第三章 光電檢測(cè)技術(shù)常用器件及應(yīng)用4

第三章光電檢測(cè)技術(shù)常用器件及應(yīng)用1、光電器件的類(lèi)型與特點(diǎn)2、光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)3、光電導(dǎo)器件---光敏電阻4、光生伏特效應(yīng)------光電池、光電二極管、光電三極管等6、光電發(fā)射效應(yīng)---光電管、光電倍增管等主要內(nèi)容7、光熱效應(yīng)----熱敏電阻、熱電偶5、發(fā)光器件及耦合器件光電測(cè)量中的常用光源根據(jù)光譜寬度，可將光源分為相干光源和非相干光源相干光源：激光（氣體、固體、半導(dǎo)體）非相干光源：除了激光之外的其他光源1、熱輻射光源（白熾燈，太陽(yáng)光等）2、氣體放電光源（汞燈、脈沖氙燈等）3、固體發(fā)光光源（LED發(fā)光二極管）白熾燈利用熱輻射發(fā)出可見(jiàn)光的電光源。

在燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑（如氯化碘、溴化硼等），可以形成鹵鎢循環(huán)，就構(gòu)成了鹵鎢燈。鹵鎢燈的工作溫度為3200K，光效為30lm/W。鹵鎢燈白熾燈利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。

制作時(shí)在燈中充入發(fā)光用的氣體，在電場(chǎng)作用下激勵(lì)出電子和離子，氣體變成導(dǎo)電體。當(dāng)離子向陰極，電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電場(chǎng)中獲得能量，使內(nèi)層電子躍遷到高能級(jí)，引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)射出可見(jiàn)輻射或紫外輻射。氣體放電光源有輝光放電燈、弧光放電燈、高頻放電燈等氣體放電光源發(fā)光二極管的基本工作原理與特性發(fā)光二極管（LED-LightEmittingDiode）是一種固態(tài)發(fā)光，是利用半導(dǎo)體或類(lèi)似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能的元件，屬于低場(chǎng)下的注入式電致發(fā)光。1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。1923年，由Losev在產(chǎn)生p-n結(jié)的SiC中發(fā)現(xiàn)注入式電致發(fā)光60年代末，LED得到迅速發(fā)展1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP間接帶材料隙得到橙、黃、綠的LED70年代末，人們開(kāi)始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。

發(fā)展史發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和

N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機(jī)理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。

發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理1、制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)很多自由電子，P區(qū)有很多多空穴。2、當(dāng)加以正向電壓時(shí)，N區(qū)導(dǎo)帶中的電子可越過(guò)PN結(jié)的勢(shì)壘進(jìn)入P區(qū)。P區(qū)的空穴也向N區(qū)擴(kuò)散3、于是電子與空穴有機(jī)會(huì)相遇，復(fù)合發(fā)光。由于空穴遷移率低于自由電子，則復(fù)合發(fā)光主要發(fā)生在p區(qū)。光的顏色（波長(zhǎng)）決定于材料禁帶寬度Eg，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)

1.PN結(jié)注入發(fā)光

為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當(dāng)加上正向電壓時(shí)兩個(gè)勢(shì)壘均減小，但P區(qū)的勢(shì)壘減小多，兩區(qū)的價(jià)帶幾乎相同，空穴就不斷向n區(qū)擴(kuò)散。對(duì)n區(qū)電子，勢(shì)壘仍然較高，不能注入p區(qū)。這樣，禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū)。由于n區(qū)所發(fā)射的光子能量hv比EG2

小得多，它進(jìn)入p區(qū)不會(huì)引起本征吸收而直接透射出去。

2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光透射窗為了進(jìn)一步提高載流子注入效率，常常采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)注入。雙異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光LED的特性參數(shù)

LED的發(fā)光光譜指LED發(fā)出光的相對(duì)強(qiáng)度(或能量)隨波長(zhǎng)(或頻率)變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色1.發(fā)光光譜ΔλΔλ

發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有把光強(qiáng)度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cd／A（坎/安）。2、發(fā)光效率發(fā)光效率對(duì)比：白熾燈9lm/w日光燈40lm/wLED60lm/w10.90.1亮度ttrtf3.時(shí)間響應(yīng)響應(yīng)時(shí)間指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時(shí)間的延遲。實(shí)驗(yàn)證明，二極管的上升時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。它的響應(yīng)時(shí)間一般是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個(gè)ns，GaP約為100ns。發(fā)光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。二極管的壽命一般都很長(zhǎng)，在電流密度小于lA/cm2時(shí)，一般可達(dá)106h，最長(zhǎng)可達(dá)109h。隨著工作時(shí)間的加長(zhǎng)，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。電流密度大，老化快。

4.壽命1、

LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角較大。2、

LED的發(fā)光顏色豐富，通過(guò)選用不同的材料，可以實(shí)現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的紅色LED，GaAaP材料的橙色、黃色LED，以及GaN藍(lán)色LED等。3、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能視認(rèn)。4、LED的單元體積小。再加上低電壓、低電流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，可作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號(hào)燈的使用。5、壽命長(zhǎng)，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕濉ⅠR路、廣場(chǎng)地面的信號(hào)光源，是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。LED特點(diǎn)發(fā)光二極管的應(yīng)用

1、指示燈LED指示燈不斷更新?lián)Q代，其壽命在數(shù)十萬(wàn)小時(shí)以上，而且功耗小，發(fā)光響應(yīng)速度快，亮度高，小型耐振動(dòng)等特點(diǎn)，在各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)的應(yīng)用：電話、音響制品、家電制品、各種計(jì)測(cè)儀表以及集中控制盤(pán)等指示燈1998年發(fā)白光的LED開(kāi)發(fā)成功。高效節(jié)能超長(zhǎng)壽命：以相同亮度比較，3W的LED節(jié)能燈333小時(shí)耗1度電，而普通60W白熾燈17小時(shí)耗1度電，普通5W節(jié)能燈200小時(shí)耗1度電。CREE公司實(shí)驗(yàn)室最高光效已達(dá)260lm/W，而市面上的單顆大功率LED也已經(jīng)突破100lm/W。綠色環(huán)保：不含汞和氙等有害元素。2.照明七段式數(shù)碼管文字顯示器的內(nèi)部接線14劃字碼管3、數(shù)字、文字以及圖像顯示4、顯示器彩色大面積顯示設(shè)備，如電子商標(biāo)及大屏幕顯示LCDLCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的簡(jiǎn)稱，LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過(guò)通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來(lái)產(chǎn)生畫(huà)面。LED與LCD比較LCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的簡(jiǎn)稱，LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過(guò)通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來(lái)產(chǎn)生畫(huà)面。LED顯示器與LCD顯示器相比，LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢(shì)。LED與LCD的功耗比大約為1:10，而且更高的刷新速率使得LED在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)，能提供寬達(dá)160°的視角。有機(jī)LED顯示屏的單個(gè)元素反應(yīng)速度是LCD液晶屏的1000倍，在強(qiáng)光下也可以照看不誤，并且適應(yīng)零下40度的低溫。利用LED技術(shù)，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的顯示器，擁有廣泛的應(yīng)用前景。LED的分辨率一般較低，價(jià)格也比較昂貴，因?yàn)榧啥雀摺?/p>

等離子顯示器（PDP）等離子屏：英文為PlasmaDisplayPanel,其是在兩張薄玻璃板之間充填混合氣體，施加電壓使之產(chǎn)生離子氣體，然后使等離子氣體放電，與基板中的熒光體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生彩色影像。。等離子彩電又稱“壁掛式電視”，不受磁力和磁場(chǎng)影響，具有機(jī)身纖薄、重量輕、屏幕大、色彩鮮艷、畫(huà)面清晰、亮度高、失真度小、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。耗電量大，一臺(tái)42寸的耗電量為380W等離子屏工作機(jī)理類(lèi)似普通日光燈，有三層結(jié)構(gòu)。在第一層的里面涂有導(dǎo)電材料的垂直，中間層是燈泡陣列，第三層表面涂有導(dǎo)電材料的水平條。要點(diǎn)亮某個(gè)地址的燈泡，開(kāi)始要在相應(yīng)行上加較高的電壓，等該燈泡點(diǎn)亮后，可用低電壓維持氖氣燈泡的亮度。關(guān)掉某個(gè)燈泡，只要將相應(yīng)的電壓降低。燈泡開(kāi)關(guān)的周期時(shí)間是15ms，通過(guò)改變控制電壓，可以使等離子板顯示不同灰度的圖形。OLEDOLED，即有機(jī)發(fā)光二極管（OrganicLight-EmittingDiode），其柔性的特征將使得可折疊電視、電腦成為可能。還存在使用壽命短、大型化難等缺陷。具備了信息顯示和器件制造所要的所有優(yōu)異特征，是公認(rèn)的下一代顯示器主流。6.1為什么說(shuō)發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的P區(qū)？這與電子、空穴的遷移率有關(guān)嗎？答：這是因?yàn)榘l(fā)光二極管在正向電壓的作用下，電子由N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，而空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。但由于電子的遷移率μN(yùn)

比空穴的遷移率μp高20倍左右，電子很快從N區(qū)遷移到P區(qū)，因而復(fù)合發(fā)光主要發(fā)生在P區(qū)。6.2為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓下才能發(fā)光？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？答：由于LED的發(fā)光機(jī)理是非平衡載流子即電子與空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致復(fù)合發(fā)光，因此要求擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，所以必須加正向電壓。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN結(jié)內(nèi)部的漂移運(yùn)動(dòng)占主要優(yōu)勢(shì)，而這種少子運(yùn)動(dòng)復(fù)合幾率小，不足以使LED發(fā)光。習(xí)題6.3發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由哪些因素決定？光譜的半寬度有何意義？答：發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由材料的種類(lèi)、性質(zhì)及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無(wú)關(guān)。譜線半寬度（半功率寬度2Δλ）——在LED譜線的峰值λP兩側(cè)±Δλ

處，存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值一半的點(diǎn)，它們之間的寬度。意義：它是一個(gè)反映LED單色性的參數(shù)。半寬度越小，則發(fā)光光譜單色性越好，發(fā)光功率集中于半譜線寬度內(nèi)。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的1、工作物質(zhì)（產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布）2、激勵(lì)能源（輻射源或電源）3、有一個(gè)諧振腔（提供正反饋和高增益，維持受激輻射。）獲得激光必須具備三個(gè)要素：半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理半導(dǎo)體PN結(jié)正向偏壓粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射振蕩選頻輸出激光（激勵(lì)源）（激光物質(zhì)）（諧振腔）半導(dǎo)體激光產(chǎn)生過(guò)程：在激光物質(zhì)中，產(chǎn)生激光的必要條件之一就是受激輻射要占主導(dǎo)地位，此時(shí)就必須從外部給工作物質(zhì)輸入能量，使處于激發(fā)態(tài)的載流子多于處于基態(tài)的載流子，也就是把載流子的正常分布倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：增益大于閾值增益或注入電流大于閾值電流。粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)

通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用：①提供正反饋和增益,維持受激輻射的持續(xù)振蕩。②對(duì)腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。諧振腔——在激光物質(zhì)的兩測(cè)放置相互平行的反射面。作用是讓所選光能在其內(nèi)反復(fù)振蕩而加強(qiáng)。光在共振腔內(nèi)獲得增益，當(dāng)腔內(nèi)增益大于損耗，產(chǎn)生激光振蕩。諧振腔這樣的激光器面積大，也稱為大面積激光器。半導(dǎo)體激光器也稱激光二極管(LD——LaserDiode)最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖所示。PN結(jié)型二極管注入式激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：增益大于閾值增益或注入電流大于閾值電流。反射吸收散射衍射透過(guò)諧振腔失掉偏振損失起偏器泡克爾晶體諧振腔損耗增益>損耗增益<損耗增益=損耗增益和損耗半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電源工作物質(zhì)諧振腔注入式光子激勵(lì)電子束激勵(lì)PN結(jié)（同質(zhì)結(jié)）異質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)（DH）解理面布拉格反饋分布反饋式DFB分布布拉格反射式DBR半導(dǎo)體激光器效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機(jī)上作測(cè)距儀來(lái)瞄準(zhǔn)敵機(jī)。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長(zhǎng)主要局限在紅光和紅外區(qū)域。

LD和LED的主要區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光

LD的特點(diǎn)及應(yīng)用激光的特性

方向性好亮度高單色性好相干性好方向性好

單色性好高亮度激光的應(yīng)用由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：1：激光應(yīng)用于軍事領(lǐng)域

2：激光在信息技術(shù)領(lǐng)域---全息照相與光存儲(chǔ)中的應(yīng)用3：激光在光通信領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用

4：激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用5：激光在工業(yè)加工領(lǐng)域中的應(yīng)用6：激光在物理、化學(xué)、生物領(lǐng)域的應(yīng)用7：激光應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域：激光冷凍原子與原子鐘、激光引發(fā)核聚變

雷達(dá)（分辨率高，可測(cè)云霧）等?！餃y(cè)量：準(zhǔn)直、測(cè)距等?！镝t(yī)療：激光手術(shù)刀，血管內(nèi)窺鏡，治癌等。形形色色的激光武器激光槍形形色色的激光武器機(jī)載激光武器

激光用于通訊激光測(cè)距與激光雷達(dá)激光切割長(zhǎng)度測(cè)量激光在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用全息照相光存儲(chǔ)大屏幕顯示

普通照相原理

由惠更斯-費(fèi)涅爾原理可知，任何物體發(fā)出的光波可以看成是由物體上各物點(diǎn)發(fā)出球面波的總和，其表達(dá)式為：

通常底片上的感光乳膠只對(duì)光強(qiáng)有響應(yīng)，其感光特性，頻率響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上光波的頻率（大于1014Hz），無(wú)法直接記錄相位，而底片的感光程度直接由原物各處的亮度決定，這樣底片上各點(diǎn)的明暗只能反映光波的振幅分布，但丟失了物光波的位相信息。其相片只能呈現(xiàn)一個(gè)平面像而失去了立體感，這就是普通照相，如上圖。

凸透鏡成像底片物體普通成像原理簡(jiǎn)圖物體光波的記錄物體光波的記錄采用了干涉法，把具有振幅和相位信息的物光O和未受物體影響的參考光R相干涉，其干涉條紋將以強(qiáng)度分布的形式記錄在全息底片H（即全息干板）上，經(jīng)顯影定影處理后形成全息圖。全息照相獲得的底片并不直接顯示物體的形象，而僅是一張干涉圖，如上圖所示。由光干涉理論分析知，所產(chǎn)生的干涉圖樣的亮暗對(duì)比度反映了物光波振幅的大??；條紋的形狀、走向，間隔等幾何特征反映了物光波的位相分布。這樣全息圖就記錄下了來(lái)自物光的全部振幅和位相信息。實(shí)驗(yàn)原理全息底片激光束用分光鏡一分為二，其中一束照到被拍攝的景物上，反射光束照射在膠片上，稱為物光束；另一束直接照到感光膠片即全息干板上，稱為參考光束。當(dāng)兩束光程適當(dāng)，在膠片上形成干涉，就完成了全息照相的攝制過(guò)程

全息照片和普通照片截然不同全息圖再現(xiàn)

全息圖上只能看到復(fù)雜的干涉條紋，要看到原來(lái)物體的像，必須使全息圖再現(xiàn)原來(lái)物體發(fā)出的光波，稱為全息圖的再現(xiàn)，這一過(guò)程是利用光柵衍射原理來(lái)完成的。如圖，用一束與參考光相同的再現(xiàn)光沿原參考光的方向照射全息圖，圖上每一組干涉條紋可看作一復(fù)雜的光柵,它使再現(xiàn)光產(chǎn)生衍射。在衍射光柵的柵格間距小的地方，光的衍射角大；在衍射光柵的柵格間距大的地方，光的衍射角小。即可在原物位置處看到與原物相同的立體圖象。實(shí)驗(yàn)原理英女王的全息照片

多路合成角度全息用于藝術(shù)品展示全息激光防偽標(biāo)簽，已經(jīng)是一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)

光電耦合器件

發(fā)光器件：常用LED、LD和微形鎢絲燈等。接收器件：常用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。光電耦合器件發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。

光電耦合器件：將發(fā)光器件與光電接收器件組合在一起具有信號(hào)傳輸功能的器件。光電耦合器件電路符號(hào)

光電耦合器件的基本結(jié)構(gòu)如圖，發(fā)光器件與光電接收器件靠得很近，但不接觸。

光電耦合器件的結(jié)構(gòu)光電開(kāi)關(guān)基本電路RxRL+VCC限流電阻5V50Ω100mA圖中（a）、（b）、（c）分別為三種不同安裝方式光電發(fā)射器件與光電接收器件分別安裝器件的兩臂上，分離尺寸一般4~12mm，分開(kāi)的目的是要檢測(cè)兩臂間是否存在物體，以及物體的運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)。這種封裝的器件常被稱為對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。

光電耦合器件的特點(diǎn)

⑴具有電隔離的功能它的輸入、輸出信號(hào)間完全沒(méi)有電路的聯(lián)系。絕緣電阻高達(dá)1010~l012Ω，擊穿電壓高達(dá)100~25kV，耦合電容小于1PF。

⑵信號(hào)傳輸方式是單向性的⑶具有抗干擾和噪聲的能力它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。

⑷響應(yīng)速度快一般可達(dá)微秒級(jí)，甚至納秒級(jí)。信號(hào)頻率在直流至10MHz之間。⑸實(shí)用性強(qiáng)具有一般固體器件的可靠性，體積小(一般φ6×6mm)，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在－55~+l00℃之間。⑹即具有耦合特性又具有隔離特性光電耦合器件的應(yīng)用

1.用于電平轉(zhuǎn)換

工業(yè)控制系統(tǒng)所用集成電路的電源電壓和信號(hào)脈沖的幅度常不盡相同，如TTL的電源為5V，HTL為12V，PMOS為－22V，CMOS則為5~20V。如果在系統(tǒng)中必須采用二種集成電路芯片，就必需對(duì)電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便邏輯控制的實(shí)現(xiàn)。

2.用于邏輯門(mén)電路