第一章 光電檢測技術(shù)基礎

光電檢測技術(shù)講解人:石智偉聯(lián)系電話:31568372E-mail:szwstar@

2006.9既來之，則安之。請關掉手機《光電信號檢測》吳杰編著哈爾濱工業(yè)大學出版社《半導體光電器件》田等先登編著機械工業(yè)出版社《CCD應用技術(shù)》王慶有編著天津大學出版社《光電檢測原理及應用》秦積榮編著國防工業(yè)出版社參考書目第一章光電檢測技術(shù)基礎本章內(nèi)容檢測技術(shù)的基本概念、方法和發(fā)展趨勢誤差的概念以及類型能帶理論、載流子及其運動各類光電效應本章重點檢測技術(shù)的基本概念和方法能帶理論、載流子及其運動各類光電效應本章難點載流子及其運動第一節(jié)檢測技術(shù)的基本概念及方法

靜態(tài)測量

對緩慢變化的對象進行測量亦屬于靜態(tài)測量。

最高、最低溫度計地震測量振動波形動態(tài)測量可以顯示波形的便攜式儀表便攜式儀表直接測量

電子卡尺

對多個被測量進行測量，經(jīng)過計算求得被測量（阿基米德測量皇冠的比重）。

間接測量接觸式測量

非接觸式測量

例：雷達測速車載電子警察離線測量

產(chǎn)品質(zhì)量檢驗

在流水線上，邊加工，邊檢驗，可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。在線測量第二節(jié)測量誤差及分類

絕對誤差：

Δ=Ax－Ａ0某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？(1-1)其中Ax為測量值，A0為真實值。相對誤差及精度等級

幾個重要公式：引用（滿度）相對誤差示值（標稱）相對誤差其中Am為儀器的滿度值。儀表的準確度等級和基本誤差

例：某指針式電壓表的精度為2.5級，用它來測量電壓時可能產(chǎn)生的滿度相對誤差為2.5%。為了確定儀表的準確度，常用（1－4）來表示其等級S。其中△m為最大絕對誤差值。例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？

用2.5V量程測量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問引用相對誤差哪一個大？誤差產(chǎn)生的因素：1.粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應予以剔除。

產(chǎn)生粗大誤差的一個例子

2.系統(tǒng)誤差：夏天擺鐘變慢的原因是什么？系統(tǒng)誤差也稱裝置誤差，它反映了測量值偏離真值的程度。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關部件予以消除。

3.隨機誤差

在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差，也稱偶然誤差，它反映了測量值離散性的大小。隨機誤差是測量過程中許多獨立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果。存在隨機誤差的測量結(jié)果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計隨機事例的幾個例子

彩票搖獎4.動態(tài)誤差

由心電圖儀放大器帶寬不夠引起的動態(tài)誤差

當被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態(tài)誤差。

第三節(jié)檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

1.不斷提高檢測系統(tǒng)的測量精度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性：隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)

展，人們對檢測系統(tǒng)的測量精度要求也相應地在提高。近年來，人們研制出許多高精度和寬量程的檢測儀器以滿足各種需要。人們還對傳感器的可靠性和故障率的數(shù)學模型進行了大量的研究，使得檢測系統(tǒng)的可靠性及壽命大幅度的提高?，F(xiàn)在，許多檢測系統(tǒng)可以在極其惡劣的環(huán)境下連續(xù)工作數(shù)十萬小時。目前，人們正在不斷努力進一步提高檢測系統(tǒng)的各項性能指標。提高測量精度[數(shù)字電壓、歐姆表]

將量程切換到2V時，最小顯示值為1μV提高可靠性

承受劇烈振動

2.應用新技術(shù)和新的物理效應，擴大檢測領域月球車2.應用新技術(shù)和新的物理效應，擴大檢測領域（續(xù)）

火星車2.應用新技術(shù)和新的物理效應，擴大檢測領域（續(xù)）“惠更斯”號登陸土衛(wèi)六的效果圖土衛(wèi)六表面

2.應用新技術(shù)和新的物理效應，擴大檢測領域（續(xù)）

安全檢查3.發(fā)展集成化、功能化的傳感器

可拍照的手機4.采用計算機技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化

面部識別技術(shù)4.采用計算機技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化（續(xù)）

單片機芯片

5.發(fā)展網(wǎng)絡化傳感器及檢測系統(tǒng)第四節(jié)半導體物理基礎

一、定義導體半導體絕緣體10－6??cm10－31012以電阻率界限定義銅，銀等硅，鍺等硫化鎘云母，琥珀二、半導體特性1、電阻溫度系數(shù)一般都是負的，對溫度的變化十分敏感；2、導電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化；3、導電能力及性質(zhì)會受熱、光、電、磁等外界總有的影響而發(fā)生非常重要的變化。純硅在室溫下的電導率為5×10－6?－1?cm-1，當摻入硅原子數(shù)的百萬分之一的雜質(zhì)時，電導率卻上升至2?-1?cm-1，幾乎增加了一百萬倍。沉積在絕緣板上的硫化鎘層不受光照時的阻抗可高達幾十甚至幾百兆歐，但一旦受到光照，電阻就會下降到幾十千歐。三、能帶理論1、電子運動的三個特點：1）具有穩(wěn)定的運動狀態(tài)（量子態(tài)），每一個量子態(tài)所確定的能量稱為能級。越外層能量越高；2）嚴格講原子中沒有完全確定的軌道；3）泡利不相容原理：每一個能級中，最多容納兩個自旋方向相反的電子。1）原子以一定的周期重復排列所構(gòu)成的物體稱為晶體；2）晶體中的不同原子的電子軌道發(fā)生不同程度的交迭，使原來隸屬于某一原子的電子，不再是此原子私有，而是在整個晶體中運動，成為整個晶體所共有，這種現(xiàn)象稱作電子的共有化；3）電子的共有化只發(fā)生在能量相同的量子態(tài)之間。2、電子的共有化運動（Flash演示）1)能量區(qū)域中密集的能級形象稱為能帶；2）能量最高的價電子填滿的能帶稱為價帶；3）能量最低的能帶為導帶，中間為禁帶；4）絕緣體、半導體、導體的能帶情況。（見電子版22頁）3、晶體中電子的能帶（Flash演示）四、載流子的運動1、幾個概念（1）本征半導體：完全純凈＆結(jié)構(gòu)完整的半導體。（2）本征激發(fā)：電子由價帶直接激發(fā)躍遷到導帶。（3）N型半導體＆P型半導體：主要由電子導電的半導體稱為？？？（4）空穴：價帶中的電子空位。（5）載流子：電子＆空穴都能導電，我們通稱他們?yōu)檩d流子。在N型半導體中，一般把電子稱為多數(shù)載流子，而在P型半導體中，空穴自然稱為多數(shù)載流子；（6）在晶體中摻雜的雜質(zhì)，如雜質(zhì)本身為正電中心，施予電子，我們稱之為施主雜質(zhì)，而被束縛于施主上的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級；如雜質(zhì)本身是負電中心，接受電子，我們稱之為受主雜質(zhì)，受主的空能量狀態(tài)稱為受主能級。2、熱平衡載流子（1）費米能級EF其中，(電子占據(jù)某一能量狀態(tài)E的幾率)E=EF時，

＝1/2E>EF時，<1/2E<EF時，>1/2玻耳茲曼常數(shù)（2）半導體中的費米能級(EF＝(E-+E+)/2)EFDEDEAEFA導帶價帶E-EFE+本征半導體

N型半導體

P型半導體施主能級受主能級禁帶寬度Eg＝E--E+導帶底價帶頂3、非平衡載流子（1）定義：在外界作用下，電子＆空穴的產(chǎn)生率大于復合率，導致載流子數(shù)目增加，這種增加的電子＆空穴稱為非平衡載流子。（2）壽命：復合率=Δn/ζ，式中,，ζ為常數(shù)，稱為非平衡載流子的壽命。其物理意義：（1）標志著非平衡載流子復合的快慢；（2）非平衡載流子的濃度衰減到原來的1/e所需的時間；（3）非平衡載流子的平均存在時間。（3）復合：（1）直接復合：導帶電子直接落在價帶空穴的位置上而與空穴結(jié)合失去其自由態(tài)的過程。（2）間接復合：導帶電子通過復合中心（由于半導體中晶體結(jié)構(gòu)的不完整性和雜質(zhì)的存在，在禁帶內(nèi)存在一些深能級，這些能級能俘獲自由電子與自由空穴，從而使它們復合，這種深能級稱為復合中心）與價帶上的空穴復合。（4）陷阱效應：雜質(zhì)能級積累非平衡載流子的作用。五、載流子的運動（Flash演示）六、半導體對光的吸收1、本征吸收：由于光子的作用使電子由價帶躍遷到導帶引起的吸收（本征激發(fā)所對應的吸收）；其長波限λo=1.24/Eg(μm)。2、雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)能級中的電子與空穴吸收光子；其長波限λo=1.24/ΔEi(μm)。3、自由載流子吸收：自由載流子在同一能帶內(nèi)不同能級之間的躍遷引起的吸收；雜質(zhì)的電離能4、激子吸收：電子在價帶中空穴庫侖場的束縛下運動，形成可動的電子空穴對，稱為激子。價帶中的電子吸收光子而形成激子叫做激子吸收；5、晶格吸收：光子直接轉(zhuǎn)變成晶格原子的振動。半導體的PN結(jié)及金屬與半導體的接觸一、PN結(jié)原理（結(jié)：P型，N型，i型半導體結(jié)婚時其中的過渡區(qū)）（一）熱平衡下的PN結(jié)（二）非平衡下的PN結(jié)其能帶圖見圖1，另綜合前邊知識可得式（1），（2）。PN結(jié)的電流大小，即PN結(jié)的伏安特性公式（分析PN結(jié)器件的最基本公式）：（1）電子擴散區(qū)勢壘區(qū)空穴擴散區(qū)npn=no+Δnp=po+ΔpxxP區(qū)N區(qū)E_E_E+E+EFPEFnqVEF-EF+圖1：正向PN結(jié)能帶圖（2）1、當V=0時，即平衡態(tài)，2、當V>0時，即在PN結(jié)上加正向電壓，此時，這說明載流子濃度增加，增加的載流子形成結(jié)的正向電流。3、當V<0時，即在PN結(jié)上加反向電壓，此時，這說明載流子濃度減少，減少的載流子形成結(jié)的反向電流。式中，，EF-＆EF+分別表示在非平衡狀態(tài)下的電子與空穴的費米能級，稱為準費米能級。（二）半導體異質(zhì)結(jié)1、由兩種不同質(zhì)的半導體材料接觸而組成的結(jié)。這種結(jié)構(gòu)不僅改變了半導體的禁帶寬度，其他諸如能帶結(jié)構(gòu)，遷移率等也發(fā)生了變化，電流－電壓特性；2、對于金屬、絕緣體與半導體也可構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。如Ge-GaAs，ZnS-Pt等。3、安徒生模型（1）構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種材料晶格完全匹配；（2）不同的禁帶寬度，介電常數(shù)，功函數(shù)和電子親和能等。通過以上假設可簡化為同質(zhì)結(jié)理論來討論異質(zhì)結(jié)。4、晶格失配系數(shù)：如小于0.01，則可視為晶格匹配異質(zhì)結(jié)。3、三種接觸（1）阻擋接觸：金屬與N型半導體接觸，金屬的費米能級低于半導體的費米能級，接觸后電子由半導體注入金屬，形成肖特基勢壘。（2）注入接觸：a、金屬與N型半導體接觸，金屬的費米能級高于半導體的費米能級，接觸后電子由金屬注入半導體，形成一個由電子構(gòu)成的負空間電荷區(qū)。b、金屬與P型半導體接觸，金屬的費米能級低于半導體的費米能級，接觸后電子由半導體注入金屬，形成一個由空穴構(gòu)成的正空間電荷區(qū)。（3）歐姆接觸：若金屬與半導體的費米能級相同，接觸后沒有電荷轉(zhuǎn)移，接觸區(qū)無電場。加上外電場時，V-I關系服從歐姆定律，這樣的接觸稱為歐姆接觸。第五節(jié)光電效應一、定義因光照而引起物體電學特性的改變稱為光電效應。二、類型（1）外光電效應（光電發(fā)射效應）：物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象，其多發(fā)生于金屬＆金屬氧化物。（2）物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運動而不會逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，其多發(fā)生于半導體內(nèi)。又可分為光電導效應＆光生伏特效應。三、光電發(fā)射效應1、過程（1）電子吸收光子以后產(chǎn)生激發(fā)，即得到能量；（2）得到光子能量的電子（受激電子）從發(fā)射體內(nèi)向真空界面運動（電子傳輸）；（3）這種受激電子越過表面勢壘向真空逸出。1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發(fā)射效應，獲得1921年諾貝爾物理學獎。

2、主要性質(zhì)斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）當入射光線的頻譜成分不變時（同一波長的單色光或者相同頻譜成分的光線），光電陰極的飽和光電發(fā)射電流Ik與被陰極所吸收的光通量（標度可見光對人眼的視覺刺激程度的量稱）成正比。即

表征光電發(fā)射靈敏度的稀疏（3）愛因斯坦定律（光電發(fā)射第二定律）發(fā)射出光電子的最大動能隨入射光頻率的增高而線性增大，而與入射光的光強無關，即光電子發(fā)射的能量關系符合愛因斯坦公式：（4）

光電發(fā)射的瞬時性光電發(fā)射的延遲時間不超過s的數(shù)量級。光電陰極的逸出功光電發(fā)射的紅限在入射光線頻譜范圍內(nèi)，光電陰極存在臨界波長，當光波波長等于這個臨界波長時，電子剛剛能從陰極逸出。這個波長通常稱為光電發(fā)射的“紅限”。（5）380nm3.2ev780nm1.6ev四、光電導效應1、定義：半導體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。本征半導體＆雜質(zhì)半導體都能產(chǎn)生光電導效應，當光子能量大時，易于發(fā)生本征光電導；當光子能量小時，易于發(fā)生雜質(zhì)光電導。原因？？？？？？？見課本第15頁2、相關參數(shù)（1）光電導體的靈敏度表示在一定光強下光電導的強弱。一般用光電增益G來表示。（6）Β為量子產(chǎn)額，即吸收一個光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)；ζ為光生載流子壽命；μ為遷移率；U為外加電源電壓；l為光電導體兩極間距。（2）光電導的弛豫表征了光電導對光強變化反應的快慢。