華科光探復(fù)習(xí)總結(jié)

1、1、 入射光輻射直接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，稱為光電效應(yīng)。（光譜響應(yīng)有選擇性）分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。2、 內(nèi)光電效應(yīng)：被光激發(fā)所產(chǎn)生的的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的現(xiàn)象。3、 外光電效應(yīng)：被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象4、 光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光電子發(fā)射效應(yīng)（外光電效應(yīng)）、光子牽引效應(yīng)和光電磁效應(yīng)。5、 光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的變化，導(dǎo)致材料電導(dǎo)率變化。分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)和非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。6、 本征光電導(dǎo)效應(yīng)：7、 非本

2、征（雜質(zhì)）光電導(dǎo)效應(yīng)：8、 光伏效應(yīng)：PN結(jié)受到光照時(shí)，PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。9、 外光電效應(yīng)：光電子發(fā)射效應(yīng)：金屬或金屬半導(dǎo)體受到光照時(shí)，電子從材料表面逸出。10、 熱電效應(yīng)：入射光和材料的晶格相互作用，晶格吸收光能而增加振動(dòng)能量，引起材料的溫度上升，從而使材料的電學(xué)參量發(fā)生變化。特點(diǎn)是頻譜范圍寬，無選擇性。11、 熱電效應(yīng)包括電阻溫度效應(yīng)（物體吸收光輻射后溫度升高導(dǎo)致電阻發(fā)生改變）和溫差電效應(yīng)（第一效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)：兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路，兩節(jié)點(diǎn)的溫度不同，產(chǎn)生了溫差電動(dòng)勢(shì)，閉合回路中產(chǎn)生連續(xù)電流）和熱釋電效應(yīng)（熱電晶體材料受光照射溫度升高，在晶體的特定方向上由于自發(fā)極化隨溫

3、度變化而引起表面電荷的變化）。1、光譜效率函數(shù)，光譜光視效能km 2、普朗克定律（普朗克輻射公式）。描述黑體光譜輻射出度與波長、絕對(duì)溫度之間的關(guān)系：3、求黑體的總輻射出度，即斯蒂芬-波爾滋蔓定律：4、韋恩位移定律：黑體最大光譜輻射出度的峰值波長與絕對(duì)溫度之間的關(guān)系：m1、 光電探測(cè)器的性能參數(shù)（普遍而言）2、 有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù)（又叫靈敏度）：3、 靈敏度分為光譜靈敏度和積分靈敏度4、 光譜靈敏度：探測(cè)器在波長尼姆達(dá)的單色光照射下，輸出的電壓或光電流與入射的單色輻射通量之比。（又叫單色響應(yīng)率）電壓響應(yīng)率：、電流響應(yīng)率。5、 積分靈敏度（積分響應(yīng)率）：探測(cè)器的輸出電壓U或光電流I與入射的輻射

4、通量（或輻射照度E）之比。6、 頻率響應(yīng)率。7、 響應(yīng)時(shí)間和上限頻率：光電探測(cè)器產(chǎn)生電信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值需要一定的時(shí)間，光照停止后，信號(hào)完全消失也需要一定時(shí)間，信號(hào)產(chǎn)生和消失的這種滯后稱為探測(cè)器的惰性，用響應(yīng)時(shí)間來表示這個(gè)惰性的大小。當(dāng)靈敏度下降到零頻是的0.707倍時(shí)，fhc=1除以（2pie響應(yīng)時(shí)間），8、 量子效率：表征光電轉(zhuǎn)換規(guī)律，某一特定波長下單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。9、 有關(guān)噪聲方面的參數(shù)：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、1/f噪聲、溫度噪聲10、 信噪比：11、 噪聲等效功率NEP：12、 探測(cè)率D和比探測(cè)率D*、1、 光電子發(fā)射探測(cè)器（利用外光電效應(yīng)）2、

5、光電倍增管的組成：光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增極。工作原理：入射光透過光窗照射到光電陰極，光電陰極發(fā)射出光電子，光電子經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)加速，聚焦到倍增極上，倍增極將發(fā)射出比入射電子更多的二次電子，電子經(jīng)n級(jí)倍增極倍增，形成放大的陽極電流，在負(fù)載R上產(chǎn)生放大的信號(hào)電壓輸出。（電流增益可達(dá)105107）3、 光電倍增管外部電路的設(shè)計(jì)及使用（分為高壓供電電路和信號(hào)輸出電路）高壓供電電路的設(shè)計(jì)應(yīng)合理選擇電阻鏈和高壓電源，以達(dá)到極間電壓的穩(wěn)定性要求。信號(hào)輸出電路采用運(yùn)算放大器完成電流電壓變換，可獲得好的信噪比和線性度。4、 光電發(fā)射器件的特點(diǎn)：使用波段、有著更高的內(nèi)增益（與電子光學(xué)系統(tǒng)的收集率、

6、各級(jí)倍增極的電子收集率和二次電子發(fā)射系數(shù)有關(guān)），電流增益最高可達(dá)107、靈敏度高（用陰極靈敏度SK和陽極靈敏度SA表示，還細(xì)分光譜靈敏度和積分靈敏度）、低噪聲（主要是散粒噪聲）、高響應(yīng)速度、工作電壓高（正負(fù)電壓使用特點(diǎn)）、體積大，使用中受一定限制、它的暗電流比APD一兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以更適合弱光探測(cè)。5、與apd相比：1、更高的內(nèi)增益和比探測(cè)率，電流增益最高可達(dá)10七次方。暗電流比apd小一兩個(gè)數(shù)量級(jí)，通常更適于弱光檢測(cè)。他在0.8-1.1m的近紅外光譜區(qū)，其量子效率低于apd，所以在這段光譜內(nèi)，apd有更好的響應(yīng)速度。他的體積大，工作電壓高，使用受一定的限制。1. 光電導(dǎo)探測(cè)器（PC）2. （

7、1）器件工作原理：光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受光照，對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的變化，導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化。本征半導(dǎo)體的響應(yīng)與光生載流子成正比，當(dāng)光照到探測(cè)器上，光生載流子數(shù)增加，載流子濃度增加，產(chǎn)生復(fù)合的載流子數(shù)也增多，一段時(shí)間后，產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，載流子濃度達(dá)到穩(wěn)定值。同樣，光照消失后光生載流子消失也需要一段時(shí)間。光電導(dǎo)的響應(yīng)時(shí)間等于載流子壽命且為常數(shù)，弱光照條件下的光電導(dǎo)稱為線性光電導(dǎo)。在均勻的光電導(dǎo)提兩端加上電極后就構(gòu)成光電導(dǎo)探測(cè)器，兩電極加上一定電壓，當(dāng)光照照射光電導(dǎo)體時(shí)，光生載流子在外加電場(chǎng)的作用下沿一定方向運(yùn)動(dòng)，在電路中產(chǎn)生電流。光電導(dǎo)增益M與器件的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、外加偏壓有關(guān)。光

8、電導(dǎo)增益等于載流子平均壽命與載流子渡越時(shí)間之比，表示一個(gè)光生載流子對(duì)探測(cè)器外賄賂電流的有效貢獻(xiàn)。3. 光照特性：定義Gp為光電導(dǎo)，單位是S。按靈敏度的定義響應(yīng)量與輸入量之比，有：Sg稱為光電導(dǎo)靈敏度。4. 偏置電路：為了器件正常工作，提供合適的電流或者電壓，意義是提高探測(cè)靈敏度、降低噪聲和提高頻率響應(yīng)。5. （3）工作條件（偏壓、無極性）6. （4）工作波段：覆蓋從紫外、可見光、近紅外、中紅外延伸至極遠(yuǎn)紅外波段的光譜響應(yīng)范圍，本征光電導(dǎo)探測(cè)器適用于可見光和近紅外輻射探測(cè)，雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測(cè)。響應(yīng)頻率較低7. 光電導(dǎo)探測(cè)器的特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬，覆蓋從紫外、可見光、近紅

9、外、中紅外延伸至極遠(yuǎn)紅外波段的光譜響應(yīng)范圍，尤其對(duì)紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安，所測(cè)得光強(qiáng)范圍寬，測(cè)強(qiáng)光測(cè)弱光，靈敏度高，光電導(dǎo)增益可大于1，偏置電壓低，無極性之分，使用方便。不足：光電弛豫時(shí)間較長，響應(yīng)頻率較低，強(qiáng)光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差。1、 光伏探測(cè)器（PV）利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件，都有PN結(jié)，常用的有光電池、PD、PIN PD、APD和光電三極管。其中PIN光電二極管和雪崩光電二極管是高響應(yīng)速度的光伏探測(cè)器，光電三極管和雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器。2、 （1）結(jié)合pn結(jié)工作原理，掌握PV器件的伏安工作曲線及對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)（零偏、反偏） 由上圖可

10、知，無光照時(shí)伏安特性曲線和一般二極管的伏安特性曲線相同，受光照后曲線將沿著電流軸下移，平移的幅度與光照的變化成正比，即Ip=SE。光伏探測(cè)器可以工作在零偏和反偏兩種狀態(tài)。即對(duì)應(yīng)光伏和光電導(dǎo)兩種工作模式，光電二極管大多工作在光電導(dǎo)模式（PN結(jié)加反壓，暗電流蘇反壓增大而有所增大，最后等于反向飽和電流，其值遠(yuǎn)小于光電流，而光電流幾乎與反向電壓的高低無關(guān)，所以總電流等于暗電流光電流），光電池大多工作在光伏模式。3、 （2）PN、PIN、APD管的工作原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，掌握其在增益和頻率響應(yīng)方面的比較。PIN型光電二極管，在PN二極管的P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層，吸收光輻射而產(chǎn)生光電流的一種光檢測(cè)器。PN

11、結(jié)中間摻入一層濃度很低的N型半導(dǎo)體，增大耗盡區(qū)的寬度，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)速度的目的。由于這一摻入層的摻雜濃度低，近乎本征半導(dǎo)體，故稱I層。絕大部分的入射光在I層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。在I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光產(chǎn)生電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位，這就大大加快了響應(yīng)速度。性能特點(diǎn)：時(shí)間響應(yīng)特性好，渡越時(shí)間短，頻帶寬、結(jié)電容小、反壓高，線性輸出范圍寬、靈敏度高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。不足是：提高了時(shí)間響應(yīng)，未能顯著提高器件的靈敏度，I層高電阻，輸出電流小，一般0.幾微安到幾微安，提高I層厚度，漂移時(shí)間變長，時(shí)間響應(yīng)特性變差。

12、APD：PN結(jié)上加上反向偏壓后，入射光被PN結(jié)吸收后會(huì)形成光電流。加大反向偏壓會(huì)產(chǎn)生“雪崩”（即光電流猛然激增）的現(xiàn)象，因此這種二極管被稱為“雪崩光電二極管”。利用高反向偏壓下發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)而提高靈敏度（具有內(nèi)部增益100-103），而且響應(yīng)速度特別快，頻率可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的光電二極管?？纱蟠筇岣咛綔y(cè)器的靈敏度和響應(yīng)頻率，適合微弱光信號(hào)的探測(cè)。其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號(hào)以提高檢測(cè)的靈敏度。工作時(shí)加較大的反向偏壓，使得其達(dá)到雪崩倍增狀態(tài)；（3）光電池的工作原理、與普通光電二極管的比較光電池是無需外加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)化成電能的光伏探測(cè)器，主要介紹硅光電池，基

13、本結(jié)構(gòu)是一個(gè)大面積的pn結(jié)光電池的短路電流與入射光照度成正比，而開路電壓與光照度的對(duì)數(shù)成正比，負(fù)載電阻越小，光電流和照度的線性關(guān)系越好，而且線性范圍也越寬，此外，在一定負(fù)載電阻的條件下，光照越弱，其線性關(guān)系越好。光電二極管的工作原理和光電池一樣，都是基于pn結(jié)的光伏效應(yīng)，但是他比起光電池有不同：摻雜濃度較低，電阻率較高，結(jié)區(qū)面積小，通常工作在反偏置狀態(tài)，因此光電二極管的內(nèi)建電場(chǎng)很強(qiáng)，結(jié)區(qū)較厚，結(jié)電容小，頻率特性比光電池好，但光電流比光電池小得多。4、 （4）光電三極管的工作原理，與光電二極管的比較光電三極管是在光電二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光電器件，它本身具有放大功能。目前的光電三極管一般是硅光

14、電三極管。硅光電三極管是用N型硅單晶做成NPN結(jié)構(gòu)。基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積卻做得較小，入射光線主要被基區(qū)吸收。與光電二極管一樣，入射光在基區(qū)中激發(fā)出電子與空穴。在基區(qū)漂移場(chǎng)的作用下，電子被拉向集電區(qū)，而空穴被積聚在靠近發(fā)射區(qū)的一邊。由于空穴的積累而引起發(fā)射區(qū)勢(shì)壘的降低，其結(jié)果相當(dāng)于在發(fā)射區(qū)兩端加上一個(gè)正向電壓，從而引起了倍率為+1(相當(dāng)于三極管共發(fā)射極電路中的電流增益)的電子注入，這就是硅光電三極管的工作原理?？偨Y(jié)異同：光電二極管的光照特性線性好，噪聲低，頻率特性好，但光電流小（微安量級(jí)）、靈敏度較低。光電三極管的光照特性呈現(xiàn)一定的非線性，頻率特性較差，在光照下有偏壓才有輸出，由于光電三

15、極管有電流放大作用，所以靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級(jí)亮、暗電流比光電二極管、光電池和光電探測(cè)器都要大，適合做光電開關(guān)。5、 （5） PV器件相比PC器件的特點(diǎn)（電路工作條件、靈敏度、頻率響應(yīng)等方面）Pv不具有內(nèi)增益（APD和光電三極管除外），響應(yīng)率和外加電壓無關(guān)，光伏效應(yīng)響應(yīng)時(shí)間主要由載流子到結(jié)區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間決定，其擴(kuò)散時(shí)間通常短于載流子壽命，所以它比用同樣材料制成的光電導(dǎo)探測(cè)器響應(yīng)更快，其響應(yīng)頻率可達(dá)幾百兆赫，甚至上GHz，而光電導(dǎo)探測(cè)器只能達(dá)到幾兆赫的量級(jí)，光伏效應(yīng)對(duì)光的吸收是本征吸收，而光電導(dǎo)效應(yīng)是本征吸收也可以是非本征吸收，所以光伏探測(cè)器光譜響應(yīng)的長波限一般

16、為中遠(yuǎn)紅外區(qū)，而雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器可以延伸到遠(yuǎn)紅外區(qū)。1、 熱探測(cè)器2、 熱探測(cè)器是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的光熱效應(yīng)而制成的器件，具有以下特性：光譜響應(yīng)范圍寬，而且響應(yīng)率和波長無關(guān)，有從紫外到紅外波段的幾乎平坦的光譜響應(yīng)特性。工作時(shí)無需制冷，也無需偏壓電源。熱響應(yīng)時(shí)間一般為毫秒到秒量級(jí)，響應(yīng)速度慢。探測(cè)率較低，D*值為10八次方到10九次方3、 （1）掌握三種熱電效應(yīng)所代表的器件工作原理、結(jié)構(gòu)熱電偶：利用溫差電效應(yīng)來測(cè)量光輻射的一種熱探測(cè)器，溫差電效應(yīng)：將兩種不同的材料鏈接成具有一對(duì)節(jié)點(diǎn)的閉合回路，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收光輻射，而產(chǎn)生溫升，另一個(gè)沒有受光照射的節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生溫度差，導(dǎo)致兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的接觸電

17、動(dòng)勢(shì)不同，從而在閉合回路中產(chǎn)生電流。4、 （2）掌握器件特點(diǎn)5、 熱電偶：開路電壓和溫度的關(guān)系、頻率特性6、 測(cè)輻射熱計(jì)：金屬和半導(dǎo)體；波長特性、頻率特性7、 熱釋電器件：是個(gè)電容器，電容值很小，輸出阻抗極高，等效電路可以用恒流源表示，光輻射引起晶體溫升，引起極化強(qiáng)度的變化，而中戶電荷由于材料的電阻率高跟不上這一變化，其結(jié)果是薄片的兩表面之間出現(xiàn)瞬態(tài)電壓。掌握只能測(cè)交變信號(hào)的原因1、 成像器件2、 （1） CCD3、 注入、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、輸出的原理。Ccd能存儲(chǔ)電荷包，存儲(chǔ)能力可以通過調(diào)劑Ug加以控制，當(dāng)電荷包注入勢(shì)阱中，電荷包也產(chǎn)生電場(chǎng)，具有對(duì)外電場(chǎng)的屏蔽作用，從而使表面勢(shì)收縮，勢(shì)阱深度變淺，

18、空間電荷區(qū)變窄。隨著電荷包的積累，足夠多的時(shí)候，勢(shì)阱中就不能在存儲(chǔ)多余的電荷，出現(xiàn)溢出的現(xiàn)象。Ccd中電荷包的轉(zhuǎn)移過程是將電荷包從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)入相鄰的深勢(shì)阱，通過控制各柵極電壓Ug來調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深度，并利用勢(shì)阱的耦合原理實(shí)現(xiàn)。光注入，光束直接照射襯底，半導(dǎo)體內(nèi)江產(chǎn)生電子空穴對(duì)，多數(shù)載流子會(huì)被柵極上所加的電場(chǎng)排斥到底部，少數(shù)載流子則被手機(jī)在勢(shì)阱中形成電荷包。利用ccd拍攝圖像時(shí)，先通過光敏元陣列的光電效應(yīng)把按一定照度分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電荷分布，再把電荷注入相應(yīng)柵極下面的深勢(shì)阱中，也是光注入。綜上，對(duì)于ccd攝像器件，他是先將半導(dǎo)體產(chǎn)生的，與照度分布相對(duì)應(yīng)的信號(hào)電荷注入勢(shì)阱中，再通過內(nèi)部驅(qū)動(dòng)脈沖控制

19、勢(shì)阱的深淺，使信號(hào)電荷沿著溝道朝一定方向轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)輸出電路形成一維時(shí)序電信號(hào)。4、 線陣CCD工作原理及波形圖（單溝道或雙溝道）。5、 （2）CMOS6、 工作原理。7、 與CCD的比較。總結(jié)異同：1、“隨機(jī)訪問”能力，cmos采用x-y尋址方式，具有讀出任意局部畫面的開窗能力，ccd采用按序讀出信號(hào)的結(jié)構(gòu)，開窗能力有限。2、ccd靈敏度高百分之20-50，具有可見光以及近紅外波段的完全響應(yīng)能力，ccd的噪聲可以控制在極低的水平，ccd的信號(hào)讀出速度不超過70Mpixel/s。cmos截止波長小于650nm，因而對(duì)紅光和近紅外光系數(shù)困難，噪聲相對(duì)較大，信號(hào)讀出速度可達(dá)1000Mpixel/s

20、。3、ccd的動(dòng)態(tài)范圍比cmos高兩倍，cmos功耗明顯低于ccd。1、 探測(cè)器性能比較2、 單元光電探測(cè)器的性能及應(yīng)用比較3、 光譜響應(yīng)范圍4、 頻率特性5、 外加偏壓6、 探測(cè)率前置放大器不僅放大輸入信號(hào)，也放大輸入噪聲，而且放大器本身會(huì)引入新的附加噪聲，為了簡化分析，將放大器歸結(jié)為只有En和In兩個(gè)噪聲參數(shù)的放大器噪聲模型。如上圖，用阻抗為0的噪聲電壓發(fā)生器En和輸入端串聯(lián)，用阻抗為無限大的噪聲電流發(fā)生器In和輸入端并聯(lián)，而放大器本身則被假設(shè)為一個(gè)無噪聲的理想放大電路。為了進(jìn)一步簡化，用一個(gè)等效輸入噪聲Eni來代替圖中額Ens、En、In三個(gè)噪聲源，根據(jù)圖中的放大器噪聲模型，用簡單的分流和分壓原理，可以求得：放大器的噪聲系數(shù)F為了反映放大器本身的附加噪聲使系統(tǒng)信噪比變壞的程度，引入噪聲系數(shù)F，定義為：Spo。Spi分別為放大器輸出端和輸入端的信號(hào)功率。Npo、Npi分別為放大器輸出端和輸入端的噪聲功率。實(shí)際放大系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F總是大于1.F越大，放大器本身的噪聲電平越高。噪聲系數(shù)習(xí)慣上用分貝表示，即推導(dǎo)式：最佳源電阻（噪聲匹配）及匹配方法可以看出噪聲系數(shù)F與源電阻Rs有關(guān)，選擇合適的Rs可以使F最小。通常稱為最佳源電阻，表示為Rsopt。求導(dǎo)得：Rsopt=En/In。再帶入上式，得Fmin微弱信號(hào)檢測(cè)：鎖定放大器的抑噪原理：互相關(guān)檢測(cè)原理：它