《光电检测技术》总复习

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=683lm,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=ni2ni=（N+N-）1/2exp（(-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0ch/Eg=1.24/Eg(m)上式中Eg的单位为电子伏特（eV）1eV=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0ch/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（expqV/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,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学时）（重点）,2.光电信号的变换形式与检测