光電技術(shù)總復(fù)習(xí)資料

1、第一章紫外區(qū) 可見(jiàn)光區(qū) 紅外區(qū) 光學(xué)譜區(qū)光子能量公式0.01m0.38m0.38m0.78 卩 m0.78m1000m0.01m1000mhc 1.24 =heV可見(jiàn)光光子的能量范圍為3.21.6eV ;太赫茲波303000卩m輻射度學(xué)是一門(mén)研究電磁輻射能測(cè)量的科學(xué)，輻射度量是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量。光度學(xué)是一門(mén)研究光度測(cè)量的科學(xué)，光度學(xué)量是描述光輻射能為平均人眼接收所引起的視覺(jué)刺激大小的強(qiáng)度。電磁波(Emission )輻射度量，Xe可見(jiàn)光(Visible light )光度量，Xv1. 輻射能Qe以輻射的形式發(fā)射、傳播或接受的能量。單位：J2. 輻射通量e單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某截面的

2、所有波長(zhǎng)的總電磁輻射量，又稱(chēng)輻射功率，是輻射能的時(shí)間變化率。單位： W :J/sGe =咀edt3.輻射強(qiáng)度 在給定方向上的立體角元內(nèi)，輻射源發(fā)出的輻射通量與立體角元之比 .d立體角：一個(gè)錐面所圍成的空間部分稱(chēng)為“立體角”表面上所截得的表面積和球半徑平方之比度量。以錐體的頂點(diǎn)為心作球面，錐體在球r計(jì)算輻射強(qiáng)度時(shí)注意三種情況:a所有方向上輻射強(qiáng)度都相同的點(diǎn)輻射源，有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量為:e=le 11b所有方向上輻射強(qiáng)度都相同的點(diǎn)輻射源，在空間所有方向上發(fā)射的輻射通量:e Fiec.各向異性的輻射源，其輻射強(qiáng)度隨方向而變化，即點(diǎn)輻射源在整個(gè)空間發(fā)射的輻射通量為：2 舟O =d（le 化日

3、bi n% 日.4輻射出度Me與輻射亮度LeM5. 輻射出度Me :單位面發(fā)出的輻射通量e dSd2edle6. 輻射亮度Le :垂直輻射方向上單位面積、單位立體角發(fā)出的輻射通量（日， ）=dScos dS dQ cos-光譜輻射量是該輻射量在波長(zhǎng) 入處的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的大小，又叫輻射量的光譜密度, 是輻射量隨波長(zhǎng)的變化率 。dz輻射度量與光度量間的換算關(guān)系發(fā)光強(qiáng)度單位一坎德拉(Candela)，記作cd,定義為555nm輻射光在給定方向上的輻射強(qiáng)度即入=555 nm時(shí)，有為1/683W/sr時(shí)，該方向的發(fā)光強(qiáng)度為led。Iv =1cd =1lm 1 W/srsr 683例1-1已知某He-N

4、e激光器的輸出功率為 3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少 lm ? 解 He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，它發(fā)出的光通量為.() = 683 V()()=683 0.24 3 10-3=0.492(lm)輻射度學(xué)與光度學(xué)的兩條基本定律1.輻射強(qiáng)度余弦定律“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”L= Io =1隨 iS cos日1 = 10 cos P2.距離平方反比定律E d Icosv dSd21.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1. 原子能級(jí)與晶體能帶1.價(jià)帶中電子，價(jià)電子不能參與導(dǎo)電2導(dǎo)帶中電子，自由電子 能參與導(dǎo)電3. 價(jià)電子-門(mén)白H子:要吸收能量本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體，又稱(chēng)I型

5、半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中可人為摻入少量雜質(zhì)包括N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：施主能級(jí)P型半導(dǎo)體：受主能級(jí)總結(jié)：N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子(多子)少數(shù)載流子(少子)特性N型施主雜質(zhì)電子空穴電子濃度nn空穴濃度pnP型受主雜質(zhì)空穴電子電子濃度np空穴濃度pp1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡態(tài)一個(gè)不受外界影響的封閉系統(tǒng)，其狀態(tài)參量(如溫度、載流子濃度等)與時(shí)間無(wú)關(guān)的狀態(tài)稱(chēng)為熱平衡態(tài)。載流子的分布導(dǎo)帶中電子的濃度價(jià)帶中空穴的濃度載流子的分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為：11 exp(EkTEf)Ef費(fèi)米能級(jí)E書(shū)Ef的意義是電子占

6、據(jù)率為fn (E) = 0.550%時(shí)所對(duì)應(yīng)的能級(jí)1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收(x)= 0(1 r)e- a x本征吸收：光子能量足夠大，價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶卩為消光系數(shù)hc 1.24 0 :EgE JmEg產(chǎn)生電子一空穴對(duì)非本征吸收：收、激子吸收、晶格吸收光子能量不足以使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸hc 1.24hc m 或 0：Ed .但: Ea1.24Ea(im1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子產(chǎn)生：-使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng) 復(fù)合：使非平衡載流子濃度減小的運(yùn)動(dòng) 2.非平衡載流子的壽命0 td p(t)0 d p(t)2.非平衡載流子的壽命1/(rn。)T c的物理

7、意義： 表征復(fù)合的強(qiáng)弱 T C決定線性光電導(dǎo)探測(cè)器的時(shí)間特性 T C的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜及缺陷等因素有關(guān)。T C的適應(yīng)條件：本征吸收和雜質(zhì)吸收，弱注入1.2.5載流子的擴(kuò)散與漂移1. 擴(kuò)散載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散。2. 漂移載流子受電場(chǎng)作用所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移。1)PN結(jié)的形成濃度差異，擴(kuò)散，形成：離子區(qū) 耗盡區(qū)(結(jié)電場(chǎng))，漂移，擴(kuò)散=漂移。 一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí) 黑體輻射和光輻射源 能夠在任何溫度下全部吸收所有波長(zhǎng)輻射的物體叫絕對(duì)黑體-簡(jiǎn)稱(chēng)黑體擴(kuò)散系數(shù)電子遷移率 空間電荷區(qū)D和擴(kuò)散長(zhǎng)度L內(nèi)建電場(chǎng)Meb( ,T)(，T) Eeb( ,T)1基爾霍夫定律

8、2.普朗克輻射定律 3.維恩位移定律4.斯蒂芬一玻爾茲曼定律 普朗克輻射公式-光譜輻射能分布 維恩位移定律-峰值波長(zhǎng) 斯蒂芬-玻爾茲曼定律總輻射出度 必須滿(mǎn)足上述三個(gè)激光產(chǎn)生的條件：發(fā)光二極管（Light Emitting Diode ,簡(jiǎn)稱(chēng)LED）和半導(dǎo)體激光器（laser Diode,簡(jiǎn)稱(chēng)LD） 都屬于發(fā)光器件，都采用pn結(jié)或異質(zhì)結(jié)的注入式場(chǎng)致發(fā)光的方法發(fā)光。它們之間的主要區(qū)別是：發(fā)光二極管靠注入的載流子自發(fā)復(fù)合的自發(fā)輻射，發(fā)射的是非相干光；而半導(dǎo)體激光器靠受激輻射，發(fā)射的是相干光，光的單色性、方向性和亮度等都比發(fā)光二極管的好得多。與其它發(fā)光器件相比，半導(dǎo)體發(fā)光器件具有體積小、工作電壓低、

9、功耗低、機(jī)械性 能好、調(diào)制方便等優(yōu)點(diǎn)。因而有著廣闊的應(yīng)用前景，目前主要用在信息的傳遞、處理、存貯 和顯示方面。LED多用于各種儀器儀表的指示器，數(shù)字、文字及其它符號(hào)的顯示，光通信、 精密測(cè)距及其它物理檢測(cè)的光源。LD在通信、測(cè)距、光集成、信息的存貯和處理等方面具有重要的應(yīng)用?？墒沁@兩類(lèi)器件，目前還存在發(fā)光效率低、成本高、壽命還不夠長(zhǎng)等缺點(diǎn)， 尚待進(jìn)一步研究解決。第二章2.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 光電效應(yīng)：入射光輻射與光電材料中的電子相互作用，改變電子的能量狀態(tài)，從而引起各種電學(xué)參量的變化。包括：光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光電子發(fā)射效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)利用光電效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱(chēng)為光子探測(cè)器

10、，如光電導(dǎo)探測(cè)器、 光伏探測(cè)器、光電子發(fā)射探測(cè)器等。1光電導(dǎo)效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的變化，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。2光伏效應(yīng)PN結(jié)受到光照時(shí)，可在 PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象則稱(chēng)為光伏效應(yīng)。3.光電子發(fā)射效應(yīng) 金屬或半導(dǎo)體受到光照時(shí)，電子從材料表面逸出這一現(xiàn)象稱(chēng)為光電發(fā)射效應(yīng)。又稱(chēng)外光電效應(yīng)。逸出物質(zhì)表面的電子叫做光電子。真空能級(jí)E0電磁真空中靜止電子能量（體外自由電子最小能量）2.2光電探測(cè)器的噪聲噪聲的表示方法用均方噪聲探測(cè)器的噪聲1 .熱噪聲（Johnson噪聲）2.散粒噪聲 3.產(chǎn)生復(fù)合噪聲4. 1/f噪聲5 .溫度噪聲

11、1.熱噪聲（Johnson噪聲）（白噪聲） 熱噪聲是由于載流子的 熱運(yùn)動(dòng)而引起電流或電壓的隨機(jī)起伏。24 kT ： f 2-inr = ,Unr = 4kT 也 fRR2. 散粒噪聲（Shot噪聲）光電探測(cè)器的散粒噪聲是由于探測(cè)器在光輻射作用或熱激發(fā)下引起光電子或載流子的隨機(jī)起伏。ns2el f3 .產(chǎn)生復(fù)合噪聲又稱(chēng)為g r噪聲半導(dǎo)體器件中由于載流子的產(chǎn)生與復(fù)合而引起的平均載流子濃度的隨機(jī)起伏。ijg廠 4M fl總的平均電流；M為光電增益4. 1/f 噪聲1/f噪聲通常又稱(chēng)為電流噪聲也稱(chēng)為閃爍噪聲或過(guò)剩噪聲5. 溫度噪聲熱探測(cè)器中由于器件本身吸收和傳導(dǎo)等的熱交換引起的溫度起伏2.3光探測(cè)器的

12、特性參數(shù)光電特性是指電學(xué)參量與光輻射參量之間的函數(shù)關(guān)系。靈敏度是表征探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)能力的特性參數(shù)，又稱(chēng)為響應(yīng)度（率）UClSu =Sl :靈敏度是表征探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)能力的特性參數(shù)，又稱(chēng)為響應(yīng)率。SU（入）或Sl（入）隨波長(zhǎng)入的變化關(guān)系稱(chēng)為探測(cè)器的光譜特性（曲線） 。 靈敏度與量子效率S()二= M = M ( ) hv hc3. 噪聲等效功率NEP 二)愈大愈好-習(xí)慣cm Hz1/2/W當(dāng)探測(cè)器輸出的信號(hào)電流l （或電壓U）等于探測(cè)器本身的噪聲電流 （或電壓）均方根值時(shí)，入射到探測(cè)器上的信號(hào)輻射通量稱(chēng)為噪聲等效功率（簡(jiǎn)稱(chēng)NEP）噪聲等效功率-又稱(chēng)為最小可探測(cè)功率

13、4. 比探測(cè)率D NEP用單位帶寬和單位面積的噪聲電流來(lái)衡量探測(cè)器的探測(cè)能力第三章光電導(dǎo)探測(cè)器本征型 硫化鎘CdS碲鎘汞Hg1-xCdxTe 銻化銦InSb 硫化鉛PbS雜質(zhì)型鍺摻汞Ge： Hg鍺摻銅Ge： Cu 鍺摻鋅Ge： Zn 硅摻砷 Si: As本征型光敏電阻：hc1.240 /、0 =(um)EgEg雜質(zhì)型光敏電阻：hc1.24/、(um)EE無(wú)光時(shí)：Ap(t) = g ce c光照時(shí):巾(t)二 g c(1 一 畀 c)(1 )響應(yīng)時(shí)間(上升時(shí)間)等于載流子壽命且為常數(shù)(2) 穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo) 與產(chǎn)生率成線性關(guān)系，即 與輻射通量成正比光電導(dǎo)探測(cè)器平均光電流u e規(guī) iP . 2 n cl

14、z hv由此可得到兩個(gè)結(jié)論：(1).光電導(dǎo)探測(cè)器為受控恒流源(2).光電導(dǎo)探測(cè)器光敏面做成蛇形光電阻Rp0-平均光照時(shí)光敏電阻的阻值光電阻Rp0上的分電壓。使用條件：光通量變化較小光敏電阻的光電流與入射光通量（光照度）之間的關(guān)系稱(chēng)光電特性Ip 二 SgU強(qiáng)光一一丫為0.5弱光丫為1a為電壓指數(shù)，1Sg比例系數(shù)，與材料有關(guān)弱光線性（測(cè)量）強(qiáng)光非線性（控制）光電導(dǎo)探測(cè)器總的響應(yīng)時(shí)間由探測(cè)器本身響應(yīng)時(shí)間決定，與外接負(fù)載電阻大小無(wú)關(guān)。光敏電阻噪聲：減小噪聲途徑:.2 _ .2.2.2i n - inringrInf4kTfR4eMI fcP f廠光調(diào)制技術(shù)致冷合理偏置電路（1）光電導(dǎo)器件在方波輻射的作

15、用下，其上升時(shí)間大于下降時(shí)間。（F ）（2）在測(cè)量某光電導(dǎo)器件的 丫值時(shí)，背景光照越強(qiáng)，其 丫值越小。（T ）（3）光敏電阻的恒壓偏置電路比恒流偏置電路的電壓靈敏度要高一些。（F ）（4） 光敏電阻的阻值與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度升高光敏電阻的阻值也隨之升高。（F ）第四章光伏效應(yīng)：光照使不均勻的半導(dǎo)體或者均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴在空間分開(kāi)而產(chǎn)生電勢(shì)差的現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)。光伏探測(cè)器：利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件稱(chēng)為光伏探測(cè)器，簡(jiǎn)稱(chēng)PV （ Photovoltaic ）探測(cè)器，也稱(chēng)結(jié)型光電器件。常見(jiàn)的光伏探測(cè)器1. 光電池2.光電二極管3.光電三極管4. PIN管5.雪崩二極管4)反向電流I 二 I

16、。eeU /kT - 1 - Ip- Ip暗電流的影響：1弱光的測(cè)量2增大散粒噪聲暗電流減小方法：1降低溫度2偏壓為零或?yàn)樨?fù)等效電路 （意義：分析與計(jì)算）等效電路的簡(jiǎn)化圖負(fù)載電阻RLTH,光伏探測(cè)器兩端的電壓稱(chēng)為開(kāi)路電壓kTUo廠ln（lp/l。1）eUo廠 Utln( SE/I。)負(fù)載電阻RL=0，Isc =流過(guò)光伏探測(cè)器稱(chēng)為短路電流光伏探測(cè)器的噪聲主要包括器件中的散粒噪聲和熱噪聲。i： =2e(lp Id) f4；蘭信噪比rli2i2SNR =丄=p-i2c八丄,、山丄4kT也fin 2e(lp+人疋f + rl噪聲等效功率6.響應(yīng)時(shí)間和頻率特性.eHC2 n e424 PIN光電二極管在

17、摻雜濃度很高的 P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層較厚的高阻本征半導(dǎo)體I結(jié)電容變得更小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達(dá)10GHz ；線性輸出范圍寬PIN和APD比較APD具有高靈敏度，其內(nèi)增益能大大降低對(duì)前置放大器的要求，但需要上百伏的高壓供電。當(dāng)入射光功率在nW到1卩W時(shí)，光電特性的線性度較好， 但當(dāng)入射功率較大時(shí)，M值下降, 導(dǎo)致電流畸變。第五章光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受到光照時(shí)，電子從材料表面逸出這一現(xiàn)象稱(chēng)為光電發(fā)射效應(yīng)。光電子發(fā)射探測(cè)器利用光電發(fā)射效應(yīng)制成的器件叫光電子發(fā)射探測(cè)器。具有外光電效應(yīng)的材料光電子發(fā)射體光電子發(fā)射探測(cè)器中的光電子發(fā)射體又稱(chēng)為光電陰極良好光電發(fā)射材料應(yīng)具備的條件：光吸收系

18、數(shù)大；光電子在體內(nèi)傳輸過(guò)程中的能量損失小;表面勢(shì)壘低，使表面逸出幾率大。2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極入射光陰極(a)結(jié)構(gòu)(b)工作電路522光電倍增管結(jié)構(gòu)：光窗光電陰極電子光學(xué)系統(tǒng)(電子透鏡)電子倍增系統(tǒng)陽(yáng)極內(nèi)增益極高一一倍增原理 入射光照射到光電陰極 K上，發(fā)射光電子，經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng) 加速、聚焦到倍增極上，發(fā)射出多個(gè)二次電子；電子經(jīng)n級(jí)倍增極，形成放大的陽(yáng)極電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生放大的信號(hào)輸出。1.靈敏度靈町光參數(shù)9.噪聲與噪聲等效功率陽(yáng)極散粒噪聲=陰極散粒噪聲+各級(jí)散粒噪聲噪聲等效功率利用光熱效應(yīng)(Photothermal Effect )制作的器件稱(chēng)為熱探測(cè)器，也稱(chēng)熱電探測(cè)器 熱探測(cè)器的特點(diǎn)：

19、優(yōu)點(diǎn)：1. 無(wú)需制冷2. 光譜特性的響應(yīng)范圍寬且平坦缺點(diǎn)：1響應(yīng)率較低2響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)熱釋電探測(cè)器緩解了這一矛盾！1. 熱流方程:二 CH d(T) G ATdtCH 熱容量，探測(cè)器的溫度升高1K所需吸收的熱量，單位J/KW/KG熱導(dǎo)，表征探測(cè)器與環(huán)境熱交換程度，與環(huán)境、器件封裝等因素有關(guān)，單位2. 溫度靈敏度G = d e/dT = 4人Gr溫度噪聲均方值W2 =4GkT2 訐3.熱探測(cè)器的噪聲等效功率NEP 二：州/ ：二.16Ark fT5/：A - f1/2D*(cm Hz /W)NEP6.2測(cè)輻射熱計(jì)熱探測(cè)器：吸收輻射 一A T某個(gè)量變化一測(cè)量 吸收輻射一溫升-電阻變化Bolometer“丄迥Rt dT又稱(chēng)為熱敏電阻熱敏電阻溫度變化 1K時(shí)電阻值的變化率(電阻-溫度系數(shù))6.3 熱電偶和熱電堆 熱探測(cè)器：吸收輻射一T某個(gè)量變化一測(cè)量 熱電偶（Thermocouple ）是利用 溫差電效應(yīng) 制作的探測(cè)器又稱(chēng)為溫差電偶熱電堆（The