光電技術(shù)總復習資料

1、第一章紫外區(qū) 可見光區(qū) 紅外區(qū) 光學譜區(qū)光子能量公式0.01m0.38m0.38m0.78 卩 m0.78m1000m0.01m1000mhc 1.24 =heV可見光光子的能量范圍為3.21.6eV ;太赫茲波303000卩m輻射度學是一門研究電磁輻射能測量的科學，輻射度量是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量。光度學是一門研究光度測量的科學，光度學量是描述光輻射能為平均人眼接收所引起的視覺刺激大小的強度。電磁波(Emission )輻射度量，Xe可見光(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單位時間內(nèi)通過某截面的

2、所有波長的總電磁輻射量，又稱輻射功率，是輻射能的時間變化率。單位： W :J/sGe =咀edt3.輻射強度 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：一個錐面所圍成的空間部分稱為“立體角”表面上所截得的表面積和球半徑平方之比度量。以錐體的頂點為心作球面，錐體在球r計算輻射強度時注意三種情況:a所有方向上輻射強度都相同的點輻射源，有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量為:e=le 11b所有方向上輻射強度都相同的點輻射源，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，其輻射強度隨方向而變化，即點輻射源在整個空間發(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 入處的單位波長間隔內(nèi)的大小，又叫輻射量的光譜密度, 是輻射量隨波長的變化率 。dz輻射度量與光度量間的換算關系發(fā)光強度單位一坎德拉(Candela)，記作cd,定義為555nm輻射光在給定方向上的輻射強度即入=555 nm時，有為1/683W/sr時，該方向的發(fā)光強度為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)輻射度學與光度學的兩條基本定律1.輻射強度余弦定律“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半導體的基礎知識1. 原子能級與晶體能帶1.價帶中電子，價電子不能參與導電2導帶中電子，自由電子 能參與導電3. 價電子-門白H子:要吸收能量本征半導體結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導體稱為本征半導體，又稱I型

5、半導體。雜質(zhì)半導體半導體中可人為摻入少量雜質(zhì)包括N型半導體和P型半導體N型半導體：施主能級P型半導體：受主能級總結(jié)：N型半導體與P型半導體的比較半導體所摻雜質(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)與時間無關的狀態(tài)稱為熱平衡態(tài)。載流子的分布導帶中電子的濃度價帶中空穴的濃度載流子的分布服從費米統(tǒng)計分布規(guī)律熱平衡條件下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為：11 exp(EkTEf)Ef費米能級E書Ef的意義是電子占

6、據(jù)率為fn (E) = 0.550%時所對應的能級1.2.3半導體對光的吸收(x)= 0(1 r)e- a x本征吸收：光子能量足夠大，價帶中的電子激發(fā)到導帶卩為消光系數(shù)hc 1.24 0 :EgE JmEg產(chǎn)生電子一空穴對非本征吸收：收、激子吸收、晶格吸收光子能量不足以使價帶中的電子激發(fā)到導帶，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動 復合：使非平衡載流子濃度減小的運動 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： 表征復合的強弱 T C決定線性光電導探測器的時間特性 T C的大小與材料的微觀復合結(jié)構(gòu)、摻雜及缺陷等因素有關。T C的適應條件：本征吸收和雜質(zhì)吸收，弱注入1.2.5載流子的擴散與漂移1. 擴散載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運動稱為擴散。2. 漂移載流子受電場作用所發(fā)生的運動稱為漂移。1)PN結(jié)的形成濃度差異，擴散，形成：離子區(qū) 耗盡區(qū)(結(jié)電場)，漂移，擴散=漂移。 一個平衡系統(tǒng)只能有一個費米能級 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輻射的物體叫絕對黑體-簡稱黑體擴散系數(shù)電子遷移率 空間電荷區(qū)D和擴散長度L內(nèi)建電場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 斯蒂芬-玻爾茲曼定律總輻射出度 必須滿足上述三個激光產(chǎn)生的條件：發(fā)光二極管（Light Emitting Diode ,簡稱LED）和半導體激光器（laser Diode,簡稱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)復合的自發(fā)輻射，發(fā)射的是非相干光；而半導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，半導體發(fā)光器件具有體積小、工作電壓低、

9、功耗低、機械性 能好、調(diào)制方便等優(yōu)點。因而有著廣闊的應用前景，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、文字及其它符號的顯示，光通信、 精密測距及其它物理檢測的光源。LD在通信、測距、光集成、信息的存貯和處理等方面具有重要的應用?？墒沁@兩類器件，目前還存在發(fā)光效率低、成本高、壽命還不夠長等缺點， 尚待進一步研究解決。第二章2.1半導體的光電效應 光電效應：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)，從而引起各種電學參量的變化。包括：光電導效應、光伏效應、光電子發(fā)射效應、光子牽引效應和光磁電效應利用光電效應制成的光電探測器稱為光子探測器

10、，如光電導探測器、 光伏探測器、光電子發(fā)射探測器等。1光電導效應 當半導體材料受光照時，由于對光子的吸收引起載流子濃度的變化，因而導致材料電導率變化，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。2光伏效應PN結(jié)受到光照時，可在 PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應。3.光電子發(fā)射效應 金屬或半導體受到光照時，電子從材料表面逸出這一現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應。又稱外光電效應。逸出物質(zhì)表面的電子叫做光電子。真空能級E0電磁真空中靜止電子能量（體外自由電子最小能量）2.2光電探測器的噪聲噪聲的表示方法用均方噪聲探測器的噪聲1 .熱噪聲（Johnson噪聲）2.散粒噪聲 3.產(chǎn)生復合噪聲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 熱運動而引起電流或電壓的隨機起伏。24 kT ： f 2-inr = ,Unr = 4kT 也 fRR2. 散粒噪聲（Shot噪聲）光電探測器的散粒噪聲是由于探測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起伏。ns2el f3 .產(chǎn)生復合噪聲又稱為g r噪聲半導體器件中由于載流子的產(chǎn)生與復合而引起的平均載流子濃度的隨機起伏。ijg廠 4M fl總的平均電流；M為光電增益4. 1/f 噪聲1/f噪聲通常又稱為電流噪聲也稱為閃爍噪聲或過剩噪聲5. 溫度噪聲熱探測器中由于器件本身吸收和傳導等的熱交換引起的溫度起伏2.3光探測器的

12、特性參數(shù)光電特性是指電學參量與光輻射參量之間的函數(shù)關系。靈敏度是表征探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換成電信號能力的特性參數(shù)，又稱為響應度（率）UClSu =Sl :靈敏度是表征探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換成電信號能力的特性參數(shù)，又稱為響應率。SU（入）或Sl（入）隨波長入的變化關系稱為探測器的光譜特性（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-習慣cm Hz1/2/W當探測器輸出的信號電流l （或電壓U）等于探測器本身的噪聲電流 （或電壓）均方根值時，入射到探測器上的信號輻射通量稱為噪聲等效功率（簡稱NEP）噪聲等效功率-又稱為最小可探測功率

13、4. 比探測率D NEP用單位帶寬和單位面積的噪聲電流來衡量探測器的探測能力第三章光電導探測器本征型 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無光時：Ap(t) = g ce c光照時:巾(t)二 g c(1 一 畀 c)(1 )響應時間(上升時間)等于載流子壽命且為常數(shù)(2) 穩(wěn)態(tài)光電導 與產(chǎn)生率成線性關系，即 與輻射通量成正比光電導探測器平均光電流u e規(guī) iP . 2 n cl

14、z hv由此可得到兩個結(jié)論：(1).光電導探測器為受控恒流源(2).光電導探測器光敏面做成蛇形光電阻Rp0-平均光照時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）之間的關系稱光電特性Ip 二 SgU強光一一丫為0.5弱光丫為1a為電壓指數(shù)，1Sg比例系數(shù)，與材料有關弱光線性（測量）強光非線性（控制）光電導探測器總的響應時間由探測器本身響應時間決定，與外接負載電阻大小無關。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）光電導器件在方波輻射的作

15、用下，其上升時間大于下降時間。（F ）（2）在測量某光電導器件的 丫值時，背景光照越強，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，溫度升高光敏電阻的阻值也隨之升高。（F ）第四章光伏效應：光照使不均勻的半導體或者均勻半導體中光生電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象稱為光伏效應。光伏探測器：利用半導體光伏效應制作的器件稱為光伏探測器，簡稱PV （ Photovoltaic ）探測器，也稱結(jié)型光電器件。常見的光伏探測器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偏壓為零或為負等效電路 （意義：分析與計算）等效電路的簡化圖負載電阻RLTH,光伏探測器兩端的電壓稱為開路電壓kTUo廠ln（lp/l。1）eUo廠 Utln( SE/I。)負載電阻RL=0，Isc =流過光伏探測器稱為短路電流光伏探測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.響應時間和頻率特性.eHC2 n e424 PIN光電二極管在

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

18、數(shù)大；光電子在體內(nèi)傳輸過程中的能量損失小;表面勢壘低，使表面逸出幾率大。2. 負電子親和勢陰極入射光陰極(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系統(tǒng)(電子透鏡)電子倍增系統(tǒng)陽極內(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)電子光學系統(tǒng) 加速、聚焦到倍增極上，發(fā)射出多個二次電子；電子經(jīng)n級倍增極，形成放大的陽極電流，在負載RL上產(chǎn)生放大的信號輸出。1.靈敏度靈町光參數(shù)9.噪聲與噪聲等效功率陽極散粒噪聲=陰極散粒噪聲+各級散粒噪聲噪聲等效功率利用光熱效應(Photothermal Effect )制作的器件稱為熱探測器，也稱熱電探測器 熱探測器的特點：

19、優(yōu)點：1. 無需制冷2. 光譜特性的響應范圍寬且平坦缺點：1響應率較低2響應時間較長熱釋電探測器緩解了這一矛盾！1. 熱流方程:二 CH d(T) G ATdtCH 熱容量，探測器的溫度升高1K所需吸收的熱量，單位J/KW/KG熱導，表征探測器與環(huán)境熱交換程度，與環(huán)境、器件封裝等因素有關，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.熱探測器的噪聲等效功率NEP 二：州/ ：二.16Ark fT5/：A - f1/2D*(cm Hz /W)NEP6.2測輻射熱計熱探測器：吸收輻射 一A T某個量變化一測量 吸收輻射一溫升-電阻變化Bolometer“丄迥Rt dT又稱為熱敏電阻熱敏電阻溫度變化 1K時電阻值的變化率(電阻-溫度系數(shù))6.3 熱電偶和熱電堆 熱探測器：吸收輻射一T某個量變化一測量 熱電偶（Thermocouple ）是利用 溫差電效應 制作的探測器又稱為溫差電偶熱電堆（The