第一章 光电检测应用中的基础知识优秀课件.ppt

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1、第一章 光电检测应用中的基础知识第1页，本讲稿共42页随着现代信息检测技术的发展，光子技术与微电子技术结合，随着现代信息检测技术的发展，光子技术与微电子技术结合，随着现代信息检测技术的发展，光子技术与微电子技术结合，随着现代信息检测技术的发展，光子技术与微电子技术结合，相互交叉、相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一相互交叉、相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一相互交叉、相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一相互交叉、相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一,具有越来越大的竞争力具有越来越大的竞争力具有越来越大的竞争力具有越来越大的竞争力.序信息检测技术信息检测技术光学

2、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2页，本讲稿共42页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：

3、真空成像器件第七章：固体成像器件第七章：固体成像器件第八章：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3页，本讲稿共42页第一章第一章 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被测对像对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：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4页，本讲稿共42页1.1 辐射度学和光度学基本概念辐射

4、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光波：光波：光波：光波：波长波长 10纳米纳米1毫米（频毫米（频率率3*1011 3*1016 HZ)范围的电磁范围的电磁辐射辐射红红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫(100380nm)(380780nm)（10100nm)(780nm1mm)第5页，本讲稿共42页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

5、：工具：人眼人眼对象：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6页，本讲稿共42页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）对于辐射源说对于辐射源说-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

6、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，如果是多波长辐射，则有：则有：光谱功率谱密度光谱功率谱密度第7页，本讲稿共42页 点光源点光源:在某一方向上，在单位立体角内发出在某一方向上，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的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特性）。特性）。2、辐辐射射强强度度单单位位：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：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：如果辐射不均匀，则如果辐射不

7、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：d第8页，本讲稿共42页3、辐辐射亮度射亮度单单位：位：-表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量。面元表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量。面元 dS dS 在在方向的光亮度定义为：方向的光亮度定义为：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 除立体角的大除立体角的大小小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)。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

8、辐亮度，可表示为：N N第9页，本讲稿共42页4、辐辐射出射度射出射度-光源单位时间由单位表面积辐射出的电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）磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面，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发出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。置的辐射特性。dA1dA2单位：单位：W/m2-受照面上单位时间单位表面积接受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。的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。5、辐辐照度照度单位：单位：W/m2dA1dA2同样有：同样有：同样有：同样有：第10页，本讲稿共42页1.1.2

9、 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.光光谱谱灵敏度灵敏度K 及及 视见视见函数函数V相同相同波长（波长（）不同）不同产生对人产生对人眼不同的眼不同的刺激程度刺激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K 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光通量光通量(lm流明流明)第11页，本讲稿共42页定义定义:视见函数视见函数明视明视0.55m 10.380.7明视明视暗视暗视0.55m0.52 m Km=683（lm

10、/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)视见函数视见函数第12页，本讲稿共42页（二）光度学量（二）光度学量A1A2A1A2辐辐射通量射通量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。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。复色复色光时光时1、光通量光通量A lm(流明流明）W（瓦特）（瓦特）第13页，本讲稿共42页-点光源点光源在某一方向上，在某一方向上，单单位位立体角立体角 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，在某一方向上，单单位位

11、立体角内的立体角内的光通量。光通量。2、发发光光强强度度单单位位：辐辐射射强强度度单单位位：（cd 坎德拉）坎德拉）d第14页，本讲稿共42页-面元面元dSdS在在方向方向d d体体积角内的的光通量积角内的的光通量d dv v 除立除立体角的大小体角的大小d d 和此面元在和此面元在观测方向上的表观面积观测方向上的表观面积coscos(dS)(dS)。3、光亮度光亮度单单位：位：辐辐射亮度射亮度-面元面元dSdS在在方向方向d d体积体积角内的的辐通量角内的的辐通量d de e 除立体除立体角的大小角的大小d d 和此面元在观和此面元在观测方向上的表观面积测方向上的表观面积coscos(dS)

12、(dS)。N N第15页，本讲稿共42页4、光、光出射度出射度-光源单位时间由单位表光源单位时间由单位表面积辐射出的光量（包括所面积辐射出的光量（包括所有方向）有方向），或者说单位辐射，或者说单位辐射面发出的光通量。面发出的光通量。dA1dA2单位：单位：lm/m2辐辐射出射度射出射度-光源单位时间由单位光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包表面积辐射出的电磁能（包括所有方向）括所有方向），或者说单，或者说单位辐射面发出的辐通量。位辐射面发出的辐通量。单位：单位：W/m2第16页，本讲稿共42页-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，或单表面积接受的辐射能，或单位表面

13、积接受的辐通量。位表面积接受的辐通量。5、辐辐照度照度单位：单位：lm/m2dA1dA2-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，或单表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。位表面积接受的辐通量。辐辐照度照度单位：单位：W/m2(lx 勒克斯）勒克斯）第17页，本讲稿共42页1.1.3 其它基本概念其它基本概念1.点源点源dAdA某面元上的照度与面元到光源某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比的距离的平方成反比-平方反平方反比定律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I Ir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点源对面的照度点源对面的

14、照度-光源光源 S总辐射通总辐射通量为：量为：第18页，本讲稿共42页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度向空间各个方向的辐射亮度相同，理想化的扩展源相同，理想化的扩展源发光强度发光强度I 与方向角与方向角满满足余足余弦定律的弦定律的发发光体。光体。大部分发大部分发光体都有此性质光体都有此性质 dSII0余弦定律余弦定律常数常数第19页，本讲稿共42页根据辐出度的定义根据辐出度的定义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-dSdAdAd d2

15、22 22 2d d第20页，本讲稿共42页3.漫反射面漫反射面-把入射光向各个方向把入射光向各个方向均匀的散射的各种表面均匀的散射的各种表面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，则此面接收到的光通量为：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：朗伯辐朗伯辐射体射体不透明不透明漫反漫反射体射体透明漫反射体透明漫反射体亮度减半亮度减半第21页，本讲稿共42页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：激光器太阳的辐射亮度只有太阳的辐射亮度只有3*

16、103*108 8W/(sr.mW/(sr.m2 2)第22页，本讲稿共42页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23页，本讲稿共42页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

17、占据的能带第24页，本讲稿共42页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25页，本讲稿共42页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

18、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26页，本讲稿共42页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27页，本讲稿共42页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28页，本讲稿共42页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29页，本讲稿共42页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

19、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30页，本讲稿共42页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些超出的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

20、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Eg要发生光电导效应，必须要发生光电导效应，必须满足：满足：单位是单位是m m第31页，本讲稿共42页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32页，本讲稿共42页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

21、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导带中的电子直接回到价带填充空位带填充空位间接复合间接复合-通过通过“缺陷、错位、缺陷、错位、杂质杂质”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33页，本讲稿共42页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

22、和载流了浓度，这时载流子就从浓度高流子浓度高于其它地方和载流了浓度，这时载流子就从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为扩散扩散扩散形成电流的大小：扩散形成电流的大小：2.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对于空穴导电对于空穴导电第34页，本讲稿共42页2.总电流总电流电子电子空穴空穴总电流总电流第35页，本讲稿共42页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：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。吸收

23、射来的一切电磁辐射，这类物体就叫绝对黑体。吸收比吸收比:模拟黑体：模拟黑体：反射比反射比:第36页，本讲稿共42页1.1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律2.2.普朗克辐射公式普朗克辐射公式普朗克辐射公式普朗克辐射公式常数常数光谱发射率光谱发射率短波区或温度短波区或温度不高的情况下不高的情况下-吸收能力强，发射能力也强吸收能力强，发射能力也强第37页，本讲稿共42页3.3.斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律700K900K400K(m m）2Me(,T)468短波区或温度不高的情况下短波区或温度不高的情况下一定温度下总一定温度下总的辐射出

24、射度的辐射出射度4.4.维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律Me(,TMe(,T)第38页，本讲稿共42页1.1.响应率响应率响应率响应率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电流电流/单色辐射通量单色辐射通量电流电流 响应响应率率(A/w)(A/w)：1.4.2 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/探测器接探测器接收的所有波长光的总辐射通量收的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/探测器探测器接收的所有波长光的总辐射通量接收的所有波长光的总辐射通量电压光谱灵敏度：电压光谱

25、灵敏度：2.2.光谱响应率光谱响应率光谱响应率光谱响应率电流光谱灵敏度：电流光谱灵敏度：S S（）1 1相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度第39页，本讲稿共42页4 4 4 4、探测度、探测度、探测度、探测度D D D D与比探测度与比探测度与比探测度与比探测度D D D D*3 3 3 3、等效噪声功率、等效噪声功率、等效噪声功率、等效噪声功率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率称为等效噪声功率等效噪声功率又称为又称为最

26、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信噪比信噪比探测率探测率第40页，本讲稿共42页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）A Ad d：cmcm2 2f:Hz:Hz:A:AS SI I:A/W:A/W D D*:cm.Hzcm.Hz1/21/2.W.W-1-1实际上比探测实际上比探测率是与波长有率是与波长有关的关的D D*（500K500K，900Hz,1Hz)900Hz,1Hz)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测量测量带宽带宽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号光电器件输出的电信号总是在时间上落后于作用在其上的光总是在时间上落后于作用在其上的光信号的特性。信号的特性。t tI Is s1.0t t0.370.370.630.63上上下下响应时间响应时间第41页，本讲稿共42页频率响应频率响应探测器上限探测器上限截止频率截止频率6.6.线性线性线性线性下限：下限：由暗电流和噪由暗电流和噪声因素决定声因素决定上限：上限：上限由饱和效上限由饱和效应或过载决定应或过载决定1.4.3 光电探测器的合理选择光电探测器的合理选择第42页，本讲稿共42页