光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

關(guān)于光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日第一章光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)本章內(nèi)容檢測(cè)技術(shù)的基本概念、方法和發(fā)展趨勢(shì)誤差的概念以及類型能帶理論、載流子及其運(yùn)動(dòng)各類光電效應(yīng)本章重點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的基本概念和方法能帶理論、載流子及其運(yùn)動(dòng)各類光電效應(yīng)本章難點(diǎn)載流子及其運(yùn)動(dòng)第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)檢測(cè)技術(shù)的基本概念及方法

靜態(tài)測(cè)量

第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日對(duì)緩慢變化的對(duì)象進(jìn)行測(cè)量亦屬于靜態(tài)測(cè)量。

最高、最低溫度計(jì)第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日地震測(cè)量振動(dòng)波形動(dòng)態(tài)測(cè)量第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日可以顯示波形的便攜式儀表便攜式儀表第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日直接測(cè)量

電子卡尺第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

對(duì)多個(gè)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過計(jì)算求得被測(cè)量（阿基米德測(cè)量皇冠的比重）。

間接測(cè)量第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日接觸式測(cè)量

第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日非接觸式測(cè)量

例：雷達(dá)測(cè)速車載電子警察第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日離線測(cè)量

產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

在流水線上，邊加工，邊檢驗(yàn)，可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。在線測(cè)量第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)測(cè)量誤差及分類

絕對(duì)誤差：

Δ=Ax－Ａ0某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購員對(duì)賣巧克力的商店意見最大，是何原因？(1-1)其中Ax為測(cè)量值，A0為真實(shí)值。第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日相對(duì)誤差及精度等級(jí)

幾個(gè)重要公式：引用（滿度）相對(duì)誤差示值（標(biāo)稱）相對(duì)誤差其中Am為儀器的滿度值。第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)和基本誤差

例：某指針式電壓表的精度為2.5級(jí)，用它來測(cè)量電壓時(shí)可能產(chǎn)生的滿度相對(duì)誤差為2.5%。為了確定儀表的準(zhǔn)確度，常用（1－4）來表示其等級(jí)S。其中△m為最大絕對(duì)誤差值。第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日例：用指針式萬用表的10V量程測(cè)量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

用2.5V量程測(cè)量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問引用相對(duì)誤差哪一個(gè)大？第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日誤差產(chǎn)生的因素：1.粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測(cè)量人員的粗心大意及電子測(cè)量儀器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。如測(cè)錯(cuò)、讀錯(cuò)、記錯(cuò)、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時(shí)，應(yīng)予以剔除。

第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日產(chǎn)生粗大誤差的一個(gè)例子第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2.系統(tǒng)誤差：夏天擺鐘變慢的原因是什么？系統(tǒng)誤差也稱裝置誤差，它反映了測(cè)量值偏離真值的程度。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實(shí)驗(yàn)的方法或引入修正值的方法計(jì)算修正，也可以重新調(diào)整測(cè)量儀表的有關(guān)部件予以消除。

第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日3.隨機(jī)誤差

在同一條件下，多次測(cè)量同一被測(cè)量，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量值時(shí)大時(shí)小，誤差的絕對(duì)值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差，也稱偶然誤差，它反映了測(cè)量值離散性的大小。隨機(jī)誤差是測(cè)量過程中許多獨(dú)立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果。存在隨機(jī)誤差的測(cè)量結(jié)果中，雖然單個(gè)測(cè)量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，既不能用實(shí)驗(yàn)的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對(duì)測(cè)量值次數(shù)統(tǒng)計(jì)第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日隨機(jī)事例的幾個(gè)例子

彩票搖獎(jiǎng)第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日4.動(dòng)態(tài)誤差

由心電圖儀放大器帶寬不夠引起的動(dòng)態(tài)誤差

當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上不能與被測(cè)量的變化精確吻合，這種誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。

第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1.不斷提高檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)

展，人們對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度要求也相應(yīng)地在提高。近年來，人們研制出許多高精度和寬量程的檢測(cè)儀器以滿足各種需要。人們還對(duì)傳感器的可靠性和故障率的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了大量的研究，使得檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性及壽命大幅度的提高?，F(xiàn)在，許多檢測(cè)系統(tǒng)可以在極其惡劣的環(huán)境下連續(xù)工作數(shù)十萬小時(shí)。目前，人們正在不斷努力進(jìn)一步提高檢測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日提高測(cè)量精度[數(shù)字電壓、歐姆表]

將量程切換到2V時(shí)，最小顯示值為1μV第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日提高可靠性

承受劇烈振動(dòng)第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域月球車第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域（續(xù)）

火星車第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域（續(xù)）“惠更斯”號(hào)登陸土衛(wèi)六的效果圖土衛(wèi)六表面第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域（續(xù)）

安全檢查第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日3.發(fā)展集成化、功能化的傳感器

可拍照的手機(jī)第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日4.采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使檢測(cè)技術(shù)智能化

面部識(shí)別技術(shù)第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日4.采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使檢測(cè)技術(shù)智能化（續(xù)）

單片機(jī)芯片第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日5.發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日第四節(jié)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

一、定義導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體10－6??cm10－31012以電阻率界限定義銅，銀等硅，鍺等硫化鎘云母，琥珀第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日二、半導(dǎo)體特性1、電阻溫度系數(shù)一般都是負(fù)的，對(duì)溫度的變化十分敏感；2、導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化；3、導(dǎo)電能力及性質(zhì)會(huì)受熱、光、電、磁等外界總有的影響而發(fā)生非常重要的變化。純硅在室溫下的電導(dǎo)率為5×10－6?－1?cm-1，當(dāng)摻入硅原子數(shù)的百萬分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率卻上升至2?-1?cm-1，幾乎增加了一百萬倍。沉積在絕緣板上的硫化鎘層不受光照時(shí)的阻抗可高達(dá)幾十甚至幾百兆歐，但一旦受到光照，電阻就會(huì)下降到幾十千歐。第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日三、能帶理論1、電子運(yùn)動(dòng)的三個(gè)特點(diǎn)：1）具有穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（量子態(tài)），每一個(gè)量子態(tài)所確定的能量稱為能級(jí)。越外層能量越高；2）嚴(yán)格講原子中沒有完全確定的軌道；3）泡利不相容原理：每一個(gè)能級(jí)中，最多容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日1）原子以一定的周期重復(fù)排列所構(gòu)成的物體稱為晶體；2）晶體中的不同原子的電子軌道發(fā)生不同程度的交迭，使原來隸屬于某一原子的電子，不再是此原子私有，而是在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，成為整個(gè)晶體所共有，這種現(xiàn)象稱作電子的共有化；3）電子的共有化只發(fā)生在能量相同的量子態(tài)之間。2、電子的共有化運(yùn)動(dòng)（Flash演示）第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日1)能量區(qū)域中密集的能級(jí)形象稱為能帶；2）能量最高的價(jià)電子填滿的能帶稱為價(jià)帶；3）能量最低的能帶為導(dǎo)帶，中間為禁帶；4）絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的能帶情況。（見電子版22頁）3、晶體中電子的能帶（Flash演示）第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日四、載流子的運(yùn)動(dòng)1、幾個(gè)概念（1）本征半導(dǎo)體：完全純凈＆結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。（2）本征激發(fā)：電子由價(jià)帶直接激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶。（3）N型半導(dǎo)體＆P型半導(dǎo)體：主要由電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為？？？（4）空穴：價(jià)帶中的電子空位。第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日（5）載流子：電子＆空穴都能導(dǎo)電，我們通稱他們?yōu)檩d流子。在N型半導(dǎo)體中，一般把電子稱為多數(shù)載流子，而在P型半導(dǎo)體中，空穴自然稱為多數(shù)載流子；（6）在晶體中摻雜的雜質(zhì)，如雜質(zhì)本身為正電中心，施予電子，我們稱之為施主雜質(zhì)，而被束縛于施主上的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)；如雜質(zhì)本身是負(fù)電中心，接受電子，我們稱之為受主雜質(zhì)，受主的空能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)。第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2、熱平衡載流子（1）費(fèi)米能級(jí)EF其中，(電子占據(jù)某一能量狀態(tài)E的幾率)E=EF時(shí)，＝1/2E>EF時(shí)，<1/2E<EF時(shí)，>1/2玻耳茲曼常數(shù)第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日（2）半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)(EF＝(E-+E+)/2)EFDEDEAEFA導(dǎo)帶價(jià)帶E-EFE+本征半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體施主能級(jí)受主能級(jí)禁帶寬度Eg＝E--E+導(dǎo)帶底價(jià)帶頂?shù)谒氖捻?，共六十八頁，編輯?023年，星期日3、非平衡載流子（1）定義：在外界作用下，電子＆空穴的產(chǎn)生率大于復(fù)合率，導(dǎo)致載流子數(shù)目增加，這種增加的電子＆空穴稱為非平衡載流子。（2）壽命：復(fù)合率=Δn/ζ，式中,，ζ為常數(shù)，稱為非平衡載流子的壽命。其物理意義：（1）標(biāo)志著非平衡載流子復(fù)合的快慢；（2）非平衡載流子的濃度衰減到原來的1/e所需的時(shí)間；（3）非平衡載流子的平均存在時(shí)間。（3）復(fù)合：（1）直接復(fù)合：導(dǎo)帶電子直接落在價(jià)帶空穴的位置上而與空穴結(jié)合失去其自由態(tài)的過程。（2）間接復(fù)合：導(dǎo)帶電子通過復(fù)合中心（由于半導(dǎo)體中晶體結(jié)構(gòu)的不完整性和雜質(zhì)的存在，在禁帶內(nèi)存在一些深能級(jí)，這些能級(jí)能俘獲自由電子與自由空穴，從而使它們復(fù)合，這種深能級(jí)稱為復(fù)合中心）與價(jià)帶上的空穴復(fù)合。（4）陷阱效應(yīng)：雜質(zhì)能級(jí)積累非平衡載流子的作用。第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日五、載流子的運(yùn)動(dòng)（Flash演示）六、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收1、本征吸收：由于光子的作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶引起的吸收（本征激發(fā)所對(duì)應(yīng)的吸收）；其長波限λo=1.24/Eg(μm)。2、雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)能級(jí)中的電子與空穴吸收光子；其長波限λo=1.24/ΔEi(μm)。3、自由載流子吸收：自由載流子在同一能帶內(nèi)不同能級(jí)之間的躍遷引起的吸收；雜質(zhì)的電離能第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日4、激子吸收：電子在價(jià)帶中空穴庫侖場的束縛下運(yùn)動(dòng)，形成可動(dòng)的電子空穴對(duì)，稱為激子。價(jià)帶中的電子吸收光子而形成激子叫做激子吸收；5、晶格吸收：光子直接轉(zhuǎn)變成晶格原子的振動(dòng)。第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日半導(dǎo)體的PN結(jié)及金屬與半導(dǎo)體的接觸一、PN結(jié)原理（結(jié)：P型，N型，i型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)其中的過渡區(qū)）（一）熱平衡下的PN結(jié)（二）非平衡下的PN結(jié)其能帶圖見圖1，另綜合前邊知識(shí)可得式（1），（2）。PN結(jié)的電流大小，即PN結(jié)的伏安特性公式（分析PN結(jié)器件的最基本公式）：（1）第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日電子擴(kuò)散區(qū)勢(shì)壘區(qū)空穴擴(kuò)散區(qū)npn=no+Δnp=po+ΔpxxP區(qū)N區(qū)E_E_E+E+EFPEFnqVEF-EF+圖1：正向PN結(jié)能帶圖第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日（2）1、當(dāng)V=0時(shí)，即平衡態(tài)，2、當(dāng)V>0時(shí)，即在PN結(jié)上加正向電壓，此時(shí)，這說明載流子濃度增加，增加的載流子形成結(jié)的正向電流。3、當(dāng)V<0時(shí)，即在PN結(jié)上加反向電壓，此時(shí)，這說明載流子濃度減少，減少的載流子形成結(jié)的反向電流。式中，，EF-＆EF+分別表示在非平衡狀態(tài)下的電子與空穴的費(fèi)米能級(jí)，稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日（二）半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)1、由兩種不同質(zhì)的半導(dǎo)體材料接觸而組成的結(jié)。這種結(jié)構(gòu)不僅改變了半導(dǎo)體的禁帶寬度，其他諸如能帶結(jié)構(gòu)，遷移率等也發(fā)生了變化，電流－電壓特性；2、對(duì)于金屬、絕緣體與半導(dǎo)體也可構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。如Ge-GaAs，ZnS-Pt等。第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日3、安徒生模型（1）構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種材料晶格完全匹配；（2）不同的禁帶寬度，介電常數(shù)，功函數(shù)和電子親和能等。通過以上假設(shè)可簡化為同質(zhì)結(jié)理論來討論異質(zhì)結(jié)。4、晶格失配系數(shù)：如小于0.01，則可視為晶格匹配異質(zhì)結(jié)。第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日3、三種接觸（1）阻擋接觸：金屬與N型半導(dǎo)體接觸，金屬的費(fèi)米能級(jí)低于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)，接觸后電子由半導(dǎo)體注入金屬，形成肖特基勢(shì)壘。（2）注入接觸：a、金屬與N型半導(dǎo)體接觸，金屬的費(fèi)米能級(jí)高于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)，接觸后電子由金屬注入半導(dǎo)體，形成一個(gè)由電子構(gòu)成的負(fù)空間電荷區(qū)。b、金屬與P型半導(dǎo)體接觸，金屬的費(fèi)米能級(jí)低于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)，接觸后電子由半導(dǎo)體注入金屬，形成一個(gè)由空穴構(gòu)成的正空間電荷區(qū)。（3）歐姆接觸：若金屬與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)相同，接觸后沒有電荷轉(zhuǎn)移，接觸區(qū)無電場。加上外電場時(shí)，V-I關(guān)系服從歐姆定律，這樣的接觸稱為歐姆接觸。第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日第五節(jié)光電效應(yīng)一、定義因光照而引起物體電學(xué)特性的改變稱為光電效應(yīng)。二、類型（1）外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）：物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象，其多發(fā)生于金屬＆金屬氧化物。（2）物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而不會(huì)逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，其多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)＆光生伏特效應(yīng)。第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日三、光電發(fā)射效應(yīng)1、過程（1）電子吸收光子以后產(chǎn)生激發(fā)，即得到能量；（2）得到光子能量的電子（受激電子）從發(fā)射體內(nèi)向真空界面運(yùn)動(dòng)（電子傳輸）；（3）這種受激電子越過表面勢(shì)壘向真空逸出。第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2、主要性質(zhì)斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）當(dāng)入射光線的頻譜成分不變時(shí)（同一波長的單色光或者相同頻譜成分的光線），光電陰極的飽和光電發(fā)射電流Ik與被陰極所吸收的光通量（標(biāo)度可見光對(duì)人眼的視覺刺激程度的量稱）成正比。即

表征光電發(fā)射靈敏度的稀疏（3）第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日愛因斯坦定律（光電發(fā)射第二定律）發(fā)射出光電子的最大動(dòng)能隨入射光頻率的增高而線性增大，而與入射光的光強(qiáng)無關(guān)，即光電子發(fā)射的能量關(guān)系符合愛因斯坦公式：（4）

光電發(fā)射的瞬時(shí)性光電發(fā)射的延遲時(shí)間不超過s的數(shù)量級(jí)。光電陰極的逸出功第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日光電發(fā)射的紅限在入射光線頻譜范圍內(nèi)，光電陰極存在臨界波長，當(dāng)光波波長等于這個(gè)臨界波長時(shí)，電子剛剛能從陰極逸出。這個(gè)波長通常稱為光電發(fā)射的“紅限”。（5）380nm3.2ev780nm1.6ev第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日四、光電導(dǎo)效應(yīng)1、定義：半導(dǎo)體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。本征半導(dǎo)體＆雜質(zhì)半導(dǎo)體都能產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)光子能量大時(shí)，易于發(fā)生本征光電導(dǎo)；當(dāng)光子能量小時(shí)，易于發(fā)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。原因？？？？？？？見課本第15頁第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2、相關(guān)參數(shù)（1）光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。一般用光電增益G來表示。（6）Β為量子產(chǎn)額，即吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)；ζ為光生載流子壽命；μ為遷移率；U