第一章光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)

光電檢測(cè)技術(shù)序信息檢測(cè)技術(shù)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)電子檢測(cè)技術(shù)易與物質(zhì)發(fā)生聯(lián)系，傳播速度快,頻帶寬，信息容量大易存儲(chǔ)，可轉(zhuǎn)移，好控制光電檢測(cè)技術(shù)

光電信息技術(shù)是光子技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合，是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，光子以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，具有極快的響應(yīng)速度，極大的頻寬，信息容量和極高的信息效率推動(dòng)信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)力，光電信息產(chǎn)業(yè)在市場(chǎng)的份額逐年增加。光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，相互交叉、相互滲透與補(bǔ)充已經(jīng)成為信息科學(xué)技術(shù)的主體之一，光子和微電子是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心，光電信息產(chǎn)業(yè)已成為世界上發(fā)達(dá)國(guó)家的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。美國(guó)政府:已將光子學(xué)與光子技術(shù)列為國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)，認(rèn)為該領(lǐng)域“在國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)方面有深遠(yuǎn)的意義和潛力”，并肯定“通信和計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展的未來(lái)世界屬于光子學(xué)領(lǐng)域”，美國(guó)商務(wù)部指出：“90年代，全世界光子產(chǎn)業(yè)以比微電子產(chǎn)業(yè)高得多的速度發(fā)展，誰(shuí)在光子產(chǎn)業(yè)方面取得主動(dòng)權(quán)，誰(shuí)就將在21世紀(jì)的尖端科技的較量中奪魁”。德國(guó):政府已確定光子學(xué)是本世紀(jì)初“對(duì)保持德國(guó)在國(guó)際技術(shù)市場(chǎng)上的先進(jìn)地位至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)之一”。在日本有評(píng)論認(rèn)為‘21世紀(jì)具有代表意義的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，第一是光子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)……”。我國(guó):政府十分重視光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已將它列入國(guó)民經(jīng)濟(jì)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，把光電子產(chǎn)業(yè)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃，繼1986年3月王大恒等四位專(zhuān)家倡導(dǎo)的“863計(jì)劃”之后，在此基礎(chǔ)上開(kāi)始了“973計(jì)劃”，這兩個(gè)高科技計(jì)劃的

重點(diǎn)是光電子產(chǎn)業(yè)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)資料顯示，世紀(jì)具有代表意義的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，第一是光子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)……”。

本課程所討論的主要內(nèi)容第一章：光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)第二章：光電檢測(cè)中的常用光源第三章：結(jié)型光電器件第四章：光電導(dǎo)器件第五章：真空光電器件補(bǔ)充：光電測(cè)試技術(shù)的一些簡(jiǎn)單應(yīng)用第六章：真空成像器件第八章：紅外輻射與紅外探測(cè)器第七章：固體成像器件第9章：光導(dǎo)纖維與光纖傳感器第一章光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)被測(cè)對(duì)像光學(xué)系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換被測(cè)對(duì)象的信息加載光源信息載體光電探測(cè)器信息處理光電檢測(cè)系統(tǒng)組成：放大邊緣檢測(cè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)門(mén)控處理主振激光外徑掃描儀原理圖例：§1.1輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念紫外輻射可見(jiàn)光輻射X光輻射紅外光輻射光波：波長(zhǎng)10納米~1毫米（頻率3*1011~3*1016HZ)范圍的電磁輻射紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫(100~380nm)(380~780nm)（10~100nm)(780nm~1mm)1.輻射度學(xué)對(duì)各種電磁輻射進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的一門(mén)科學(xué)工具：光接收器件結(jié)果：與光能量相關(guān)的各種物理量評(píng)價(jià)對(duì)象：電磁輻射2.光度學(xué)工具：人眼（或仿人眼的探測(cè)器）對(duì)象：可見(jiàn)光輻射對(duì)可見(jiàn)輻射作用于人眼所引起的“光”感覺(jué)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，是一種生理效應(yīng)結(jié)果：對(duì)人眼刺激大小的各種物理量用下標(biāo)(e)用下標(biāo)(v)1.1.1輻射度學(xué)基本物理量1.輻射功率（輻射通量）對(duì)于輻射源----單位時(shí)間內(nèi)向空間各個(gè)方向發(fā)射的總能量。單位：W（瓦特）對(duì)于電磁波的傳播----單位時(shí)間通過(guò)某一截面的電磁波能量對(duì)于電磁波的接收----單位時(shí)間內(nèi)某一截面接收到的電磁能發(fā)射A1A2傳播A接收如果是多波長(zhǎng)輻射，則有：光譜功率譜密度

點(diǎn)光源:在某一方向上，在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量（描述輻射體在不同方向上的輻射特性）。2、輻射強(qiáng)度單位：向空間各個(gè)方向輻射均勻的點(diǎn)光源：如果輻射是多波長(zhǎng)的電磁波則：如果輻射不均勻，則θ方向上的輻射強(qiáng)度，可表示為：dΩθ3、輻射亮度單位：----表征輻射面發(fā)光強(qiáng)弱并與輻射面特性有關(guān)的物理量。面元dS

在θ方向的輻射亮度定義為：此面元在θ方向dΩ體積角內(nèi)的的輻射通量dΦe

除立體角的大小dΩ

和此面元在觀測(cè)方向上的表觀面積cosθ(dS)

。如果是多波長(zhǎng)輻射則：如果輻射不均勻，則θ方向上的輻亮度，可表示為：N4、輻射出射度----光源單位時(shí)間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向），或者說(shuō)單位輻射面發(fā)出的輻通量。用來(lái)描述輻射體表面不同位置的輻射特性。dA1dA2單位：W/m2----受照面上單位時(shí)間單位表面積接受的輻射能，或單位表面積接受的輻通量。5、輻照度單位：W/m2dA1dA2同樣有：同樣有：1.1.2光度學(xué)基本物理量（一）光度學(xué)量和輻射度學(xué)量的關(guān)系1.

光譜靈敏度Kλ

及視見(jiàn)函數(shù)Vλ相同波長(zhǎng)（λ）不同產(chǎn)生對(duì)人眼不同的刺激程度人眼對(duì)光的感受是光波長(zhǎng)的函數(shù)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光量K

λ

光譜靈敏度(lm/W)(1)光譜靈敏度光通量(lm流明)定義:視見(jiàn)函數(shù)明視0.55μmλ

10.380.7明視暗視0.55μm0.52μmλ

Km=683（lm/W）0.380.7不同波長(zhǎng)的光譜靈敏度，如圖所示：C(2)視見(jiàn)函數(shù)=683lm/W（二）光度學(xué)量A1A2A1A2輻射通量單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能量。復(fù)色光時(shí)----單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光量。復(fù)色光時(shí)1、光通量A

lm(流明）W（瓦特）----點(diǎn)光源在某一方向上，單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量。----點(diǎn)光源在某一方向上，單位立體角內(nèi)的光通量。2、發(fā)光強(qiáng)度單位：輻射強(qiáng)度單位：（cd

坎德拉）dΩ七個(gè)基本物理量之一----面元dS在θ方向dΩ體積角內(nèi)的的光通量dΦv

除立體角的大小dΩ

和此面元在觀測(cè)方向上的表觀面積cosθ(dS)。3、光亮度單位：輻射亮度----面元dS在θ方向dΩ體積角內(nèi)的的輻通量dΦe

除立體角的大小dΩ

和此面元在觀測(cè)方向上的表觀面積cosθ(dS)。N4、光出射度----光源單位時(shí)間由單位表面積輻射出的光量（包括所有方向），或者說(shuō)單位輻射面發(fā)出的光通量。dA1dA2單位：lm/m2輻射出射度----光源單位時(shí)間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向），或者說(shuō)單位輻射面發(fā)出的輻通量。單位：W/m2----受照面上單位時(shí)間單位表面積接受的光量，或單位表面積接受的光通量。5、照度單位：lm/m2dA1dA2----受照面上單位時(shí)間單位表面積接受的輻射能，或單位表面積接受的輻通量。輻照度單位：W/m2(lx勒克斯）1.1.3其它基本概念1.點(diǎn)源dA⊥θdA某面元上的照度與面元到光源的距離的平方成反比---平方反比定律同時(shí)也與面源的方向有關(guān)Ir對(duì)于沿各方向勻均輻射的點(diǎn)源點(diǎn)源對(duì)面的照度-----光源S總輻射通量為：2.擴(kuò)展源---有一定面積的輻射源朗伯源或稱為余弦輻射體向空間各個(gè)方向的輻射亮度相同，理想化的擴(kuò)展源輻射強(qiáng)度I

與方向角θ滿足余弦定律的輻射體。大部分輻射體都有此性質(zhì)dSθII0余弦定律常數(shù)根據(jù)輻出度的定義根據(jù)亮度的定義朗伯源向空間各個(gè)方位的總輻射通量的計(jì)算---dSdA3.漫反射面----把入射光向各個(gè)方向均勻的散射的各種表面設(shè)某一漫反射面dS所受的光照度為E，則此面接收到的光通量為：設(shè)此反射面的反射系數(shù)為K，則它反射的光通量為：朗伯輻射體不透明漫反射體透明漫反射體亮度減半4.定向輻射體--光線的發(fā)射方向比較集中如：激光器太陽(yáng)的輻射亮度只有3*108W/(sr.m2)1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.電子的共有化運(yùn)動(dòng)2.能帶的形成能級(jí)3s2p1.2.1固體的能帶結(jié)構(gòu)允帶禁帶允帶允帶禁帶3.能帶的結(jié)構(gòu)價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶物質(zhì)的導(dǎo)電性：價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶中的空穴導(dǎo)帶中的電子價(jià)帶導(dǎo)帶內(nèi)層能帶禁帶禁帶內(nèi)層能帶禁帶滿帶：被電子填滿的能帶空帶：沒(méi)有電子占據(jù)的能帶4.N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶低溫下低溫下硅晶體中的價(jià)帶中所有的能級(jí)都被電子占據(jù)，即被填滿，價(jià)帶以下的能帶被內(nèi)層電子填滿，而導(dǎo)帶的能級(jí)是空的，所以不導(dǎo)電。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶本征激發(fā)常溫下被激發(fā)到共價(jià)鍵之外不導(dǎo)電弱導(dǎo)電性1）本征半導(dǎo)體2）摻5族元素時(shí)------N型半導(dǎo)體的能級(jí)處于共價(jià)鍵之外低溫下價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶雜質(zhì)能級(jí)價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶施主能級(jí)本征激發(fā)+雜質(zhì)激發(fā)價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶雜質(zhì)能級(jí)低溫下常溫下被激發(fā)至導(dǎo)帶3）摻3族元素時(shí)-----P型半導(dǎo)體低溫下B價(jià)帶導(dǎo)帶雜質(zhì)能級(jí)價(jià)帶導(dǎo)帶雜質(zhì)能級(jí)常溫下B低溫下受主能級(jí)價(jià)帶導(dǎo)帶雜質(zhì)激發(fā)+本征激發(fā)1.2.2熱平衡下的載流子濃度本征半導(dǎo)體中的載流子價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶本征激發(fā)開(kāi)始時(shí)：激發(fā)>復(fù)合復(fù)合一段時(shí)間后：激發(fā)=復(fù)合（載流子濃度增大）（載流子濃度穩(wěn)定）熱平衡狀態(tài)設(shè)由低溫到高溫的過(guò)程1.2.3半導(dǎo)體中的非平衡載流子非平衡載流子---通過(guò)注入或光激發(fā)方式使載流了濃度超出熱平衡時(shí)的濃度，這些超出的載流子通常稱為非平衡載流子，或過(guò)剩載流子。1.半導(dǎo)體材料的光吸收效應(yīng)1）本征吸收價(jià)帶導(dǎo)帶常溫光照時(shí)價(jià)帶導(dǎo)帶常溫?zé)o光照時(shí)Eg要發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)，必須滿足：?jiǎn)挝皇铅蘭2）雜質(zhì)吸收N型半導(dǎo)體：價(jià)帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時(shí)Ed價(jià)帶導(dǎo)帶低溫有光照時(shí)價(jià)帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時(shí)Ea工作時(shí)溫度要低---防止熱激發(fā)價(jià)帶導(dǎo)帶低溫有光照時(shí)P型半導(dǎo)體：2.非平衡載流子濃度光照射半導(dǎo)體時(shí)：載流子的濃度增加停止光照射后：由于復(fù)合，載流子的濃度不斷的減少，直到熱平衡復(fù)合方式有直接復(fù)合---導(dǎo)帶中的電子直接回到價(jià)帶填充空位間接復(fù)合---通過(guò)“缺陷、錯(cuò)位、雜質(zhì)”等形成的復(fù)合中心復(fù)合價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶1.2.4載流子的擴(kuò)散和漂移1.擴(kuò)散------在某種作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生載流子濃度高于其它地方的載流了濃度，這時(shí)載流子就從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散擴(kuò)散形成電流的大?。?.飄移------在電場(chǎng)做用下電荷的移動(dòng)對(duì)于空穴導(dǎo)電2.總電流電子空穴總電流1.3基本定律1.3.1黑體輻射定律黑體：有一類(lèi)物體其表面不反射光，它們能夠在任何溫度下吸收射來(lái)的一切電磁輻射，這類(lèi)物體就叫絕對(duì)黑體。吸收比:模擬黑體：反射比:1.基爾霍夫定律2.普朗克輻射公式常數(shù)光譜發(fā)射率短波區(qū)或溫度不高的情況下------吸收能力強(qiáng)，發(fā)射能力也強(qiáng)3.斯忒藩-玻耳茲曼定律700K900K400Kλ(μm）2Me(λ,T)468短波區(qū)或溫度不高的情況下一定溫度下總的輻射出射度4.維恩位移定律Me(λ,T)1.4.1光電探測(cè)器中的噪聲噪聲：信號(hào)隨機(jī)的、瞬間幅度不能預(yù)知的起伏圴方噪聲：噪聲：信號(hào)隨機(jī)的、瞬間幅度不能預(yù)知的起伏圴方噪聲：白噪聲：功率譜大小與頻率無(wú)關(guān)1/f噪聲：功率譜與1/f成正比噪聲功率譜：----在任何電阻性材料中,載流子都會(huì)有無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),從而引起輸出電流或電壓的起伏，此種噪聲稱為…….是最常見(jiàn)的一種噪聲形式.1.熱噪聲：2.散粒噪聲：一些不連續(xù)的量的隨機(jī)起伏形成的噪聲，如：入射到光電探測(cè)器表面的光子，光電子從光電陰極表面逸出等過(guò)程----這類(lèi)噪聲的大小與頻率成反比,因此而得名,它的產(chǎn)生與器件的雜質(zhì)和工藝缺陷有關(guān),但原因比較復(fù)雜.4.1/f噪聲：3.產(chǎn)生--復(fù)合噪聲：半導(dǎo)體受光照時(shí)，載流子不斷地產(chǎn)生-復(fù)合，載流子產(chǎn)生-復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但某一瞬間是起伏的，這種起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏，從而使輸出電流或電壓值起伏，由此引入的噪聲叫……5.溫度噪聲由于器件本身溫度變化引起的噪聲1.響應(yīng)率電壓