光电检测应用中的基础知识讲稿.ppt
第一页，讲稿共五十一页哦序信息检测技术信息检测技术光学检测技术光学检测技术电子检测技术电子检测技术易与物质发生联系，传播速度快易与物质发生联系，传播速度快,频带宽，信息容量大频带宽，信息容量大易存储，可转移，好控制易存储，可转移，好控制光电检测技术光电检测技术第二页，讲稿共五十一页哦第三页，讲稿共五十一页哦第四页，讲稿共五十一页哦第五页，讲稿共五十一页哦第六页，讲稿共五十一页哦第七页，讲稿共五十一页哦本课程所讨论的主要内容本课程所讨论的主要内容第一章：光电检测应用中的基础知识第一章：光电检测应用中的基础知识第二章：光电检测中的常用光源第二章：光电检测中的常用光源第三章：结型光电器件第三章：结型光电器件第四章：光电导器件第四章：光电导器件第五章：真空光电器件第五章：真空光电器件补充：光电测试技术的一些简单应用补充：光电测试技术的一些简单应用第六章：真空成像器件第六章：真空成像器件第八章：红外辐射与红外探测器第八章：红外辐射与红外探测器第七章：固体成像器件第七章：固体成像器件第第9章：光导纤维与光纤传感器章：光导纤维与光纤传感器第八页，讲稿共五十一页哦第一章第一章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识被测对被测对像像光学光学系统系统光电光电转换转换被测对象的被测对象的信息加载信息加载光源光源信息信息载体载体光电探光电探测器测器信息处理信息处理光电检测系光电检测系统组成：统组成：tdnTt 放大放大边缘检测边缘检测电动机电动机驱动驱动门控门控处理处理主主振振激光激光外径外径扫描扫描仪原仪原理图理图例：例：第九页，讲稿共五十一页哦1.1 辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念紫外辐射紫外辐射可见光辐射可见光辐射X光辐射光辐射红外光辐射红外光辐射波长波长 10纳纳米米1毫米（频率毫米（频率3*1011 3*1016 HZ)范围的电磁辐射范围的电磁辐射红红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫(100380nm)(380780nm)（10100nm)(780nm1mm)第十页，讲稿共五十一页哦1.辐射度学辐射度学对各种电磁辐射进对各种电磁辐射进行定量评价的一门行定量评价的一门科学科学工具：工具：光接收器件光接收器件结果：结果：与与光能量光能量相关的各种物理量相关的各种物理量评价对象：电磁辐射评价对象：电磁辐射2.光度学光度学工具：工具：人眼（或仿人眼的探测器）人眼（或仿人眼的探测器）对象：可见光辐射对象：可见光辐射对可见辐射作用于人对可见辐射作用于人眼所引起的眼所引起的“光光”感感觉进行定量评价，是觉进行定量评价，是一种生理效应一种生理效应结果：结果：对对人眼刺激人眼刺激大小的各大小的各种物理量种物理量用下标用下标(e)用下标用下标(v)第十一页，讲稿共五十一页哦1.1.1 辐射度学基本物理量辐射度学基本物理量1.辐射功率辐射功率（辐射通量辐射通量）e对于辐射源对于辐射源-单位时间内向空间各个方向发射的总能量。单位时间内向空间各个方向发射的总能量。单位：单位：W（瓦特）（瓦特）对于电磁波的传播对于电磁波的传播-单位时间通过某一截面的电磁波能量单位时间通过某一截面的电磁波能量对于电磁波的接收对于电磁波的接收-单位时间内某一截面接收到的电磁能单位时间内某一截面接收到的电磁能发射发射A1A2传播传播A接收接收如果是多波长辐射，则如果是多波长辐射，则有：有：0eed光谱功率谱密度光谱功率谱密度第十二页，讲稿共五十一页哦 点光源点光源:在某一方向上，在单位立体角内发出的在某一方向上，在单位立体角内发出的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特性）。性）。ddIee2、辐射强度辐射强度eI单位单位：srW/向空间各个方向辐射均匀的点光源：向空间各个方向辐射均匀的点光源：4Iee如果辐射是多波长的电磁波则：如果辐射是多波长的电磁波则：dII0ee如果辐射不均匀，则如果辐射不均匀，则方向上的辐射强度，可表示为：方向上的辐射强度，可表示为：eIded第十三页，讲稿共五十一页哦dA3、辐射亮度辐射亮度eL单位：单位：2/msrW-表征辐射面发光强弱并与辐射面特性有关的物理量。面元表征辐射面发光强弱并与辐射面特性有关的物理量。面元 dS dS 在在方方向的辐射亮度定义为：向的辐射亮度定义为：此面元在此面元在方向方向d d体积角内的的辐射通量体积角内的的辐射通量d de e 除立体角的大小除立体角的大小d d 和此面元在观测方向上的表观面积和此面元在观测方向上的表观面积coscos(dS)(dS)。dcosdSdLeedLL0eeeL如果是多波长如果是多波长辐射则：辐射则：如果辐射不均匀，则如果辐射不均匀，则方向上的辐亮度，可表示为：方向上的辐亮度，可表示为：eddcosdS ddSN NcosdsIedSed第十四页，讲稿共五十一页哦4、辐射出射度辐射出射度eM-光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向）（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的辐通，或者说单位辐射面发出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。量。用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。dA1dA2dAdMee单位：单位：W/m2-受照面上单位时间单位表面积接受的辐射受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。能，或单位表面积接受的辐通量。5、辐照度辐照度eE单位：单位：W/m2dA1dA2dAdEeedEE0eedMM0ee同样有：同样有：同样有：同样有：第十五页，讲稿共五十一页哦1.1.2 光度学基本物理量光度学基本物理量（一）光度学量和辐射度学量的关系（一）光度学量和辐射度学量的关系1.光谱灵敏度光谱灵敏度K 及及 视见函数视见函数Ve相同相同波长（波长（）不同）不同产生对人眼产生对人眼不同的刺激不同的刺激程度程度人眼对光人眼对光的感受是的感受是光波长的光波长的函数函数单位时间内发射、单位时间内发射、传播或接收的光传播或接收的光量量dKev21K 光谱灵敏度光谱灵敏度(lm/W)(lm/W)(1)(1)光谱灵敏度光谱灵敏度v光通量光通量(lm流明流明)eK第十六页，讲稿共五十一页哦定义定义:视见函数视见函数mKKVVkkmdCVdkeev2121V明视明视0.55m 10.380.7K明视明视暗视暗视0.55m0.52 m Km=683（lm/W）0.380.7不同波长的光谱不同波长的光谱灵敏度，如图所灵敏度，如图所示：示：C(2)(2)视见函数视见函数CVd21v=683=683lm/Wlm/W第十七页，讲稿共五十一页哦（二）光度学量（二）光度学量A1A2A1A2辐射通量辐射通量e单位时间内单位时间内发射发射、传播传播或或接收接收的辐射能量。的辐射能量。21dee复色复色光时光时-单位时间内单位时间内发射发射、传传播播或或接收接收的光量。的光量。21dvv复色复色光时光时1、光通量光通量vA lm(流明流明）W（瓦特）（瓦特）ddCVvev2121第十八页，讲稿共五十一页哦-点光源点光源在某一方向上，单位在某一方向上，单位立体角立体角 内发出的辐射通量。内发出的辐射通量。-点光源点光源在某一方向上，单位在某一方向上，单位立体角内的立体角内的光通量。光通量。2、发光强度发光强度单位单位：ddIee辐射强度辐射强度eI单位单位：srW/srlm/ddIvvvI（cd 坎德拉）坎德拉）dd七个基本物理量之一七个基本物理量之一第十九页，讲稿共五十一页哦vL-面元面元dSdS在在方向方向d d体积角体积角内的的光通量内的的光通量d dv v 除立体角的除立体角的大小大小d d 和此面元在观测方向上和此面元在观测方向上的表观面积的表观面积coscos(dS)(dS)。3、光亮度光亮度单位：单位：ddSdLvvcos222/mcdmsrlm辐射亮度辐射亮度ddSdLeecos22msr/W-面元面元dSdS在在方向方向d d体积角体积角内的的辐通量内的的辐通量d de e 除立体角的大除立体角的大小小d d 和此面元在观测方向上的和此面元在观测方向上的表观面积表观面积coscos(dS)(dS)。dA2ddcosdS dSN N第二十页，讲稿共五十一页哦4、光、光出射度出射度-光源单位时间由单位表面积光源单位时间由单位表面积辐射出的光量（包括所有方向）辐射出的光量（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的光通量。或者说单位辐射面发出的光通量。dA1dA2dAdMee单位：单位：lm/m2辐射出射度辐射出射度eM-光源单位时间由单位表面光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有积辐射出的电磁能（包括所有方向）方向），或者说单位辐射面，或者说单位辐射面发出的辐通量。发出的辐通量。dAdMee单位：单位：W/m2vM第二十一页，讲稿共五十一页哦-受照面上单位时间单位表受照面上单位时间单位表面积接受的光量，或单位表面积面积接受的光量，或单位表面积接受的光通量。接受的光通量。5、照度照度单位：单位：lm/m2dA1dA2dAdEvv-受照面上单位时间单位受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。表面积接受的辐通量。辐照度辐照度eE单位：单位：W/m2dAdEeevE(lx 勒克斯）勒克斯）第二十二页，讲稿共五十一页哦1.1.3 其它基本概念其它基本概念1.点源点源dAdAIdd2r)(cosdAdAd某面元上的照度与面元到光源的距某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比离的平方成反比-平方反比定律平方反比定律同时也与面源的方向有关同时也与面源的方向有关II IrEcosrI2d对于沿各方对于沿各方向匀均辐射向匀均辐射的点源的点源40IdI4点源对面的照度点源对面的照度-Id光源光源 Sd总辐射通总辐射通量为：量为：第二十三页，讲稿共五十一页哦2.扩展源扩展源-有一定面积的辐射源有一定面积的辐射源朗伯源朗伯源或称为或称为余弦辐射体余弦辐射体向空间各个方向的辐射亮向空间各个方向的辐射亮度相同，理想化的扩展源度相同，理想化的扩展源辐射强度辐射强度I 与方向角与方向角满足余弦满足余弦定律的辐射体。定律的辐射体。大部分辐射体都大部分辐射体都有此性质有此性质 coscos2dsIddSdLcosII0cosII0dSII0余弦定律余弦定律dsIcosdscosIL00常数常数第二十四页，讲稿共五十一页哦ddLdSdsincos22020sincosddLdSd根据辐出度的定义根据辐出度的定义dSLdSdLdSdcos2dsinrddSdLcos2根据亮度根据亮度的定义的定义朗伯源向空间各个方位的总辐射通量的计算朗伯源向空间各个方位的总辐射通量的计算-rd2rdAdddsindLdS2rLdSdMdSddAdAd第二十五页，讲稿共五十一页哦3.漫反射面漫反射面-把入射光向各个方向均把入射光向各个方向均匀的散射的各种表面匀的散射的各种表面EdSdi设某一漫反射面设某一漫反射面dSdS所受的光照度为所受的光照度为E E，则此面接收到的光通量为：，则此面接收到的光通量为：设此反射面的反射系数为设此反射面的反射系数为K K，则它反射的光通量为：，则它反射的光通量为：KEdSds朗伯辐朗伯辐射体射体不透明不透明漫反漫反射体射体dSLdssKELs透明漫反射体透明漫反射体亮度减半亮度减半2KELs第二十六页，讲稿共五十一页哦4.定向辐射体定向辐射体-光线的发射方向比较集中光线的发射方向比较集中如：激光器如：激光器cosSL太阳的辐射亮度只有太阳的辐射亮度只有3 3*10108 8W/(sr.mW/(sr.m2 2)msr/(W10210第二十七页，讲稿共五十一页哦1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.电子的共有化运动电子的共有化运动2.能带的形成能带的形成能级能级3s2p1.2.1 固体的能带结构固体的能带结构允带允带禁带禁带允带允带允带允带禁带禁带第二十八页，讲稿共五十一页哦3.能带的结构能带的结构价价带带导导带带禁带禁带物质的导电性：物质的导电性：价价带带导导带带禁带禁带价带中的空穴价带中的空穴导带中的电子导带中的电子价带价带导带导带内层内层能带能带禁带禁带禁带禁带内层内层能带能带禁带禁带满带：满带：被电子填满的能带被电子填满的能带空带：没有空带：没有电子占据的能带电子占据的能带第二十九页，讲稿共五十一页哦4.N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体价带价带导带导带禁带禁带低低温温下下低温下硅晶体中的价带中所有的能级都低温下硅晶体中的价带中所有的能级都被电子占据，即被填满，价带以下的能被电子占据，即被填满，价带以下的能带被内层电子填满，而导带的能级是空带被内层电子填满，而导带的能级是空的，所以不导电。的，所以不导电。价带价带导带导带禁带禁带本征激发本征激发常常温温下下被激发到共价键之外被激发到共价键之外不不导导电电弱弱导导电电性性1）本征半导体）本征半导体第三十页，讲稿共五十一页哦2）掺掺5族元素时族元素时-N型半导体的能级型半导体的能级处于共价键之外处于共价键之外低低温温下下价带价带导带导带禁带禁带杂质能级杂质能级第三十一页，讲稿共五十一页哦价带价带导带导带禁带禁带施主施主能级能级本征激发本征激发+杂质激发杂质激发价带价带导带导带禁带禁带杂质能级杂质能级低低温温下下常常温温下下被激发至导带被激发至导带第三十二页，讲稿共五十一页哦3）掺）掺3族元素时族元素时-P型半导体型半导体低低温温下下B价带价带导带导带杂质能级杂质能级第三十三页，讲稿共五十一页哦价带价带导带导带杂质能级杂质能级常常温温下下B低低温温下下受主受主能级能级价带价带导带导带杂质激发杂质激发+本征激发本征激发第三十四页，讲稿共五十一页哦1.2.2热平衡下的载流子浓度热平衡下的载流子浓度本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子价带价带导带导带禁带禁带本征激发本征激发开始时：激发开始时：激发复合复合复复合合一段时间后：激发一段时间后：激发=复合复合（载流子浓度增大）（载流子浓度增大）（载流子浓度稳定）（载流子浓度稳定）热平衡状态热平衡状态设由低温到高温的过程设由低温到高温的过程第三十五页，讲稿共五十一页哦1.2.3 半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子-通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这些超出的通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这些超出的载流子通常称为载流子通常称为非平衡载流子非平衡载流子，或，或过剩载流子过剩载流子。1.半导体材料的光吸收效应半导体材料的光吸收效应1）本征吸收）本征吸收价带价带导带导带常温光照时常温光照时价带价带导带导带常温无光照时常温无光照时EggEh要发生光电导效应，必须满足：要发生光电导效应，必须满足：g0Ehcg0E24.1单位是单位是m m第三十六页，讲稿共五十一页哦2）杂质吸收）杂质吸收N型半导体：型半导体：价带价带导带导带低温无光照时低温无光照时Ed价带价带导带导带低温有光照时低温有光照时价带价带导带导带低温无光照时低温无光照时Ea工作时温度要低工作时温度要低-防止热激发防止热激发价带价带导带导带低温有光照时低温有光照时P型半导体：型半导体：第三十七页，讲稿共五十一页哦2.非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度光照射半导体时：光照射半导体时：载流子的浓度增加载流子的浓度增加停止光照射后：停止光照射后：由于复合，载流子的浓度不断的减少，由于复合，载流子的浓度不断的减少，直到热平衡直到热平衡复合方式有复合方式有直接复合直接复合-导带中的电子直接回到价带导带中的电子直接回到价带填充空位填充空位间接复合间接复合-通过通过“缺陷、错位、杂质缺陷、错位、杂质”等形成的复合中心复合等形成的复合中心复合价带价带导带导带价带价带导带导带第三十八页，讲稿共五十一页哦1.2.4 载流子的扩散和漂移载流子的扩散和漂移1.扩散扩散-在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载流子浓度在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载流子浓度高于其它地方的载流了浓度，这时载流子就从浓度高的地方向浓度低的高于其它地方的载流了浓度，这时载流子就从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为地方运动，这种现象称为扩散扩散dxdnqDJnnD扩散形成电流的大小：扩散形成电流的大小：dxdpqDJppD2.飘移飘移-在电场做用下电荷的移动在电场做用下电荷的移动EJxppqnnqEnqJnnEEpqJpnExxqnJxnxE对于空穴导电对于空穴导电第三十九页，讲稿共五十一页哦dxdnqDEnqJJJnnnDnEn2.总电流总电流dxdpqDEpqJJJpppDpEP电子电子空穴空穴总电流总电流npJJJ第四十页，讲稿共五十一页哦1.3 基本定律基本定律1.3.1 黑体辐射定律黑体辐射定律黑体黑体：有一类物体其表面不反射光，它们能够在任何温度下吸收：有一类物体其表面不反射光，它们能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射，这类物体就叫绝对黑体。射来的一切电磁辐射，这类物体就叫绝对黑体。)T,()T,()T,(aaB吸收比吸收比:模拟黑体：模拟黑体：)T,()T,()T,(rB反射比反射比:10第四十一页，讲稿共五十一页哦)T,()T,(M.)T,()T,(M)T,()T,(M)T,()T,(MBeB33e22e11e常数常数)T,(M)T,()T,(M)T,()T,(MeB22e11e)T,(M)T,(M)T,(eBe1)T,(aB光谱发射率光谱发射率)1e(c)T,(MTc51eB2T/C512ec短波区或温度不短波区或温度不高的情况下高的情况下)Km(1043879.1k/hcc22)mW(1074.3hc2c21621-吸收能力强，发射能力也强吸收能力强，发射能力也强),(T第四十二页，讲稿共五十一页哦700K900K4 0 0K(m m）2Me(,T)4 6 8)T,(MebT/C512ec短波区或温度不高的情况下短波区或温度不高的情况下4T一定温度下总一定温度下总的辐射出射度的辐射出射度428KmW1067.5BTmKm10897.2B3)T(MeB0eBd)T,(MMe(,T)Me(,T)第四十三页，讲稿共五十一页哦噪声：信号随机的、瞬间幅度不能预知的起伏噪声：信号随机的、瞬间幅度不能预知的起伏TntitiTtii0222)()(1)(圴方噪声：圴方噪声：噪声：信号随机的、瞬间幅度不能预知的起伏噪声：信号随机的、瞬间幅度不能预知的起伏TntitiTtii0222)()(1)(圴方噪声：圴方噪声：白噪声：功率谱大小与频率无关白噪声：功率谱大小与频率无关1/1/f 噪声：功率谱与噪声：功率谱与1/1/f 成正比成正比噪声功率谱：噪声功率谱：)()(2fifsn第四十四页，讲稿共五十一页哦-在任何电阻性材料中在任何电阻性材料中,载流子都会有载流子都会有无规则的热运动无规则的热运动,从而引起输出电流或电压从而引起输出电流或电压的起伏，此种噪声称为的起伏，此种噪声称为.是最常见的一种噪声形式是最常见的一种噪声形式.RfKT4i2nt一些不连续的量的随机起伏形成的噪声，一些不连续的量的随机起伏形成的噪声，如：入射到光电探测器表面的光子，光如：入射到光电探测器表面的光子，光电子从光电阴极表面逸出等过程电子从光电阴极表面逸出等过程fqIint 22fRKTun 42第四十五页，讲稿共五十一页哦-这类噪声的大小与频率成反比这类噪声的大小与频率成反比,因此而得名因此而得名,它的产生与器件的杂质和工艺缺陷有关它的产生与器件的杂质和工艺缺陷有关,但原因但原因比较复杂比较复杂.ffcIi2nf半导体受光照时，载流子不断地产生半导体受光照时，载流子不断地产生-复复合，载流子产生合，载流子产生-复合的平均数是一定的，复合的平均数是一定的，但某一瞬间是起伏的，这种起伏引起半导但某一瞬间是起伏的，这种起伏引起半导体电导率的起伏，从而使输出电流或电压体电导率的起伏，从而使输出电流或电压值起伏，由此引入的噪声叫值起伏，由此引入的噪声叫)f2(1NfI4i202grn2第四十六页，讲稿共五十一页哦由于器件本身温度变化引起的噪声由于器件本身温度变化引起的噪声)2(1 4222ttnfGfkTi第四十七页，讲稿共五十一页哦电压响应率电压响应率(V/w)(V/w)：电压电压/单色辐射通量单色辐射通量 esVI)(SesVVS电流电流/单色辐射通量单色辐射通量电流电流 响应率响应率(A/w)(A/w)：esIU)(SesIIS1.4.2 光电探测器的特性参数光电探测器的特性参数探测器的输出信号电压探测器的输出信号电压/探测器接收的探测器接收的所有波长光的总辐射通量所有波长光的总辐射通量探测器输出的信号电流探测器输出的信号电流/探测器接收探测器接收的所有波长光的总辐射通量的所有波长光的总辐射通量电压光谱灵敏度：电压光谱灵敏度：电流光谱灵敏度：电流光谱灵敏度：S S（）m1 1相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度第四十八页，讲稿共五十一页哦2nIiSNEP1DI2nSiNEP 如果探测器所接收到的辐射功率所引起的信号输出，正好等于探测如果探测器所接收到的辐射功率所引起的信号输出，正好等于探测器本身产生的噪声，则探测器此时所接收到的辐射功率称为器本身产生的噪声，则探测器此时所接收到的辐射功率称为等效噪等效噪声功率声功率又称为又称为最小可探测功率最小可探测功率。设输出信号设输出信号为电流为电流2nsees2ni/I/IiNEP信噪比信噪比探测率探测率第四十九页，讲稿共五十一页哦21ndIifASNEPD NEPD1归一化等效澡声功率：归一化等效澡声功率：比探测率比探测率（归一化探测率）（归一化探测率）fA1SiNEPdI2nA Ad d：cmcm2 2f:Hz:Hz2ni:A:AS SI I:A/W:A/W D D*:cm.Hzcm.Hz1/21/2.W.W-1-1实际上比探测率实际上比探测率是与波长有关的是与波长有关的D D*（500K500K，900Hz)900Hz)黑体光黑体光源的温源的温度度辐射能辐射能量的振量的振荡频率荡频率5.响应时间和频率响应响应时间和频率响应惰性惰性-光电器件输出的电信光电器件输出的电信号总是在时间上落后于作用在其号总是在时间上落后于作用在其上的光信号的特性。上的光信号的特性。t teI Is s1.0t t0.370.370.630.63上上下下响应时间响应时间第五十页，讲稿共五十一页哦感谢大家观看感谢大家观看9/4/2022第五十一页，讲稿共五十一页哦
