2022年华科光探复习总结.docx

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1、学习好资料欢迎下载1、 入射光辐射 直接与光电材料中的 电子相互作用,转变电子的 能量状态 ,从而引起各种 电学参量的变化 ,称为光电效应；（光谱响应有挑选性） 分为内光电效应 和外光电效应；2、 内光电效应： 被光激发所产生的的 载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动,使物质的电学性质 发生转变的现象；3、 外光电效应： 被光激发产生的 电子逸出 物质表面,形成真空中的电子的现象4、 光电效应 包括光电导效应 、光伏效应 、光电子发射效应 （外光电效应）、光子牵引效应和光电磁效应；5、 光电导效应： 当半导体材料 受光照时, 对光子的吸取 引起载流子浓度的变化 ,导致材料 电导率变化； 分

2、为本征光电导效应和非本征光电导效应；6、 本征光电导效应：7、 非本征（杂质）光电导效应：8、 光伏效应： PN 结受到光照时,PN结的两端产生电势差；9、 外光电效应 ： 光电子发射效应 ：金属或金属半导体 受到光照时, 电子从材料表面 逸出；10、热电效应 ： 入射光和材料的晶格 相互作用,晶格 吸取光能 而增加振动能量 ,引起材料的温度上升 ,从而使材料的 电学参量 发生变化；特点是 频谱范畴宽,无挑选性 ；11、热电效应包括 电阻温度效应 （物体吸取光辐射 后温度上升 导致电阻发生转变 ）和温差电效应 （第一效应：塞贝克效应：两种不同的导体或半导体组成闭合回路,两节点的温度不同,产生了

3、温差电动势,闭合回路中产生连续电流）和热释电效应 （热电晶体材料 受光照耀温度上升 ,在晶体的特定方向 上由于自发极化随温度变化 而引起表面电荷的变化 ）；1、光谱效率函数,光谱光视效能km2、普朗克定律（普朗克辐射公式） ；描述黑体光谱辐射出度与波长、肯定温度之间的关系：3、求黑体的总辐射出度,即斯蒂芬 -波尔滋蔓定律：4、韦恩位移定律： 黑体最大光谱辐射出度的峰值波长与肯定温度之间的关系：m1、 光电探测器的性能参数（普遍而言）2、 有关响应方面的性能参数（又叫灵敏度） ：3、 灵敏度分为光谱灵敏度和积分灵敏度4、 光谱灵敏度：探测器在波长尼姆达的单色光照耀下,输出的电压或光电流与入射的单

4、色辐射通量之比；（又叫单色响应率） 电压响应率：、电流响应率；5、 积分灵敏度（积分响应率） ：探测器的输出电压 U 或光电流 I 与入射的辐射通量（或辐射照度 E）之比；6、 频率响应率；7、 响应时间和上限频率：光电探测器产生电信号达到稳固值需要肯定的时间,光照停止后, 信号完全消逝也需要肯定时间,信号产生和消逝的这种滞后称为探测器的惰性,用响应时间来表示这个惰性的大小；当灵敏度下降到零频是的0.707 倍时, fhc=1 除以（ 2pie 响应时间）,8、 量子效率：表征光电转换规律,某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比；9、 有关噪声方面的参数：热噪声、散粒噪声、

5、产生-复合噪声、 1/f 噪声、温度噪声10、信噪比：11、噪声等效功率 NEP：12、探测率 D 和比探测率 D*、1、 光电子发射探测器（利用外光电效应）2、 光电倍增管的组成： 光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增极；工作原理：入射光透过光窗照耀到光电阴极,光电阴极发射出光电子,光电子经电子光学系统加速,聚焦到倍增极上,倍增极将发射出比入射电子更多的二次电子,电子经n 级倍增极倍增,形成放大的阳极电流,在负载 R上产生放大的信号电压输出； （电流增益可达 105107）3、 光电倍增管外部电路的设计及使用（分为高压供电电路和信号输出电路）高压供电电路的设计应合理挑选电阻链和高压电源,以

6、达到极间电压的稳固性要求；信号输出电路采纳运算放大器完成电流电压变换,可获得好的信噪比和线性度；4、 光电发射器件的特点：使用波段、有着 更高的内增益 （与电子光学系统的收集率、各级倍增极的电子收集率和二次电子发射系数有关）,电流增益最高可达 107、灵敏度高 （用阴极灵敏度 SK和阳极灵敏度 SA表示,仍细分光谱灵敏度和积分灵敏度） 、低噪声（主要是散粒噪声）、高响应速度 、工作电压高（正负电压使用特点） 、体积大,使用中受肯定限制、它的暗电流比 APD一两个数量级,所以更适合弱光探测；5、与 apd 相比： 1、更高的内增益和比探测率,电流增益最高可达10 七次方；暗电流比 apd 小一两

7、个数量级,通常更适于弱光检测；他在0.8-1.1m 的近红外光谱区,其量子效率低于apd,所以在这段光谱内, apd 有更好的响应速度；他的体积大,工作电压高,使用受肯定的限制；1. 光电导探测器（ PC）2. （ 1）器件工作原理：光电导效应：半导体材料受光照,对光子的吸取引起载流子浓度的变化,导致电导率的变化；本征半导体的响应与光生载流子成正比,当光照到探测器上,光生载流子数增加,载流子浓度增加,产生复合的载流子数也增多,一段时间后,产生和复合达到动态平稳,载流子浓度达到稳固值；同样,光照消逝后光生载流子消逝也需要一段时间；光电导的响应时间等于载流子寿命且为常数,弱光照条件下的光电导称为线

8、性光电导；在匀称的光电导提两端加上电极后就构成光电导探测器,两电极加上肯定电压,当光照照耀光电导体时, 光生载流子在外加电场的作用下沿肯定方向运动, 在电路中产生电流；光电导增益 M 与器件的材料、结构尺寸、外加偏压有关 ；光电导增益等于载流子平均寿命与载流子渡越时间之比,表示一个光生载流子对探测器外贿赂电流的有效奉献；3. 光照特性：定义 Gp 为光电导,单位是 S；按灵敏度的定义响应量与输入量之比, 有：Sg称为光电导灵敏度；4. 偏置电路：为了器件正常工作,供应合适的电流或者电压,意义是提高探测灵敏度、降低噪声和提高频率响应；5. （ 3）工作条件（偏压、无极性）6. （ 4）工作波段：

9、掩盖从紫外、可见光、近红外、中红外延长至极远红外波段的光谱响应范畴,本征光电导探测器适用于可见光和近红外辐射探测,杂质光电导探测器常用于中、远红外辐射探测； 响应频率较低7. 光电导探测器的特点：光谱响应范畴相当宽,掩盖从紫外、可见光、近红外、中红外延长至极远红外波段的光谱响应范畴,特殊对红光和红外辐射有较高的响应度,工作电流大,可达数毫安,所测得光强范畴宽,测强光测弱光,灵敏度高,光电导增益可大于1,偏置电压低,无极性之分,使用便利；不足：光电弛豫时间较长,响应频率较低,强光照耀下光电转换线性较差；1、光伏探测器（ PV）利用半导体光伏效应制作的器件,都有PN 结,常用的有光电池、 PD、P

10、IN PD、APD和光电三极管；其中 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管是高响应速度的光伏探测器,光电三极管和雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器；2、 （1）结合 pn 结工作原理, 把握 PV器件的伏安工作曲线及对应的工作状态（零偏、反偏）由上图可知, 无光照时伏安特性曲线和一般二极管的伏安特性曲线相同,受光照后曲线将沿着电流轴下移,平移的幅度与光照的变化成正比,即Ip=SE；光伏探测器可以工作在零偏和反偏两种状态；即对应光伏和光电导两种工作模式,光电二极管大多工作在光电导模式（ PN 结加反压,暗电流苏反压增大而有所增大,最终等于反向饱和电流,其值远小于光电流,而光电流几乎与反向电压的

11、高低无关,所以总电流等于暗电流光电流）,光电池大多工作在光伏模式；3、 （2）PN、PIN、APD管的工作原理、结构和特点,把握其在增益和频率响应方面的比较；PIN 型光电二极管 ,在 PN 二极管的 P 区与 N 区之间生成 I 型层,吸取光辐射而产生光电流的一种光检测器； PN 结中间掺入一层浓度很低的 N 型半导体,增大耗尽区的宽度,达到减小扩散运动的影响,提高响应速度的目的；由于这一掺入层的掺杂浓度低,近乎本征半导体,故称I 层；绝大部分的入射光在 I 层内被吸取并产生大量的电子 -空穴对；在 I 层两侧是掺杂浓度很高的 P 型和 N 型半导体, P层和 N 层很薄, 吸取入射光的比例

12、很小； 因而光产生电流中漂移重量占了主导位置,这就大大加快了响应速度；性能特点：时间响应特性好,渡越时间短,频带宽、结电容小、反压高,线性输出范畴宽、灵敏度高、噪声低等优点； 不足是： 提高了时间响应, 未能显著提高器件的灵敏度, I 层高电阻, 输出电流小,一般 0.几微安到几微安,提高I 层厚度,漂移时间变长,时间响应特性变差；APD：PN结上加上反向偏压后, 入射光被 PN 结吸取后会形成光电流； 加大反向偏压会产生 “雪崩”（即光电流猛然激增）的现象,因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管”；利用高反向偏压下发生雪崩倍增效应而提高灵敏度（具有内部增益100-103）,而且响应速度特殊快,

13、频率可达 100GHz,是目前响应速度最快的光电二极管；可大大提高探测器的灵敏度和响应频率,适合柔弱光信号的探测；其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度；工作时加较大的反向偏压,使得其达到雪崩倍增状态；（ 3）光电池的工作原理、与一般光电二极管的比较光电池是无需外加偏压就能将光能转化成电能的光伏探测器,一个大面积的 pn 结主要介绍硅光电池,基本结构是光电池的短路电流与入射光照度成正比,而开路电压与光照度的对数成正比,负载电阻越小, 光电流和照度的线性关系越好,而且线性范畴也越宽,此外,在肯定负载电阻的条件下,光照越弱,其线性关系越好；光电二极管的工作原理和光电池一样,

14、 都是基于 pn 结的光伏效应,但是他比起光电池有不同： 掺杂浓度较低,电阻率较高,结区面积小,通常工作在反偏置状态,因此光电二极管的内建电 场很强,结区较厚,结电容小,频率特性比光电池好,但光电流比光电池小得多；4、 （4）光电三极管的工作原理,与光电二极管的比较光电三极管是在光电二极管的基础上进展起来的光电器件,它本身具有放大功能； 目前的光电三极管一般是硅光电三极管；硅光电三极管是用N 型硅单晶做成 NPN 结构；基区面积做得较大,发射区面积却做得较小,入射光线主要被基区吸取；与光电二极管一样,入射光在基区中激发出电子与空穴；在基区漂移场的作用下,电子被拉向集电区,而空穴被积聚在靠近发射

15、区的一边；由于空穴的积存而引起发射区势垒的降低, 其结果相当于在发射区两端加上一个正向电压,从而引起了倍率为 +1相当于三极管共发射极电路中的电流增益的电子注入,这就是硅光电三极管的工作原理；总结异同：光电二极管的光照特性线性好,噪声低,频率特性好,但光电流小（微安量级）、灵敏度较低；光电三极管的光照特性出现肯定的非线性,频率特性较差,在光照下有偏压才有输出,由于光电三极管有电流放大作用, 所以灵敏度比光电二极管高, 输出电流也比光电二极管大,多为毫安级亮、暗电流比光电二极管、光电池和光电探测器都要大,适合做光电开关；5、 （5） PV 器件相比 PC器件的特点 （电路工作条件、灵敏度、频率响

16、应等方面）Pv 不具有内增益（ APD和光电三极管除外）,响应率和外加电压无关,光伏效应响应时间主要由载流子到结区的扩散时间打算, 其扩散时间通常短于载流子寿命, 所以它比用同样材料制成的光电导探测器响应更快,其响应频率可达几百兆赫,甚至上GHz,而光电导探测器只能达到几兆赫的量级, 光伏效应对光的吸取是本征吸取, 而光电导效应是本征吸取也可以是非本征吸收,所以光伏探测器光谱响应的长波限一般为中远红外区,而杂质光电导探测器可以延长到远红外区；1、 热探测器2、 热探测器是基于光辐射与物质相互作用的光热效应而制成的器件,具有以下特性：光谱响应范畴宽,而且响应率和波长无关,有从紫外到红外波段的几乎

17、平整的光谱响应特性；工作时无需制冷,也无需偏压电源；热响应时间一般为毫秒到秒量级,响应速度慢；探测率较低, D* 值为 10 八次方到 10 九次方3、 （1）把握三种热电效应所代表的器件工作原理、结构热电偶：利用温差电效应来测量光辐射的一种热探测器,温差电效应：将两种不同的材料链接成具有一对节点的闭合回路,其中一个节点接收光辐射,而产生温升,另一个没有受光照耀的节点之间产生温度差,导致两个节点的接触电动势不同,从而在闭合回路中产生电流；4、 （2）把握器件特点5、 热电偶：开路电压和温度的关系、 频率特性6、 测辐射热计：金属和半导体； 波长特性、频率特性7、 热释电器件：是个电容器,电容值

18、很小,输出阻抗极高,等效电路可以用恒流源表示,光辐射引起晶体温升,引起极化强度的变化,而中户电荷由于材料的电阻率高跟不上这一变化,其结果是薄片的两表面之间显现瞬态电压；把握只能测交变信号的缘由1、 成像器件2、 （1） CCD3、 注入、储备、转移、输出的原理；Ccd 能储备电荷包,储备才能可以通过调剂Ug 加以掌握,当电荷包注入势阱中,电荷包也产生电场,具有对外电场的屏蔽作用,从而使表面势收缩,势阱深度变浅,空间电荷区变窄；随 着电荷包的积存,足够多的时候,势阱中就不能在储备余外的电荷,显现溢出的现象；Ccd 中电荷包的转移过程是将电荷包从一个势阱转入相邻的深势阱,通过掌握各栅极电压Ug来调

19、剂势阱的深度,并利用势阱的耦合原理实现；光注入,光束直接照耀衬底,半导体内江产生电子空穴对,多数载流子会被栅极上所加的电场 排斥究竟部,少数载流子就被手机在势阱中形成电荷包；利用ccd 拍照图像时,先通过光敏元阵列的光电效应把按肯定照度分布的光学图像转换为电荷分布,再把电荷注入相应栅极下面的深势阱中,也是光注入；综上,对于 ccd 摄像器件,他是先将半导体产生的, 与照度分布相对应的信号电荷注入势阱中, 再通过内部驱动脉冲掌握势阱的深浅, 使信号电荷沿着沟道朝肯定方向转移, 最终经输出电路形成一维时序电信号；4、 线阵 CCD工作原理及波形图（单沟道或双沟道） ；5、 （2）CMOS6、 工作

20、原理；7、 与 CCD的比较；总结异同： 1、“随机拜访” 才能,cmos 采纳 x-y 寻址方式, 具有读出任意局部画面的开窗才能, ccd 采纳按序读出信号的结构,开窗才能有限；2、ccd 灵敏度高百分之 20-50,具有可见光以及近红外波段的完全响应才能, ccd 的噪声可以掌握在极低的水平,ccd 的信号读出速度不超过 70Mpixel/s；cmos 截止波长小于 650nm,因而对红光和近红外光系数困难, 噪声相对较大, 信号读出速度可达 1000Mpixel/s；3、ccd 的动态范畴比 cmos 高两倍,cmos 功耗明显低于 ccd；1、 探测器性能比较2、 单元光电探测器的性

21、能及应用比较3、 光谱响应范畴4、 频率特性5、 外加偏压6、 探测率前置放大器不仅放大输入信号, 也放大输入噪声,而且放大器本身会引入新的附加噪声,为了简化分析,将放大器归结为只有En 和 In 两个噪声参数的放大器噪声模型；如上图,用阻抗为0 的噪声电压发生器 En 和输入端串联,用阻抗为无限大的噪声电流发生器In 和输入端并联, 而放大器本身就被假设为一个无噪声的抱负放大电路；为了进一步简化,用一个等效输入噪声Eni 来代替图中额 Ens、En、In 三个噪声源,依据图中的放大器噪声模型,用简洁的分流和分压原理,可以求得：放大器的噪声系数 F为了反映放大器本身的附加噪声使系统信噪比变坏的

22、程度,引入噪声系数F,定义为：Spo；Spi 分别为放大器输出端和输入端的信号功率；Npo、Npi 分别为放大器输出端和输入端的噪声功率；实际放大系统的噪声系数F 总是大于 1.F 越大,放大器本身的噪声电平越高；噪声系数习惯上用分贝表示,即推导式：正确源电阻（噪声匹配）及匹配方法可以看出噪声系数 F 与源电阻 Rs有关,挑选合适的 Rs 可以使 F 最小；通常称为正确源电阻, 表示为 Rsopt；求导得： Rsopt=En/In；再带入上式,得 Fmin柔弱信号检测：锁定放大器的抑噪原理：相互关检测原理：它利用相敏检波器大大压缩等效噪声带宽, 从而有效地抑制噪声, 并检测出周期信号的幅值和相

23、位；锁定放大器由信号通道、参考通道和相敏检波三部分组成,信号通道对混有噪声的初始信号进行放大, 对噪声作初步的窄带滤波后输出信号 Us,参考通道通过触发电路、 倍频电路、移相电路和方波驱动电路提高一个与被测信号同频且相位可调的方波信号Ur,相敏检波由乘法器、积分器和 DC放大器组成；取样器的原理, 基于自相关检测理论 的弱信号检测设备, 利用取样和平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号, 对于稳固的周期性信号, 如在每个周期的同一相位处多次采集波形上某点的数值,其算术平均的结果与该点处的瞬时值成正比, 而随机噪声的长时间平均值将收敛为0, 个个周期内取样平均信号的总体可以呈现待测信号的真实波形

24、；一次调制和二次调制模拟调制主要包括调幅（ AM）调频（ FM）和调相（ PM）三种方式；用于连续波调制的辐射通量通常有上式一样的谐波形式,有直流重量（通常不含有信息） ,和交变重量；调制后的载波辐射通量具有上式形式, Vt 是由被测信息打算的调制函数；1、 振幅调制,是指辐射通量的振幅随调制信号变化,而频率和相位保持不变光外差效应：光外差探测的基本原理是基于两束光的相干；采纳相干性好的激光器作光源,在接收信号光时同时加入参考光；参考光的频率与信号光频率极为接近,使参考光和信号光在光电探测器的光敏面上形成拍频信号；只要光电探测器对拍频信号的响应速度足够高,就能输出电信号检出信号光中的调制信号；调制盘的内容：一种光强度调制器,它可以通过光刻的方法在基板上刻出很多透光和不透光 的栅 格, 也可 在金 属基 体上 通 过机 械加 工来 获得 各种透光 和不 透光 的图 形；