第三章 光電檢測技術(shù)常用器件及應(yīng)用4

第三章光電檢測技術(shù)常用器件及應(yīng)用1、光電器件的類型與特點2、光電檢測器件的特性參數(shù)3、光電導(dǎo)器件---光敏電阻4、光生伏特效應(yīng)------光電池、光電二極管、光電三極管等6、光電發(fā)射效應(yīng)---光電管、光電倍增管等主要內(nèi)容7、光熱效應(yīng)----熱敏電阻、熱電偶5、發(fā)光器件及耦合器件光電測量中的常用光源根據(jù)光譜寬度，可將光源分為相干光源和非相干光源相干光源：激光（氣體、固體、半導(dǎo)體）非相干光源：除了激光之外的其他光源1、熱輻射光源（白熾燈，太陽光等）2、氣體放電光源（汞燈、脈沖氙燈等）3、固體發(fā)光光源（LED發(fā)光二極管）白熾燈利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源。

在燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑（如氯化碘、溴化硼等），可以形成鹵鎢循環(huán)，就構(gòu)成了鹵鎢燈。鹵鎢燈的工作溫度為3200K，光效為30lm/W。鹵鎢燈白熾燈利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。

制作時在燈中充入發(fā)光用的氣體，在電場作用下激勵出電子和離子，氣體變成導(dǎo)電體。當(dāng)離子向陰極，電子向陽極運動時，從電場中獲得能量，使內(nèi)層電子躍遷到高能級，引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級時就會發(fā)射出可見輻射或紫外輻射。氣體放電光源有輝光放電燈、弧光放電燈、高頻放電燈等氣體放電光源發(fā)光二極管的基本工作原理與特性發(fā)光二極管（LED-LightEmittingDiode）是一種固態(tài)發(fā)光，是利用半導(dǎo)體或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能的元件，屬于低場下的注入式電致發(fā)光。1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。1923年，由Losev在產(chǎn)生p-n結(jié)的SiC中發(fā)現(xiàn)注入式電致發(fā)光60年代末，LED得到迅速發(fā)展1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP間接帶材料隙得到橙、黃、綠的LED70年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。

發(fā)展史發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和

N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。

發(fā)光二極管的發(fā)光機理1、制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)很多自由電子，P區(qū)有很多多空穴。2、當(dāng)加以正向電壓時，N區(qū)導(dǎo)帶中的電子可越過PN結(jié)的勢壘進入P區(qū)。P區(qū)的空穴也向N區(qū)擴散3、于是電子與空穴有機會相遇，復(fù)合發(fā)光。由于空穴遷移率低于自由電子，則復(fù)合發(fā)光主要發(fā)生在p區(qū)。光的顏色（波長）決定于材料禁帶寬度Eg，光的強弱與電流有關(guān)

1.PN結(jié)注入發(fā)光

為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當(dāng)加上正向電壓時兩個勢壘均減小，但P區(qū)的勢壘減小多，兩區(qū)的價帶幾乎相同，空穴就不斷向n區(qū)擴散。對n區(qū)電子，勢壘仍然較高，不能注入p區(qū)。這樣，禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū)。由于n區(qū)所發(fā)射的光子能量hv比EG2

小得多，它進入p區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。

2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光透射窗為了進一步提高載流子注入效率，常常采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)注入。雙異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光LED的特性參數(shù)

LED的發(fā)光光譜指LED發(fā)出光的相對強度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色1.發(fā)光光譜ΔλΔλ

發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有把光強度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cd／A（坎/安）。2、發(fā)光效率發(fā)光效率對比：白熾燈9lm/w日光燈40lm/wLED60lm/w10.90.1亮度ttrtf3.時間響應(yīng)響應(yīng)時間指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時間的延遲。實驗證明，二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。它的響應(yīng)時間一般是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個ns，GaP約為100ns。發(fā)光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時，一般可達106h，最長可達109h。隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。電流密度大，老化快。

4.壽命1、

LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角較大。2、

LED的發(fā)光顏色豐富，通過選用不同的材料，可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的紅色LED，GaAaP材料的橙色、黃色LED，以及GaN藍色LED等。3、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能視認。4、LED的單元體積小。再加上低電壓、低電流驅(qū)動的特點，可作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號燈的使用。5、壽命長，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕濉ⅠR路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。LED特點發(fā)光二極管的應(yīng)用

1、指示燈LED指示燈不斷更新?lián)Q代，其壽命在數(shù)十萬小時以上，而且功耗小，發(fā)光響應(yīng)速度快，亮度高，小型耐振動等特點，在各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢。常見的應(yīng)用：電話、音響制品、家電制品、各種計測儀表以及集中控制盤等指示燈1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。高效節(jié)能超長壽命：以相同亮度比較，3W的LED節(jié)能燈333小時耗1度電，而普通60W白熾燈17小時耗1度電，普通5W節(jié)能燈200小時耗1度電。CREE公司實驗室最高光效已達260lm/W，而市面上的單顆大功率LED也已經(jīng)突破100lm/W。綠色環(huán)保：不含汞和氙等有害元素。2.照明七段式數(shù)碼管文字顯示器的內(nèi)部接線14劃字碼管3、數(shù)字、文字以及圖像顯示4、顯示器彩色大面積顯示設(shè)備，如電子商標及大屏幕顯示LCDLCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的簡稱，LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。LED與LCD比較LCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的簡稱，LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。LED顯示器與LCD顯示器相比，LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢。LED與LCD的功耗比大約為1:10，而且更高的刷新速率使得LED在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)，能提供寬達160°的視角。有機LED顯示屏的單個元素反應(yīng)速度是LCD液晶屏的1000倍，在強光下也可以照看不誤，并且適應(yīng)零下40度的低溫。利用LED技術(shù)，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的顯示器，擁有廣泛的應(yīng)用前景。LED的分辨率一般較低，價格也比較昂貴，因為集成度更高。

等離子顯示器（PDP）等離子屏：英文為PlasmaDisplayPanel,其是在兩張薄玻璃板之間充填混合氣體，施加電壓使之產(chǎn)生離子氣體，然后使等離子氣體放電，與基板中的熒光體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生彩色影像。。等離子彩電又稱“壁掛式電視”，不受磁力和磁場影響，具有機身纖薄、重量輕、屏幕大、色彩鮮艷、畫面清晰、亮度高、失真度小、節(jié)省空間等優(yōu)點。耗電量大，一臺42寸的耗電量為380W等離子屏工作機理類似普通日光燈，有三層結(jié)構(gòu)。在第一層的里面涂有導(dǎo)電材料的垂直，中間層是燈泡陣列，第三層表面涂有導(dǎo)電材料的水平條。要點亮某個地址的燈泡，開始要在相應(yīng)行上加較高的電壓，等該燈泡點亮后，可用低電壓維持氖氣燈泡的亮度。關(guān)掉某個燈泡，只要將相應(yīng)的電壓降低。燈泡開關(guān)的周期時間是15ms，通過改變控制電壓，可以使等離子板顯示不同灰度的圖形。OLEDOLED，即有機發(fā)光二極管（OrganicLight-EmittingDiode），其柔性的特征將使得可折疊電視、電腦成為可能。還存在使用壽命短、大型化難等缺陷。具備了信息顯示和器件制造所要的所有優(yōu)異特征，是公認的下一代顯示器主流。6.1為什么說發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的P區(qū)？這與電子、空穴的遷移率有關(guān)嗎？答：這是因為發(fā)光二極管在正向電壓的作用下，電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴向N區(qū)運動。但由于電子的遷移率μN

比空穴的遷移率μp高20倍左右，電子很快從N區(qū)遷移到P區(qū)，因而復(fù)合發(fā)光主要發(fā)生在P區(qū)。6.2為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓下才能發(fā)光？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？答：由于LED的發(fā)光機理是非平衡載流子即電子與空穴的擴散運動導(dǎo)致復(fù)合發(fā)光，因此要求擴散運動占優(yōu)勢，所以必須加正向電壓。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN結(jié)內(nèi)部的漂移運動占主要優(yōu)勢，而這種少子運動復(fù)合幾率小，不足以使LED發(fā)光。習(xí)題6.3發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由哪些因素決定？光譜的半寬度有何意義？答：發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由材料的種類、性質(zhì)及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。譜線半寬度（半功率寬度2Δλ）——在LED譜線的峰值λP兩側(cè)±Δλ

處，存在兩個光強等于峰值一半的點，它們之間的寬度。意義：它是一個反映LED單色性的參數(shù)。半寬度越小，則發(fā)光光譜單色性越好，發(fā)光功率集中于半譜線寬度內(nèi)。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的1、工作物質(zhì)（產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布）2、激勵能源（輻射源或電源）3、有一個諧振腔（提供正反饋和高增益，維持受激輻射。）獲得激光必須具備三個要素：半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理半導(dǎo)體PN結(jié)正向偏壓粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射振蕩選頻輸出激光（激勵源）（激光物質(zhì)）（諧振腔）半導(dǎo)體激光產(chǎn)生過程：在激光物質(zhì)中，產(chǎn)生激光的必要條件之一就是受激輻射要占主導(dǎo)地位，此時就必須從外部給工作物質(zhì)輸入能量，使處于激發(fā)態(tài)的載流子多于處于基態(tài)的載流子，也就是把載流子的正常分布倒轉(zhuǎn)過來——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：增益大于閾值增益或注入電流大于閾值電流。粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)

通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用：①提供正反饋和增益,維持受激輻射的持續(xù)振蕩。②對腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。諧振腔——在激光物質(zhì)的兩測放置相互平行的反射面。作用是讓所選光能在其內(nèi)反復(fù)振蕩而加強。光在共振腔內(nèi)獲得增益，當(dāng)腔內(nèi)增益大于損耗，產(chǎn)生激光振蕩。諧振腔這樣的激光器面積大，也稱為大面積激光器。半導(dǎo)體激光器也稱激光二極管(LD——LaserDiode)最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖所示。PN結(jié)型二極管注入式激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：增益大于閾值增益或注入電流大于閾值電流。反射吸收散射衍射透過諧振腔失掉偏振損失起偏器泡克爾晶體諧振腔損耗增益>損耗增益<損耗增益=損耗增益和損耗半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)驅(qū)動電源工作物質(zhì)諧振腔注入式光子激勵電子束激勵PN結(jié)（同質(zhì)結(jié)）異質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)（DH）解理面布拉格反饋分布反饋式DFB分布布拉格反射式DBR半導(dǎo)體激光器效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準敵機。其缺點是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。

LD和LED的主要區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光

LD的特點及應(yīng)用激光的特性

方向性好亮度高單色性好相干性好方向性好

單色性好高亮度激光的應(yīng)用由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點而在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：1：激光應(yīng)用于軍事領(lǐng)域

2：激光在信息技術(shù)領(lǐng)域---全息照相與光存儲中的應(yīng)用3：激光在光通信領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用

4：激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用5：激光在工業(yè)加工領(lǐng)域中的應(yīng)用6：激光在物理、化學(xué)、生物領(lǐng)域的應(yīng)用7：激光應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域：激光冷凍原子與原子鐘、激光引發(fā)核聚變

雷達（分辨率高，可測云霧）等?！餃y量：準直、測距等?！镝t(yī)療：激光手術(shù)刀，血管內(nèi)窺鏡，治癌等。形形色色的激光武器激光槍形形色色的激光武器機載激光武器

激光用于通訊激光測距與激光雷達激光切割長度測量激光在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用全息照相光存儲大屏幕顯示

普通照相原理

由惠更斯-費涅爾原理可知，任何物體發(fā)出的光波可以看成是由物體上各物點發(fā)出球面波的總和，其表達式為：

通常底片上的感光乳膠只對光強有響應(yīng)，其感光特性，頻率響應(yīng)遠遠跟不上光波的頻率（大于1014Hz），無法直接記錄相位，而底片的感光程度直接由原物各處的亮度決定，這樣底片上各點的明暗只能反映光波的振幅分布，但丟失了物光波的位相信息。其相片只能呈現(xiàn)一個平面像而失去了立體感，這就是普通照相，如上圖。

凸透鏡成像底片物體普通成像原理簡圖物體光波的記錄物體光波的記錄采用了干涉法，把具有振幅和相位信息的物光O和未受物體影響的參考光R相干涉，其干涉條紋將以強度分布的形式記錄在全息底片H（即全息干板）上，經(jīng)顯影定影處理后形成全息圖。全息照相獲得的底片并不直接顯示物體的形象，而僅是一張干涉圖，如上圖所示。由光干涉理論分析知，所產(chǎn)生的干涉圖樣的亮暗對比度反映了物光波振幅的大小；條紋的形狀、走向，間隔等幾何特征反映了物光波的位相分布。這樣全息圖就記錄下了來自物光的全部振幅和位相信息。實驗原理全息底片激光束用分光鏡一分為二，其中一束照到被拍攝的景物上，反射光束照射在膠片上，稱為物光束；另一束直接照到感光膠片即全息干板上，稱為參考光束。當(dāng)兩束光程適當(dāng)，在膠片上形成干涉，就完成了全息照相的攝制過程

全息照片和普通照片截然不同全息圖再現(xiàn)

全息圖上只能看到復(fù)雜的干涉條紋，要看到原來物體的像，必須使全息圖再現(xiàn)原來物體發(fā)出的光波，稱為全息圖的再現(xiàn)，這一過程是利用光柵衍射原理來完成的。如圖，用一束與參考光相同的再現(xiàn)光沿原參考光的方向照射全息圖，圖上每一組干涉條紋可看作一復(fù)雜的光柵,它使再現(xiàn)光產(chǎn)生衍射。在衍射光柵的柵格間距小的地方，光的衍射角大；在衍射光柵的柵格間距大的地方，光的衍射角小。即可在原物位置處看到與原物相同的立體圖象。實驗原理英女王的全息照片

多路合成角度全息用于藝術(shù)品展示全息激光防偽標簽，已經(jīng)是一個很大的產(chǎn)業(yè)

光電耦合器件

發(fā)光器件：常用LED、LD和微形鎢絲燈等。接收器件：常用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。光電耦合器件發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。

光電耦合器件：將發(fā)光器件與光電接收器件組合在一起具有信號傳輸功能的器件。光電耦合器件電路符號

光電耦合器件的基本結(jié)構(gòu)如圖，發(fā)光器件與光電接收器件靠得很近，但不接觸。

光電耦合器件的結(jié)構(gòu)光電開關(guān)基本電路RxRL+VCC限流電阻5V50Ω100mA圖中（a）、（b）、（c）分別為三種不同安裝方式光電發(fā)射器件與光電接收器件分別安裝器件的兩臂上，分離尺寸一般4~12mm，分開的目的是要檢測兩臂間是否存在物體，以及物體的運動速度等參數(shù)。這種封裝的器件常被稱為對射式光電開關(guān)。

光電耦合器件的特點

⑴具有電隔離的功能它的輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯(lián)系。絕緣電阻高達1010~l012Ω，擊穿電壓高達100~25kV，耦合電容小于1PF。

⑵信號傳輸方式是單向性的⑶具有抗干擾和噪聲的能力它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。

⑷響應(yīng)速度快一般可達微秒級，甚至納秒級。信號頻率在直流至10MHz之間。⑸實用性強具有一般固體器件的可靠性，體積小(一般φ6×6mm)，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在－55~+l00℃之間。⑹即具有耦合特性又具有隔離特性光電耦合器件的應(yīng)用

1.用于電平轉(zhuǎn)換

工業(yè)控制系統(tǒng)所用集成電路的電源電壓和信號脈沖的幅度常不盡相同，如TTL的電源為5V，HTL為12V，PMOS為－22V，CMOS則為5~20V。如果在系統(tǒng)中必須采用二種集成電路芯片，就必需對電平進行轉(zhuǎn)換，以便邏輯控制的實現(xiàn)。

2.用于邏輯門電路