光电检测应用中的基础知识.pptx

序信息检测技术信息检测技术光学检测技术光学检测技术电子检测技术电子检测技术易与物质发生联系，传播速度快易与物质发生联系，传播速度快,频带宽，信息容量大频带宽，信息容量大易存储，可转移，好控制易存储，可转移，好控制光电检测技术光电检测技术 光电信息技术是光子技术与微光电信息技术是光子技术与微电子技术的结合，是现代信息技术电子技术的结合，是现代信息技术的核心，已广泛应用于各行各业。的核心，已广泛应用于各行各业。随随着着现现代代信信息息技技术术的的发发展展，光光子子以以其其独独特特的的优优点点，具具有有极极快快的的响响应应速速度度，极极大大的的频频宽宽，信信息息容容量量和和极极高高的的信信息息效效率率推推动动信信息息科科学学技技术术的的发发展展，具具有有越越来来越越大大的的竞竞争争力力，光光电电信信息息产产业业在在市市场场的的份份额额逐逐年年增增加加。光光子子技技术术与与微微电电子子技技术术结结合，相互交叉、相互渗透与补充已经成合，相互交叉、相互渗透与补充已经成 为为信信息息科科学学技技术术的的主主体体之之一一，光光子子和和微微电电子子是是现现代代信信息息产产业业的的 基基础础和和核核心心，光光电电信信息息产产业业已已成成为为世世界界上上发发达达国国家家的的主主导产业。导产业。美国政府美国政府:已已将将 光光子子学学与与光光子子技技术术列列为为国国家家发发展展的的重重点点，认认为为该该领领域域“在在国国家家安安全全与与经经济济竞竞争争方方面面 有有深深远远的的意意义义和和潜潜力力”，并并肯肯定定“通通信信和和 计计算算机机研研究究与与发发展展的的未未来来世世界属于光子学领域界属于光子学领域”，美国商务部指出：美国商务部指出：“90年代，年代，全世界光全世界光子产业以比微电子产业高得多子产业以比微电子产业高得多 的速度发的速度发展，谁在光子产业方面取得主展，谁在光子产业方面取得主 动权，谁动权，谁就将在就将在21世纪的尖端科技的较世纪的尖端科技的较 量中夺魁量中夺魁”。德国德国:政府已确定光子学政府已确定光子学 是本世纪初是本世纪初“对保持对保持德国在国际技术市场德国在国际技术市场 上的先进地位至关上的先进地位至关重要的关键技术之一重要的关键技术之一”。在日本有评论。在日本有评论认为认为21世纪具有代表意义的主导产世纪具有代表意义的主导产 业，第一是光子产业，第二是信息通信业，第一是光子产业，第二是信息通信产业产业”。我国我国:政府十分重视光电子技术和产业的发展，政府十分重视光电子技术和产业的发展，已将它列入国民经济优先发展的领域，已将它列入国民经济优先发展的领域，把光电子产业列为国家重点发展计划，把光电子产业列为国家重点发展计划，继继1986年年3月王大恒等四位专家倡导的月王大恒等四位专家倡导的“863计划计划”之后，在此基础上开始了之后，在此基础上开始了“973计划计划”，这两个高科技计划的，这两个高科技计划的 重点是光电子产业。重点是光电子产业。据国家统计资料显据国家统计资料显示，世纪具有代表意义的主导产业，第示，世纪具有代表意义的主导产业，第一是光子产业，第二是信息通信产业一是光子产业，第二是信息通信产业”。本课程所讨论的主要内容本课程所讨论的主要内容第一章：光电检测应用中的基础知识第一章：光电检测应用中的基础知识第二章：光电检测中的常用光源第二章：光电检测中的常用光源第三章：结型光电器件第三章：结型光电器件第四章：光电导器件第四章：光电导器件第五章：真空光电器件第五章：真空光电器件补充：光电测试技术的一些简单应用补充：光电测试技术的一些简单应用第六章：真空成像器件第六章：真空成像器件第八章：红外辐射与红外探测器第八章：红外辐射与红外探测器第七章：固体成像器件第七章：固体成像器件第第9章：光导纤维与光纤传感器章：光导纤维与光纤传感器第一章第一章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识被测被测对像对像光学光学系统系统光电光电转换转换被测对象的被测对象的信息加载信息加载光源光源信息信息载体载体光电探光电探测器测器信息处理信息处理光电检测系光电检测系统组成：统组成：放大放大边缘检测边缘检测电动机电动机驱动驱动门控门控处理处理主主振振激光激光外径外径扫描扫描仪原仪原理图理图例：例：1.1 辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念紫外辐射紫外辐射可见光辐射可见光辐射X光辐射光辐射红外光辐射红外光辐射光波：光波：光波：光波：波长波长 10纳米纳米1毫米（频毫米（频率率3*1011 3*1016 HZ)范围的电磁范围的电磁辐射辐射红红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫(100380nm)(380780nm)（10100nm)(780nm1mm)1.辐射度学辐射度学对各种电磁辐射进对各种电磁辐射进行定量评价的一门行定量评价的一门科学科学工具：工具：光接收器件光接收器件结果：结果：与与光能量光能量相关的各种物理量相关的各种物理量评价对象：电磁辐射评价对象：电磁辐射2.光度学光度学工具：工具：人眼（或仿人眼的探测器）人眼（或仿人眼的探测器）对象：可见光辐射对象：可见光辐射对可见辐射作用于人对可见辐射作用于人眼所引起的眼所引起的“光光”感感觉进行定量评价，是觉进行定量评价，是一种生理效应一种生理效应结果：结果：对对人眼刺激人眼刺激大小的各大小的各种物理量种物理量用下标用下标(e)用下标用下标(v)1.1.1 辐射度学基本物理量辐射度学基本物理量1.辐射功率辐射功率（辐射通量辐射通量）对于辐射源对于辐射源-单位时间内向空间各个方向发射的总能量。单位时间内向空间各个方向发射的总能量。单位：单位：W（瓦特）（瓦特）对于电磁波的传播对于电磁波的传播-单位时间通过某一截面的电磁波能量单位时间通过某一截面的电磁波能量对于电磁波的接收对于电磁波的接收-单位时间内某一截面接收到的电磁能单位时间内某一截面接收到的电磁能发射发射A1A2传播传播A接收接收如果是多波长辐射，如果是多波长辐射，则有：则有：光谱功率谱密度光谱功率谱密度 点光源点光源:在某一方向上，在单位立体角内发出在某一方向上，在单位立体角内发出的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特性）。特性）。2、辐射强度辐射强度单位单位：向空间各个方向辐射均匀的点光源：向空间各个方向辐射均匀的点光源：如果辐射是多波长的电磁波则：如果辐射是多波长的电磁波则：如果辐射不均匀，则如果辐射不均匀，则方向上的辐射强度，可表示为：方向上的辐射强度，可表示为：d3、辐射亮度辐射亮度单位：单位：-表征辐射面发光强弱并与辐射面特性有关的物理量。面元表征辐射面发光强弱并与辐射面特性有关的物理量。面元 dS dS 在在方向的辐射亮度定义为：方向的辐射亮度定义为：此面元在此面元在方向方向d d体积角内的的辐射通量体积角内的的辐射通量d de e 除立体角的大除立体角的大小小d d 和此面元在观测方向上的表观面积和此面元在观测方向上的表观面积coscos(dS)(dS)。如果是多波长如果是多波长辐射则：辐射则：如果辐射不均匀，则如果辐射不均匀，则方向上的辐亮度，可表示为：方向上的辐亮度，可表示为：N N4、辐射出射度辐射出射度-光源单位时间由单位表面积辐射出的电光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向）磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面，或者说单位辐射面发出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位发出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。置的辐射特性。dA1dA2单位：单位：W/m2-受照面上单位时间单位表面积接受受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。5、辐照度辐照度单位：单位：W/m2dA1dA2同样有：同样有：同样有：同样有：1.1.2 光度学基本物理量光度学基本物理量（一）光度学量和辐射度学量的关系（一）光度学量和辐射度学量的关系1.光谱灵敏度光谱灵敏度K 及及 视见函数视见函数V相同相同波长（波长（）不同）不同产生对人产生对人眼不同的眼不同的刺激程度刺激程度人眼对光人眼对光的感受是的感受是光波长的光波长的函数函数单位时间内发单位时间内发射、传播或接射、传播或接收的光量收的光量K 光谱灵敏度光谱灵敏度(lm/W(lm/W)(1)(1)光谱灵敏度光谱灵敏度光通量光通量(lm流明流明)定义定义:视见函数视见函数明视明视0.55m 10.380.7明视明视暗视暗视0.55m0.52 m Km=683（lm/W）0.380.7不同波长的光谱不同波长的光谱灵敏度，如图所灵敏度，如图所示：示：C(2)(2)视见函数视见函数=683=683lm/Wlm/W（二）光度学量（二）光度学量A1A2A1A2辐射通量辐射通量单位时间内单位时间内发射发射、传播传播或或接收接收的辐射能量。的辐射能量。复色复色光时光时-单位时间内单位时间内发射发射、传传播播或或接收接收的光量。的光量。复色复色光时光时1、光通量光通量A lm(流明流明）W（瓦特）（瓦特）-点光源点光源在某一方向上，单位在某一方向上，单位立体角立体角 内发出的辐射通量。内发出的辐射通量。-点光源点光源在某一方向上，单位在某一方向上，单位立体角内的立体角内的光通量。光通量。2、发光强度发光强度单位单位：辐射强度辐射强度单位单位：（cd 坎德拉）坎德拉）d七个基本物理量之一七个基本物理量之一-面元面元dSdS在在方向方向d d体体积角内的的光通量积角内的的光通量d dv v 除立除立体角的大小体角的大小d d 和此面元在和此面元在观测方向上的表观面积观测方向上的表观面积coscos(dS)(dS)。3、光亮度光亮度单位：单位：辐射亮度辐射亮度-面元面元dSdS在在方向方向d d体积体积角内的的辐通量角内的的辐通量d de e 除立体除立体角的大小角的大小d d 和此面元在观和此面元在观测方向上的表观面积测方向上的表观面积coscos(dS)(dS)。N N4、光、光出射度出射度-光源单位时间由单位表光源单位时间由单位表面积辐射出的光量（包括所面积辐射出的光量（包括所有方向）有方向），或者说单位辐射，或者说单位辐射面发出的光通量。面发出的光通量。dA1dA2单位：单位：lm/m2辐射出射度辐射出射度-光源单位时间由单位光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包表面积辐射出的电磁能（包括所有方向）括所有方向），或者说单，或者说单位辐射面发出的辐通量。位辐射面发出的辐通量。单位：单位：W/m2-受照面上单位时间单位受照面上单位时间单位表面积接受的光量，或单位表面积接受的光量，或单位表面积接受的光通量。表面积接受的光通量。5、照度照度单位：单位：lm/m2dA1dA2-受照面上单位时间单位受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。位表面积接受的辐通量。辐照度辐照度单位：单位：W/m2(lx 勒克斯）勒克斯）1.1.3 其它基本概念其它基本概念1.点源点源dAdA某面元上的照度与面元到光源某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比的距离的平方成反比-平方反平方反比定律比定律同时也与面源的方向有关同时也与面源的方向有关I Ir对于沿各方对于沿各方向匀均辐射向匀均辐射的点源的点源点源对面的照度点源对面的照度-光源光源 S总辐射通总辐射通量为：量为：2.扩展源扩展源-有一定面积的辐射源有一定面积的辐射源朗伯源朗伯源或称为或称为余弦辐射体余弦辐射体向空间各个方向的辐射向空间各个方向的辐射亮度相同，理想化的扩亮度相同，理想化的扩展源展源辐射强度辐射强度I 与方向角与方向角满足余满足余弦定律的辐射体。弦定律的辐射体。大部分辐大部分辐射体都有此性质射体都有此性质 dSII0余弦定律余弦定律常数常数根据辐出度的定义根据辐出度的定义根据亮度根据亮度的定义的定义朗伯源向空间各个方位的总辐射通量的计算朗伯源向空间各个方位的总辐射通量的计算-dSdAdA3.漫反射面漫反射面-把入射光向各个方向把入射光向各个方向均匀的散射的各种表面均匀的散射的各种表面设某一漫反射面设某一漫反射面dSdS所受的光照度为所受的光照度为E E，则此面接收到的光通，则此面接收到的光通量为：量为：设此反射面的反射系数为设此反射面的反射系数为K K，则它反射的光通量为：，则它反射的光通量为：朗伯辐朗伯辐射体射体不透明不透明漫反漫反射体射体透明漫反射体透明漫反射体亮度减半亮度减半4.定向辐射体定向辐射体-光线的发射方向比较集中光线的发射方向比较集中如：激光器如：激光器太阳的辐射亮度只有太阳的辐射亮度只有3*103*108 8W/(sr.mW/(sr.m2 2)1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.电子的共有化运动电子的共有化运动2.能带的形成能带的形成能级能级3s2p1.2.1 固体的能带结构固体的能带结构允带允带禁带禁带允带允带允带允带禁带禁带3.能带的结构能带的结构价价带带导导带带禁带禁带物质的导电性：物质的导电性：价价带带导导带带禁带禁带价带中的空穴价带中的空穴导带中的电子导带中的电子价带价带导带导带内层内层能带能带禁带禁带禁带禁带内层内层能带能带禁带禁带满带：满带：被电子填满的能带被电子填满的能带空带：没有空带：没有电子占据的能带电子占据的能带4.N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体价带价带导带导带禁带禁带低低温温下下低温下硅晶体中的价带中所有的能级都低温下硅晶体中的价带中所有的能级都被电子占据，即被填满，价带以下的能被电子占据，即被填满，价带以下的能带被内层电子填满，而导带的能级是空带被内层电子填满，而导带的能级是空的，所以不导电。的，所以不导电。价带价带导带导带禁带禁带本征激发本征激发常常温温下下被激发到共价键之外被激发到共价键之外不不导导电电弱弱导导电电性性1）本征半导体）本征半导体2）掺掺5族元素时族元素时-N型半导体的能级型半导体的能级处于共价键之外处于共价键之外低低温温下下价带价带导带导带禁带禁带杂质能级杂质能级价带价带导带导带禁带禁带施主施主能级能级本征激发本征激发+杂质激发杂质激发价带价带导带导带禁带禁带杂质能级杂质能级低低温温下下常常温温下下被激发至导带被激发至导带3）掺）掺3族元素时族元素时-P型半导体型半导体低低温温下下B价带价带导带导带杂质能级杂质能级价带价带导带导带杂质能级杂质能级常常温温下下B低低温温下下受主受主能级能级价带价带导带导带杂质激发杂质激发+本征激发本征激发1.2.2热平衡下的载流子浓度热平衡下的载流子浓度本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子价带价带导带导带禁带禁带本征激发本征激发开始时：激发开始时：激发复合复合复复合合一段时间后：激发一段时间后：激发=复合复合（载流子浓度增大）（载流子浓度增大）（载流子浓度稳定）（载流子浓度稳定）热平衡状态热平衡状态设由低温到高温的过程设由低温到高温的过程1.2.3 半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子-通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这些超出的载流子通常称为些超出的载流子通常称为非平衡载流子非平衡载流子，或，或过剩载流子过剩载流子。1.半导体材料的光吸收效应半导体材料的光吸收效应1）本征吸收）本征吸收价带价带导带导带常温光照时常温光照时价带价带导带导带常温无光照时常温无光照时Eg要发生光电导效应，必须要发生光电导效应，必须满足：满足：单位是单位是m m2）杂质吸收）杂质吸收N型半导体：型半导体：价带价带导带导带低温无光照时低温无光照时Ed价带价带导带导带低温有光照时低温有光照时价带价带导带导带低温无光照时低温无光照时Ea工作时温度要低工作时温度要低-防止热激发防止热激发价带价带导带导带低温有光照时低温有光照时P型半导体：型半导体：2.非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度光照射半导体时：光照射半导体时：载流子的浓度增加载流子的浓度增加停止光照射后：停止光照射后：由于复合，载流子的浓度不断的减少，由于复合，载流子的浓度不断的减少，直到热平衡直到热平衡复合方式有复合方式有直接复合直接复合-导带中的电子直接回到价导带中的电子直接回到价带填充空位带填充空位间接复合间接复合-通过通过“缺陷、错位、缺陷、错位、杂质杂质”等形成的复合中心复合等形成的复合中心复合价带价带导带导带价带价带导带导带1.2.4 载流子的扩散和漂移载流子的扩散和漂移1.扩散扩散-在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载流子浓度高于其它地方的载流了浓度，这时载流子就从浓度高流子浓度高于其它地方的载流了浓度，这时载流子就从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为扩散扩散扩散形成电流的大小：扩散形成电流的大小：2.飘移飘移-在电场做用下电荷的移动在电场做用下电荷的移动对于空穴导电对于空穴导电2.总电流总电流电子电子空穴空穴总电流总电流1.3 基本定律基本定律1.3.1 黑体辐射定律黑体辐射定律黑体黑体：有一类物体其表面不反射光，它们能够在任何温度下：有一类物体其表面不反射光，它们能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射，这类物体就叫绝对黑体。吸收射来的一切电磁辐射，这类物体就叫绝对黑体。吸收比吸收比:模拟黑体：模拟黑体：反射比反射比:1.1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律2.2.普朗克辐射公式普朗克辐射公式普朗克辐射公式普朗克辐射公式常数常数光谱发射率光谱发射率短波区或温度短波区或温度不高的情况下不高的情况下-吸收能力强，发射能力也强吸收能力强，发射能力也强3.3.斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律700K900K400K(m m）2Me(,T)468短波区或温度不高的情况下短波区或温度不高的情况下一定温度下总一定温度下总的辐射出射度的辐射出射度4.4.维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律Me(,TMe(,T)1.4.1 1.4.1 光电探测器中的噪声光电探测器中的噪声光电探测器中的噪声光电探测器中的噪声噪声：信号随机的、瞬间幅度不能预知的起伏噪声：信号随机的、瞬间幅度不能预知的起伏圴方噪声：圴方噪声：噪声：信号随机的、瞬间幅度不能预知的起伏噪声：信号随机的、瞬间幅度不能预知的起伏圴方噪声：圴方噪声：白噪声：功率谱大小与频率无关白噪声：功率谱大小与频率无关1/1/f 噪声：功率谱与噪声：功率谱与1/1/f 成正比成正比噪声功率谱：噪声功率谱：-在任何电阻性材料中在任何电阻性材料中,载流子都载流子都会有无规则的热运动会有无规则的热运动,从而引起输出电从而引起输出电流或电压的起伏，此种噪声称为流或电压的起伏，此种噪声称为.是最常见的一种噪声形式是最常见的一种噪声形式.1.1.热噪声：热噪声：热噪声：热噪声：2.2.散粒噪声：散粒噪声：散粒噪声：散粒噪声：一些不连续的量的随机起伏形成的一些不连续的量的随机起伏形成的噪声，噪声，如：入射到光电探测器表面的光子，如：入射到光电探测器表面的光子，光电子从光电阴极表面逸出等过程光电子从光电阴极表面逸出等过程-这类噪声的大小与频率成反比这类噪声的大小与频率成反比,因此因此而得名而得名,它的产生与器件的杂质和工艺缺它的产生与器件的杂质和工艺缺陷有关陷有关,但原因比较复杂但原因比较复杂.4.14.1/f/f 噪声：噪声：噪声：噪声：3.3.产生产生产生产生-复合噪声：复合噪声：复合噪声：复合噪声：半导体受光照时，载流子不断地产半导体受光照时，载流子不断地产生生-复合，载流子产生复合，载流子产生-复合的平均复合的平均数是一定的，但某一瞬间是起伏的，数是一定的，但某一瞬间是起伏的，这种起伏引起半导体电导率的起伏，这种起伏引起半导体电导率的起伏，从而使输出电流或电压值起伏，由从而使输出电流或电压值起伏，由此引入的噪声叫此引入的噪声叫5.5.温度噪声温度噪声温度噪声温度噪声由于器件本身温度变化引起的噪声由于器件本身温度变化引起的噪声1.1.响应率响应率响应率响应率电压响应率电压响应率(V/w)(V/w)：电压电压/单色辐射通量单色辐射通量电流电流/单色辐射通量单色辐射通量电流电流 响应响应率率(A/w)(A/w)：1.4.2 光电探测器的特性参数光电探测器的特性参数探测器的输出信号电压探测器的输出信号电压/探测器接探测器接收的所有波长光的总辐射通量收的所有波长光的总辐射通量探测器输出的信号电流探测器输出的信号电流/探测器探测器接收的所有波长光的总辐射通量接收的所有波长光的总辐射通量电压光谱灵敏度：电压光谱灵敏度：2.2.光谱响应率光谱响应率光谱响应率光谱响应率电流光谱灵敏度：电流光谱灵敏度：S S（）1 1相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度