光电检测应用中的基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电检测技术,随着现代信息检测技术的发展，光子技术与微电子技术结合，,相互交叉、相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一,具有越来越大的竞争力,.,序,信息检测技术,光学检测技术,电子检测技术,易与物质发生联系，传播速度快,频带宽，信息容量大,易存储，可转移，好控制,光电检测技术,本课程所讨论的主要内容,第一章：光电检测应用中的基础知识,第二章：光电检测中的常用光源,第三章：结型光电器件,第四章：光电导器件,第五章：真空光电器件,补充：光电测试技术的一些简单应用,第六章：真空成像器件,第七章：固体成像器件,第八章：红外辐射与红外探测器,第,9,章：光导纤维与光纤传感器,第一章 光电检测应用中的基础知识,被测对像,光学系统,光电转换,被测对象的信息加载,光源,信息载体,光电探测器,信息处理,光电检测系统组成：,放大,边缘检测,电动机驱动,门控,处理,主振,激光外径扫描仪原理图,例：,1.1,辐射度学和光度学基本概念,紫外辐射,可见光辐射,X,光辐射,红外光辐射,光波：,波长,10,纳米,1,毫米（频率,3,*10,11,3*10,16,HZ),范围的电磁辐射,红,、,橙,、,黄,、,绿,、,青,、,蓝,、,紫,(100380nm),(380780nm),（,10100nm),(780n,m,1mm),1.,辐射度学,对各种电磁辐射进行定量评价的一门科学,工具：,光接收器件,结果：,与,光能量,相关的各种物理量,评价对象：电磁辐射,2.,光度学,工具：,人眼,对象：可见光辐射,对可见辐射作用于人眼所引起的“光”感觉进行定量评价，是一种生理效应,结果：,对,人眼刺激,大小的各种物理量,用下标,(e),用下标,(v),1.1.1,辐射度学基本物理量,1.,辐射功率,（,辐射通量,）,对于辐射源说,-,单位时间内向空间各个方向发射的总能量。,单位：,W,（瓦特）,对于电磁波的传播,-,单位时间通过某一截面的电磁波能量,对于电磁波的接收,-,单位时间内某一截面接收到的电磁能,发射,A,1,A,2,传播,A,接收,如果是多波长辐射，则有：,光谱功率谱密度,点光源,:,在某一方向上，在单位立体角内发出的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特性）。,2,、,辐射强度,单位,：,向空间各个方向辐射均匀的点光源：,如果辐射是多波长的电磁波则：,如果辐射不均匀，则,方向上的辐射强度，可表示为：,d,3,、,辐射亮度,单位：,-,表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量。面元,dS,在,方向的光亮度定义为：,此面元在,方向,d,体积角内的的辐射通量,d,e,除立体角的大小,d,和此面元在观测方向上的表观面积,cos,(dS),。,如果是多波长辐射则：,如果辐射不均匀，则,方向上的辐亮度，可表示为：,N,4,、,辐射出射度,-,光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向） ，或者说单位辐射面发出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。,dA,1,dA,2,单位：,W/m,2,-,受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。,5,、,辐照度,单位：,W/m,2,dA,1,dA,2,同样有：,同样有：,1.1.2,光度学基本物理量,（一）光度学量和辐射度学量的关系,1.,光谱灵敏度,K,及,视见函数,V,相同,波长（,）不同,产生对人眼不同的刺激程度,人眼对光的感受是光波长的函数,单位时间内发射、传播或接收的光量,K,光谱灵敏度,(lm/W),(1),光谱灵敏度,光通量,(lm,流明,),定义,:,视见函数,明视,0.55,m,1,0.38,0.7,明视,暗视,0.55,m,0.52,m,K,m,= 683,（,lm/W,）,0.38,0.7,不同波长的光谱灵敏度，如图所示：,C,(2),视见函数,（二）光度学量,A,1,A,2,A,1,A,2,辐射通量,单位时间内,发射,、,传播,或,接收,的辐射能量。,复色光时,-,单位时间内,发射,、,传播,或,接收,的光量。,复色光时,1,、,光通量,A,lm(,流明,）,W,（瓦特）,-,点光源,在某一方向上，单位立体角,内发出的辐射通量。,-,点光源,在某一方向上，单位立体角内的,光通量。,2,、,发光强度,单位,：,辐射强度,单位,：,（,cd,坎德拉）,d,-,面元,dS,在,方向,d,体积角内的的光通量,d,v,除立体角的大小,d,和此面元在观测方向上的表观面积,cos,(dS),。,3,、,光亮度,单位：,辐射亮度,-,面元,dS,在,方向,d,体积角内的的辐通量,d,e,除立体角的大小,d,和此面元在观测方向上的表观面积,cos,(dS),。,N,4,、光,出射度,-,光源单位时间由单位表面积辐射出的光量（包括所有方向） ，或者说单位辐射面发出的光通量。,dA,1,dA,2,单位：,lm/m,2,辐射出射度,-,光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向） ，或者说单位辐射面发出的辐通量。,单位：,W/m,2,-,受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。,5,、,辐照度,单位：,lm/m,2,dA,1,dA,2,-,受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。,辐照度,单位：,W/m,2,(lx,勒克斯）,1.1.3,其它基本概念,1.,点源,dA,dA,某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比,-,平方反比定律,同时也与面源的方向有关,I,r,对于沿各方向匀均辐射的点源,点源对面的照度,-,光源,S,总辐射通量为：,2.,扩展源,-,有一定面积的辐射源,朗伯源,或称为,余弦辐射体,向空间各个方向的辐射亮度相同，理想化的扩展源,发光强度,I,与方向角,满足余弦定律的发光体。,大部分发光体都有此性质,dS,I,I,0,余弦定律,常数,根据辐出度的定义,根据亮度的定义,朗伯源向空间各个方位的总辐射通量的计算,-,dS,dA,d,2,2,2,d,3.,漫反射面,-,把入射光向各个方向均匀的散射的各种表面,设某一漫反射面,dS,所受的光照度为,E,，则此面接收到的光通量为：,设此反射面的反射系数为,K,，则它反射的光通量为：,朗伯辐射体,不透明,漫反射体,透明漫反射体,亮度减半,4.,定向辐射体,-,光线的发射方向比较集中,如：激光器,太阳的辐射亮度只有,3*10,8,W/(sr.m,2,),1.2,半导体的基础知识,1.,电子的共有化运动,2.,能带的形成,能级,3s,2p,1.2.1,固体的能带结构,允带,禁带,允带,允带,禁带,3.,能带的结构,价带,导带,禁带,物质的导电性：,价带,导带,禁带,价带中的空穴,导带中的电子,价带,导带,内层能带,禁带,禁带,内层能带,禁带,满带：,被电子填满的能带,空带：没有,电子占据的能带,4.N,型半导体和,P,型半导体,价带,导带,禁带,低温下,低温下硅晶体中的价带中所有的能级都被电子占据，即被填满，价带以下的能带被内层电子填满，而导带的能级是空的，所以不导电。,价带,导带,禁带,本征激发,常温下,被激发到共价键之外,不导电,弱导电性,1,）本征半导体,2,）,掺,5,族元素时,-,N,型半导体的能级,处于共价键之外,低温下,价带,导带,禁带,杂质能级,价带,导带,禁带,施主,能级,本征激发,+,杂质激发,价带,导带,禁带,杂质能级,低温下,常温下,被激发至导带,3,）掺,3,族元素时,-P,型半导体,低温下,B,价带,导带,杂质能级,价带,导带,杂质能级,常温下,B,低温下,受主,能级,价带,导带,杂质激发,+,本征激发,热平衡下的载流子浓度,本征半导体中的载流子,价带,导带,禁带,本征激发,开始时：激发,复合,复合,一段时间后：激发,=,复合,（载流子浓度增大）,（载流子浓度稳定）,热平衡状态,设由低温到高温的过程,1.2.3,半导体中的非平衡载流子,非平衡载流子,-,通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这些超出的载流子通常称为,非平衡载流子,，或,过剩载流子,。,1.,半导体材料的光吸收效应,1,）本征吸收,价带,导带,常温光照时,价带,导带,常温无光照时,E,g,要发生光电导效应，必须满足：,单位是,m,2,）杂质吸收,N,型半导体：,价带,导带,低温无光照时,E,d,价带,导带,低温有光照时,价带,导带,低温无光照时,E,a,工作时温度要低,-,防止热激发,价带,导带,低温有光照时,P,型半导体：,2.,非平衡载流子浓度,光照射半导体时：,载流子的浓度增加,停止光照射后：,由于复合，载流子的浓度不断的减少，直到热平衡,复合方式有,直接复合,-,导带中的电子直接回到价带填充空位,间接复合,-,通过“缺陷、错位、杂质”等形成的复合中心复合,价带,导带,价带,导带,1.2.4,载流子的扩散和漂移,1.,扩散,-,在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载流子浓度高于其它地方和载流了浓度，这时载流子就从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为,扩散,扩散形成电流的大小：,2.,飘移,-,在电场做用下电荷的移动,对于空穴导电,2.,总电流,电子,空穴,总电流,1.3,基本定律,1.3.1,黑体辐射定律,黑体,：有一类物体其表面不反射光，它们能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射，这类物体就叫绝对黑体。,吸收比,:,模拟黑体：,反射比,:,1.,基尔霍夫定律,2.,普朗克辐射公式,常数,光谱发射率,短波区或温度不高的情况下,-,吸收能力强，发射能力也强,3.,斯忒藩,-,玻耳兹曼定律,700K,900K,400K,(,m,）,2,M,e,(,T),4,6,8,短波区或温度不高的情况下,一定温度下总的辐射出射度,4.,维恩位移定律,Me(,T),1.,响应率,电压响应率,(V/w),：,电压,/,单色辐射通量,电流,/,单色辐射通量,电流 响应率,(A/w),：,1.4.2,光电探测器的特性参数,探测器的输出信号电压,/,探测器接收的所有波长光的总辐射通量,探测器输出的信号电流,/,探测器接收的所有波长光的总辐射通量,电压光谱灵敏度：,2.,光谱响应率,电流光谱灵敏度：,S,（,）,1,相对光谱灵敏度,4,、探测度,D,与比探测度,D,*,3,、等效噪声功率,如果探测器所接收到的辐射功率所引起的信号输出，正好等于探测器本身产生的噪声，则探测器此时所接收到的辐射功率称为,等效噪声功率,又称为,最小可探测功率,。,设输出信号为电流,信噪比,探测率,归一化等效澡声功率：,比探测率,（归一化探测率）,A,d,：,cm,2,f,: Hz,:A,S,I,:A/W,D,*,:,cm.Hz,1/2,.W,-1,实际上比探测率是与波长有关的,D,*,（,500K,，,900Hz, 1Hz),黑体光源的温度,辐射能量的振荡频率,测量带宽,5.,响应时间和频率响应,惰性,-,光电器件输出的电信号总是在时间上落后于作用在其上的光信号的特性。,t,I,s,1.0,t,0.37,0.63,上,下,响应时间,频率响应,探测器上限截止频率,6.,线性,下限：,由暗电流和噪声因素决定,上限：,上限由饱和效应或过载决定,1.4.3,光电探测器的合理选择,