《光電檢測技術(shù)》總復(fù)習.ppt

1、課程:光電檢測原理與技術(shù) 主選教材：光電檢測技術(shù) 作者：雷玉堂、王慶友 主講：徐志潔,主要講述：分五部分（48學時） 一、光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)、概論 (2學時) 第一章 二、各類光電與電光器件 (6學時) 第二五章 *三、檢測電路與微機接口(14學時) 六七章 復(fù)習（1學時） 期中考試（1學時） *四、光電變換檢測技術(shù)與方法 (18學時) 第八九章 五、典型應(yīng)用 (2學時) 第十章 總復(fù)習（2學時） 習題課：（2學時）,概述： （ 0.5學時） 一、 輻射度量與光度量（ 0.3 學時） 二、 半導體物理基礎(chǔ) （1 學時） 三、光電效應(yīng) （ 0.2 學時）,第一部分 光電檢測技術(shù)基礎(chǔ) （2 學時）,

2、一、 輻射度量與光度量 （一）光輻射度量 輻射是一種能的形式。它有電磁本質(zhì)，又具有量子性質(zhì)。輻射能及其引起的特性以能量或有效的物理量來測量。,（二）光譜輻射度量 為了表征輻射，不僅要知道輻射的總通量，還應(yīng)知道其光譜成分。光源發(fā)出的光往往由許多波長的光組成。 引入光譜輻射度量：表示單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。即 在到+d 間隔內(nèi)， 光譜輻射度量= 輻射度量/ d ,（三）光度量 光度量是基于人眼視覺的光學參量，是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強度值。 光通量= 單位：流明（lm） 式中，Km為輻射度量與光度量間的比例系數(shù)，V()為人眼的光譜光視效率。 Km= 683 流明/瓦， 它表示在= 555nm、

3、V()=1處， 1W= 683 lm,二、 半導體物理基礎(chǔ) （一）半導體導電特性 （1）電阻溫度系數(shù)一般為負，對溫度很敏感。 （2）導電性能因摻入微量雜質(zhì)而十分顯著變化。 （3）導電性能受熱、光、電、磁等外界的影響發(fā)生重要的變化。,（二）能帶理論及其類型 1.原子中電子的能級 （1）能帶理論：原子中的電子只能處于能帶的能級上，且每一個能帶中都有與原子總數(shù)相適應(yīng)的能級數(shù)。能級量子態(tài) （2） 泡利原理：在每一個能級上最多只能填充一個電子。 根據(jù)能量最小原理，電子填充能帶時，總是從最低的能帶、最小能量的能級開始填充。,（三）熱平衡載流子 熱平衡：表征宏觀性質(zhì)的每一參數(shù)不隨時間變化 f(E)：費米狄拉

4、克分布：電子占據(jù)某一能量狀態(tài)E的幾率。 f(E)=1/(1+exp（E-EF)/kT） 當E=EF時， f(E)=1/2 當EEF時， f(E)1/2,電子濃度：n=N- exp(-（E-EF)/ kT) 空穴濃度：p=N+ exp(-（EF-E+)/ kT) 本征半導體：n=p=ni , np= ni 2 ni = （N+ N-）1/2 exp（(-Eg)/ 2kT),（四）非平衡載流子 1. 半導體在熱平衡時，n、p恒定，即 n=n0 , p=p0 電子和空穴相遇復(fù)合，產(chǎn)生率復(fù)合率。 2. 在外界因素作用下，如受光照時，產(chǎn)生率復(fù)合率，使電子、空穴數(shù)增加, n=n0+n , p=p0+p 非

5、平衡載流子：n、 p 3. 當光照穩(wěn)定時，產(chǎn)生率較高，復(fù)合率隨n、 p的增加而增加，復(fù)合率產(chǎn)生率，系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。,4.當光照停止時，產(chǎn)生率下降，復(fù)合率產(chǎn)生率，n、p減少，復(fù)合率也下降，復(fù)合率產(chǎn)生率， n=n0 , p=p0（光照前的）系統(tǒng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)。復(fù)合率 n/ p / 描述復(fù)合的參數(shù)壽命 的物理意義： （1）n、 p復(fù)合的快慢。 （2）為n（或p）下降到原來的1/e所需的時間 （3） 為n（或p）的平均存在時間。 所有n存在的時間總和/n的總數(shù) ,（五）載流子的運動（定向的） 擴散運動：載流子濃度不均勻時，由熱運 動使載流子從高濃度向低濃度 運動。 漂移運動：載流子在外加電場的作

6、用下的 定向運動。,（六）半導體對光的吸收 主要掌握： 1.本征吸收：從價帶躍遷到導帶的吸收。 長波限0c h/ Eg=1.24/Eg (m) 上式中Eg 的單位 為電子伏特（eV） 1 eV=1.6021892*10-19 （ J ） 2. 雜質(zhì)吸收：其光子能量應(yīng)大于或等于所需的電離能Ei ，即 雜質(zhì)吸收所需光子的波長 0c h/Ei,（七）半導體的PN結(jié) 計算通過PN結(jié)的電流（純擴散電流） 只能計算一種載流子（空穴）： I=Ip（xp） In（xp） =I0（ exp qV/ kT1 ） 反向飽和電流 I0 =I0（ T ） 上式為PN結(jié)的伏安特性公式， 它是分析所有PN結(jié)器件的最基本的公

7、式。,三、光電效應(yīng) * 外光電效應(yīng)：光電子發(fā)射* 光電效應(yīng) 光電導效應(yīng)* 內(nèi)光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)*（勢壘引起） 光電擴散效應(yīng)（丹倍效應(yīng)） 光磁電效應(yīng) P.34-35,光電發(fā)射的基本定律 （1）斯托列托夫定律(光電發(fā)射第一定律) 當入射輻射的光譜分布不變時，入射輻射通量越大（攜帶的光子數(shù)越多），激發(fā)電子逸出光電發(fā)射體表面的數(shù)量也越多，因而發(fā)射的光電流就增加，所以光電流正比于入射輻射通量， IK=SKK （2）愛因斯坦定律（光電發(fā)射第二定律） 發(fā)射體發(fā)射的光電子的最大動能，隨入射光頻率的增加而線性增加，而與入射光的強度無關(guān),（3）光電發(fā)射長波限（紅限） 根據(jù)愛因斯坦公式 式中 m為電子質(zhì)量； 為

8、電子逸出后的最大速度； 為入射光的頻率； 為普朗克常數(shù)其值為 ； 為光電發(fā)射體的逸出功。 當 時，逸出電子無動能，那么，就不會產(chǎn)生光電發(fā)射，因此，光電發(fā)射存在長波限,PN結(jié)的光生伏特效應(yīng) PN結(jié)受到光照時：光線足以透過P型半導體入射到PN結(jié)，對于能量大于材料禁帶寬度的光子，由于本征吸收，就可激發(fā)出電子空穴對。內(nèi)建電場把N中的空穴拉向P區(qū)，把P中的電子拉向N區(qū)。大量的積累產(chǎn)生一個與內(nèi)建電場相反的光生電場，即形成一個光生電勢差。,在PN結(jié)兩端通過負載RL構(gòu)成的回路中，外電流I與光生電流Ip和PN結(jié)結(jié)電流IJ之間的關(guān)系為 由PN結(jié)電流特性知，結(jié)電流 所以 光生電壓為,1.主要介紹基本結(jié)構(gòu)、工作原理、

9、基本參數(shù)（0.5學時） 2.光電檢測器件 （1 學時） (1)真空光電探測器件：PMT*（0.5學時） (2)半導體光電探測器件： 光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管（0.5 學時）等 3.*各器件性能比較及應(yīng)用選擇（0.5學時）,第二部分 各類光電與電光元器件（4 學時）,光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖,光電導型光電器件：光敏電阻 光生伏型光電器件：光電池 光電二極管 光電三極管 1. 光敏電阻不宜作定量檢測元件，一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。 2.光電池 (1)太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低） (2)測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）,第三章 熱電檢測器件 一、熱電偶、熱

10、電堆 熱電偶：利用溫差效應(yīng)的器件 熱電堆：多個熱電偶串聯(lián)，減小響應(yīng)時間 開路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升T的關(guān)系為 UOC=M12T (3-9) 式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢率（V/）。,使用熱電偶的注意事項 （1）不許強輻射照射，max幾十微瓦 （2）電流100A，一般在1A以下，不要用萬用表來檢查熱電偶的好壞。 （3）保存時將兩端短路，并防強烈振動 （4）防止感應(yīng)電流，尤其是電火花。 （5）使用的環(huán)境溫度不要超過60 。,二、熱敏電阻 熱敏電阻：吸收入射輻射而升溫使電阻變化，導致負載電阻兩端電壓發(fā)生變化。 溫度系數(shù)：aT表示溫度變化1時，熱電阻實際阻值的相對變化為 (3-

11、16) 式中，aT和RT為對應(yīng)于溫度T ( K )時的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。 負溫度特性的半導體材料熱敏電阻：,三、熱釋電探測器件* （一）工作原理 介質(zhì)的極化強度隨溫度的變化而改變，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。 束縛面電荷密度自發(fā)極化強度 溫度低時，自發(fā)極化強度大； 溫度高時，自發(fā)極化強度變小，相當于釋放電荷,當溫度高于某一特定值時，自發(fā)極化強度變?yōu)榱?。此溫度稱為居里溫度。 （二）工作條件 熱釋電器件工作在交流信號下，或外界環(huán)境如光照不穩(wěn)定且外界的調(diào)制頻率 f1/ 為晶體內(nèi)部自由電荷起中和作用的時間 的情況下，一旦穩(wěn)定，則無電荷的釋放，即無信號輸出。,第四章 發(fā)光與耦合器件（0.5學時） 一、

12、發(fā)光二極管（LED） 工作原理電致發(fā)光 當它處于正向工作狀態(tài)時，（P-正電，N-負電），結(jié)區(qū)勢壘降低，有P-N的空穴擴散及有N-P的電子擴散在PN結(jié)區(qū)復(fù)合發(fā)光。可發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。,二、光電耦合器件* 是發(fā)光器件與光接受器件的組合器件。 特點： 具有電隔離（歐）功能 信號傳輸單向（脈沖或直流），適用于模擬數(shù)字信號； 具有抗干擾和噪聲能力； 響應(yīng)速度快（微納秒，直流兆赫茲），體積小，壽命長，使用方便； 既有耦合特性，又有隔離功能；,第五章 光電成像器件 （0.5學時） 一、真空攝像機、變相管、像增強管 二、*電荷耦合器件（CCD）以電荷為信號 使用一種高感光度的

13、半導體感光二極管制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。,1. 光電信號檢測電路設(shè)計（重點） 緩變光信號檢測電路設(shè)計 （4學時） 交變光信號檢測電路設(shè)計 （4學時） 光信號檢測電路的噪聲設(shè)計 （2學時） 光信號的放大電路 （2學時）,第三部分 檢測電路與微機接口 （14學時）,第一節(jié) 緩變光信號檢測電路設(shè)計 方法：靜態(tài)計算 手段：圖解法、解析法* 電路：恒流源型（PMT/反偏光電二極管/三極管 光伏型（光電池/反偏光電二極管） 可變電阻型（光敏電阻/熱敏電阻） 計算的參數(shù)：轉(zhuǎn)折點電壓U0（確定線性工作區(qū)） 負載電阻RL或偏置電壓Ub 輸出電壓/電流變化U 或 I 輸出電功率 P,第二節(jié) 交變光信號檢測電路設(shè)計 方法：動態(tài)計算 手段：解析法* 電路：交流檢測電路,2.光電信號的數(shù)據(jù)采集與微機接口 （2學時） 二值化處理 量化處理 單元光電信號的采集與接口 視頻信號的采集與接口,1、光電變換和檢測技術(shù)（8學時） 時變光電信號的直接檢測 （5學時） 時變光電信號的調(diào)制檢測 簡單光學目標的形位檢測 （3學時） 復(fù)雜光學圖像的掃描檢測,第四部分 光電變換檢測技術(shù)與方 法（18學