《光電檢測技術》總復習

課程:光電檢測原理與技術

主選教材：《光電檢測技術》

主編：雷玉堂

主講：徐志潔主要講述：分四個部分（40學時）一、（一）光電檢測技術基礎第二章(2學時)

（二）復習光電器件第三章(1學時)（三）熱電檢測器件第四章(2學時)（四）復習發(fā)光、光電耦合、成像器件

第五～六章(1學時)*二、檢測電路與微機接口(14學時)第七～八章*三、光電變換檢測技術與方法(16學時)第九～十章四、典型的應用、復習(4學時)第十一章總復習：2學時一、

輻射度量與光度量（一）光輻射度量

輻射是一種能的形式。它有電磁本質(zhì)，又具有量子性質(zhì)。輻射能及其引起的特性以能量或有效的物理量來測量。（二）光譜輻射度量為了表征輻射，不僅要知道輻射的總通量，還應知道其光譜成分。光源發(fā)出的光往往由許多波長的光組成。引入光譜輻射度量：表示單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。即在λ到λ+dλ間隔內(nèi)，

光譜輻射度量=輻射度量/dλ（三）光度量光度量是基于人眼視覺的光學參量，是人眼對相應輻射度量的視覺強度值。光通量φ=

單位：流明（lm）式中，Km為輻射度量與光度量間的比例系數(shù)，V(λ)為人眼的光譜光視效率。

Km=683流明/瓦，它表示在λ=555nm、V(λ)=1處，1W=683lm二、

半導體物理基礎（一）半導體導電特性

（1）電阻溫度系數(shù)一般為負，對溫度很敏感。（2）導電性能因摻入微量雜質(zhì)而十分顯著變化。（3）導電性能受熱、光、電、磁等外界的影響發(fā)生重要的變化。（二）能帶理論及其類型1.原子中電子的能級（1）能帶理論：原子中的電子只能處于能帶的能級上，且每一個能帶中都有與原子總數(shù)相適應的能級數(shù)。能級——量子態(tài)（2）

泡利原理：在每一個能級上最多只能填充一個電子。

根據(jù)能量最小原理，電子填充能帶時，總是從最低的能帶、最小能量的能級開始填充。（三）熱平衡載流子熱平衡：表征宏觀性質(zhì)的每一參數(shù)不隨時間變化f(E)：費米—狄拉克分布：電子占據(jù)某一能量狀態(tài)E的幾率。

f(E)=1/(1+exp（E-EF)/kT）

當E=EF時，f(E)=1/2當E>EF時，f(E)<1/2當E<EF時，f(E)>1/2電子濃度：n=N-exp(-（E--EF)/kT)空穴濃度：p=N+exp(-（EF-E+)/kT)本征半導體：n=p=ni,

n·p=ni2ni=（N+N-）1/2

exp（(-Eg)/2kT)

（五）載流子的運動（定向的）擴散運動：載流子濃度不均勻時，由熱運

動使載流子從高濃度向低濃度

運動。漂移運動：載流子在外加電場的作用下的

定向運動。（六）半導體對光的吸收主要掌握：1.本征吸收：從價帶躍遷到導帶的吸收。

長波限λ0＝ch/Eg=1.24/Eg(μm)上式中Eg的單位為電子伏特（eV）

1eV=1.6021892*10-19（J）2.雜質(zhì)吸收：其光子能量應大于或等于所需的電離能ΔEi，即雜質(zhì)吸收所需光子的波長

λ0＝ch/ΔEi

（七）半導體的PN結計算通過PN結的電流（純擴散電流）只能計算一種載流子（空穴）：

I=Ip（xp）＋In（xp）=I0（expqV/kT－1）

反向飽和電流I0=I0（T）

上式為PN結的伏－安特性公式，它是分析所有PN結器件的最基本的公式。三、光電效應*

外光電效應：光電子發(fā)射*光電效應

光電導效應*

內(nèi)光電效應

光生伏特效應*（勢壘引起）

光電擴散效應（丹倍效應）

光磁電效應P.34-35光電發(fā)射的基本定律（1）斯托列托夫定律(光電發(fā)射第一定律)當入射輻射的光譜分布不變時，入射輻射通量越大（攜帶的光子數(shù)越多），激發(fā)電子逸出光電發(fā)射體表面的數(shù)量也越多，因而發(fā)射的光電流就增加，所以光電流正比于入射輻射通量，

IK=SK·ΦK（2）愛因斯坦定律（光電發(fā)射第二定律）

發(fā)射體發(fā)射的光電子的最大動能，隨入射光頻率的增加而線性增加，而與入射光的強度無關（3）光電發(fā)射長波限（紅限）

根據(jù)愛因斯坦公式

式中

m為電子質(zhì)量；

為電子逸出后的最大速度；為入射光的頻率；為普朗克常數(shù)其值為

；

為光電發(fā)射體的逸出功。

當

時，逸出電子無動能，那么，就不會產(chǎn)生光電發(fā)射，因此，光電發(fā)射存在長波限PN結的光生伏特效應

PN結受到光照時：光線足以透過P型半導體入射到PN結，對于能量大于材料禁帶寬度的光子，由于本征吸收，就可激發(fā)出電子空穴對。內(nèi)建電場把N中的空穴拉向P區(qū)，把P中的電子拉向N區(qū)。大量的積累產(chǎn)生一個與內(nèi)建電場相反的光生電場，即形成一個光生電勢差。在PN結兩端通過負載RL構成的回路中，外電流I與光生電流Ip和PN結結電流IJ之間的關系為

由PN結電流特性知，結電流所以

光生電壓為

1.主要介紹基本結構、工作原理、基本參數(shù)（0.5學時）2.光電檢測器件（1學時）(1)真空光電探測器件：PMT*（0.5學時）

(2)半導體光電探測器件：

光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管（0.5學時）等3.*各器件性能比較及應用選擇（0.5學時）第三章各類光電與電光元器件

（4學時）光電倍增管的結構示意圖光電導型光電器件：光敏電阻光生伏型光電器件：光電池光電二極管光電三極管1.光敏電阻不宜作定量檢測元件，一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關。

2.光電池

(1)太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）(2)測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）

第四章熱電檢測器件一、熱電偶、熱電堆熱電偶：利用溫差效應的器件熱電堆：多個熱電偶串聯(lián)，減小響應時間開路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升ΔT的關系為

UOC=M12ΔT

(4-19)式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢率（V/℃）。使用熱電偶的注意事項（1）不許強輻射照射，Φmax<幾十微瓦（2）電流<100μA，一般在1μA以下，不要用萬用表來檢查熱電偶的好壞。（3）保存時將兩端短路，并防強烈振動（4）防止感應電流，尤其是電火花。（5）使用的環(huán)境溫度不要超過60℃。二、熱敏電阻熱敏電阻：吸收入射輻射而升溫使電阻變化，導致負載電阻兩端電壓發(fā)生變化。

溫度系數(shù)：aT表示溫度變化1℃時，熱電阻實際阻值的相對變化為(4-30)式中，aT和RT為對應于溫度T(

K)時的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。負溫度特性的半導體材料熱敏電阻：三、熱釋電探測器件*（一）工作原理介質(zhì)的極化強度隨溫度的變化而改變，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。

束縛面電荷密度＝自發(fā)極化強度

溫度低時，自發(fā)極化強度大；

溫度高時，自發(fā)極化強度變小，相當于釋放電荷當溫度高于某一特定值時，自發(fā)極化強度變?yōu)榱?。此溫度稱為居里溫度。（二）工作條件熱釋電器件工作在交流信號下，或外界環(huán)境如光照不穩(wěn)定且外界的調(diào)制頻率f>1/ττ為晶體內(nèi)部自由電荷起中和作用的時間的情況下，一旦穩(wěn)定，則無電荷的釋放，即無信號輸出。第五章光電成像器件（0.5學時）一、真空攝像機、、變相管、像增強管二、*電荷耦合器件（CCD）以電荷為信號使用一種高感光度的半導體感光二極管制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。第六章發(fā)光與耦合器件（0.5學時）

一、發(fā)光二極管（LED）工作原理——電致發(fā)光當它處于正向工作狀態(tài)時，（P--正電，N--負電），結區(qū)勢壘降低，有P---N的空穴擴散及有N---P的電子擴散在PN結區(qū)復合發(fā)光。可發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。二、光電耦合器件*是發(fā)光器件與光接受器件的組合器件。特點：具有電隔離（１０１０－１０１２歐）功能信號傳輸單向（脈沖或直流），適用于模擬／數(shù)字信號；具有抗干擾和噪聲能力；響應速度快（微／納秒，直流－１０兆赫茲），體積小，壽命長，使用方便；既有耦合特性，又有隔離功能；1.光電信號檢測電路設計（重點）緩變光信號檢測電路設計（4學時）交變光信號檢測電路設計（4學時）光電信號檢測電路的噪聲設計（2學時）光電信號放大電路的設計（2學時）2.光電信號的二值化、量化處理（2學時）第二部分檢測電路與微機接口

（14學時）第一節(jié)緩變光信號檢測電路設計方法：靜態(tài)計算手段：圖解法、解析法*

電路：恒流源型（PMT/反偏光電二極管/三極管光伏型（光電池/反偏光電二極管）可變電阻型（光敏電阻/熱敏電阻）計算的參數(shù)：轉(zhuǎn)折點電壓U0（確定線性工作區(qū)）負載電阻RL或偏置電壓Ub

輸出電壓/電流變化⊿U或⊿I

輸出電功率P第二節(jié)交變光信號檢測電路設計方法：動態(tài)計算手段：解析法*

電路：交流檢測電路第三節(jié)光電信號檢測電路的噪聲估算熱噪聲：P279散粒噪聲：噪聲等效帶寬：Δfe=1/4RC第四節(jié)光電信號放大電路的設計放大器的噪聲電壓電流模型放大器噪聲系數(shù)F第八章光電信號的數(shù)據(jù)采集與微機接