光电检测技术课件第5-6节课

各位同学下午好！2007.11光电检测技术门克内木乐E_mail:py_menkenei@Office:综合楼610室Lab:综合楼812室课程内容第一章光电检测物理基础

§1.1光电检测技术概论（1学时）

§1.2光辐射物理基础（1学时）§1.3常用光源（2学时）

§1.4光在介质中的传输（4学时）

§1.5常用光学系统（4学时）

§1.6光学变换器件（调制器，4学时）

§1.7半导体基础知识与光电效应（4学时）第二章光电转换技术（探测器）

§2.1光电探测器（点，8学时）

§2.2热电探测器（点，4学时）

§2.3光电成像器件（面，4学时）第三章光电检测电路设计（4学时）第四章非相干与相干系统（8学时）第五章典型光电检测应用系统（微弱信号检测2学时，其它2学时）第六章现代光谱检测技术（4学时）上一节课内容回顾光源光学系统被测对象传输介质光电转换电信号处理光学变换hvhvhvss+nhvs+ne存储显示控制eee光电检测系统的组成名称

符号

定义

单位

辐[射]能

光量Qe

Qv辐[射能]通量

光通量Φe

Φv

辐[射]强度

[发]光强度

Ιe

Ιv

辐射亮度[光]亮度Le

Lv

辐[射]出[射]光出射度

Μe

Μv

辐[射]照度[光]照度

Εe

Εv曝光量

Hv

以辐射形式发射、传播或接收的能量。光通量对时间的积分。

焦[耳](J)流[明]秒(lm·s)以辐射形式发射、传播或接收的功率。发光强度为Ιv的光源，在立体角元dΩ内的辐通量，dΦv=Ιv·dΩ。

瓦[特](W)流[明](lm)在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源或辐射源面元的辐射功率除以该立体角元。光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。cd的意义为：频率为540×1012Hz的单色辐射在给定方向上的辐射强度Ιe=1/683W·sr-1时，规定为1cd。

瓦每球面度

(W·sr-1)坎[德拉](cd)表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。

瓦每球面度平

方米(W·sr-1·m-2)坎[德拉]每平方米(cd·m-2)离开表面一点处面元的辐通量除以该面元面积。离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。

瓦每平方米W·m-2)流[明]每平方米(lm·m-2)照射到表面一点处面元上的辐通量除以该面元的面积。照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积

瓦每平方米

(W·m-2)勒[克斯](lx)光照度对时间的积分。

勒[克斯]秒

(lx·s)第一章光电检测

物理基础

§1.3常用光源§1.3.1光源的基本参量1.发光效率2.光谱功率谱分布3.空间光强分布特性4.光源的温度和颜色§1.3.2光电检测中常用光源常用光源分类发光原理热辐射光源太阳光温度辐射白炽灯（钨丝灯、能斯脱灯、硅碳棒）气体放电光源辉光放电氢、氦、氘、氙、氪放射线发光弧光放电金属蒸汽（汞、钠、硫等）荧光灯复色荧光灯、单色荧光灯光致发光燃烧体蜡烛、煤油灯、煤气灯…化学反应半导体发光器件LED注入式场致发光激光光源氦-氖激光器受激辐射半导体激光器其它§1.3.2光电检测中常用光源注入式半导体激光器和它类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。只是它的结构公差没有激光器那么严格，而且无粒子数反转、谐振腔等条件要求。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。由于它的结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，所以在光电系统中应用得也极为普遍。发光二极管按发光波长来分，有红外发光二极管和可见光发光二极管两种。它们的结构原理都是类似的，下面着重以红外发光二极管为例作一介绍。6、半导体发光器件(LED)在电场作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件成为半导体器件，又称注入式场致发光光源，通常称为LED。

制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，N区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg，即λ＝1.24·eV/Eg（μm）由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。另外，有些材料由于组分和掺杂不同，例如，有的具有很复杂的能带结构，相应的还有间接跃迁辐射等，因此有各种各样的发光二极管。（1）发光二极管的发光原理外观图原理图器件符号（2）发光二极管的主要参数即使半导体器件也是发光器件，因此其工作参数有电学参数和光学参数，如正向电流、正向电压、功耗、响应时间、反向电压、反向电流等电学参数；辐射波长、光谱特性、发光亮度、光强分布等光学参数。材料光色峰值波长nmGaAs0.6P0.4红650GaAs0.15P0.85黄589GaP绿565GaAs红外910GaAsSi红外940GaN蓝、紫而目前最新的制程是用混合铝(Al)、钙(Ca)、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN的四元素材料制造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。1）伏安特性

通过发光二极管的电流与加到二极管两端电压之间的关系，称为发光二极管的伏安特性。图中，UT为开启电压。U＞UT时，二极管导通发光。U＜UT时，二极管截止不发光。UT的大小与材料、工艺等因素有关。一般GaAs管的UT约为1.3V；GaP管的UT约为2V；GaAsP管的UT约为1.6V；GaAlAs管的UT约为1.55V。

加反向电压时不发光，这时的电流称为反向饱和电流，当反向电压加至击穿电压（约为5~20V左右）的时候，电流突然增加，称为反向击穿。

发光二极管伏安特性曲线各种发光二极管发光出射度与电流密度的关系曲线2）发光亮度发光二极管的发光亮度，基本上是正比于电流密度的（上图给出的是各种发光二极管的光出射度与电流密度关系），由图可见，一般管的发光亮度都与电流密度成正比例，只有“GaP红”的发光亮度略有随电流密度的增加而趋于饱和的现象。亮度正比于电流密度这种性质，对于采用脉冲驱动的方式是很有利的，它可以在平均电流与直流电流相等的情况下，获得更高的亮度。（光通信上的应用）（3）发光二极管的主要特性3）光谱特性几种LED的光谱特性曲线

发光二极管所发出的光不是纯单色光，但是，除了激光外，它的谱线宽度都比其它光源所发出光的谱线窄。例如，砷化镓发光二极管的谱线宽度只有25nm。因此，可认为是单色光。其它发光二极管的光谱特性曲线示于上图。（3）发光二极管的主要特性4）温度特性（3）发光二极管的主要特性

发光电流与温度的关系曲线

温度对PN结的复合发光是有影响的，在偏置电压不变的情况下，结温升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度减弱，电流与温度的关系大致如上图所示。5）时间响应

这里说的时间响应，是指发光二极管启亮与熄灭时的时间延迟。发光二极管的响应时间很短，一般只有几纳秒至几十纳秒。当利用脉冲电流去驱动发光二极管时，应考虑到脉冲宽度、空度比与响应时间的关系。6）寿命

发光二极管的寿命都很长，在电流密度j＝1A/cm2的情况下，可达105h以上。不过，电流密度对二极管的寿命是有影响的，电流密度大时，发光亮度高，寿命就会很快缩短。7）配光曲线（3）发光二极管的主要特性7）配光曲线

与LED的结构、封装方式以及发光二极管前端装的透镜有关。有的发光二极管是有很强的指向性。（3）发光二极管的主要特性

上图为不同LED灯具之配光曲线比较，它们分别是NarrowAngle、Parabolic(抛物线型)、Batwing(蝠蝙翅状)三种配光曲线之灯具。（4）发光二极管的主要应用白色LED照明灯手电筒大屏显示器仪器仪表的指示灯交通信号灯汽车信号灯地砖灯装饰灯、礼品灯图5.4可以卷起来的显示器激光器是一种新型光源，和钨丝灯等常见光源相比，有许多突出的特点，例如，方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等。激光的发散角很小，只有几毫弧，激光束几乎就是一条直线。氦氖激光的谱线宽度，只有10-8nm，颜色非常纯。激光的产生和一般光不同，它的发光原子彼此间都密切联系着，各发光原子所发出的光，振动方向、频率、相位等都相同，因此具有良好的相干条件。激光的能量十分集中，一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm2·sr，比太阳表面的亮度还高若干倍。7、激光光源激光器LASER英文名称的含义是什么？激光发展简史1917年Einstein的理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受激吸收和受激辐射（按此模型推导出和实验完全符合的黑体辐射Planck公式），提出在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收，预示了有可能利用受激发射实现光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation—LASER

）理论工作指出：受激辐射光波与激励光波同相位、同方向、同频率、同偏振1954年汤斯(Townes)、巴索夫(Basov)、普洛霍洛夫(Prokhorov)利用原子、分子的受激辐射来放大电磁波的新概念，实现氨分子微波量子振荡器(Maser)--量子电子学1958年汤斯、肖洛(Schawlow)—尺度远大于波长的开放式光谐振腔（Fabry-Perot）布隆伯根（Bloembergen）利用光泵浦三能级原子系统实现粒子数反转分布1960年梅曼（Maiman）世界上第一台红宝石激光器1961年：He-Ne激光器、第一台调Q激光器、钕玻璃激光器1962年：砷化镓（GaAs）半导体激光器1963年：激光器的半经典理论1964年：氩离子（Ar+）激光器、二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器1965年：铌酸锂光参量振荡器1966年：固体锁模激光器、染料激光器1970年：准分子激光器1977年：红外波段的自由电子激光器激光器的组成与分类工作物质泵浦源谐振腔固体激光器（晶体和玻璃激光器）气体激光器（原子、离子、分子、准分子）液体激光器（化合物、无机液体、有机燃料）半导体激光器非稳定腔激光器共焦腔激光器平面腔激光器调Q激光器锁模激光器电泵浦激光器热泵浦激光器光泵浦激光器化学泵浦激光器核泵浦激光器太阳泵浦激光器气体激光器气体激光器的特点有单色性好，可长时间稳定工作，并且一般来说结构简单，造价低廉，使用操作方便等。因此通常用于要求

高度相干的系统中。最常用的气体激光源有：工作波长为632.8nm或1150nm的氦氖激光器，工作波长为10.6μm的二氧化碳激光器，工作波长为514.5nm或488nm的

亚离子激光器

。工作物质是氦氖混合气，利用气体电离的方法使粒子数反转。主要发光物质是氖气。但是如果只使用氖气，电离电压必须很高，所以要掺人适量的氦，首先使氦气电离，然后利用氦气电离时产生的电子去电离氖气。氦氖激光器能够发出三种波长的谱线，即0.6328μm、1.15μm、3.39μm；其中最常用的是波长为0.6328μm（桔红色）的激光。氦氖激光器

注入式半导体激光器的基本结构就是一个PN结，为产生激光。半导体要进行重掺杂，杂质浓度为1018～1019cm-3。在这样高的杂质浓度下，PN结的能带结构如上图a所示。当给PN结加以正电压（P端接高电位）时，PN结的能带则变为图b的形式。这时：电子要从N区向P区注入，空穴要从P区向N区注入。在结区，导带中电子的数目将超过价带中电子的数目，从而即实现了导带对于价带的粒子数反转。另外，作为激光器还要有谐振腔，它是利用半导体晶体的自然解理面来充当的。例如，砷化镓晶体是立方形的，有三组彼此垂直的晶面