《光電檢測(cè)技術(shù)》總復(fù)習(xí)

課程:光電檢測(cè)原理與技術(shù)

主選教材：《光電檢測(cè)技術(shù)》

主編：雷玉堂

主講：徐志潔主要講述：分四個(gè)部分（40學(xué)時(shí)）一、（一）光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第二章(2學(xué)時(shí))

（二）復(fù)習(xí)光電器件第三章(1學(xué)時(shí))（三）熱電檢測(cè)器件第四章(2學(xué)時(shí))（四）復(fù)習(xí)發(fā)光、光電耦合、成像器件

第五～六章(1學(xué)時(shí))*二、檢測(cè)電路與微機(jī)接口(14學(xué)時(shí))第七～八章*三、光電變換檢測(cè)技術(shù)與方法(16學(xué)時(shí))第九～十章四、典型的應(yīng)用、復(fù)習(xí)(4學(xué)時(shí))第十一章總復(fù)習(xí)：2學(xué)時(shí)一、

輻射度量與光度量（一）光輻射度量

輻射是一種能的形式。它有電磁本質(zhì)，又具有量子性質(zhì)。輻射能及其引起的特性以能量或有效的物理量來(lái)測(cè)量。（二）光譜輻射度量為了表征輻射，不僅要知道輻射的總通量，還應(yīng)知道其光譜成分。光源發(fā)出的光往往由許多波長(zhǎng)的光組成。引入光譜輻射度量：表示單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射度量。即在λ到λ+dλ間隔內(nèi)，

光譜輻射度量=輻射度量/dλ（三）光度量光度量是基于人眼視覺(jué)的光學(xué)參量，是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量的視覺(jué)強(qiáng)度值。光通量φ=

單位：流明（lm）式中，Km為輻射度量與光度量間的比例系數(shù)，V(λ)為人眼的光譜光視效率。

Km=683流明/瓦，它表示在λ=555nm、V(λ)=1處，1W=683lm二、

半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)（一）半導(dǎo)體導(dǎo)電特性

（1）電阻溫度系數(shù)一般為負(fù)，對(duì)溫度很敏感。（2）導(dǎo)電性能因摻入微量雜質(zhì)而十分顯著變化。（3）導(dǎo)電性能受熱、光、電、磁等外界的影響發(fā)生重要的變化。（二）能帶理論及其類型1.原子中電子的能級(jí)（1）能帶理論：原子中的電子只能處于能帶的能級(jí)上，且每一個(gè)能帶中都有與原子總數(shù)相適應(yīng)的能級(jí)數(shù)。能級(jí)——量子態(tài)（2）

泡利原理：在每一個(gè)能級(jí)上最多只能填充一個(gè)電子。

根據(jù)能量最小原理，電子填充能帶時(shí)，總是從最低的能帶、最小能量的能級(jí)開(kāi)始填充。（三）熱平衡載流子熱平衡：表征宏觀性質(zhì)的每一參數(shù)不隨時(shí)間變化f(E)：費(fèi)米—狄拉克分布：電子占據(jù)某一能量狀態(tài)E的幾率。

f(E)=1/(1+exp（E-EF)/kT）

當(dāng)E=EF時(shí)，f(E)=1/2當(dāng)E>EF時(shí)，f(E)<1/2當(dāng)E<EF時(shí)，f(E)>1/2電子濃度：n=N-exp(-（E--EF)/kT)空穴濃度：p=N+exp(-（EF-E+)/kT)本征半導(dǎo)體：n=p=ni,

n·p=ni2ni=（N+N-）1/2

exp（(-Eg)/2kT)

（五）載流子的運(yùn)動(dòng)（定向的）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子濃度不均勻時(shí)，由熱運(yùn)

動(dòng)使載流子從高濃度向低濃度

運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在外加電場(chǎng)的作用下的

定向運(yùn)動(dòng)。（六）半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要掌握：1.本征吸收：從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的吸收。

長(zhǎng)波限λ0＝ch/Eg=1.24/Eg(μm)上式中Eg的單位為電子伏特（eV）

1eV=1.6021892*10-19（J）2.雜質(zhì)吸收：其光子能量應(yīng)大于或等于所需的電離能ΔEi，即雜質(zhì)吸收所需光子的波長(zhǎng)

λ0＝ch/ΔEi

（七）半導(dǎo)體的PN結(jié)計(jì)算通過(guò)PN結(jié)的電流（純擴(kuò)散電流）只能計(jì)算一種載流子（空穴）：

I=Ip（xp）＋I(xiàn)n（xp）=I0（expqV/kT－1）

反向飽和電流I0=I0（T）

上式為PN結(jié)的伏－安特性公式，它是分析所有PN結(jié)器件的最基本的公式。三、光電效應(yīng)*

外光電效應(yīng)：光電子發(fā)射*光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)*

內(nèi)光電效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)*（勢(shì)壘引起）

光電擴(kuò)散效應(yīng)（丹倍效應(yīng)）

光磁電效應(yīng)P.34-35光電發(fā)射的基本定律（1）斯托列托夫定律(光電發(fā)射第一定律)當(dāng)入射輻射的光譜分布不變時(shí)，入射輻射通量越大（攜帶的光子數(shù)越多），激發(fā)電子逸出光電發(fā)射體表面的數(shù)量也越多，因而發(fā)射的光電流就增加，所以光電流正比于入射輻射通量，

IK=SK·ΦK（2）愛(ài)因斯坦定律（光電發(fā)射第二定律）

發(fā)射體發(fā)射的光電子的最大動(dòng)能，隨入射光頻率的增加而線性增加，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)（3）光電發(fā)射長(zhǎng)波限（紅限）

根據(jù)愛(ài)因斯坦公式

式中

m為電子質(zhì)量；

為電子逸出后的最大速度；為入射光的頻率；為普朗克常數(shù)其值為

；

為光電發(fā)射體的逸出功。

當(dāng)

時(shí)，逸出電子無(wú)動(dòng)能，那么，就不會(huì)產(chǎn)生光電發(fā)射，因此，光電發(fā)射存在長(zhǎng)波限PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)

PN結(jié)受到光照時(shí)：光線足以透過(guò)P型半導(dǎo)體入射到PN結(jié)，對(duì)于能量大于材料禁帶寬度的光子，由于本征吸收，就可激發(fā)出電子空穴對(duì)。內(nèi)建電場(chǎng)把N中的空穴拉向P區(qū)，把P中的電子拉向N區(qū)。大量的積累產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，即形成一個(gè)光生電勢(shì)差。在PN結(jié)兩端通過(guò)負(fù)載RL構(gòu)成的回路中，外電流I與光生電流Ip和PN結(jié)結(jié)電流IJ之間的關(guān)系為

由PN結(jié)電流特性知，結(jié)電流所以

光生電壓為

1.主要介紹基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本參數(shù)（0.5學(xué)時(shí)）2.光電檢測(cè)器件（1學(xué)時(shí)）(1)真空光電探測(cè)器件：PMT*（0.5學(xué)時(shí)）

(2)半導(dǎo)體光電探測(cè)器件：

光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管（0.5學(xué)時(shí)）等3.*各器件性能比較及應(yīng)用選擇（0.5學(xué)時(shí)）第三章各類光電與電光元器件

（4學(xué)時(shí)）光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖光電導(dǎo)型光電器件：光敏電阻光生伏型光電器件：光電池光電二極管光電三極管1.光敏電阻不宜作定量檢測(cè)元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān)。

2.光電池

(1)太陽(yáng)能光電池：用作電源（效率高，成本低）(2)測(cè)量用光電池：探測(cè)器件（線性、靈敏度高等）

第四章熱電檢測(cè)器件一、熱電偶、熱電堆熱電偶：利用溫差效應(yīng)的器件熱電堆：多個(gè)熱電偶串聯(lián)，減小響應(yīng)時(shí)間開(kāi)路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升ΔT的關(guān)系為

UOC=M12ΔT

(4-19)式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢(shì)率（V/℃）。使用熱電偶的注意事項(xiàng)（1）不許強(qiáng)輻射照射，Φmax<幾十微瓦（2）電流<100μA，一般在1μA以下，不要用萬(wàn)用表來(lái)檢查熱電偶的好壞。（3）保存時(shí)將兩端短路，并防強(qiáng)烈振動(dòng)（4）防止感應(yīng)電流，尤其是電火花。（5）使用的環(huán)境溫度不要超過(guò)60℃。二、熱敏電阻熱敏電阻：吸收入射輻射而升溫使電阻變化，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓發(fā)生變化。

溫度系數(shù)：aT表示溫度變化1℃時(shí)，熱電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化為(4-30)式中，aT和RT為對(duì)應(yīng)于溫度T(

K)時(shí)的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。負(fù)溫度特性的半導(dǎo)體材料熱敏電阻：三、熱釋電探測(cè)器件*（一）工作原理介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度的變化而改變，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。

束縛面電荷密度＝自發(fā)極化強(qiáng)度

溫度低時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度大；

溫度高時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度變小，相當(dāng)于釋放電荷當(dāng)溫度高于某一特定值時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度變?yōu)榱?。此溫度稱為居里溫度。（二）工作條件熱釋電器件工作在交流信號(hào)下，或外界環(huán)境如光照不穩(wěn)定且外界的調(diào)制頻率f>1/ττ為晶體內(nèi)部自由電荷起中和作用的時(shí)間的情況下，一旦穩(wěn)定，則無(wú)電荷的釋放，即無(wú)信號(hào)輸出。第五章光電成像器件（0.5學(xué)時(shí)）一、真空攝像機(jī)、、變相管、像增強(qiáng)管二、*電荷耦合器件（CCD）以電荷為信號(hào)使用一種高感光度的半導(dǎo)體感光二極管制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。第六章發(fā)光與耦合器件（0.5學(xué)時(shí)）

一、發(fā)光二極管（LED）工作原理——電致發(fā)光當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)，（P--正電，N--負(fù)電），結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，有P---N的空穴擴(kuò)散及有N---P的電子擴(kuò)散在PN結(jié)區(qū)復(fù)合發(fā)光。可發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。二、光電耦合器件*是發(fā)光器件與光接受器件的組合器件。特點(diǎn)：具有電隔離（１０１０－１０１２歐）功能信號(hào)傳輸單向（脈沖或直流），適用于模擬／數(shù)字信號(hào)；具有抗干擾和噪聲能力；響應(yīng)速度快（微／納秒，直流－１０兆赫茲），體積小，壽命長(zhǎng)，使用方便；既有耦合特性，又有隔離功能；1.光電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)（重點(diǎn)）緩變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）交變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲設(shè)計(jì)（2學(xué)時(shí)）光電信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)（2學(xué)時(shí)）2.光電信號(hào)的二值化、量化處理（2學(xué)時(shí)）第二部分檢測(cè)電路與微機(jī)接口

（14學(xué)時(shí)）第一節(jié)緩變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方法：靜態(tài)計(jì)算手段：圖解法、解析法*

電路：恒流源型（PMT/反偏光電二極管/三極管光伏型（光電池/反偏光電二極管）可變電阻型（光敏電阻/熱敏電阻）計(jì)算的參數(shù)：轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓U0（確定線性工作區(qū)）負(fù)載電阻RL或偏置電壓Ub

輸出電壓/電流變化⊿U或⊿I

輸出電功率P第二節(jié)交變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方法：動(dòng)態(tài)計(jì)算手段：解析法*

電路：交流檢測(cè)電路第三節(jié)光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估算熱噪聲：P279散粒噪聲：噪聲等效帶寬：Δfe=1/4RC第四節(jié)光電信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)放大器的噪聲電壓電流模型放大器噪聲系數(shù)F第八章光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接