雙創(chuàng)實驗-光電檢測

1、2022-5-23光學(xué)測量光學(xué)測量原理原理方法方法技術(shù)技術(shù)對象對象物理效應(yīng)物理效應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計材料特性材料特性(指標(biāo)指標(biāo))2022-5-24 干涉、衍射干涉、衍射 準(zhǔn)直準(zhǔn)直 偏振偏振定向定向波長波長偏振方向偏振方向能量能量2022-5-25 形貌尺寸形貌尺寸機(jī)器視覺機(jī)器視覺 位移測量位移測量 三角法三角法（QDQD、CCDCCD） 直接（直接（QDQD、PSDPSD）2022-5-26遠(yuǎn)紫外遠(yuǎn)紫外近紫外近紫外可見光可見光近紅外近紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長波長/mm頻率頻率/Hz10155101410145101351015101631018光的

2、波長光的波長和頻率和頻率的關(guān)系為的關(guān)系為 =c2022-5-27光電效應(yīng)光電效應(yīng) u一般光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。u光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。u光電效應(yīng)可以分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。光電效應(yīng)光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) （光電管，光電倍增管）（光電管，光電倍增管） 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) （光敏電阻）（光敏電阻）結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng) 側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng) （光電二極管、三極管，光電池）（光電二極管、三極管，光電池）2022-5-28內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)在

3、光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng)當(dāng)光線照射半導(dǎo)體接觸區(qū)域時產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象，稱為結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，若光子能量大于禁帶寬度Eg，被激發(fā)電子移向N區(qū)外側(cè)，空穴移向P區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，產(chǎn)生電勢。2022-5-29側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，由載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，其載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散，由于電子和空穴遷移率的不同，導(dǎo)致產(chǎn)生光電動勢。內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效

4、應(yīng)光生伏特效應(yīng)2022-5-2101. 1. 光敏二極管光敏二極管光敏二極管與一般二極管都有一個PN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率需要大面積受光，PN結(jié)面積比一般二極管大，其封裝于透明玻璃外殼中，可直接受到光照。材料上有硅、砷化鎵、銻化錮等不同種類，結(jié)構(gòu)上有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分，最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。RL 光PN光敏二極管接線光敏二極管接線PN光光敏二極管符號光敏二極管符號2022-5-211無光照時，反向電阻很大，反向電流很小。此時光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，只有少數(shù)載流子在反向偏壓作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流。

5、有光照時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。2022-5-212（1 1） PINPIN光電二極管光電二極管在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小PN結(jié)的電容，提高工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十

6、MHz。2022-5-213最大特點最大特點：頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個特點另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。不足不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。 2022-5-214（2 2） 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD)雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。其工作電壓很高，約100200

7、V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。具有很高的內(nèi)增益，當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。在光通信中應(yīng)用前景廣闊。 噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。2022-5-215光敏二極管的反向偏置接線及光電特性演示 沒有光照時，由于二極管反向偏置，暗電流很小。光電流I與光照度成正比關(guān)系。 光敏二極管的反向偏置接法UO+光照光照2022-5-2162.2.光敏二極管的應(yīng)用舉例光敏二極管的應(yīng)用舉例（1）四象限探測器（

8、QD） 基于結(jié)光生伏特效應(yīng)。（2）位置敏感探測器（PSD） 基于側(cè)向光電效應(yīng)。2022-5-217當(dāng)光束入射到四象限探測器的光敏面上時,四個象限的二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。圖中由十字形溝道形成的間隔被稱為暗區(qū)或死區(qū)。四象限探測器的每個象限的光敏面各一根引出導(dǎo)線,背面基區(qū)引線作為公共極。當(dāng)光斑照在光敏面時每個象限產(chǎn)生的阻抗電流為I1、I2、I3、I4。四象限探測器2022-5-218四象限光電池的光電轉(zhuǎn)換輸出是光電流，光電流與投射到光敏面上的光照度的面積積分成正比。光斑位置坐標(biāo)：2022-5-219QD定標(biāo)曲線2022-5-2202022-5-221位置敏感探測器是一種基于非均勻半導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)的、對入射光或粒子位置敏感的光電器件。（