光電材料與器件期末復(fù)習(xí)題

1、光電材料與器件復(fù)習(xí)題第一章1.光電探測器：光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器：載流子的注入和復(fù)合發(fā)光效應(yīng)太陽能電池：光生伏特效應(yīng)外光電效應(yīng):在光線的作用下,物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象,光電管、光電倍增管。2.(1)原子核外電子排布能量最低原理 核外電子在原子軌道上的排布，應(yīng)使整個原子的能量處于最低狀態(tài)。即填充電子時，是按照近似能級圖中各能級的順序由低到高填充的。泡利不相容原理 在同一原子中，不可能有兩個電子具有完全相同的四個量子數(shù)。如果原子中三個量子數(shù)相同，第四個一定不同，即同一軌道最多能容納2個自旋方向相反的電子。洪特規(guī)則 在同一亞層的各個軌道上，電子的排布盡

2、可能分占不同的軌道，并且自旋相同。（2）電子在能帶中的排布排布原則: 能量最低原理按由低到高的順序填充各能級。泡利不相容原理同一能級最多容納2個自旋方向相反的電子。3.費米能級EF是反映電子在各個能級中分布情況的參數(shù)。對于具體的電子體系，在一定溫度下，只要確定了EF，電子在能級中的分布情況也就完全確定了。對于一定的半導(dǎo)體，費米能級隨溫度以及雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。費米能級位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。在絕對零度（T=0）時，費米能級EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限。4.（注意）（1）非平衡載流子的注入光注入：用光照射半導(dǎo)體產(chǎn)生非平衡載流子的方法。（光-電器件，光-光器

3、件）電注入： 給PN結(jié)加正向偏壓，PN結(jié)在接觸 面附近產(chǎn)生非平衡載流子。 當(dāng)金屬和半導(dǎo)體接觸時，加上適當(dāng)?shù)钠珘?，也可以注入非平衡載流子。 電-光器件） （2）非平衡載流子的復(fù)合非平衡載流子的復(fù)合：非平衡載流子是在外界作用下產(chǎn)生的，當(dāng)外界作用撤除以后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，導(dǎo)帶中的非平衡電子將落入到價帶的空狀態(tài)中，使電子和空穴成對地消失。非平衡載流子的復(fù)合是半導(dǎo)體由非平衡態(tài)趨向平衡態(tài)的一種弛豫過程，屬于統(tǒng)計性的過程。5.量子限制效應(yīng) (QCE，Quantum Confinement Effect)，指固體材料的尺度縮小到一定值時，即在某一維度上可與電子的德布洛意波長或電子平均自由程相比擬或更小時

4、，電子的運動受到局限，電子態(tài)呈量子化分布，連續(xù)的能帶分解為分立的能級 。第二章1.pn結(jié)定義 所謂pn結(jié)，是指采用某種技術(shù)在一塊半導(dǎo)體材料內(nèi)形成共價鍵結(jié)合的p型和n型區(qū)，那么p型區(qū)和n型區(qū)的界面及其二側(cè)載流子發(fā)生變化范圍的區(qū)域稱為pn結(jié)。2.非平衡pn結(jié)定 義：施加偏壓的pn結(jié)。此時pn結(jié)處于非平衡狀態(tài)，稱非平衡pn結(jié)。 正向偏置：偏置電壓為p區(qū)電位高于n區(qū)電位 反向偏置：偏置電壓為n區(qū)電位高于p區(qū)電位 特 征-與平衡pn結(jié)相比： 空間電荷區(qū)內(nèi)電場發(fā)生變化- 破壞了載流子擴散、漂移的動態(tài)平衡； 空間電荷區(qū)寬度變化；能帶結(jié)構(gòu)變化；載流子分布變化； 產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象-形成電流： 正向偏置條件下：空

5、間電荷區(qū)內(nèi)電場強度被削弱，載流子擴散運動大于漂移運動，形成凈擴散流-稱為正向電流。 反向偏置條件下：空間電荷區(qū)內(nèi)電場強度被增強，載流子漂移運動大于擴散運動，形成凈漂移流-稱為反向電流。3.載流子分布正偏： 空間電荷區(qū)電場被削弱，載流子擴散大于漂移； 載流子濃度在空間電荷區(qū)及邊界高于其平衡值； 邊界處非平衡少數(shù)載流子向體內(nèi)擴散； 邊擴散邊與多子復(fù)合，在少子擴散長度處近似等于平衡少子濃度。反偏： 空間電荷區(qū)電場被加強，載流子漂移運動大于擴散運動； 載流子濃度在空間電荷區(qū)及邊界處低于其平衡值； 中性區(qū)平衡少子向空間電荷區(qū)內(nèi)擴散； 使擴散長度范圍內(nèi)少子濃度低于其平衡值； 載流子低于平衡值就要有產(chǎn)生；

6、擴散進空間電荷區(qū)的載流子與產(chǎn)生的載流子動態(tài)平衡時，反偏 載流子達穩(wěn)定分布。 4.pn結(jié)擊穿定義：反向電壓增大到某一值時，電流急劇上升。這種現(xiàn)象稱為pn結(jié)的擊穿。 相應(yīng)反偏電壓稱為pn結(jié)擊穿電壓。 擊穿是pn的本征現(xiàn)象，本身不具有破壞性，但是如果沒有恰當(dāng)?shù)南蘖鞅Ｗo措施，pn結(jié)則會因功耗過大而被熱損壞。擊穿機制： 熱擊穿； 隧道擊穿； 雪崩擊穿-常見的主要擊穿機制。（1）隧道擊穿 隧道效應(yīng)-電子具有波動性，它可以一定幾率穿過能量比其高的勢壘區(qū)，這種現(xiàn)象稱作隧道效應(yīng)。 隧道擊穿-pn結(jié)反偏下，p區(qū)價帶頂可以高于n區(qū)導(dǎo)帶低，那么p區(qū)價帶電子可以借助隧道效應(yīng)穿過禁帶到達n區(qū)。當(dāng)反偏壓達到時，隧穿電子密度

7、相當(dāng)高，形成的隧道電流相當(dāng)大，這種現(xiàn)象通常稱作隧道擊穿，又稱齊納擊穿。 （2）雪崩擊穿碰撞電離-反偏空間電荷區(qū)電場較強，構(gòu)成反向電流的電子和空穴可以獲得較大的動能。若電子和空穴獲得的動能在與晶格原子碰撞時足以將價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對，稱為碰撞電離。 雪崩倍增效應(yīng)-產(chǎn)生的電子-空穴對從電場獲取足夠能量，與原子撞碰又產(chǎn)生第二代電子-空穴對。如此繼續(xù)下去，使構(gòu)成反向電流的載流子數(shù)量劇增，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增效應(yīng)。 雪崩擊穿-由雪崩倍增效應(yīng)引起的反向電流的急劇增大，稱為雪崩擊穿。5.異質(zhì)結(jié)定義二種不同半導(dǎo)體材料以價健形式結(jié)合在一起，那么其界面及二測少子密度(與平衡狀態(tài)相比)發(fā)生變化的區(qū)域

8、稱為異質(zhì)結(jié) 特征：二個區(qū)域禁帶寬度不同同型異質(zhì)結(jié)(二種半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型相同) ； 反型異質(zhì)結(jié)(二種半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型不同)。6、半導(dǎo)體的光吸收機制機理：載流子吸收光能躍遷； 晶格振動吸收光能。 機制：本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收， 激子吸收，晶格振動吸收。激子： 處于禁帶中的電子與價帶中的空穴在 庫侖場作用下束縛在一起形成的電中 性系統(tǒng)。激子可以在整個晶體中運動， 不形成電流。 激子吸收： 價帶電子受激躍至禁帶，形成激子。 激子吸收特征：hv小于EG第三章1.、光輻射的度量 光輻射的度量方法有兩種:一種是客觀的度量方法,研究各種電磁輻射的傳播和量度,稱為輻射度學(xué)參量.適用于整個電磁譜區(qū)

9、.另一種是主觀的計量方法,以人眼見到的光對大腦的刺激程度來對光進行計量的方法,稱為光度學(xué)參量.適用于可見光譜區(qū).輻（射）通量：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能。又稱輻（射）功率。光通量：從數(shù)量上描述電磁輻射對視覺的刺激強度；單位時間內(nèi)，人眼所感受到的光能。與輻射波長及人眼的視見函數(shù)有關(guān)。 2.半導(dǎo)體的光吸收有本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格振動吸收等多種吸收機制。其中，最主要的吸收是本征吸收。價帶中的電子吸收了能量足夠大的光子后，受到激發(fā)，越過禁帶，躍入導(dǎo)帶，并在價帶中留下一個空穴，形成了電子空穴對，這種躍遷過程所

10、形成的光吸收過程稱為本征吸收。 2.光電導(dǎo)探測器原理內(nèi)光電效應(yīng): 材料在吸收光子能量后，出現(xiàn)光生電子空穴，由此引起電導(dǎo)率變化或電流電壓現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應(yīng)，是相對于外光電效應(yīng)而言的。光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時，吸收光子引起載流子濃度增大，產(chǎn)生附加電導(dǎo)率使電導(dǎo)率增加，這個現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。第四章重點：定義，知道相關(guān)器件：外光電效應(yīng)：物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為 （光電發(fā)射效應(yīng)：光電管、光電管、像增強管）內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光照射在物體上,使物體的電阻率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象 （光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)管或稱光敏電阻 光伏效應(yīng)：光電池、光電二極管）定義，比較，簡答題：光子效應(yīng)：指單個

11、光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子 后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。 特點：光子效應(yīng)對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。例如：太陽電池花光熱效應(yīng)：探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的 光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升,溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。 特點：原則上對光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。 說明：在紅外區(qū)，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強烈，常用于紅外線輻射探測。 例如：熱釋電紅外探測器光譜匹配是選擇光電探測器，

12、如像管、光電倍增管、紅外成像器件的光電轉(zhuǎn)換材料的重要依據(jù)。希望光電探測器盡量與光源匹配。定義：如果入射光是強度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf 噪聲主要分為：有形噪聲和無規(guī)噪聲 前者一般可以預(yù)知，因而總可以設(shè)法減少和消除。后者來自物理系統(tǒng)內(nèi)部，表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏它是探測器所固有的不可避免的現(xiàn)象。任何一個探測器，都一定有噪聲。也就是說，在它輸出端總存在著一些毫無規(guī)律，事先無法預(yù)知的電壓起伏。這種無規(guī)起伏，在統(tǒng)計學(xué)中稱為隨機起伏，它是微觀世界服從統(tǒng)計規(guī)律的反映。從這個意義上說，實現(xiàn)微弱光信號的探測，就是從噪聲中如何提取信號的問題長時間看，

13、噪聲電壓從零向上漲和向下落的機會是相等的，其時間平均值一定為零。所以用時間平均值無法描述噪聲大小依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測器的噪聲可大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、熱噪聲和低頻噪聲。幾種噪聲的定義：1.散粒噪聲：無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測器中。2.產(chǎn)生復(fù)合噪聲 對光電導(dǎo)探測器，載流子熱激發(fā)是電子空穴對。電子和空穴在運動中，與光伏器件重要的不同點在于存在嚴重的復(fù)合過程，而復(fù)合過程本身也是隨機的。 因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，這樣就使起伏加倍，雖

14、然本質(zhì)也是散粒噪聲，但為強調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個因素，取名為產(chǎn)生復(fù)合散粒噪聲3.光子噪聲 以上是熱激發(fā)作用產(chǎn)生的散粒噪聲。假定忽略熱激發(fā)作用，即認為熱激發(fā)直流電流Id為零。由于光子本身也服從統(tǒng)計規(guī)律。我們平常說的恒定光功率，實際上是光子數(shù)的統(tǒng)計平均值，而每一瞬時到達探測器的光子數(shù)是隨機的。 因此，光激發(fā)的載流子一定也是隨機的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。因為這里強調(diào)光子起伏，故稱為光子噪聲。它是探測器的極限噪聲，不管是信號光還是背景光，都要伴隨著光子噪聲，而且光功率愈大，光子噪聲也愈大4.熱噪聲電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運動狀態(tài)也是隨機的，由此而構(gòu)成無偏壓下的起伏電動勢

15、。這種由載流子的熱運動引起的起伏就是電阻材料的熱噪聲，或稱為約翰遜（Johnson）噪聲。熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機熱激發(fā)的波動而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。5. 1/f 噪聲1/f 噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲。 這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f 噪聲。實驗發(fā)現(xiàn)，探測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對這種噪聲的影響很大，所以有時也稱為表面噪聲或過剩噪聲。 .溫度

16、噪聲 它是由于材料的溫度起伏而產(chǎn)生的噪聲。在熱探測器件中必須考慮溫度噪聲的影響。 當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時，由于有溫差T的存在，因而引起材料有熱流量的變化，這種熱流量的變化導(dǎo)致產(chǎn)生物體的溫度噪聲。本征型光敏電阻 一般在室溫下工作，適用于可見光和近紅外輻射探測非本征型光敏電阻 通常在低溫條件下工作，常用于中、遠紅外輻射探測光敏電阻的電流： 1. 無光照時,光敏電阻的阻值很大,電路中電流很小。 2.受光照時,由光照產(chǎn)生的光生載流子迅速增加,它的阻值急劇減少。在外電場作用下光生載流子沿一定方向運動,在電路中形成電流,光生載流子越多電流越大。簡答，判斷：光敏電阻的特點：光譜響應(yīng)范圍寬，根據(jù)光電導(dǎo)材料的不

17、同，光譜響應(yīng)可從紫外光、可見光、近紅外擴展到遠紅外，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度偏置電壓低，工作電流大(可達數(shù)毫安)動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光光電導(dǎo)增益大(大于1)，靈敏度高光敏電阻無極性，使用方便 光譜響應(yīng)主要由材料禁帶寬度決定，禁帶寬度越窄則對長波越敏感，但禁帶很窄時，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運動加快，靈敏度降低，因此采用冷卻靈敏面的辦法來降低熱發(fā)射，來提高靈敏度往往是很有效的。溫度降低，使靈敏范圍和峰值向長波范圍移動，降低了熱發(fā)射，提高了靈敏度零偏壓pn結(jié)光伏探測器光伏工作模式光電池硅光電池的用途：光電探測器件，電源PN結(jié)很重要！ 太陽電池的物理基礎(chǔ)

18、：p-n結(jié)的形成：當(dāng)p型硅和n型硅互相接觸時，如圖2.1所示，交界面兩側(cè)的電子和空穴濃度不同，于是界面附近的電子將通過界面向右擴散運動，而空穴則向左擴散運動。界面左側(cè)附近的電子流向p區(qū)后，就剩下了一薄層不能移動的電離磷原子P+，如圖(b)所示，形成一個正電荷區(qū)，阻礙n區(qū)電子繼續(xù)流向p區(qū)，也阻礙p區(qū)空穴流向n區(qū)。類似的過程也使界面右側(cè)附近剩下一薄層不能移動的電離硼原子B-，它阻礙p區(qū)空穴向n區(qū)及n區(qū)電子向p區(qū)的繼續(xù)流動。于是界面層兩側(cè)的正、負電荷區(qū)形成了一個電偶層，稱為阻擋層，如圖(b)所示。（a）n型硅和p型硅接觸；（b）形成p-n結(jié)非本征吸收包括激子吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收和晶格振動吸

19、收等。本征吸收發(fā)生在波長吸收限0以內(nèi)，非本征吸收發(fā)生于0之外。簡答，過程會敘述：光生伏特效應(yīng)：當(dāng)p-n結(jié)處于平衡狀態(tài)時，在p-n結(jié)處有一個耗盡區(qū)，其中存在著勢壘電場，該電場的方向由n區(qū)指向p區(qū)。如圖2.3（a）所示，電池被太陽照射時，能量hn大于或等于禁帶寬度Eg的光子，穿過減反射膜進入硅中。在n區(qū)、空間電荷區(qū)、p區(qū)中激發(fā)出光生電子-空穴對。光生電子-空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被勢壘電場分離，光生電子被送進n區(qū)，光生空穴則被推進p區(qū)。在n區(qū)中，光生電子-空穴對產(chǎn)生后，光生空穴（少子）便向p-n結(jié)邊界擴散，一旦到達p-n結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場作用，被電場力牽引做漂移運動，越過耗盡區(qū)進入p區(qū)

20、，光生電子（多子）則被留在n區(qū)。p區(qū)中的光生電子（少子）同樣因為擴散、漂移而進入n區(qū)，光生空穴（多子）留在p區(qū)。這樣，在p-n結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反的光生電動勢，如圖2.3（b）所示，這就是光生伏特效應(yīng)。太陽電池的性能參數(shù)（以下是各種判斷?。┯捎贗L與入射光強成正比，因此VOC也隨入射光強增加而增大，與入射光強的對數(shù)成正比，開路電壓還與I0的對數(shù)成反比，而I0與電池基體材料的禁帶寬度有關(guān)，禁帶愈寬，I0越小，則VOC愈大。同時VOC隨溫度的升高而降低。填充因子最大輸出功率與（VOCISC）之比稱為填充因子，用FF表示。對于開路電壓VOC和短路電流ISC一定的特性曲線來說，填充因子越接近于

21、1，電池效率越高，伏安特性線彎曲越大。因此FF也稱曲線因子，表示式為 FF是用以衡量太陽電池輸出特性好壞的重要指之一。在一定光強下，F(xiàn)F愈大，曲線愈方，輸出功率越高。 太陽電池效率太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是首要的關(guān)鍵指標(biāo)，決定著電池的成本、質(zhì)量、材料消耗、輔助設(shè)施等許多因素。太陽電池的轉(zhuǎn)換效率為式中Pin 太陽電池的輸入功率。所以太陽電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負載時的最大能量轉(zhuǎn)換效率。判斷：效率影響因素：禁帶寬度禁帶寬度對轉(zhuǎn)換效率的影響是雙向的。一方面禁帶寬度增大會使短路電流減少。因為隨著它的增大，能激發(fā)光生電流的光子數(shù)在減少。另方面，開路電壓則隨著禁帶寬度增大而增大。因此，要得到較高的電

22、池轉(zhuǎn)換效率，必須找合適禁帶寬度的材料。 溫度電池效率隨著溫度升高而下降。這是因為溫度升高會造成禁帶寬度的降低。 少數(shù)載流子的壽命光生載流子產(chǎn)生后，少數(shù)載流子要運動到p-n結(jié)另一方。在此期間，只有它不被復(fù)合才有可能形成電池電流。少數(shù)載流子壽命除了取決于材料本身外，還取決于復(fù)合中心的濃度。而復(fù)合中心由晶體缺陷和雜質(zhì)所構(gòu)成。少數(shù)載流子壽命越長，暗電流越小，開路電壓越高。 摻雜濃度及其分布在一定范圍內(nèi)，摻雜濃度越高，開路電壓也隨之增大，這有利于轉(zhuǎn)換效率的提高。但由于載流子的簡并效應(yīng)，過多的摻雜反而會降低開路電壓，而且少子壽命也會降低。另外，當(dāng)摻雜濃度從電池表面的擴散區(qū)向結(jié)的方向不均勻降低時，可提高光生

23、載流子的收集效率，有利于轉(zhuǎn)換效率的提高。 光強提高太陽光的強度有助于提高轉(zhuǎn)換效率。提高太陽光的強度可以增大電池的短路電流。另一方面還會發(fā)生“場助效應(yīng)”，即在基區(qū)中產(chǎn)生強大的光生電流，這個電流產(chǎn)生一個促使光生載流子流向p-n結(jié)的電場。高的光強還可以提高電池的填充因子。 串聯(lián)電阻電池的排列、歐姆接觸、電池的內(nèi)阻都構(gòu)成電池的串聯(lián)電阻。 染料敏化太陽電池：激發(fā)態(tài)的壽命越長，越有利于電子的注入，而激發(fā)態(tài)的壽命越短，激發(fā)態(tài)分子有可能來不及將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中就已經(jīng)通過非輻射衰減而返回到基態(tài)。2、4兩步為決定電子注入效率的關(guān)鍵。電子注入速率常數(shù)（kinj）與逆反應(yīng)速率常數(shù)（kb）之比越大，電子復(fù)合的機

24、會就越小，電子注入的效率就越高。步驟6是造成電流損失的一個主要原因，因此電子在納米晶網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速度（k5）越大，電子與I3-離子復(fù)合的交換電流密度（J0）越小，電流損失就越小。在整個過程中，各反應(yīng)物種總狀態(tài)不變，光能轉(zhuǎn)化為電能。電池的開路電壓（Voc）取決于二氧化鈦的費米能級和電解質(zhì)中氧化還原電對的能斯特電勢之差。1Si光電二極管結(jié)構(gòu)原理：為了消除表面漏電流，在器件的SiO2表面保護層中間擴散一個環(huán)形p-n結(jié)，如圖所示， 該環(huán)形結(jié)構(gòu)稱為環(huán)極。在有環(huán)極的光電二極管中，通常有三根引出線，對于n+p結(jié)構(gòu)器件，n側(cè)電極稱為前極，p側(cè)電極稱為后極。環(huán)極接電源正極，后極接電源負極，前極通過負載接電源正極

25、，由于環(huán)極電位高于前極，在環(huán)極形成阻擋層阻止表面漏電流通過，可使得負載RL的漏電流很小(小于0.05A )，若不用環(huán)極也可將其斷開作為空腳。填空，簡答：光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由三個因素決定：(a)光生載流子在耗盡層附近的擴散時間；(b)光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移（渡越）時間；(c)與負載電阻RL并聯(lián)的結(jié)電容Ci所決定的電路RC時間常數(shù)。簡答，原理過程會描述：雪崩光電二極管（APD）在幾百伏的反偏壓作用下，由于PN結(jié)內(nèi)的電場足夠高，由光子產(chǎn)生的電子和空穴可獲得很高的能量，當(dāng)它們撞擊價帶中的被束縛的電子時，就會引起電離現(xiàn)象，從而產(chǎn)生新的電子空穴對，原有的電子和空穴連同新產(chǎn)生的電子和空穴在強電

26、場的作用下又重新獲得能量，導(dǎo)致更多的撞擊，產(chǎn)生更多的電子空穴對，這樣由光子產(chǎn)生的一對電子和空穴經(jīng)過多次碰撞后可以產(chǎn)生很多的電子和空穴，人們將這種電流放大現(xiàn)象稱為雪崩。雪崩光電二極管就是利用這種效應(yīng)產(chǎn)生光電流的放大作用。 熱探測器包括：熱電和熱釋電探測器熱探測器的分析模型有三部分組成：熱敏元件、熱鏈回路和大熱容量的散熱器利用熱釋電效應(yīng)制成的探測器稱為熱釋電探測器。（定義）在某些絕緣物質(zhì)中由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。簡答，原理，過程光電倍增管：PhotoMultiplier Tube，簡稱PMT，是一種建立在光電子發(fā)射效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱光轉(zhuǎn)化成

27、光電子并獲倍增的重要的真空光電發(fā)射器件。這種器件實際上是一種電子管，感光的材料主要是金屬銫的氧化物，其中并摻雜了其他一些活性金屬（例如鑭系金屬）的氧化物進行改性，以提高靈敏度和修正光譜曲線，用這材料制成的光電陰極射線管，在光線的照射下能夠發(fā)射電子，我們可以稱之為光電子，它經(jīng)柵極加速放大后去沖擊陽極，最終形成了電流。判斷，填空 光電面按光子的發(fā)射方法可分成反射型和透過型兩大類。反射型通常是在金屬板上形成發(fā)光面，光電子同入射光反方向發(fā)射。透過型通常是在光學(xué)透明平板上形成薄膜狀光電面，光電子同入射光同方向發(fā)射。結(jié)構(gòu)：1）環(huán)形聚焦型 2）盒柵型 3）直線聚焦型 4）百葉窗型 5）細網(wǎng)型 6） 微通道板

28、（MCP）型 7）金屬通道型 （名稱要知道）掌握取決于什么材料：光譜響應(yīng)特性的長波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。掌握來源的名稱：陽極暗電流的主要來源有以下幾種：1） 電子熱發(fā)射2） 殘留氣體電離（離子反饋）3） 玻璃發(fā)光 4） 漏電電流 5） 場致發(fā)射光電材料與器件第五章重點：成像轉(zhuǎn)換過程有四個方面的問題需要研究：能量方面物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測到目標(biāo)的問題成像特性能分辨的光信號在空間和時間方面的細致程度，對多光譜成像還包括它的光譜分辨率噪聲方面決定接收到的信號不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面（成像特性、噪聲信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息

29、量大?。┱莆展腆w攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID）電荷耦合器件（CCD）特點以電荷作為信號CCD的基本功能電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移CCD工作過程信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測的過程電荷存儲構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)

30、和深度耗盡狀態(tài)電荷轉(zhuǎn)移以三相表面溝道CCD為例表面溝道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用離子注入方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢能極小值脫離界面而進入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達99.999以上，工作頻率可高達100MHz，且能做成大規(guī)模器件電荷檢測：電流輸出結(jié)構(gòu)、浮置擴散輸出結(jié)構(gòu)、浮置柵輸出結(jié)構(gòu)；浮置擴散輸出 應(yīng)用最廣泛線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)

31、構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)彩色CCD：目前主要有三片式和單片式兩種CCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱暗信號，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)。由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的。暗電流的危害有兩個方面：限制器件的低頻限、引起固定圖像噪聲CCD的噪聲可歸納為三類：散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對物像中明暗細節(jié)的分辨能力。測試時用專門的測試卡。目前國際上一般用（調(diào)制傳遞函數(shù)）來表示分辨率。采用CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconduct

32、or Transistor）技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動和控制電路、信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。工作過程：首先，外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號電荷，行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元，行像素內(nèi)的信號電荷通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號輸出。行選通單元可以對像素陣列逐行掃描，也可以隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場頻，但會降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息。紅外焦平面器件（IRFPA）就

33、是將CCD、CMOS技術(shù)引入紅外波段所形成的新一代紅外探測器，是現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。IRFPA建立在材料、探測器陣列、微電子、互連、封裝等多項技術(shù)基礎(chǔ)之上。IRFPA通常工作于13m、35m和812m的紅外波段并多數(shù)探測300K背景中的目標(biāo)。IRFPA由紅外光敏部分和信號處理部分組成。紅外光敏部分材料的紅外光譜響應(yīng)信號處理部分有利于電荷的存儲與轉(zhuǎn)移接收系統(tǒng)對景物的分解方式?jīng)Q定了光電成像系統(tǒng)的類型：(1) 光機掃描方式 最常用的掃描方式是直線掃描，即瞬時視場從左到右進行行掃描（方位掃描），掃描完一行后在從上往下進行第二行掃描，這種上下挪動掃描稱為列掃描（幀掃描）。特點是：探測器相對于總視

34、場只有較小的接收范圍，而由光學(xué)部件做機械運動來實現(xiàn)對景物空間的分解。常用多元探測器來提高信號幅值或降低掃描速度，進而提高光電成像系統(tǒng)的信噪比。根據(jù)掃描方式因元件的排列和掃描方向的不同，分為：串聯(lián)掃描、并聯(lián)掃描、串并聯(lián)混合掃描(2) 電子束掃描方式成像系統(tǒng)元件：采用的是各種電真空類型的攝像管，如紅外成像系統(tǒng)中的熱釋電攝像管。原理：在這種成像方式中，景物空間的整個觀察區(qū)域同時成像在攝像管的靶面上，圖像信號通過電子束檢出。只有電子束所觸及的那一小單元區(qū)域才有信號輸出。攝像管的偏轉(zhuǎn)線圈控制電子束沿靶面掃描，促使能夠一次拾取整個觀察區(qū)域的圖像信號。特點：光敏靶面對整個視場內(nèi)的景物輻射同時接收，而由電子束

35、的偏轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)對景物圖像的分解。(3) 固體自掃描方式成像系統(tǒng)元件：采用的是各種面陣固體攝像器件，如面陣CCD、CMOS攝像器件等。原理：面陣攝像器件中的每個單元對應(yīng)于景物空間的一個相應(yīng)小區(qū)域，整個面陣攝像器件對應(yīng)于所觀察的景物空間。特點：面陣攝像器件對整個視場內(nèi)的景物輻射同時接收，而通過對陣列中各單元器件的信號順序采樣來實現(xiàn)對景物圖像的分解。紅外成像光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾方面的基本要求：物像共軛位置、成像放大率、一定的成像范圍，以及在像平面上有一定的光能量和反映物體細節(jié)的能力（即分辨率）。 光學(xué)系統(tǒng)：由透鏡、反射鏡、棱鏡及光闌等多種光學(xué)元件按一定次序組合成的整體。 理想光學(xué)系統(tǒng)：若拋開光學(xué)系統(tǒng)

36、的具體結(jié)構(gòu), 假定其在任意大的空間，以任意寬的光束都能成完善像。它是能產(chǎn)生清晰且與所成像與物貌完全相似的光學(xué)系統(tǒng)理想模型，可作為衡量實際光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。理想光學(xué)系統(tǒng)具有下述性質(zhì)： 光學(xué)系統(tǒng)每一點物對應(yīng)一點像，光路可逆。 一對物、像可互換的點稱為共軛點。 物方某條入射光線與對應(yīng)的出射光線稱為共軛光線。 物方每個平面對應(yīng)像方的一個共軛平面面。 這種點對應(yīng)點、直線對應(yīng)直線、平面對應(yīng)平面的成像變換稱為共線成像。 主光軸上任一點的共軛點仍在主光軸上。過光軸的某一截面內(nèi)的物點對應(yīng)的共軛像點必位于該平面的共軛像面內(nèi)；垂直于主光軸的平面其共軛面與主光軸垂直。 垂直于光軸的平面物所成的共軛平面像，其幾何

37、形狀與物完全相似 (垂直于主光軸的共軛平面其橫向放大率為常量)。 一個共軸理想光學(xué)系統(tǒng)，若已知兩對共軛面的位置和放大率，或者一對共軛面的位置和放大率，以及軸上兩對共軛點的位置，則其它一切物點的共軛像點都可以根據(jù)這些已知的共軛面和共軛點來表示。 通常將這些已知的共軛面和共軛點分別稱為共軸系統(tǒng)的“基面”和“基點”。簡答題，作用，原因光學(xué)系統(tǒng)中的光闌按作用分類： 孔徑光闌：限制軸上點成像光束的孔徑角。（有效光闌） 視場光闌：限制物面或像面上的物體成像范圍。 漸暈光闌：去掉成像質(zhì)量差的光束，改善軸外物點和遠軸光成像質(zhì)量。 產(chǎn)生原因：軸上點：發(fā)出充滿入射光瞳的光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后以充滿出射光 瞳的光束成像

38、。軸外點：某些情況下不能以充滿入射光瞳的光束通過系統(tǒng)成像，只有中間一部分光束可以通過光學(xué)系統(tǒng)成像，這種軸外點光束被部分攔掉的現(xiàn)象稱為漸暈，物點離光軸越遠，漸暈越大。 消雜光光闌：可以攔掉視場以外的光線射入物鏡的入射光瞳，提高成像質(zhì)量。填空，知道名稱實際光學(xué)系統(tǒng)所成的像和近軸區(qū)所成的像的差異即為像差。光學(xué)系統(tǒng)對單色光成像時產(chǎn)生單色像差，分為五類：球面像差（球差）、彗形像差（彗差）、像散差（像散）、像面彎曲（場曲）和畸變。對多色光成像時，光學(xué)系統(tǒng)除對各單色光成分有單色像差外，還產(chǎn)生兩種色差：軸向色差和垂軸色差（亦稱倍率色差）。紅外物鏡系統(tǒng)（1） 透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)（2） 反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)（3）

39、折反射組合式光學(xué)系統(tǒng)紅外成像中信號處理的基本任務(wù)是：形成與景物溫度相應(yīng)的視頻信號，如測溫，根據(jù)景物各單元對于的視頻信號標(biāo)出景物各部分的溫度。信號中的直流成分需要在信號處理前通過隔直流的方法去掉信號處理變得簡單、抑制背景和削弱1/f噪聲為了減小圖像缺陷，采用直流恢復(fù)技術(shù)。確定視頻信號處理電路通頻帶基本原則：既要最大可能使信號不失真，又要盡量抑制噪聲。調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）： 目標(biāo)經(jīng)系統(tǒng)成像后一般都是能量減少，對比降低和信息衰減。通常所謂的分辯率，是將物體結(jié)構(gòu)分解為線或點，這只是分解物體方法的一種。另一種方法是將物體結(jié)構(gòu)分解為各種頻率的譜，即認為物體是由各種不同的空間頻率組合而成的。這樣紅外成像系統(tǒng)的特性就表現(xiàn)為它對各種物體結(jié)構(gòu)頻率的反應(yīng)：透過特性、對比變化和位相推移。 （定義）噪聲等效溫差（NETD）：NETD、是表征一個紅外成像系統(tǒng)性能的三個主要特征參數(shù)，分別反映了系統(tǒng)的溫度分辨率、信息傳遞速率及空間分辨率：光電材料與器件第六章重點：發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器都是用半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件。由于發(fā)光是由注入的電子和空穴復(fù)合而產(chǎn)生的，所以稱為注入式電致發(fā)光。