光電檢測-技術(shù)-第一章-光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識

光電檢測技術(shù)隨著現(xiàn)代信息檢測技術(shù)的發(fā)展，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,具有越來越大的競爭力.序信息檢測技術(shù)光學(xué)檢測技術(shù)電子檢測技術(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，可轉(zhuǎn)移，好控制光電檢測技術(shù)第一章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識被測對像光學(xué)系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換被測對象的信息加載光源信息載體光電探測器信息處理光電檢測系統(tǒng)組成：放大邊緣檢測電動機(jī)驅(qū)動門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光輻射X光輻射紅外光輻射電磁輻射紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫(100~380nm)(380~780nm)（10~100nm)(780nm~1mm)1.輻射度學(xué)對各種電磁輻射進(jìn)行定量評價的一門科學(xué)評價對象：電磁輻射2.光度學(xué)評價對象：可見光輻射對可見輻射作用于人眼所引起的“光”感覺進(jìn)行定量評價，是一種生理效應(yīng)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）對于輻射源說----單位時間內(nèi)向空間各個方向發(fā)射的總能量。單位：W（瓦特）對于電磁波的傳播----單位時間通過某一截面的電磁波能量對于電磁波的接收----單位時間內(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：向空間各個方向輻射均勻的點(diǎn)光源：如果輻射是多波長的電磁波則：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：----表征發(fā)光面發(fā)光強(qiáng)弱并與發(fā)光面特性有關(guān)的物理量。面元dS

在θ方向的光亮度定義為：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

和此面元在觀測方向上的表觀面積cosθ(dS)

。如果是多波長輻射則：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----光源單位時間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向），或者說單位輻射面發(fā)出的輻通量。用來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

及視見函數(shù)Vλ相同波長（λ）不同產(chǎn)生對人眼不同的刺激程度人眼對光的感受是光波長的函數(shù)單位時間內(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不同波長的光譜靈敏度，如圖所示：C(2)視見函數(shù)（二）光度學(xué)量A1A2A1A2輻射通量單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能量。復(fù)色光時----單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光量。復(fù)色光時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----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

和此面元在觀測方向上的表觀面積cosθ(dS)。N4、光出射度----光源單位時間由單位表面積輻射出的光量（包括所有方向），或者說單位輻射面發(fā)出的光通量。dA1dA2單位：lm/m2輻射出射度----光源單位時間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向），或者說單位輻射面發(fā)出的輻通量。單位：W/m2----受照面上單位時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、光照度單位：lm/m2dA1dA2----受照面上單位時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---平方反比定律同時也與面源的方向有關(guān)Ir對于沿各方向勻均輻射的點(diǎn)源點(diǎn)源對面的照度-----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方向的輻射亮度相同，理想化的擴(kuò)展源發(fā)光強(qiáng)度I

與方向角θ滿足余弦定律的發(fā)光體。大部分發(fā)光體都有此性質(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方位的總輻射通量的計(jì)算---dSdA3.漫反射面----把入射光向各個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：激光器太陽的輻射亮度只有3*108W/(sr.m2)1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.電子的共有化運(yùn)動2.能帶的形成能級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)價帶導(dǎo)帶禁帶半導(dǎo)體的的導(dǎo)電性：價帶導(dǎo)帶禁帶價帶中的空穴導(dǎo)帶中的電子價帶導(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：沒有電子占據(jù)的能帶4.N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶禁帶低溫下低溫下硅晶體中的價帶中所有的能級都被電子占據(jù)，即被填滿，價帶以下的能帶被內(nèi)層電子填滿，而導(dǎo)帶的能級是空的，所以不導(dǎo)電。價帶導(dǎo)帶禁帶本征激發(fā)常溫下被激發(fā)到共價鍵之外不導(dǎo)電弱導(dǎo)電性1）本征半導(dǎo)體2）摻5族元素時------N型半導(dǎo)體的能級處于共價鍵之外低溫下價帶導(dǎo)帶禁帶雜質(zhì)能級價帶導(dǎo)帶禁帶施主能級本征激發(fā)+雜質(zhì)激發(fā)價帶導(dǎo)帶禁帶雜質(zhì)能級低溫下常溫下被激發(fā)至導(dǎo)帶3）摻3族元素時-----P型半導(dǎo)體低溫下B價帶導(dǎo)帶雜質(zhì)能級價帶導(dǎo)帶雜質(zhì)能級常溫下B低溫下受主能級價帶導(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)體中的載流子價帶導(dǎo)帶禁帶本征激發(fā)開始時：激發(fā)>復(fù)合復(fù)合一段時間后：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)由低溫到高溫的過程1.2.3半導(dǎo)體中的非平衡載流子非平衡載流子---通過注入或光激發(fā)方式使載流了濃度超出熱平衡時的濃度，這些超出的載流子通常稱為非平衡載流子，或過剩載流子。1.半導(dǎo)體材料的光吸收效應(yīng)1）本征吸收價帶導(dǎo)帶常溫光照時價帶導(dǎo)帶常溫?zé)o光照時Eg要發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)，必須滿足：單位是μm2）雜質(zhì)吸收N型半導(dǎo)體：價帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時Ed價帶導(dǎo)帶低溫有光照時價帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時Ea工作時溫度要低---防止熱激發(fā)價帶導(dǎo)帶低溫有光照時P型半導(dǎo)體：2.非平衡載流子濃度光照射半導(dǎo)體時：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帶填充空位間接復(fù)合---通過“缺陷、錯位、雜質(zhì)”等形成的復(fù)合中心復(fù)合價帶導(dǎo)帶價帶導(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子濃度，這時載流子就從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散擴(kuò)散形成電流的大?。?.漂移------在電場做用下電荷的移動對于空穴導(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：有一類物體其表面不反射光，它們能夠在任何溫度下吸收射來的一切電磁輻射，這類物體就叫絕對黑體。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)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)外光電效應(yīng)1.3.1光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時，由于吸收光子使其中的載流子濃度的增大，因而材料的電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時，由于吸收光子產(chǎn)生電子－空穴對，載流子濃度增大。其中，電子在結(jié)電場的作用下被拉到N區(qū)，同時空穴也在結(jié)電場的作用下被拉到P區(qū)，從而在結(jié)區(qū)兩邊產(chǎn)生勢壘，這就是光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)光電發(fā)射定律在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也叫光電子發(fā)射效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子。當(dāng)電子從光子吸取的能量大于逸出功A0時，電子就能逸出表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。愛因斯坦光電效應(yīng)方程或光電發(fā)射第一定律光電發(fā)射第二定律：當(dāng)輻射的光譜分布不變時，飽和光電流與入射的光通量Φ成正比：光電子發(fā)射過程可以歸納為以下三個步驟物體吸收光子后體內(nèi)的電子被激發(fā)到高能態(tài)被激發(fā)電子向表面運(yùn)動，在運(yùn)動過程中因碰撞而損失部分能量克服表面勢壘逸出金屬表面物質(zhì)的逸出功和紅限頻率當(dāng)光電子的速度等于零，即光電子的動能為0時，有光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的電子逸出功。這說明每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或長波限。光線頻率低于紅限頻率，其能量就不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；入射光頻率如果高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。半導(dǎo)體材料的閾值波長對于半導(dǎo)體，一般情況下，能夠有效吸收光子的電子大多是處在價帶頂附近，所以光電子發(fā)射的逸出功為：式中Eg是半導(dǎo)體禁帶寬度，EA稱為電子親和勢。即半導(dǎo)體材料光電發(fā)射的能量閾值為所以長波限為式中：h＝4.13×1015eV·s，是普朗克常數(shù)；c＝3×1014，是光速。半導(dǎo)體材料的閾值波長

1.響應(yīng)率電壓響應(yīng)率(V/w)：電壓/單色輻射通量電流/單色輻射通量電流響應(yīng)率(A/w)：1.4.2光電探測器的特性參數(shù)探測器的輸出信號電壓/探測器接收的所有波長光的總輻射通量探測器輸出的信號電流/探測器接收的所有波長光的總輻射通量電壓光譜靈敏度：2.光譜響應(yīng)率電流光譜靈敏度：S（λ）1相對光譜靈敏度4、探測度D與比探測度D*3、等效噪聲功率如果探測器所接收到的輻射功率所引起的信號輸出，正好等于探測器本身產(chǎn)生的噪聲，則探測器此時所接收到的輻射功率稱為等效噪聲功率又稱為最小可探測功率。設(shè)輸出信號為電流信噪比探測率歸一化等效澡聲功率：比探測率（歸一化探測率）Ad：cm2Δf: