光电检测应用中基础知识

1、关于光电检测应用中的基础知识第1页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四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 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。第2页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 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第3页

2、，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 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”，第4页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 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

3、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第5页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 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第6页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 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”。

4、 第7页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四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8页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四第一章 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：第9页，共51页，2022年，

5、5月20日，9点38分，星期四1.1 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*1016 HZ)范围的电磁辐射红、橙、黄、绿、青、蓝、紫(100380nm)(380780nm)（10100nm)(780nm1mm)第10页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.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，是一种生理效应结果：对人眼刺激大小的

6、各种物理量用下标(e)用下标(v)第11页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.1.1 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发射A1A2传播A接收如果是多波长辐射，则有：光谱功率谱密度第12页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 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

7、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第13页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四3、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第14页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四4、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。

8、dA1dA2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/m2dA1dA2同样有：同样有：第15页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.1.2 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K 光谱灵敏度(lm/W)(1)光谱灵敏度光通量(lm流明)第16页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四定义: 视见函数明视0.55m 10.380.7明视暗视0.55m0.52

9、 m Km= 683（lm/W）0.380.7不同波长的光谱灵敏度，如图所示：C(2)视见函数=683lm/W第17页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四（二）光度学量A1A2A1A2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）第18页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四- 点光源在某一方向上，单位立体角 内发出的辐射通量。- 点光源在某一方向上，单位立体角内的光通量。2、发光强度单位：辐射强度单位：（cd 坎德拉） d七个基本物理量之一第19页，共51页，2022年，

10、5月20日，9点38分，星期四-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、光亮度单位：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第20页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四4、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。dA1dA2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第21页，共51页，20

11、22年，5月20日，9点38分，星期四- 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/m2dA1dA2- 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）第22页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.1.3 其它基本概念1. 点源dAdA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Ir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：第23页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四2. 扩展源-有一定面积的辐射源朗伯源

12、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 dSII0余弦定律常数第24页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四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-dSdA第25页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四3. 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第26页，共51页，2022年，5月20日，9

13、点38分，星期四4. 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)第27页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.2 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3s2p1.2.1 固体的能带结构允带禁带允带允带禁带第28页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四3.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第29页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四4.N型半导体和P型半导体价

14、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）本征半导体第30页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四2）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第31页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四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第32页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四3）掺3族元素时-P型半导体低温下B价带导带杂质能级

15、第33页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四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+本征激发第34页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.2.2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第35页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.2.3 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

16、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第36页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四2）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：第37页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四2. 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

17、导带第38页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.2.4 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第39页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四2.总电流电子空穴总电流第40页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.3 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

18、。吸收比:模拟黑体：反射比:第41页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1. 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，发射能力也强第42页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四3. 斯忒藩-玻耳兹曼定律700K900K400K(m）2Me(,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. 维恩位移定律Me(,T)第43页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1.4.1 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：

19、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：第44页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四-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第45页，共51页，2022年，5月20日，9点38分，星期四-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，从而使输出电流或电压值起伏，由此引入的噪声叫第46页，共51