第一章-光电检测应用中的基础知识

1、光电检测技术,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

2、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

3、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

4、 10纳米1毫米（频率3*1011 3*1016 HZ)范围的电磁辐射,(100380nm),(380780nm),（10100nm),(780nm1mm),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

5、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：,-表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量。面元 dS 在方向的光亮度定义为： 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

6、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,（二）光度学量,七个基本物理量

7、之一,-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)。,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辐射能，或单位表面积接受的光通量。,5、辐照度,单位：lm/m2,

8、- 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,对于沿各方向均匀辐射的点源,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,发光强度I 与方向角满足余弦定律的发光体。大部分发光体都有此性质,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

9、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

10、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

11、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.响应率,电压响应率(V/w)：,电压/单色辐射通量,电流/单色辐射通量,电流 响应率(A/w)：,1.4.2 光电探测器的特性参数,探测器的输出信号电压/探测器接收的所有波长光的总辐射通量,探测器输出的信号电流/探测器接收的所有波长光的总辐射通量,电压光谱灵敏度：,2.光谱响应率,电流光谱灵敏度：,4、探测度D与比探测度D*,3、等效噪声功率,如果探测器所接收到的辐射功率所引起的信号输出，正好等于探测器本身产生的噪声，则探测器此时所接收到的辐射功率称为等效噪声功率又称为最小