光電檢測的技術(shù)基礎(chǔ)

1、關(guān)于光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)第1頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第一章 光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)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(yīng)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(yīng)本章難點載流子及其運動第2頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第一節(jié) 檢測技術(shù)的基本概念及方法 靜態(tài)測量 第3頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 對緩慢變化的對象進(jìn)行測量亦屬于靜態(tài)測量。 最高、最低溫度計第4頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四地震測量振動波形動態(tài)測

2、量第5頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 可以顯示波形的便攜式儀表便攜式儀表第6頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四直接測量 電子卡尺第7頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 對多個被測量進(jìn)行測量，經(jīng)過計算求得被測量（阿基米德測量皇冠的比重）。 間接測量第8頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四接觸式測量 第9頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四非接觸式測量 例：雷達(dá)測速車載電子警察第10頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四離線測量 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗第11頁，共68頁，2022年

3、，5月20日，9點38分，星期四 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12頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第二節(jié) 測量誤差及分類 絕對誤差： =Ax0 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。第13頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四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(biāo)稱）相對誤差其中Am為儀器的滿度值。第14頁，共68頁，2022年，5月20日，9點

4、38分，星期四儀表的準(zhǔn)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(zhǔn)確度，常用（14）來表示其等級S。其中m為最大絕對誤差值。第15頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四例：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？第16頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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？第17頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四誤差產(chǎn)生的因素：1.粗大誤差

5、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(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應(yīng)予以剔除。 第18頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四產(chǎn)生粗大誤差的一個例子第19頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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

6、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(guān)部件予以消除。 第20頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3.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(fù)以不可預(yù)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。 第21頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四隨機誤

7、差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計第22頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四隨機事例的幾個例子 彩票搖獎第23頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4.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(dāng)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24頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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(xué)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(yīng)地在提高。近年來，人們研制出許多高精

8、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(xué)模型進(jìn)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(jìn)一步提高檢測系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)。第25頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四提高測量精度數(shù)字電壓、歐姆表 將量程切換到2V時，最小顯示值為1V第26頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四提高可靠性承受劇烈振動第27頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴大檢測領(lǐng)域月球車第28頁，共68頁，202

9、2年，5月20日，9點38分，星期四2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴大檢測領(lǐng)域（續(xù)） 火星車第29頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴大檢測領(lǐng)域（續(xù)）“惠更斯”號登陸土衛(wèi)六的效果圖土衛(wèi)六表面第30頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴大檢測領(lǐng)域（續(xù)） 安全檢查第31頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3.發(fā)展集成化、功能化的傳感器 可拍照的手機第32頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4.采用計算機技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化 面部 識別技術(shù)第33頁，共68

10、頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4.采用計算機技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化（續(xù)） 單片機芯片第34頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 5.發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及檢測系統(tǒng)第35頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 第四節(jié) 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)一、定義 導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣體106 cm103 1012以電阻率界限定義銅，銀等硅，鍺等硫化鎘云母，琥珀第36頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四二、半導(dǎo)體特性1、電阻溫度系數(shù)一般都是負(fù)的，對溫度的變化十分敏感；2、導(dǎo)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(dǎo)電能力及性質(zhì)會受熱、光、電

11、、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(dǎo)率為51061cm-1，當(dāng)摻入硅原子數(shù)的百萬分之一的雜質(zhì)時，電導(dǎo)率卻上升至2-1cm-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(dá)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。第37頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四三、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(yán)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。第38頁，共68頁，2022年，5月20日

12、，9點38分，星期四1）原子以一定的周期重復(fù)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）第39頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1)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(dǎo)帶，中間為禁帶；4）絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的能帶情況。（見電子版22頁）3、晶體中電子的能帶（Flash演示）第40頁，共

13、68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四四、載流子的運動1、幾個概念（1）本征半導(dǎo)體：完全純凈結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。（2）本征激發(fā)：電子由價帶直接激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶。（3）N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體：主要由電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為？（4）空穴：價帶中的電子空位。第41頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（5）載流子：電子空穴都能導(dǎo)電，我們通稱他們?yōu)檩d流子。在N型半導(dǎo)體中，一般把電子稱為多數(shù)載流子，而在P型半導(dǎo)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(fù)電中心，

14、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。第42頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2、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， 1/2EEF時， 1/2E1/2玻耳茲曼常數(shù)第43頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（2）半導(dǎo)體中的費米能級(EF(E-+E+)/2) EFD EDEAEFA 導(dǎo)帶 價帶E-EFE+ 本征半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體施主能級受主能級禁帶寬度EgE - - E+導(dǎo)帶底價帶頂?shù)?4頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3、非平衡載流子（1）定義：在外

15、界作用下，電子空穴的產(chǎn)生率大于復(fù)合率，導(dǎo)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(fù)合率=n/，式中,，為常數(shù)，稱為非平衡載流子的壽命。其物理意義：（1）標(biāo)志著非平衡載流子復(fù)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(fù)合：（1）直接復(fù)合：導(dǎo)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(fù)合：導(dǎo)帶電子通過復(fù)合中心（由于半導(dǎo)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(fù)合，這種深能級稱為復(fù)合中心）與價帶上的空穴復(fù)合。（4）陷阱效

16、應(yīng)：雜質(zhì)能級積累非平衡載流子的作用。第45頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四五、載流子的運動（Flash演示）六、半導(dǎo)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(dǎo)帶引起的吸收（本征激發(fā)所對應(yīng)的吸收） ；其長波限o=1.24/Eg(m)。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o=1.24/Ei(m)。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)的電離能第46頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4、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

17、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。第47頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四半導(dǎo)體的PN結(jié)及金屬與半導(dǎo)體的接觸一、PN結(jié)原理（結(jié)：P型，N型，i型半導(dǎo)體結(jié)合時其中的過渡區(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）第48頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 電子擴散區(qū) 勢壘區(qū) 空穴擴散區(qū)npn=no+np=po+pxxP區(qū)N區(qū)E_E_E+E+EFPEFnqVEF-EF+圖1：正向PN結(jié)能帶

18、圖第49頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（2）1、當(dāng)V=0時，即平衡態(tài)，2、當(dāng)V0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(dāng)V0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(zhǔn)費米能級。第50頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（二）半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)1、由兩種不同質(zhì)的半導(dǎo)體材料接觸而組成的結(jié)。這種結(jié)構(gòu)不僅改變了半導(dǎo)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

19、體與半導(dǎo)體也可構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。如Ge-GaAs，ZnS-Pt等。第51頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3、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(shè)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)。第52頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3、三種接觸（1）阻擋接觸：金屬與N型半導(dǎo)體接觸，金屬的費米能級低于半導(dǎo)體的費米能級，接觸后電子由半導(dǎo)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(dǎo)體接觸，金屬的費米能級高于半導(dǎo)體的費米能級

20、，接觸后電子由金屬注入半導(dǎo)體，形成一個由電子構(gòu)成的負(fù)空間電荷區(qū)。b、金屬與P型半導(dǎo)體接觸，金屬的費米能級低于半導(dǎo)體的費米能級，接觸后電子由半導(dǎo)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(dǎo)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(guān)系服從歐姆定律，這樣的接觸稱為歐姆接觸。第53頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第五節(jié) 光電效應(yīng)一、定義因光照而引起物體電學(xué)特性的改變稱為光電效應(yīng)。二、類型（1）外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）：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

21、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(dǎo)體內(nèi)。又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。第54頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四三、光電發(fā)射效應(yīng)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。第55頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。 第56頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2、主要性質(zhì)斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）

22、當(dāng)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(biāo)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）第57頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四愛因斯坦定律（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(guān)，即光電子發(fā)射的能量關(guān)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。光電陰極的逸出功第58頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電發(fā)射的紅限在入射光線頻譜范圍內(nèi)，光電陰極

23、存在臨界波長，當(dāng)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）380nm 3.2ev780nm 1.6ev第59頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四四、光電導(dǎo)效應(yīng)1、定義：半導(dǎo)體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體都能產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)光子能量大時，易于發(fā)生本征光電導(dǎo)；當(dāng)光子能量小時，易于發(fā)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。原因？見課本第15頁第60頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2、相關(guān)參數(shù)（1）光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強下光電導(dǎo)的強弱。一般用光電增益G來表示。（6）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)；為光生載流子壽命；為遷移率；U為外加電源電壓；l為光電導(dǎo)體兩極間距。第61頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星