光電技術(shù)總復(fù)習(xí)

1、第一章紫外區(qū) 0.01m0.38m可見光區(qū) 0.38m0.78m紅外區(qū) 0.78m1000m光學(xué)譜區(qū)0.01m1000m光子能量公式 可見光光子的能量范圍為3.21.6eV ；太赫茲波303000m輻射度學(xué)是一門研究電磁輻射能測量的科學(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)是一門研究光度測量的科學(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刺激大小的強(qiáng)度。電磁波（Emission ） 輻射度量， Xe 可見光（Visible light ）光度量， Xv 1輻射能Qe 以輻射的形式發(fā)射、傳播或接受的能量。單位： J 2輻射通量e 單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的所有波長的總電磁輻射

2、量，又稱輻射功率，是輻射能的時(shí)間變化率。單位：WJ/s 3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 立體角：一個(gè)錐面所圍成的空間部分稱為“立體角”。以錐體的頂點(diǎn)為心作球面，錐體在球表面上所截得的表面積和球半徑平方之比度量。 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：b.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： c. 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：.4 輻射出度Me與輻射亮度Le5 輻射出度Me ：單位面發(fā)出的輻射通量 6. 輻

3、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 光譜輻射量是該輻射量在波長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。輻射度量與光度量間的換算關(guān)系 發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉（Candela），記作cd, 定義為555nm輻射光在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr時(shí)，該方向的發(fā)光強(qiáng)度為1cd。即=555 nm時(shí)，有例1- 已知某He-Ne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” 2 距離平方反比

4、定律 1.2 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-自由電子， 要吸收能量本征半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，又稱I型半導(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pn P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

5、量（如溫度、載流子濃度等）與時(shí)間無關(guān)的狀態(tài)稱為熱平衡態(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： Ef費(fèi)米能級(jí) Ef的意義是電子占據(jù)率為50%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(1r)e-x 為消光系數(shù)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 產(chǎn)生電子空穴 對(duì)非本征吸收：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、自由載流子吸收、激子吸收、晶格吸收 .1.2.4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

6、子的壽命 2. 非平衡載流子的壽命 c的物理意義： 表征復(fù)合的強(qiáng)弱c決定線性光電導(dǎo)探測器的時(shí)間特性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)。 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)稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散系數(shù)D和擴(kuò)散長度L 2漂移 載流子受電場作用所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移。 電子遷移率 1)PN結(jié)的形成 濃度差異，擴(kuò)散，形成：離子區(qū) 耗盡區(qū) 空間電荷區(qū) ， 內(nèi)建電場 (結(jié)電場)， 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輻射的物體叫絕對(duì)黑體簡稱黑體1.基爾霍

7、夫定律 2普朗克輻射定律3維恩位移定律4斯蒂芬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(gè)激光產(chǎn)生的條件： 發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，簡稱LED)和半導(dǎo)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(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、功耗低、機(jī)

8、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(yīng)用。可是這兩類器件，目前還存在發(fā)光效率低、成本高、壽命還不夠長等缺點(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)制成的光電探測器稱為光子探測器，如光電導(dǎo)探測器、

9、光伏探測器、光電子發(fā)射探測器等。 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)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)。 又稱外光電效應(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(fù)合噪聲 41/f 噪聲 5溫度噪聲

10、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。 2. 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(jī)起伏 。 3 產(chǎn)生復(fù)合噪聲又稱為gr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。 I總的平均電流；M為光電增益 41/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(dǎo)等的熱交換引起的溫度起伏 。2.3 光探測器的特性參數(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。靈敏度是表征探測器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電

11、信號(hào)能力的特性參數(shù)，又稱為響應(yīng)度（率）。 靈敏度是表征探測器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)能力的特性參數(shù)，又稱為響應(yīng)率。 SU()或SI()隨波長的變化關(guān)系稱為探測器的光譜特性（曲線）。 靈敏度與量子效率3 噪聲等效功率 當(dāng)探測器輸出的信號(hào)電流I (或電壓U)等于探測器本身的噪聲電流(或電壓)均方根值時(shí)，入射到探測器上的信號(hào)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4比探測率 愈大愈好習(xí)慣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3章 光電導(dǎo)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

12、摻銅Ge：Cu 鍺摻鋅Ge：Zn 硅摻砷Si：As本征型光敏電阻：雜質(zhì)型光敏電阻：光照時(shí)：無光時(shí)：（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)探測器平均光電流 ：由此可得到兩個(gè)結(jié)論：(1). 光電導(dǎo)探測器為受控恒流源 (2). 光電導(dǎo)探測器光敏面做成蛇形 光電阻Rp0-平均光照時(shí) 光敏電阻的阻值U- 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)系稱光電特性 .強(qiáng)光為0.5弱光為1為電壓指數(shù)，1 Sg比例系數(shù)，與材料有關(guān) 弱光線性（測量） 強(qiáng)光非線性（控制） 光電導(dǎo)探測

13、器總的響應(yīng)時(shí)間由探測器本身響應(yīng)時(shí)間決定 ，與外接負(fù)載電阻大小無關(guān)。光敏電阻噪聲：減小噪聲途徑：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用下，其上升時(shí)間大于下降時(shí)間。( F ) (2)在測量某光電導(dǎo)器件的值時(shí)，背景光照越強(qiáng)，其值越小。( 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而產(chǎn)生電勢(shì)差的現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。 光伏探測器：利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件稱為光伏探測器，簡稱PV（Ph

14、otovoltaic）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) 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?yàn)樨?fù)等效電路 （意義：分析與計(jì)算） 負(fù)載電阻RL，光伏探測器兩端的電壓稱為開路電壓 負(fù)載電阻RL=0，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。 信噪比 噪聲等效功率 6. 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 4.2.4 PIN光電二極管在摻雜濃度很高的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

15、，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1W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)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)。 光電子發(fā)射探測器利用光電發(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(yīng)具備的條件：光吸收系數(shù)大；光電子在體內(nèi)傳輸過程中的能量損失??；表面勢(shì)壘低，使表面逸出幾率大。2. 負(fù)電子親和

16、勢(shì)陰極 5.2.2 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) 陽極 內(nèi)增益極高倍增原理 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，形成放大的陽極電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生放大的信號(hào)輸出。 1靈敏度9噪聲與噪聲等效功率 陽極散粒噪聲=陰極散粒噪聲+各級(jí)散粒噪聲噪聲等效功率: 第六章利用光熱效應(yīng)（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(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： 1. 無需制冷 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)間較長熱釋電

17、探測器緩解了這一矛盾！1. 熱流方程CH熱容量，探測器的溫度升高1K所需吸收的熱量，單位J/KG熱導(dǎo)，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(guān)，單位 W/K2. 溫度靈敏度 溫度噪聲均方值 3. 熱探測器的噪聲等效功率6.2 測輻射熱計(jì)熱探測器：吸收輻射T某個(gè)量變化測量 吸收輻射溫升-電阻變化Bolometer 又稱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器： 吸收輻射T某個(gè)量變化測量熱電偶（Thermocouple）是利用溫差電效應(yīng)制作的探測器又稱為溫差電偶熱電堆（Thermopile）是由熱電偶串聯(lián)而成 又稱為溫差電堆第七章

18、光電成像器件光電成像器件是一類能夠輸出圖像信息（圖像或視頻信號(hào)）的功能器件，也稱光電圖像傳感器 。像管 沒有掃描機(jī)構(gòu)，不輸出電視信號(hào)，可以象望遠(yuǎn)鏡一樣直接觀測物體。攝像管 圖像電視信號(hào)還原圖像1. 掃描 圖像的分割與象素 將光電圖像分割為很多細(xì)小的單元，稱為像素一行：水平掃描一場：垂直掃描一幀：掃描點(diǎn)從起始點(diǎn)出發(fā)再次回到該點(diǎn)，輸出的全部圖像信息稱為一幀。 逐行掃描方式 根據(jù)人眼視覺時(shí)間特性，無閃爍顯示活動(dòng)圖象要高于48次/秒場頻隔行掃描方式 根據(jù)視覺時(shí)間特性，無閃爍地顯示活動(dòng)圖象要高于48次/秒的刷新速率 正程和逆程行正程 場正程 顯 示信 息行逆程 場逆程 消 隱像管基本結(jié)構(gòu)原理 光電變換部分 電子光學(xué)部分 電光變換部分 變像管 不可見光圖像 可見光圖像像增強(qiáng)器 像增強(qiáng)器 亮度低圖像 亮度高圖像7