光電檢測應用中基礎知識

1、關于光電檢測應用中的基礎知識第1頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四序信息檢測技術光學檢測技術電子檢測技術易與物質(zhì)發(fā)生聯(lián)系，傳播速度快,頻帶寬，信息容量大易存儲，可轉移，好控制光電檢測技術 光電信息技術是光子技術與微電子技術的結合，是現(xiàn)代信息技術的核心，已廣泛應用于各行各業(yè)。第2頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，光子以其獨特的優(yōu)點，具有極快的響應速度，極大的頻寬，信息容量和極高的信息效率推動信息科學技術的發(fā)展，具有越來越大的競爭力，光電信息產(chǎn)業(yè)在市場的份額逐年增加。光子技術與微電子技術結合，相互交叉、相互滲透與補充已經(jīng)成第3頁

2、，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 為信息科學技術的主體之一，光子和微電子是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的 基礎和核心，光電信息產(chǎn)業(yè)已成為世界上發(fā)達國家的主導產(chǎn)業(yè)。美國政府: 已將 光子學與光子技術列為國家發(fā)展的重點 ，認為該領域“在國家安全與經(jīng)濟競爭方面 有深遠的意義和潛力”，并肯定“通信和 計算機研究與發(fā)展的未來世界屬于光子學領域”，第4頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 美國商務部指出： “90年代， 全世界光子產(chǎn)業(yè)以比微電子產(chǎn)業(yè)高得多 的速度發(fā)展，誰在光子產(chǎn)業(yè)方面取得主 動權，誰就將在21世紀的尖端科技的較 量中奪魁”。德國: 政府已確定光子學 是本世紀初“對

3、保持德國在國際技術市場 上的先進地位至關重要的關鍵技術之一” 。在日本有評論認為21世紀具有代表意義的主導產(chǎn)第5頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 業(yè)，第一是光子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)”。 我國: 政府十分重視光電子技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已將它列入國民經(jīng)濟優(yōu)先發(fā)展的領域，把光電子產(chǎn)業(yè)列為國家重點發(fā)展計劃，繼1986年3月王大恒等四位專家倡導的“863計劃”之后，在此基礎上開始了“973計劃”，這兩個高科技計劃的第6頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 重點是光電子產(chǎn)業(yè)。據(jù)國家統(tǒng)計資料顯示，世紀具有代表意義的主導產(chǎn)業(yè)，第一是光子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)”。

4、 第7頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四本課程所討論的主要內(nèi)容第一章：光電檢測應用中的基礎知識第二章：光電檢測中的常用光源第三章：結型光電器件第四章：光電導器件第五章：真空光電器件補充：光電測試技術的一些簡單應用第六章：真空成像器件第八章：紅外輻射與紅外探測器第七章：固體成像器件第9章：光導纖維與光纖傳感器第8頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第一章 光電檢測應用中的基礎知識被測對像光學系統(tǒng)光電轉換被測對象的信息加載光源信息載體光電探測器信息處理光電檢測系統(tǒng)組成：放大邊緣檢測電動機驅(qū)動門控處理主振激光外徑掃描儀原理圖例：第9頁，共51頁，2022年，

5、5月20日，9點38分，星期四1.1 輻射度學和光度學基本概念紫外輻射可見光輻射X光輻射紅外光輻射光波：波長 10納米1毫米（頻率3*1011 3*1016 HZ)范圍的電磁輻射紅、橙、黃、綠、青、藍、紫(100380nm)(380780nm)（10100nm)(780nm1mm)第10頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.輻射度學對各種電磁輻射進行定量評價的一門科學工具：光接收器件結果：與光能量相關的各種物理量評價對象：電磁輻射2.光度學工具：人眼（或仿人眼的探測器）對象：可見光輻射對可見輻射作用于人眼所引起的“光”感覺進行定量評價，是一種生理效應結果：對人眼刺激大小的

6、各種物理量用下標(e)用下標(v)第11頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.1.1 輻射度學基本物理量1. 輻射功率（輻射通量）對于輻射源-單位時間內(nèi)向空間各個方向發(fā)射的總能量。單位：W（瓦特）對于電磁波的傳播-單位時間通過某一截面的電磁波能量對于電磁波的接收-單位時間內(nèi)某一截面接收到的電磁能發(fā)射A1A2傳播A接收如果是多波長輻射，則有：光譜功率譜密度第12頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 點光源: 在某一方向上，在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量（描述輻射體在不同方向上的輻射特性）。2、輻射強度單位：向空間各個方向輻射均勻的點光源：如果輻射是多波長的

7、電磁波則：如果輻射不均勻，則方向上的輻射強度，可表示為：d第13頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3、輻射亮度單位：-表征輻射面發(fā)光強弱并與輻射面特性有關的物理量。面元 dS 在方向的輻射亮度定義為：此面元在方向d體積角內(nèi)的的輻射通量de 除立體角的大小d 和此面元在觀測方向上的表觀面積cos(dS) 。如果是多波長輻射則：如果輻射不均勻，則方向上的輻亮度，可表示為：N第14頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4、輻射出射度- 光源單位時間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向） ，或者說單位輻射面發(fā)出的輻通量。用來描述輻射體表面不同位置的輻射特性。

8、dA1dA2單位：W/m2- 受照面上單位時間單位表面積接受的輻射能，或單位表面積接受的輻通量。5、輻照度單位：W/m2dA1dA2同樣有：同樣有：第15頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.1.2 光度學基本物理量（一）光度學量和輻射度學量的關系1. 光譜靈敏度K 及 視見函數(shù)V相同波長（）不同產(chǎn)生對人眼不同的刺激程度人眼對光的感受是光波長的函數(shù)單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光量K 光譜靈敏度(lm/W)(1)光譜靈敏度光通量(lm流明)第16頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四定義: 視見函數(shù)明視0.55m 10.380.7明視暗視0.55m0.52

9、 m Km= 683（lm/W）0.380.7不同波長的光譜靈敏度，如圖所示：C(2)視見函數(shù)=683lm/W第17頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（二）光度學量A1A2A1A2輻射通量單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能量。復色光時-單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光量。復色光時1、光通量A lm(流明）W（瓦特）第18頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四- 點光源在某一方向上，單位立體角 內(nèi)發(fā)出的輻射通量。- 點光源在某一方向上，單位立體角內(nèi)的光通量。2、發(fā)光強度單位：輻射強度單位：（cd 坎德拉） d七個基本物理量之一第19頁，共51頁，2022年，

10、5月20日，9點38分，星期四-面元dS在方向d體積角內(nèi)的的光通量dv 除立體角的大小d 和此面元在觀測方向上的表觀面積cos(dS)。3、光亮度單位：輻射亮度-面元dS在方向d體積角內(nèi)的的輻通量de 除立體角的大小d 和此面元在觀測方向上的表觀面積cos(dS)。N第20頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4、光出射度- 光源單位時間由單位表面積輻射出的光量（包括所有方向） ，或者說單位輻射面發(fā)出的光通量。dA1dA2單位：lm/m2輻射出射度- 光源單位時間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向） ，或者說單位輻射面發(fā)出的輻通量。單位：W/m2第21頁，共51頁，20

11、22年，5月20日，9點38分，星期四- 受照面上單位時間單位表面積接受的光量，或單位表面積接受的光通量。5、照度單位：lm/m2dA1dA2- 受照面上單位時間單位表面積接受的輻射能，或單位表面積接受的輻通量。輻照度單位：W/m2(lx 勒克斯）第22頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.1.3 其它基本概念1. 點源dAdA某面元上的照度與面元到光源的距離的平方成反比-平方反比定律同時也與面源的方向有關Ir對于沿各方向勻均輻射的點源點源對面的照度-光源 S總輻射通量為：第23頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2. 擴展源-有一定面積的輻射源朗伯源

12、或稱為余弦輻射體向空間各個方向的輻射亮度相同，理想化的擴展源輻射強度I 與方向角滿足余弦定律的輻射體。大部分輻射體都有此性質(zhì) dSII0余弦定律常數(shù)第24頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四根據(jù)輻出度的定義根據(jù)亮度的定義朗伯源向空間各個方位的總輻射通量的計算-dSdA第25頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3. 漫反射面-把入射光向各個方向均勻的散射的各種表面設某一漫反射面dS所受的光照度為E，則此面接收到的光通量為：設此反射面的反射系數(shù)為K，則它反射的光通量為：朗伯輻射體不透明漫反射體透明漫反射體亮度減半第26頁，共51頁，2022年，5月20日，9

13、點38分，星期四4. 定向輻射體-光線的發(fā)射方向比較集中如：激光器太陽的輻射亮度只有3*108W/(sr.m2)第27頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.2 半導體的基礎知識1.電子的共有化運動2.能帶的形成能級3s2p1.2.1 固體的能帶結構允帶禁帶允帶允帶禁帶第28頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3.能帶的結構價帶導帶禁帶物質(zhì)的導電性：價帶導帶禁帶價帶中的空穴導帶中的電子價帶導帶內(nèi)層能帶禁帶禁帶內(nèi)層能帶禁帶滿帶：被電子填滿的能帶空帶：沒有電子占據(jù)的能帶第29頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4.N型半導體和P型半導體價

14、帶導帶禁帶低溫下低溫下硅晶體中的價帶中所有的能級都被電子占據(jù)，即被填滿，價帶以下的能帶被內(nèi)層電子填滿，而導帶的能級是空的，所以不導電。價帶導帶禁帶本征激發(fā)常溫下被激發(fā)到共價鍵之外不導電弱導電性1）本征半導體第30頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2）摻5族元素時-N型半導體的能級處于共價鍵之外低溫下價帶導帶禁帶雜質(zhì)能級第31頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四價帶導帶禁帶施主能級本征激發(fā)+雜質(zhì)激發(fā)價帶導帶禁帶雜質(zhì)能級低溫下常溫下被激發(fā)至導帶第32頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3）摻3族元素時-P型半導體低溫下B價帶導帶雜質(zhì)能級

15、第33頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四價帶導帶雜質(zhì)能級常溫下B低溫下受主能級價帶導帶雜質(zhì)激發(fā)+本征激發(fā)第34頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.2.2熱平衡下的載流子濃度本征半導體中的載流子價帶導帶禁帶本征激發(fā)開始時：激發(fā)復合復合一段時間后：激發(fā)=復合（載流子濃度增大）（載流子濃度穩(wěn)定）熱平衡狀態(tài)設由低溫到高溫的過程第35頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.2.3 半導體中的非平衡載流子非平衡載流子-通過注入或光激發(fā)方式使載流了濃度超出熱平衡時的濃度，這些超出的載流子通常稱為非平衡載流子，或過剩載流子。1.半導體材料的光吸

16、收效應1）本征吸收價帶導帶常溫光照時價帶導帶常溫無光照時Eg要發(fā)生光電導效應，必須滿足：單位是m第36頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2）雜質(zhì)吸收N型半導體：價帶導帶低溫無光照時Ed價帶導帶低溫有光照時價帶導帶低溫無光照時Ea工作時溫度要低-防止熱激發(fā)價帶導帶低溫有光照時P型半導體：第37頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2. 非平衡載流子濃度光照射半導體時：載流子的濃度增加停止光照射后：由于復合，載流子的濃度不斷的減少，直到熱平衡復合方式有直接復合-導帶中的電子直接回到價帶填充空位間接復合-通過“缺陷、錯位、雜質(zhì)”等形成的復合中心復合價帶導帶價帶

17、導帶第38頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.2.4 載流子的擴散和漂移1.擴散-在某種作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生載流子濃度高于其它地方的載流了濃度，這時載流子就從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種現(xiàn)象稱為擴散擴散形成電流的大小：2.飄移-在電場做用下電荷的移動對于空穴導電第39頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2.總電流電子空穴總電流第40頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.3 基本定律1.3.1 黑體輻射定律黑體：有一類物體其表面不反射光，它們能夠在任何溫度下吸收射來的一切電磁輻射，這類物體就叫絕對黑體

18、。吸收比:模擬黑體：反射比:第41頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1. 基爾霍夫定律2. 普朗克輻射公式常數(shù)光譜發(fā)射率短波區(qū)或溫度不高的情況下-吸收能力強，發(fā)射能力也強第42頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3. 斯忒藩-玻耳茲曼定律700K900K400K(m）2Me(,T)468短波區(qū)或溫度不高的情況下一定溫度下總的輻射出射度4. 維恩位移定律Me(,T)第43頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.4.1 光電探測器中的噪聲噪聲：信號隨機的、瞬間幅度不能預知的起伏圴方噪聲：噪聲：信號隨機的、瞬間幅度不能預知的起伏圴方噪聲：

19、白噪聲：功率譜大小與頻率無關1/f 噪聲：功率譜與1/f 成正比噪聲功率譜：第44頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四-在任何電阻性材料中, 載流子都會有無規(guī)則的熱運動,從而引起輸出電流或電壓的起伏，此種噪聲稱為.是最常見的一種噪聲形式.1.熱噪聲：2.散粒噪聲：一些不連續(xù)的量的隨機起伏形成的噪聲，如：入射到光電探測器表面的光子，光電子從光電陰極表面逸出等過程第45頁，共51頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四-這類噪聲的大小與頻率成反比,因此而得名,它的產(chǎn)生與器件的雜質(zhì)和工藝缺陷有關,但原因比較復雜. 4.1/f 噪聲：3.產(chǎn)生-復合噪聲：半導體受光照時，載流子不斷地產(chǎn)生-復合，載流子產(chǎn)生-復合的平均數(shù)是一定的，但某一瞬間是起伏的，這種起伏引起半導體電導率的起伏，從而使輸出電流或電壓值起伏，由此引入的噪聲叫第46頁，共51