它的响应时间一般是很短的 如GaAs1 xPx仅为几个ns GaP约为100ns 16 发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间 二极管的寿命一般都很长 在电流密度小于lA cm2时 一般可达106h 最长可达109h 随着工作时间的加长 亮度下降的现象叫老化 电流密度大 老化快 4 寿命 17 1 LED辐射光为非相干光 光谱较宽 发散角较大 2 LED的发光颜色丰富 通过选用不同的材料 可以实现各种发光颜色 如采用GaP ZnO或GaAaP材料的红色LED GaAaP材料的橙色 黄色LED 以及GaN蓝色LED等 3 LED的辉度高 随着各种颜色LED辉度的迅速提高 即使在日光下 由LED发出的光也能视认 4 LED的单元体积小 再加上低电压 低电流驱动的特点 可作为电子仪器设备 家用电器的指示灯 信号灯的使用 5 寿命长 基本上不需要维修 可作为地板 马路 广场地面的信号光源 是一个新的应用领域 LED特点 18 发光二极管的应用 1 指示灯LED指示灯不断更新换代 其寿命在数十万小时以上 而且功耗小 发光响应速度快 亮度高 小型耐振动等特点 在各种应用中占有明显的优势 常见的应用 电话 音响制品 家电制品 各种计测仪表以及集中控制盘等指示灯 19 1998年发白光的LED开发成功 高效节能超长寿命 以相同亮度比较 3W的LED节能灯333小时耗1度电 而普通60W白炽灯17小时耗1度电 普通5W节能灯200小时耗1度电 CREE公司实验室最高光效已达260lm W 而市面上的单颗大功率LED也已经突破100lm W 绿色环保 不含汞和氙等有害元素 2 照明 20 21 22 23 七段式数码管 文字显示器的内部接线 14划字码管 3 数字 文字以及图像显示 24 4 显示器 彩色大面积显示设备 如电子商标及大屏幕显示 25 LCD LCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的简称 LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体 两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线 透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向 将光线折射出来产生画面 26 LED与LCD比较 LCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的简称 LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体 两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线 透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向 将光线折射出来产生画面 LED显示器与LCD显示器相比 LED在亮度 功耗 可视角度和刷新速率等方面 都更具优势 LED与LCD的功耗比大约为1 10 而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现 能提供宽达160 的视角 有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍 在强光下也可以照看不误 并且适应零下40度的低温 利用LED技术 可以制造出比LCD更薄 更亮 更清晰的显示器 拥有广泛的应用前景 LED的分辨率一般较低 价格也比较昂贵 因为集成度更高 27 等离子显示器 PDP 等离子屏 英文为PlasmaDisplayPanel 其是在两张薄玻璃板之间充填混合气体 施加电压使之产生离子气体 然后使等离子气体放电 与基板中的荧光体发生反应 产生彩色影像 等离子彩电又称 壁挂式电视 不受磁力和磁场影响 具有机身纤薄 重量轻 屏幕大 色彩鲜艳 画面清晰 亮度高 失真度小 节省空间等优点 耗电量大 一台42寸的耗电量为380W 等离子屏工作机理类似普通日光灯 有三层结构 28 在第一层的里面涂有导电材料的垂直 中间层是灯泡阵列 第三层表面涂有导电材料的水平条 要点亮某个地址的灯泡 开始要在相应行上加较高的电压 等该灯泡点亮后 可用低电压维持氖气灯泡的亮度 关掉某个灯泡 只要将相应的电压降低 灯泡开关的周期时间是15ms 通过改变控制电压 可以使等离子板显示不同灰度的图形 29 OLED OLED 即有机发光二极管 OrganicLight EmittingDiode 其柔性的特征将使得可折叠电视 电脑成为可能 还存在使用寿命短 大型化难等缺陷 具备了信息显示和器件制造所要的所有优异特征 是公认的下一代显示器主流 30 6 1为什么说发光二极管的发光区在PN结的P区 这与电子 空穴的迁移率有关吗 答 这是因为发光二极管在正向电压的作用下 电子由N区向P区运动 而空穴向N区运动 但由于电子的迁移率 N比空穴的迁移率 p高20倍左右 电子很快从N区迁移到P区 因而复合发光主要发生在P区 6 2为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光 反向偏置的发光二极管能发光吗 答 由于LED的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光 因此要求扩散运动占优势 所以必须加正向电压 在不加偏加或加反向偏压的情况下 PN结内部的漂移运动占主要优势 而这种少子运动复合几率小 不足以使LED发光 习题 31 6 3发光二极管的发光光谱由哪些因素决定 光谱的半宽度有何意义 答 发光二极管的发光光谱由材料的种类 性质及发光中心的结构决定 而与器件的几何形状和封装方式无关 谱线半宽度 半功率宽度2 在LED谱线的峰值 P两侧 处 存在两个光强等于峰值一半的点 它们之间的宽度 意义 它是一个反映LED单色性的参数 半宽度越小 则发光光谱单色性越好 发光功率集中于半谱线宽度内 32 半导体激光器 半导体激光器是向半导体PN结注入电流 实现粒子数反转分布 产生受激辐射 再利用谐振腔的正反馈 实现光放大而产生激光振荡的 1 工作物质 产生粒子数反转分布 2 激励能源 辐射源或电源 3 有一个谐振腔 提供正反馈和高增益 维持受激辐射 获得激光必须具备三个要素 半导体激光器的发光原理 33 半导体PN结 正向偏压 粒子数反转 产生受激辐射 振荡选频 输出激光 激励源 激光物质 谐振腔 半导体激光产生过程 34 在激光物质中 产生激光的必要条件之一就是受激辐射要占主导地位 此时就必须从外部给工作物质输入能量 使处于激发态的载流子多于处于基态的载流子 也就是把载流子的正常分布倒转过来 粒子数反转粒子数反转的条件 增益大于阈值增益或注入电流大于阈值电流 粒子数分布反转 35 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成 作用 提供正反馈和增益 维持受激辐射的持续振荡 对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制 以保证输出激光具有一定的定向性和单色性 谐振腔 在激光物质的两测放置相互平行的反射面 作用是让所选光能在其内反复振荡而加强 光在共振腔内获得增益 当腔内增益大于损耗 产生激光振荡 谐振腔 36 这样的激光器面积大 也称为大面积激光器 半导体激光器也称激光二极管 LD LaserDiode 最简单的半导体激光器由一个薄有源层 厚度约0 1 m P型和N型限制层构成 如图所示 PN结型二极管注入式激光器 37 粒子数反转的条件 增益大于阈值增益或注入电流大于阈值电流 38 反射 吸收 散射 衍射 透过 谐振腔失掉 偏振损失 起偏器 泡克尔晶体 谐振腔损耗 39 增益 损耗 增益 损耗 增益 损耗 增益和损耗 40 半导体激光器的结构 驱动电源 工作物质 谐振腔 注入式 光子激励 电子束激励 PN结 同质结 异质结 单异质结 双异质结 DH 解理面 布拉格反馈 分布反馈式DFB 分布布拉格反射式DBR 41 半导体激光器效率高 体积小 重量轻 结构简单 适宜在飞机 军舰 坦克上应用以及步兵随身携带 如在飞机上作测距仪来瞄准敌机 其缺点是输出功率较小 目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域 LD和LED的主要区别LD发射的是受激辐射光LED发射的是自发辐射光 LD的特点及应用 42 激光的特性 方向性好亮度高单色性好相干性好 43 方向性好 44 单色性好 45 高亮度 46 激光的应用 由于激光具有方向性好 亮度高 单色性好 相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用 1 激光应用于军事领域2 激光在信息技术领域 全息照相与光存储中的应用3 激光在光通信领域领域的应用4 激光在医学领域的应用5 激光在工业加工领域中的应用6 激光在物理 化学 生物领域的应用7 激光应用于科学研究领域 激光冷冻原子与原子钟 激光引发核聚变 47 48 雷达 分辨率高 可测云雾 等 测量 准直 测距等 医疗 激光手术刀 血管内窥镜 治癌等 49 50 51 形形色色的激光武器 激光枪 52 形形色色的激光武器 机载激光武器 53 54 激光用于通讯 55 激光测距与激光雷达 56 激光切割 57 长度测量 58 激光在信息技术领域的应用 全息照相光存储大屏幕显示 59 普通照相原理 由惠更斯 费涅尔原理可知 任何物体发出的光波可以看成是由物体上各物点发出球面波的总和 其表达式为 通常底片上的感光乳胶只对光强有响应 其感光特性 频率响应远远跟不上光波的频率 大于1014Hz 无法直接记录相位 而底片的感光程度直接由原物各处的亮度决定 这样底片上各点的明暗只能反映光波的振幅分布 但丢失了物光波的位相信息 其相片只能呈现一个平面像而失去了立体感 这就是普通照相 如上图 60 物体光波的记录 物体光波的记录采用了干涉法 把具有振幅和相位信息的物光O和未受物体影响的参考光R相干涉 其干涉条纹将以强度分布的形式记录在全息底片H 即全息干板 上 经显影定影处理后形成全息图 全息照相获得的底片并不直接显示物体的形象 而仅是一张干涉图 如上图所示 由光干涉理论分析知 所产生的干涉图样的亮暗对比度反映了物光波振幅的大小 条纹的形状 走向 间隔等几何特征反映了物光波的位相分布 这样全息图就记录下了来自物光的全部振幅和位相信息 实验原理 全息底片 激光束用分光镜一分为二 其中一束照到被拍摄的景物上 反射光束照射在胶片上 称为物光束 另一束直接照到感光胶片即全息干板上 称为参考光束 当两束光程适当 在胶片上形成干涉 就完成了全息照相的摄制过程全息照片和普通照片截然不同 61 全息图再现 全息图上只能看到复杂的干涉条纹 要看到原来物体的像 必须使全息图再现原来物体发出的光波 称为全息图的再现 这一过程是利用光栅衍射原理来完成的 如图 用一束与参考光相同的再现光沿原参考光的方向照射全息图 图上每一组干涉条纹可看作一复杂的光栅 它使再现光产生衍射 在衍射光栅的栅格间距小的地方 光的衍射角大 在衍射光栅的栅格间距大的地方 光的衍射角小 即可在原物位置处看到与原物相同的立体图象 实验原理 62 英女王的全息照片 63 多路合成角度全息用于艺术品展示 64 全息激光防伪标签 已经是一个很大的产业 65 光电耦合器件 发光器件 常用LED LD和微形钨丝灯等 接收器件 常用光电二极管 光电三极管 光电池及光敏电阻等 光电耦合器件发送端与接收端是电 磁绝缘的 只有光信息相连 光电耦合器件 将发光器件与光电接收器件组合在一起具有信号传输功能的器件 光电耦合器件电路符号 66 光电耦合器件的基本结构如图 发光器件与光电接收器件靠得很近 但不接触 光电耦合器件的结构 67 光电开关基本电路 限流电阻 5V 50 100mA 68 图中 a b c 分别为三种不同安装方式光电发射器件与光电接收器件分别安装器件的两臂上 分离尺寸一般4 12mm 分开的目的是要检测两臂间是否存在物体 以及物体的运动速度等参数 这种封装的器件常被称为对射式光电开关 69 光电耦合器件的特点 具有电隔离的功能它的输入 输出信号间完全没有电路的联系 绝缘电阻高达1010 l012 击穿电压高达100 25kV 耦合电容小于1PF 信号传输方式是单向性的 具有抗干扰和噪声的能力它不受外界电磁干扰 电源干扰和杂光影响 70 响应速度快一般可达微秒级 甚至纳秒级 信号频率在直流至10MHz之间 实用性强具有一般固体器件的可靠性 体积小 一般 6 6mm 重量轻 抗震 密封防水 性能稳定 耗电省 成本低 工作温度范围在 55 l00 之间 即具有耦合特性又具有隔离特性 71 光电耦合器件的应用 1 用于电平转换 工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不尽相同 如TTL的电源为5V HTL为12V PMOS为 22V CMOS则为5 20V 如果在系统中必须采用二种集成电路芯片 就必需对电平进行转换 以便逻辑控制的实现 72 2 用于逻辑门电路 利用光电耦合器件可以