《光電檢測(cè)技術(shù)》課件.ppt

1、,光電檢測(cè)技術(shù),參考書目,光電檢測(cè)技術(shù)曾光宇等編著 清華大學(xué)出版社 激光光電檢測(cè)呂海寶等編著 國(guó)防科技大學(xué)出版社 光電檢測(cè)技術(shù)雷玉堂等編著 中國(guó)計(jì)量出版社,教材,光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用郭培源 付揚(yáng) 編著 北京航空航天大學(xué)出版社,目 錄,第一章 緒論 第二章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ) 2.1 光的基本性質(zhì) 2.2 輻射與光度學(xué)量 2.3 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 2.4 光電效應(yīng) 第三章 光電檢測(cè)器件 3.1光電器件的類型與特點(diǎn) 3.2光電器件的基本特性參數(shù),3.3半導(dǎo)體光電器件 光電導(dǎo)器件:光敏電阻 光伏器件:光電池/光電二極管/三極管 3.4真空光電器件 光電管 光電倍增管 3.5熱電檢測(cè)器件 熱敏電阻 熱電偶和

2、熱電堆 熱釋電探測(cè)器件,第四章 發(fā)光、耦合和成像器件 4.1 發(fā)光二極管 4.2 激光器 4.3 光電耦合器件 4.4 CCD 第五章 光電檢測(cè)系統(tǒng) 5.1 直接光電檢測(cè)系統(tǒng) 5.2 光外差光電檢測(cè)系統(tǒng) 5.3 典型的光電檢測(cè)系統(tǒng) 第六章光纖傳感檢測(cè) 第七章光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口 第八章光電檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用,第一章 緒 論,光電檢測(cè)是信息時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù),信息技術(shù): 微電子信息技術(shù)（電集成）、光子信息技術(shù)（光集成）、光電信息技術(shù)（光電集成）。 感測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能與計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)。 信息的產(chǎn)生和獲取、轉(zhuǎn)換、傳輸、控制、存儲(chǔ)、處理、顯示。,光電信息技術(shù),1、光電源器件（包括激

3、光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和綜合信息網(wǎng)絡(luò) 3、光頻微電子 4、光電方法用于瞬態(tài)光學(xué)觀測(cè),以光電子學(xué)為基礎(chǔ),以光電子器件為主體,研究和發(fā)展光電信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應(yīng)用。它涉及到：,5、光電傳感、光纖傳感和圖象傳感 6、激光、紅外、微光探測(cè)，定向和制導(dǎo) 7、光電精密測(cè)試，在線檢測(cè)和控制技術(shù) 8、混合光電信息處理、識(shí)別和圖象分析,光電信息技術(shù),9、光電人工智能和機(jī)器視覺 10、光（電）邏輯運(yùn)算和光（電）計(jì)算機(jī)及光電數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 11、生物光子學(xué),本課程著重在第5、6、7三個(gè)方面的一些基本知識(shí)，即：光電檢測(cè)的元器件、系統(tǒng)、方法和應(yīng)用。,光電檢測(cè)技術(shù),檢測(cè)與測(cè)量 光電傳感器：

4、基于光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種光電器件 將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出。 光電檢測(cè)技術(shù)：是利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測(cè)。它將被測(cè)量的量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動(dòng)測(cè)量 光電檢測(cè)系統(tǒng) 光學(xué)變換 光電變換 電路處理,定義：,被測(cè)信息：,傳感器、檢測(cè)儀器、檢測(cè)裝置、檢測(cè)系統(tǒng),全部操作：,檢測(cè)過程,確定被測(cè)對(duì)象的屬性和量值為目的的全部操作,檢測(cè)的基本概念,信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)顯示、信號(hào)輸出,物理量（光、電、力、熱、磁、聲、）,被測(cè)對(duì)象：,宇宙萬物（固液氣體、動(dòng)物、植物、天體 ）,檢測(cè)器具,化學(xué)量（PH、成份）,生物量（酶、葡萄糖、）,

5、 ,例：空調(diào)機(jī)測(cè)量控制室溫,空氣,被測(cè)對(duì)象：,被測(cè)信息：,檢測(cè)器具：,操作過程：,室內(nèi)空氣,溫度,溫度傳感器 - 熱電阻、熱電偶, 熱敏電阻, 電信號(hào), 處理, 顯示,空調(diào)機(jī),返回,直接測(cè)量：對(duì)儀表讀數(shù)不經(jīng)任何運(yùn)算，直接得出被測(cè)量的數(shù)值。例如： 長(zhǎng)度：直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺 電壓：萬用表 質(zhì)量：天平 間接測(cè)量：測(cè)量幾個(gè)與被測(cè)量相關(guān)的物理量，通過函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出被測(cè)量。例如： 電功率：P = I * V（電流/電壓） 重力加速度：?jiǎn)螖[測(cè)量（L：擺的線長(zhǎng)，T：擺動(dòng)的周期）,返回,光電探測(cè)器的種類,返回,光電檢測(cè)系統(tǒng),光電檢測(cè)技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對(duì)載有被檢測(cè)物體信號(hào)的光輻

6、射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測(cè)，即通過光電檢測(cè)器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測(cè)物體的幾何量或物理量。,光電檢測(cè)系統(tǒng),光學(xué)變換,電路處理,光電檢測(cè)系統(tǒng),光學(xué)變換 時(shí)域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬 空域變換：光學(xué)掃描 光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位、偏振 形成能被光電探測(cè)器接收，便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。 光電變換 光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大 將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動(dòng)電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號(hào)的放大和處理）。 電路處理 放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)

7、、A/D、D/A、微機(jī)與接口、控制。,光電檢測(cè)系統(tǒng)與人操作功能比較,被測(cè)物體 感覺器官 人腦 手控 被測(cè)物體 光電傳感 微機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 光電傳感部分相當(dāng)于人身的感覺器官,光電檢測(cè)系統(tǒng)的功能分類,測(cè)量檢查型: 幾何量:長(zhǎng)度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。 運(yùn)動(dòng)量：速度、加速度、振動(dòng) 表面形狀：光潔度、庇病、傷痕 工作過程：濕度、流量、壓力、物位、PH值、濃度等 機(jī)械量：重量、壓力、應(yīng)變、壓強(qiáng) 電學(xué)量：電流、電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng) 光學(xué)量：吸收、反射、透射、光度、色度、波長(zhǎng)、光譜,控制跟蹤型 跟蹤控制：激光制導(dǎo)，紅外制導(dǎo) 數(shù)值控制：自動(dòng)定位，圖形加工形成，數(shù)值控制 圖象分析型 圖形檢測(cè) 圖形

8、分析,光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn),高精度：從地球到月球激光測(cè)距的精度達(dá)到1米。 高速度：光速是最快的。 遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測(cè)和遙感。 非接觸式檢測(cè)：不改變被測(cè)物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測(cè)量。 壽命長(zhǎng)：光電檢測(cè)中通常無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，故測(cè)量裝置壽命長(zhǎng)，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對(duì)被測(cè)物無形狀和大小要求。 數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。,光電檢測(cè)方法,直接作用法 差動(dòng)測(cè)量法 補(bǔ)償測(cè)量法 脈沖測(cè)量法,光電檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),納米、亞納米高精度的光電測(cè)量新技術(shù)。 小型、快速的微型光、機(jī)、電檢測(cè)系統(tǒng)。 非接觸、快速在線測(cè)量。 微空間三維測(cè)量技術(shù)和大空間三維測(cè)量技術(shù)。 閉環(huán)控制的光電檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測(cè)量與

9、光電控制一體化。 向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。 光電跟蹤與光電掃描測(cè)量技術(shù)。,一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用,在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位. 現(xiàn)代工程裝備中，檢測(cè)環(huán)節(jié)的成本約占5070%,光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,檢測(cè)技術(shù)在汽車中的應(yīng)用日新月異,發(fā)動(dòng)機(jī)：向發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況信息， 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制 溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等,汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容,普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器， 豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。,底 盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)等 車

10、速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫,車 身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車速、測(cè)距、圖象等,二、檢測(cè)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用,家用電器：,數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦-紅外測(cè)距傳感器,數(shù)字體溫計(jì)：接觸式-熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器,自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測(cè)-光敏電阻,空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測(cè)-熱敏電阻、熱電偶,電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換-駐極電容傳感器,遙控接收：紅外檢測(cè)-光敏二極管、光敏三極管,辦公商務(wù)：,可視對(duì)講、可視電話：圖像獲取-面陣CCD,掃描儀：文檔掃描-線陣CCD,紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測(cè)-光敏二極管、光敏三極管,醫(yī)療衛(wèi)生：,電

11、子血壓計(jì)：血壓檢測(cè) - 壓力傳感器,血糖測(cè)試儀、膽固醇檢測(cè)儀 - 離子傳感器,三、檢測(cè)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用,美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器,夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù) 激光測(cè)距儀：可精確的定位目標(biāo)。,美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃-NMD,四、檢測(cè)技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用,監(jiān)測(cè)系統(tǒng): 探測(cè)和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；,攔截器：能識(shí)別真假彈頭，敵友方,“阿波羅10”：,火箭部分-2077個(gè)傳感器,飛船部分-1218個(gè)傳感器,檢測(cè)參數(shù)-加速度、溫度、壓力、 振動(dòng)、流量、應(yīng)變、 聲學(xué),神州飛船：,185臺(tái)（套）儀器裝置,五、檢測(cè)技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用,學(xué)習(xí)本課程的目的,了解光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成，

12、光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。 掌握光電檢測(cè)器件（傳感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它們的應(yīng)用范圍。 能夠根據(jù)特性參數(shù)，選擇合適的光電檢測(cè)器件。熟悉常用器件的性能指標(biāo)。 掌握直接檢測(cè)與外差檢測(cè)的原理和區(qū)別。 了解光纖傳感檢測(cè)技術(shù)的原理和應(yīng)用，掌握光纖的光波調(diào)制技術(shù)。 掌握了解常用光電檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)換的方法，了解所需的元器件、儀器和相關(guān)的接口技術(shù)。,本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容,光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光電檢測(cè)器件的工作原理和特性及其應(yīng)用 光電直接和外差檢測(cè)系統(tǒng) 光纖傳感檢測(cè)技術(shù) 光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口,第二章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),光的基本性質(zhì) 輻射與光度學(xué)量 半導(dǎo)體

13、基礎(chǔ)知識(shí) 光電效應(yīng),光的基本性質(zhì),牛頓微粒說 根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對(duì)反射和折射做了解釋 不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振 波動(dòng)理論 惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等 解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象 麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波,光的基本性質(zhì),光量子說 1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，提出輻射的量子論 1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提出光量子的概念 光子的能量與光的頻率成正比 光具有波粒二象性,輻射度的基本物理量,輻射能Qe ：一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接受的能量。單位：焦耳J 輻射通量e：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的能量，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時(shí)間變化率。單位：瓦

14、 輻射強(qiáng)度e：點(diǎn)輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：W/Sr,輻射度的基本物理量,輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量。單位：W/m2 輻射出射度e ：擴(kuò)展輻射源單位面積所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：W/m2 輻射亮度e ：輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度。單位：W/m2Sr 光譜輻射通量e（）：輻射通量的光譜密度，即單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量。,基本輻射度量的名稱、符號(hào)和定義方程,光度量的最基本單位,發(fā)光強(qiáng)度Iv：發(fā)出波長(zhǎng)為555nm的單色輻射，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度規(guī)定為1cd。單位：坎德拉（Candela）cd，它是國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一。 光通量v：光強(qiáng)度為1c

15、d的均勻點(diǎn)光源在1sr內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：流明lm。 光照度Ev：?jiǎn)挝幻娣e所接受的入射光的量 ，單位：勒克斯lx，相當(dāng)于 1平方米面積上接受到1個(gè)流明的光通量。,光度的基本物理量,光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對(duì)應(yīng)的。輻射度量下標(biāo)為e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下標(biāo)為v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。 光度量只在可見光區(qū)（nm)才有意義。 輻射度量和光度量都是波長(zhǎng)的函數(shù)。,晴天陽光直射地面照度約為100000lx 晴天背陰處照度約為10000lx 晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx 晴天室內(nèi)中央照度約為200lx 晴天室內(nèi)角落照度約為20lx 陰天室外50500lx

16、 陰天室內(nèi)550lx 月光（滿月）2500lx 日光燈5000lx 電視機(jī)熒光屏100lx 閱讀書刊時(shí)所需的照度5060lx 在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx 晴朗月夜照度約為0.2lx 黑夜0.001lx,半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 半導(dǎo)體的特性 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體 平衡和非平衡載流子 載流子的輸運(yùn)過程 半導(dǎo)體的光吸收 PN結(jié),導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。 固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。 電阻率10-6 10-3歐姆厘米范圍內(nèi)導(dǎo)體 電阻率1012歐姆厘米以上絕緣體 電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體

17、之間半導(dǎo)體,半導(dǎo)體的特性,半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對(duì)溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，熱電探測(cè)器件。 導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為2 /(歐姆厘米) 半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。,本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。 在絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著。 在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。 摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子

18、，同時(shí)向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。,平衡和非平衡載流子,處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的，有條件的。如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。,非平衡載流子的產(chǎn)生,光注入：用光照使得半

19、導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。 當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。 光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。 其它方法：電注入、高能粒子輻照等。,載流子的輸運(yùn)過程,擴(kuò)散 漂移 復(fù)合,半導(dǎo)體對(duì)光的吸收,物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。 吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收 本征吸收由于光子作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶 只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時(shí)，才能發(fā)生本征激發(fā),

20、雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收,引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)等于雜質(zhì)的電離能 由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小，所以這種吸收在本征吸收限以外的長(zhǎng)波區(qū) 自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級(jí)之間的躍遷引起的。,PN結(jié),將P型和N型半導(dǎo)體采用特殊工藝制造成半導(dǎo)體半導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個(gè)極薄的特殊區(qū)域，稱為PN結(jié)。 是二極管、三極管、集成電路和其它結(jié)型光電器件最基本的結(jié)構(gòu)單元。,PN結(jié)的伏安特性曲線,對(duì)應(yīng)表:,光電效應(yīng),光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng) 光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng),外光電效應(yīng)：物體受光照

21、后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物 內(nèi)光電效應(yīng)：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會(huì)逸出物體外部多發(fā)生在半導(dǎo)體 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象,光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。 半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。,光熱效應(yīng)

22、,光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化 熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象 輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象 溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流,第三章 光電檢測(cè)器件,光電器件的類型與特點(diǎn) 光電器件的基本特性參數(shù) 半導(dǎo)體光電器件 光電導(dǎo)器件光敏電阻 光伏器件 光電池 光電二極管/三極管 真空光電器件 光電管 光電倍增管 熱電檢測(cè)器件 熱敏電阻 熱電偶和熱電堆 熱釋電探測(cè)器件,3.1光電器件的類型與特點(diǎn),光電效應(yīng)：光照射到物體表面上使物

23、體的電學(xué)特性發(fā)生變化 光電子發(fā)射：物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物 光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少 光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。,光電檢測(cè)器件的類型,光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件. 光電檢測(cè)器件分為兩大類: 光子(光電子)檢測(cè)器件 熱電檢測(cè)器件,光電檢測(cè)器件,光子器件,熱電器件,真空器件,固體器件,光電管 光電倍增管 真空攝像管 變像管 像增強(qiáng)管,光敏電阻 光電池 光電二極管 光電三極管 光纖傳感器 電荷耦合器件CCD,熱

24、電偶/熱電堆 熱輻射計(jì)/熱敏電阻 熱釋電探測(cè)器,光電檢測(cè)器件的特點(diǎn),3.2 器件的基本特性參數(shù),響應(yīng)特性 噪聲特性 量子效率 線性度 工作溫度,一、響應(yīng)特性,響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度是隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的 響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率,電壓響應(yīng)率 光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比 電流響應(yīng)率 光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比,光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比 積分響應(yīng)度：檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度,響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)

25、入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)（如圖）。 上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。 下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。,光電探測(cè)器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系 為調(diào)制頻率為f 時(shí)的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率 為時(shí)間常數(shù)（等于RC）,頻率響應(yīng)：光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng) 由于光電探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。,：上限截止頻率 時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬,返回,二、噪聲特性,在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平直的，

26、而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。,用均方噪聲來表示噪聲值大小,噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。 由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。 一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。 所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。,光電探測(cè)器常見的噪聲,熱噪聲 散粒噪聲 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲 1/f噪聲,1、熱噪聲,或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)

27、均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。 熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲,2、散粒噪聲,散粒噪聲：入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的。 散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。 散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。 例如光伏器件的PN結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。,3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲,半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。 在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的 但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。 載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的

28、起伏。,4、1/f噪聲,或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。 噪聲的功率近似與頻率成反比 多數(shù)器件的1/f噪聲在200300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。,、信噪比,信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。 是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比 若用分貝（dB）表示，為,、噪聲等效功率(NEP),定義：信號(hào)功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻射通量(單位為瓦)。 這時(shí)，投射到探測(cè)器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測(cè)器本身的噪聲電壓（或電流） 一般一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為10-11W。 NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。,噪聲等效功率是一個(gè)可測(cè)量的量。 設(shè)入射輻射的功率為P，測(cè)得

29、的輸出電壓為U0 然后除去輻射源，測(cè)得探測(cè)器的噪聲電壓為UN 則按比例計(jì)算，要使U0UN，的輻射功率為,、探測(cè)率與歸一化探測(cè)率,探測(cè)率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù) 經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測(cè)元件的面積Ad和放大 器帶寬f 乘積的平方根成正比 歸一化探測(cè)率D*，即 D*與探測(cè)器的敏感面積、放大器的帶寬無關(guān)。,返回,三、量子效率（）,量子效率：在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。 對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子， =1 實(shí)際上， 1 量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。,量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系,I/q ： 每秒產(chǎn)生的光子數(shù) P/h：每秒入射的光子數(shù),四、線性

30、度,線性度是描述光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。 在某一范圍內(nèi)探測(cè)器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個(gè)范圍為線性區(qū)。 非線性誤差： max / ( I2 I1) max：實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差； I2 和 I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。,五、工作溫度,工作溫度就是指光電探測(cè)器最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度。 光電探測(cè)器在不同溫度下，性能有變化。 例如，半導(dǎo)體光電器件的長(zhǎng)波限和峰值波長(zhǎng)會(huì)隨溫度而變化；熱電器件的響應(yīng)度和熱噪聲會(huì)隨溫度而變化。,3.3 半導(dǎo)體光電器件,光敏電阻 光電池 光電二極管 光電三極管,一、光敏電阻,光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。 光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物

31、半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。 特點(diǎn)： 光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對(duì)于紅光和紅外輻射）； 偏置電壓低，工作電流大； 動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光； 光電導(dǎo)增益大，靈敏度高； 無極性，使用方便； 在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差 光電馳豫時(shí)間較長(zhǎng)，頻率特性較差。,光敏電阻 (LDR) 和它的符號(hào)：,符號(hào),1. 光敏電阻的工作原理,光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。（如圖） 工作機(jī)理：當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電

32、，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。,返回,本征型和雜質(zhì)型光敏電阻,本征型光敏電阻：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，激發(fā)一個(gè)電子空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。 雜質(zhì)型光敏電阻：對(duì)于型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能時(shí)，將施主能級(jí)上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。 本征型用于可見光長(zhǎng)波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。,光電導(dǎo)與光電流,光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）無光照時(shí)，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很小；光照時(shí)，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少在外場(chǎng)作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，形成光電流（亮電流）。 光電流：亮電流

33、和暗電流之差； I光 = IL - Id 光電導(dǎo)：亮電流和暗電流之差； g = gL - gd,光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。 光電流與光照強(qiáng)度電阻結(jié)構(gòu)的關(guān)系。,無光照，暗電導(dǎo)率 光照下電導(dǎo)率,附加光電導(dǎo)率,簡(jiǎn)稱光電導(dǎo) 光電導(dǎo)相對(duì)值 要制成附加光電導(dǎo)相對(duì)值高的光敏電阻應(yīng)使p0和n0小，因此光敏電阻一般采用禁帶寬度大的材料或在低溫下使用。,當(dāng)光照穩(wěn)定時(shí)，光生載流子的濃度為 無光照時(shí)，光敏電阻的暗電流為 光照時(shí)，光敏電阻的光電流為,光敏電阻的工作特性,光電特性 伏安特性 時(shí)間響應(yīng)和頻率特性 溫度特性,光電特性：光電流與入射光照度的

34、關(guān)系： (1)弱光時(shí)，=1，光電流與照度成線性關(guān)系 (2)強(qiáng)光時(shí)， =0.5，光電流與照度成拋物線 光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）,光敏電阻的光電特性,在弱光照下，光電流與E具有良好的線性關(guān)系 在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系 其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。,光電導(dǎo)靈敏度: 光電導(dǎo)g與照度E之比.,不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。 在選用光電器件時(shí)必須充分考慮到這種特性。,光電導(dǎo)增益 光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。 量子效率：光電流與入射光子流之比。,伏安特性,在一定的光照下，光敏

35、電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系 光敏電阻是一個(gè)純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。 不同光照度對(duì)應(yīng)不同直線,受耗散功率的限制，在使用時(shí)，光敏電阻兩端的電壓不能 超過最高工作電壓， 圖中虛線為允許功耗曲線 由此可確定光敏電阻正常工作電壓。,光敏電阻時(shí)間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。,頻率特性,光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)特性較差 材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律： 停止光照，光生載流子濃度的變化為,響應(yīng)時(shí)間,光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會(huì)影響光譜特性曲線。

36、例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動(dòng)。 尤其是紅外探測(cè)器要采取制冷措施,溫度特性,光敏電阻參數(shù),使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）. 光敏面：1-3 mm 工作溫度：-40 80 oC 溫度系數(shù)： 1 極限電壓：10 300V 耗散功率： 100 W 時(shí)間常數(shù)：5 50 ms 光譜峰值波長(zhǎng)：因材料而不同，在可見/紅外遠(yuǎn)紅外 暗電阻：108 歐姆 亮電阻：104 歐姆,光敏電阻的應(yīng)用,基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。 基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路

37、基本原理：光暗時(shí)，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。,光電池,光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。 半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。,光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來接收更多的入射光。 在N型硅片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)（如硼）， 受光面是P型層 或在P型硅片上擴(kuò)散N型雜質(zhì)（如磷）， 受光面是N型層,受光面有

38、二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護(hù)作用 上電極做成柵狀，為了更多的光入射 由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上， 實(shí)際使用的光電池制成薄P型或薄N型。,光電池等效電路,光電池的特性,1、伏安特性 無光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。 有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。 曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開路電壓VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流ISC。,光電池伏安特性曲線,反向電流隨光照度的增加而上升,2、時(shí)間和頻率響應(yīng) 硅光電池頻率特性好 硒光電池頻率特性差 硅光電池是目前使用最廣泛的光電池,要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻RL； 光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大

39、，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。,開路電壓下降大約23mV/度 短路電流上升大約10-510-3mA/度,3、溫度特性 隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行補(bǔ)償。,4、光譜響應(yīng)度,硅光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)0.4-1.1微米， 峰值波長(zhǎng)0.8-0.9微米。 硒光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)0.34-0.75微米， 峰值波長(zhǎng)0.54微米。,5、光電池的光照特性,連接方式：開路電壓輸出-(a) 短路電流輸出-(b) 光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同

40、的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。 開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)趨于飽和。,光照特性- 開路電壓輸出：非線性(電壓-光強(qiáng))，靈敏度高 短路電流輸出：線性好(電流-光強(qiáng)) ，靈敏度低 開關(guān)測(cè)量（開路電壓輸出），線性檢測(cè)（短路電流輸出）,負(fù)載RL的增大線性范圍也越來越小。 因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當(dāng)?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。,光電池的應(yīng)用,1、光電探測(cè)器件 利用光電池做探測(cè)器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。 2、將太陽能轉(zhuǎn)化為電能 實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組

41、。,硅太陽能電池,硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。 單晶硅太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。 多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。,非晶硅太陽能電池,非晶硅薄膜太陽能電池組件的制造采用薄膜工藝, 具有較多的優(yōu)點(diǎn),例如:沉積溫度低、襯底材料價(jià)格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。 非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽光能。 非晶

42、硅太陽能電池的穩(wěn)定性較差, 從而影響了它的迅速發(fā)展。,化合物太陽能電池,三五族化合物電池和二六族化合物電池。 三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等; 二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。 在三五族化合物太陽能電池中,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高,可達(dá)28%;,GaAs 化合物太陽能電池,Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴;As 不是稀有元素,有毒。 GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。 GaAs 化合物太陽能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn),但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因

43、而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。,太陽能,太陽能特點(diǎn)： 無枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；使用者從感情上容易接受；獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。 要使太陽能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。,光敏二極管結(jié)構(gòu),光敏二極管與普通二極管一樣有一個(gè)PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴(kuò)散層作為它的受光面。 為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN

44、結(jié)的深度較普通二極管淺。,光電二極管（光敏二極管）,光敏二極管符號(hào) 光敏二極管接法,外加反向偏壓,可以不加偏壓，與光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用 大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)，電子空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會(huì)少，提高光敏二極管的靈敏度。 增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。 但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無限地加大反向偏壓，因?yàn)樗€受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。,光敏二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，光譜響應(yīng)在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測(cè)中應(yīng)用多。 擴(kuò)散型P-i-N硅光敏二極管和雪崩光敏二極管,擴(kuò)散型P-i-N硅光敏二極管,選擇一定厚度的i層，

45、具有高速響應(yīng)特性。 i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢(shì)必增加了串聯(lián)電阻，使時(shí)間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。 而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時(shí)間常數(shù)。 (2)反偏下，耗盡層較無i層時(shí)要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。,PIN管的最大特點(diǎn)是 頻帶寬，可達(dá)10GHz。 另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。 缺點(diǎn): 由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。,雪崩光敏二極管,由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機(jī)理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極

46、快的時(shí)間響應(yīng)特性。 通過一定的工藝可以使它在1.06微米波長(zhǎng)處的量子效率達(dá)到30，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。,當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很高的電場(chǎng)，使進(jìn)入場(chǎng)區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。 新的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下分別向相反方向運(yùn)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)過程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子空穴對(duì)。 只要電場(chǎng)足夠強(qiáng)，此過程就將繼續(xù)下去，達(dá)到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。,雪崩光電二極管的倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)系曲線,在偏置電壓較低時(shí)的A點(diǎn)以左，不發(fā)生雪崩過程；隨著偏壓的逐漸升高，

47、倍增電流逐漸增加 從B點(diǎn)到c點(diǎn)增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時(shí)噪聲 也顯著增加，如圖中c點(diǎn)以有的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是c點(diǎn)以左，否則進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)燒壞管子。 由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。,雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。 不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點(diǎn)。因此它在微弱輻射信號(hào)的探測(cè)方向被廣泛地應(yīng)用。 在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。 其缺點(diǎn)是工藝要求高，穩(wěn)定性差

48、，受溫度影響大。,雪崩光電二極管與光電倍增管比較,體積小 結(jié)構(gòu)緊湊 工作電壓低 使用方便 但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大 故光電倍增管更適宜于弱光探測(cè),光敏二極管陣列,將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時(shí)探測(cè)被測(cè)物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。,象限探測(cè)器,象限探測(cè)器有二象限和四象限探測(cè)器，又分光電二極管象限探測(cè)器和硅光電池象限探測(cè)器。 象限探測(cè)器是在同一塊芯片上制成兩或四個(gè)探測(cè)器，中間有溝道將它們隔開，因而這兩或四個(gè)探測(cè)器有完全相同性能參數(shù)。 當(dāng)被測(cè)體位置發(fā)生變化時(shí)，來自目標(biāo)的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會(huì)引起象限間信號(hào)輸出變化

49、，從而確定目標(biāo)方位，同時(shí)可起制導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。,光敏三極管（光電三極管）,光電三極管是由光電二極管和一個(gè)晶體三極管構(gòu)成，相當(dāng)于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個(gè)光電二極管。 同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個(gè)透明窗口，以接收光線照射。 日前用得較多的是NPN和PNP兩種平面硅光電三極管。,NPN光電三極管結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖,光電三極管工作原理,NPN光電三極管（3DU型），使用時(shí)光電二極管的發(fā)射極接電源負(fù)極，集電極接電源正極。 光電三極管不受光時(shí)，相當(dāng)于普通三極管基極開路的狀態(tài)。集電結(jié)(基集結(jié))處于反向偏置，基極電流等于0，因而集電極電流很小，為光電三極管的暗電流。 當(dāng)光子入射到

50、集電結(jié)時(shí)，就會(huì)被吸收而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，處于反向偏置的集電結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)使電子漂移到集電極，空穴漂移到基極，形成光生電壓，基極電位升高。,發(fā)射結(jié),集電結(jié),基極,發(fā)射極,集電極,如同普通三極管的發(fā)射結(jié)(基發(fā)結(jié))加上了正向偏置，當(dāng)基極沒有引線時(shí)，集電極電流就等于發(fā)射極電流。 這樣晶體三極管起到電流放大的作用。 由于光敏三極管基極電流是由光電流供給，因此一般基極不需外接點(diǎn)，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個(gè)引腳線。,光電三極管與光電二極管相比，具有較高的輸出光電流，但線性差 線性差主要是由電流放大倍數(shù)的非線性所致 在大照度時(shí)，光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開

51、關(guān)元件使用。,光電三極管的光照特性,光敏三極管的伏安特性 硅光電三極管的光電流在毫安量級(jí)，硅光電二極管的光電流 在微安量級(jí)。 在零偏壓時(shí)硅光電三極管沒有光電流輸出，但硅光電二極管 有光電流輸出。 工作電壓較低時(shí)輸出電流有非線性，硅光電三極管的非線 性更嚴(yán)重。（因?yàn)榉糯蟊稊?shù)與工作電壓有關(guān)） 在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安曲線在低照度時(shí)間隔 較均勻，在高照度時(shí)曲線越來越密,硅光電三極管,硅光電二極管,光敏三極管的溫度特性 溫度特性反映了光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。 溫度變化對(duì)光電流和暗電流都有影響，對(duì)暗電流的影響更大。 精密測(cè)量時(shí)，應(yīng)采取溫度補(bǔ)償措施，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。 光電三

52、極管的光電流和暗電流受溫度影響比光電二極管大得多,光敏三極管的（調(diào)制）頻率特性 光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。 一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。 對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。,第四章 發(fā)光、耦合和成像器件,4.1發(fā)光二極管 4.2激光器 4.3光電耦合器件 4.4CCD,4.1 發(fā)光二極管,發(fā)光二極管（LED）的類型 發(fā)光二極管的原理 發(fā)光二極管的特性 發(fā)光二極管的應(yīng)用,4.2 激光器,激光器的結(jié)構(gòu)與原理 激光器的種類 激光器的特性參數(shù) 激光器在光電檢測(cè)方面的應(yīng)用,激光器的原理,受激輻射：激光是

53、受激輻射的光放大。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 增益大于損耗 激光器由三部分組成：激活介質(zhì)，諧振腔和激發(fā)源。 激光具有：?jiǎn)紊裕较蛐?，高亮度，相干性?激光器的特性參數(shù),功率（平均峰值），能量 波長(zhǎng)，頻率，線寬 脈沖寬度，重復(fù)頻率 光斑直徑，發(fā)散角，平方因子 模式，波長(zhǎng)可調(diào)諧性 穩(wěn)定性（波長(zhǎng)頻率功率能量方向等），壽命，光電效率,激光器的類型,氣體、固體、半導(dǎo)體激光器 紫外、可見和紅外激光器 連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)和脈沖激光器 單頻、單模激光器 可調(diào)諧激光器 超短脈沖激光器,He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式,氣體激光器,光束質(zhì)量好，線寬窄，相干性好，譜線豐富。 效率低，能耗高，壽命較短，體積大。 原子（氦氖）激光器，離子

54、（氬，氪，金屬蒸汽）激光器，分子（CO2,CO,準(zhǔn)分子)激光器。,固體激光器,運(yùn)行方式多樣：連續(xù)，脈沖，調(diào)，鎖模等，可以獲得高平均功率，高重復(fù)率，高脈沖能量，高峰值功率激光； 主要在紅外波段工作，采用光學(xué)泵浦方式； 結(jié)構(gòu)緊湊，壽命較長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠； ：，紅寶石，釹玻璃激光器。,固體激光晶體棒,固體激光實(shí)驗(yàn)裝置,微型固體激光器（學(xué)生研發(fā)）,深大學(xué)生研究固體激光器,深大“挑戰(zhàn)杯”小組（省二等獎(jiǎng)）,半導(dǎo)體激光器,體積小，效率高，能耗低，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠； 線寬較寬，波長(zhǎng)可調(diào)諧，能產(chǎn)生超短脈沖，直接高頻調(diào)制； 可批量生產(chǎn)，單片集成； 發(fā)散角大，溫度特性差，容易產(chǎn)生噪聲。,半導(dǎo)體激光器（自制）,半導(dǎo)體激光

55、器電源,白 光激光器,激光器在光電檢測(cè)中的應(yīng)用,激光測(cè)距，測(cè)長(zhǎng)，測(cè)平面度等 激光大氣污染檢測(cè) 激光檢測(cè) 激光海洋探測(cè) 激光制導(dǎo) 激光雷達(dá) 激光干涉測(cè)量（探傷） 激光全息測(cè)量,4.3 光電耦合器件,定義：發(fā)光器件與光接受器件的組合器件。 類型： 光電耦合隔離器：在電路之間傳遞信息，又能實(shí)現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲。 光傳感器：用于檢測(cè)物體的位置或物體有無的狀態(tài)。 發(fā)光器件：，燈等 光接受器件：光電二極管三極管，光電池，光敏電阻。,工作原理與特點(diǎn),發(fā)光器件與光接受器件封裝一體，但不接觸，有很強(qiáng)的電氣絕緣性，信號(hào)通過光傳輸。 特點(diǎn)： 具有電隔離（歐姆）功能； 信號(hào)傳輸單向（脈沖或直流），適用于模擬

56、數(shù)字信號(hào)； 具有抗干擾和噪聲能力； 響應(yīng)速度快（微納秒，直流兆赫茲），體積小，壽命長(zhǎng)，使用方便； 既有耦合特性，又有隔離功能；,光電耦合器件的應(yīng)用,代替脈沖變壓器耦合從零到幾兆赫茲的信號(hào)，失真??； 代替繼電器使用，做光電開關(guān)用； 把不同電位的兩組電路互連，完成電平匹配和電平轉(zhuǎn)移； 作為計(jì)算機(jī)主機(jī)與輸入輸出端的接口，大大提高計(jì)算機(jī)的可靠性； 在穩(wěn)壓電源中作為過流保護(hù)器件，簡(jiǎn)單可靠。,光電位置敏感器件（PSD）,PSD用于測(cè)量光斑的位置或位置的移動(dòng)量 光束入射光敏層,在入射位置產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號(hào)電荷,該電荷形成的光電流(I1 , I2)由信號(hào)電極1和2輸出，為公共電極 X: 位置信號(hào) I0

57、 = I1 + I2,4.4 CCD,CCD是一種電荷耦合器件(Charge Coupled Device) CCD的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。 CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。 CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。,CCD的結(jié)構(gòu),MOS 光敏元：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。,（型層）,電極,在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。 加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。 當(dāng)UG Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)變得非常高，以致于將半導(dǎo)體

58、內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。 反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。,電荷存儲(chǔ),電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）,電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）,第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有。 若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢(shì)阱中。這樣，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。 CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對(duì)絕大多數(shù)CCD，1m的間隙長(zhǎng)度是足

59、夠了。,主要由三部分組成：信號(hào)輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)輸出。 輸入部分：將信號(hào)電荷引入到的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢(shì)阱中，稱為電荷注入。 電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入 電注入：用于濾波、延遲線和存儲(chǔ)器等。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。 光注入：用于攝像機(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。,的工作原理,P-Si,輸入,柵,輸入二極管,輸出二極管,輸出,柵,SiO2,在柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢(shì)阱。勢(shì)阱用于存儲(chǔ)信號(hào)電荷，其深度同步于信號(hào)電壓變化，使阱內(nèi)信號(hào)電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敚詈髲妮敵龆O管送出視頻信號(hào)。 為了實(shí)