光电检测技术复习一(光电技术基础)
光电检测技术基础
光电检测技术基础
3、杂质半导体 在本征半导体中掺入一定数量的杂质就会使半导 体的导电性能发生显著的变化，使它具有制造晶体 管时所需要的特性，并且因掺入杂质元素的不同， 可形成电子型半导体(N型半导体)和空穴型半导体 (P型半导体)两大类（均成电中性）。
① P型半导体 如果在纯净的硅(或锗)中掺入少量的三价元素硼(或 铝等)，就能得P型半导体，当硼(B)原子占据硅原子的 位置并和四个相邻的硅原子共价结合时，由于硼只有三 个价电子，要从附近硅原子中拿一个价电子来填补，这 祥就在这个砖原子中产生了一个空穴，掺入的每一个硼 原子都产生一个空穴，所以掺杂的半导体中空穴的数目 就大大增加．由于这些杂质原子必须接受一个电子才能 与相邻的四个原子组成共价键，所以三价元素的硼叫做 受主杂质，接受一个电子的杂质原子叫做受主离子。这 种半导体主要是靠空穴导电的，所以也叫空穴型半导体。
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共价键中的价电子因受热作用而成为自由电子 的过程称为本征激发或热激发。价电子冲破束缚成 为自由电子后，在其原来的位置上留下了一个空位， 我们称它为空穴．空穴是带正电荷的，可以自由移 动。电子、空穴成对产生。
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本征激发使半导体内不断产生电子和空穴，同 时它们又不断地进行着复合。产生和复合这对矛盾 的对立统一，使半导体在一定温度下达到载流子数 目的动态平衡。从而维持了一定数量的自由电子和 空穴这种状态称为热平衡。 必须指出，常温下本征半导体中的电子、空穴 是很少的，因而本征半导体的导电能力是很差的， 所以它不能直接用来制造晶体管。
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如：0.35 m 0.8 m
紫外区 近红外区
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二、光辐射的度量（辐射度参数与光度参数） 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应， 分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进 行光谱、光度的度量计算，常需要对光辐射给出相应的 计量参数和量纲。光辐射的度量方法有两种： 物理（或客观）的计量方法，称为辐射度学计量方 法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射 量进行物理的计量； 生理（或主观）的计量方法，以人眼所能见到的光 对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法，称为光度参 数。只适用于可见光谱区域，是对光强度的主观评价。
光电测试技术复习资料
PPT 中简答题汇总1. 价带、导带、禁带的定义及它们之间的关系。
施主能级和受主能级的定义及符号。
答：施主能级：易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态。
受主能级：容易获取电子的原子称为受主，受主获取电子的能量状态。
2. 半导体对光的吸收主要表现为什么？它产生的条件及其定义。
半导体对光的吸收主要表现为本征吸收。
半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的 电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。
产生本征吸收的条件：入射光子的能量（ h V 要大于等于材料的禁带宽度 曰3. 扩散长度的定义。
扩散系数和迁移率的爱因斯坦关系式。
多子和少子在扩散和漂移中的 作用。
扩散长度：表示非平衡载流子复合前在半导体中扩散的平均深度。
扩散系数D （表示扩散的难易）与迁移率 卩（表示迁移的快慢）的爱因斯坦关系式:D=（kT/q ）卩 kT/q 为比例系数 漂移主要是多子的贡献，扩散主要是少子的贡献。
4. 叙述 p-n 结光伏效应原理。
当 P-N 结受光照时，多子（ P 区的空穴， N 区的电子）被势垒挡住而不能过结，只有少子（ P 区的电子和 N 区的空穴和结区的电子空穴对）在内建电场作用下漂移过结,这导致在 N 区有光生电子积累，在 P 区有光生空穴积累，产生一个与内建电场方向相反的光生电 场，其方向由P 区指向 N 区。
5. 热释电效应应怎样解释？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？ 在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应。
因为在恒定光辐射作用下探测器的输出信号电压为零，既热释电探测器对未经调制的 光辐射不会有响应。
6. 简述红外变象管和象增强器的基本工作原理。
红外变象管： 红外光通过光电导技术成象到光电导靶面上，形成电势分布图象，利用调制 的电子流使荧光面发光。
象增强器： 光电阴极发射的电子图像经电子透镜聚焦在微通道板上，电子图像倍增后在均 匀电场作用下投射到荧光屏上。
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电 磁光 波学1区 0 nm 1mm 可 紫见 外1光 4区 0n0nm 区 0m480n00nm 0m
红外8区 0n0m1mm
长波(微 区波)区 1mm
太赫兹波是指频率在到10THz范围的电磁波，波长大概在到3mm
范围，介于微波与红外之间. THz, 一百万兆Hz
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二、 电磁波谱与光谱：
2. 1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论。 3. 1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效
应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。 表现为光的发射、吸收、色散、散射
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二、 电磁波谱与光谱：
电磁波谱及光谱图
射 线(粒 区子)区 1 0n m
第一章光电检测技术基础
光电检测技术
第一章 光电检测技术基础 第二章 光电检测器件 第三章 热电检测器件
第四章 发光与耦合器件 第五章 光电成像器件
第六章 显示器件 第七章 光电检测器件的电路设计
第一章 光电检测技术基础
本章着重介绍三个主要内容： 一、辐射量和光度量的定义及它们之间的换算关系； 二、半导体光电器件的物理基础，如能带理论、PN结理论； 三、光电效应, 如半导体光电导效应和光电发射等。
在第一个方程中，项麦克斯韦称 为位移电流 ，这是他在理论上的一个重大发现，也是他建立 麦克斯韦方程组的关键。
麦克斯韦方程组表明: 空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场 ，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场 和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡,即 电磁波。
麦克斯韦方程还说明:电磁波的速度只随介质 的电和磁的性质而变化，这个速度可表示为：
这些是以后各章所述具体光电器件的理论基础，对于正确理解和 掌握各种光电器件的原理、性能和用法是十分重要的。
光电检测考试复习题1
1、光源选择的基本要求有哪些?答：①源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。
按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。
有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。
系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。
②光对光源发光强度的要求。
为确保光电测试系统的正常工作，对系统采用的光源的发光强度应有一定的要求。
光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时还可能损坏系统、待测物或光电探测器，同时还会导致不必要的能源消耗而造成浪费。
因此在设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光适量进行正确估计，并按估计来选择光源。
③对光源稳定性的要求。
不同的光电测试系统对光源的稳定性有着不同的要求。
通常依不同的测试量来确定。
稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电。
当要求较高时，可采用稳流电源供电。
所用的光源应该预先进行月化处理。
当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。
④对光源其他方面的要求。
光电测试中光源除以上几条基本要求外；还有一些具体的要求。
如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；光源发光效率和空间分布等等，这些方面都应该根据测试系统的要求给以满足2、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况?答：采用阳极接地，负高压供电。
这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般阳极分布参数也较小。
可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10～20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极暗电流和噪声。
如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。
采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。
《光电检测技术》考试复习重点
《光电检测》复习精华第一章 光辐射物理基础1、基本光辐射度量单位：J （辐射能）、W （辐射功率）基本光度量单位：lm （光通量）、cd （发光强度）、lx （光照度）2、朗伯余弦定律：辐射源单位面积向某方向单位立体角发射（或反射）的辐射功率，与该方向及表面法线的余弦成正比。
3、基尔霍夫定律：在任一给定温度的热平衡条件下，任何物体的辐出度与其吸收比的比值等于辐射源在它上面的辐照度，该比值与物体的温度和物体被照射的辐射波长有关，与物体本身的性质无关，是物体波长和温度的普适函数。
4、斯忒蕃-玻尔兹曼定律：M b =σT 4.维恩位移定律：λm T=b=2897.8μm ·K5、腔形黑体源一般有三种基本腔形：锥形腔、柱形腔和球形腔。
6、探测目标或识别对象的辐射称为目标辐射，探测目标或识别对象以外的辐射称为背景辐射。
7、受激辐射过程：处于高能态的原子由于受外界光子激发向低能态跃迁而发射光子的过程，称为受激辐射过程。
8、【简答】激光形成过程：①受激吸收；②形成粒子数反转；③受激辐射；④光学谐振腔对受激光辐射的加强作用。
9、激光辐射的四个特点：高方向性、高亮度和高功率辐射密度、高单色性、高相干性。
10、按激光工作物质分：有固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。
11、光辐射在媒质内传输中，会因插入媒质的表面辐射、内部吸收和散射等过程而衰减。
12、【简答】空间滤波的原理：P40。
13、调制盘按照扫描方式分类，可分为旋转式、圆锥扫描式和圆周平移式三类。
14、【计算】P5215、【简答】吸收比和吸收系数定义有什么差别？P52（P23）。
吸收比：被媒质内部吸收的功率与入射辐射功率的比值。
吸收系数：媒质吸收引起辐射功率减少的相对值dP/P ，与辐射在媒质内传播的距离成正比，即x PP d d α=−，在这里α称为材料的吸收系数。
第二章 光辐射探测器1、依光辐射与物质相互作用原理的不同可把光辐射探测器分为光子探测器和热探测器两大类。
光电检测技术复习总结
3. 极微弱光信号的探测---光子计数的原理 如图所示：
如上图为光子计数器的原理图，当光子入射到光电探测器上时，倍增管的光阴极释放的电子在 管内电场作用下运动至阳极， 在阳极的负载电阻上出现光电子脉冲， 然后经处理把光信号从噪 声中以数字化的方式提取出来。 弱辐射信号是时间上离散的光子流， 因而检测器输出的是自然 离散化的电信号，采用脉冲放大、脉冲甄别和计数技术可以有效提高弱光探测的灵敏度。
2) 光敏电阻的分类：本征光敏电阻和掺杂光敏电阻； N 型半导体的光敏特性 较好，所以一般使用较多的就是 N 型半导体光敏电阻； 3. 光敏电阻应用电路---用光敏电阻设计一个光控电路组成分析： 如图所示就是一个光控开关的控制电路应用； 在图中， 是从 220V 高压接过来的电路， 所以电路可以分为两个部分， 第一部分： 电阻 R、 二极管 VD、 电容 C 组成的半波整流滤波电路；还有第二部分就是 光敏电阻、继电器 J、开关 组成的控制部分； ② 电路功能分析： 光照弱阻值大继电器 J 无法启动灯路电阻小，电流走灯路 灯亮了； 光照强阻值小电流都流过来了继电器 J 启动工作开关常闭了灯灭了 4. 习题： 4.1 光敏电阻有哪些优点：可靠性好 、体积小、灵敏度高、反应速度快、光谱特 性好 4.4 光敏电阻 R 与 Rl=2KΩ 的负载电阻串联后接于 Ub=12V 的直流电源上，无光 照时负载上的输出电压为 U1=20mv，有光照时负载上的输出电压 U2=2v， 求 （1）光敏电阻的暗电阻和亮电阻值； （2）若光敏电阻的光电导灵敏度 Sg=6*10^-6 s/lx，求光敏电阻所受的照度。 解:
n0
在如图所示的光纤传输示意图中，一束光 以 θ0 入射到端面，折射成θ1， 之后在纤 芯内以ψ1 的角度产生全反射，并且以相同的角度反复全反射向前传输，直至从光纤的 另一端射出，这就是光纤的传光原理； 图中的虚线表示入射角θ0 过大而不能产生全反射， 直接溢出了， 这叫光纤的漏光；
光电检测技术复习提纲
《光电检测技术》复习提纲1、光敏电阻和光敏二极管的基本概念，基本应用和两者的区别（测脉搏的电路）；光敏电阻，又称光敏电阻器或光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏二极管，又叫光电二极管是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。
管芯常使用一个具有光敏特征的PN结，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性，因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
一.功能不同：光敏二极管，是利用半导体材料的光特性实现二极管的开关功能。
光敏电阻，是利用半导体材料和其他材料的光特性实现可变电阻的功能。
二.材料不同：虽然有些时候两者用同样的材料如硅，砷化镓，但是光敏电阻的材料范围比光敏电阻的更广。
三.功能的不同决定了主要参数不同：光敏二极管,最高工作电压,暗电流，光电流，光电灵敏度、响应时间、结电容和正向压降等。
光敏电阻，标称电阻值、使用环境温度（最高工作温度）、测量功率、额定功率、标称电压（最大工作电压）、工作电流、温度系数、材料常数、时间常数等。
四.功能的不同决定了结构不同：光敏二极管，两个电极间要求能够形成一个PN 结，而且为了加大导通电流，把一个电极的面积设计的很大，另一个相对很小。
光敏电阻，只需要两个电极就行了。
测量信号的特征:人体信息本身具有不稳定性、非线性和概率特性。
脉搏波的频率属于低频，且信息微弱，噪声强，因而信噪比低。
脉搏波频率范围是0.1~60Hz，主要频率分量一般在20Hz内。
人体手指末端含有丰富的小动脉，它们和其它部位的动脉一样,含有丰富的信息。
测量原理:随着心脏的跳动手指尖的微血管发生相应的脉搏的容积变化，光发射电路发出的特定波长的光透过手指到光电器件，此过程被检测生理量(人体的脉搏)转换成光信号，通过光电器件转换为电信号，送入前级放大电路将信号适当放大，经过滤波电路除去其中的噪声得到需要频率范围内的信号，再将脉搏信号进行放大和后级的处理，通过示波器显示出来，进一步进行观测。
ch2光电检测技术基础
----面元dS在θ方向dΩ体积 角内的的辐通量dΦe 除立体 角的大小dΩ 和此面元在观 测方向上的表观面积 cosθ(dS)。
L d2v dScosd
L d2e e dScosd
dA d
dScos d N
dS
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4、光出射度 M
单位：lm/m2
---- 光源单位时间由单位表 面积辐射出的光量（包括所 有方向） ，或者说单位辐射 面发出的光通量。
余弦定律
I I0cos
I0
θI
△S
LScdodsSIcosL I0cos I0
I I0cos
Scos S
常数
30
可证： M d L
dS
根据亮度 L d2
的定义
dScosd
d2 Ld cS o ds
d d d A
d dS
d
dA r2
rd rsind sindd
r2
d2 Ld co S ssid n d d Ld2c So ssin d2d
钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶 体 能 带
1s
的能带
绝缘体能带
图1.1.1-3导体内的能带
外加电场时，非满带形成电流；而严格满带不产生电流。
半导体在有限温度时，理论的严格满带会变得不满。
导 带(空) 价 带(满)
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二、能带理论
3. 半导体的导电机制
•导带中的电子
导 带
禁带
电流：电场作用电子的定向运动
一、光的基本性质
光的微粒流学说
牛顿，17世纪:反射、折射
光的波动学说:电磁波
惠更斯，杨氏，麦克斯韦（1860）：干涉、衍射、偏振
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1
hv Eg
L
hc 1.24 Eg Eg
2) 杂质吸收- P 型/N 型半导体中的施主原子/受主原子吸收足够的光子能量跃入导带/价 带，产生电离，成为自由电子/空穴的过程称为杂质吸收。 由于 Eg>Δ ED 或Δ EA ，因此，杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波 长。杂质吸收会改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。
我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
问题六 常见器件名称英文缩写全称 PMT： Photo-multiple tube 光电倍增管 APD： Avalanche Photo Diode 雪崩光电二极管 PSD： Position Sensing Detector 光电位置敏感器件 CCD： Charge-coupled Device 电荷耦合元件 CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物(PMOS 管和 NMOS 管)共同构成的互补型 MOS 集成电路制造工艺 LED： Light-Emitting Diode 发光二极管 LASER： Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 光受激发辐 射（激光）
我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
第一章 光电技术基础 问题一 光子与电子的区别与联系（见下图）
问题二 p = hν / c , E = hν 问题三 可见光 只有波长为 380nm - 780nm 的光才能引起人眼视觉感，故称之为可见光。 问题四 半导体对光的吸收 1 在紫外情况下很容易产生光电效应，而在红外时结果相反。 dΦ Φdx Φ Φ0ex 中 α 为吸收系数，x 为传播长度，光子的能量不够、吸收 2 2 4π 系数小， ，α 与 λ 成反比，α 对愈短波长的光吸收愈强，比如说：任何材料 c 在紫外波段吸收系数均很大， 材料强吸收； 光子在红外、 远红外很难被光电效应检测到， 一般在红外区域选用具有光热效应的探测器件，如光电偶进行探测。 3 半导体对光的吸收可以分为本征吸收、杂质吸收、晶格吸收等，只有本征吸收和杂 质吸收能够直接产生非平衡载流子， 引起光电效应。 其他吸收都不同程度地把辐射能转 换为热能，使器件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快，而不会改变半导体的导 电特性。 1) 本征吸收--（见下图） 半导体价带电子吸收光子能量跃迁进入导带，产生电子-空穴对的现象称 为本征吸收。 只有波长短于入射辐射的才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导 电特性。 半导体是本征体，本征半导体经 N/P 型掺杂后还能进行本征吸收。 真正的本征半导体是无掺杂的绝缘体，既可以发生本征吸收，也可以发生 杂质吸收。
3
基于内光电效应的一种现象， 基于半导体对应的杂质吸收和本征吸收 非特定位置 光生载流子+自身载流子 多子参与，输出电流大 扩散时间为主，慢 基于 PN 结，耗散区产生 光生载流子 少子参与，输出电流小 （内建电场） 漂移时间为主， 快
6) 光电二极管与电子二极管的区别？ 光电二极管 流动 电子流向 流动少子，电流弱 加反向偏压， 增大内建电场 电子二极管 流动多子，电流强 加正向偏压，抵消内建电场
L
1.24 ED
L
1.24 EA
我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
问题五 光电效应—光电类探测基于光电效应 光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。 内光电效应是被 光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变 化或产生光生伏特的现象。 而被光激发产生的电子逸出物质表面， 形成真空中的电子的 现象称为外光电效应。 1. 光电效应产生条件： hν ≥ Eg, ED, EA 2. 光电效应具体表现：光电导、光生伏特、丹培、光磁电、光子牵引效应（其中 光生伏特发生在本征半导体，光生载流子导电，少数载流子参与） 3. 本征光电导效应--在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象。 1) 半导体材料的光电导灵敏度 在弱辐射作用下为与材料性质有关的常数，正比于 IΦ,与光电导材料 2 两电极间的长度 l 成反比； 在强辐射作用下不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关,正比 3/2 于 IΦ1/2，与光电导材料两电极间的长度 l 成反比。 为什么将光敏电阻制造为蛇形/梳状？ 原因： 为了提高光敏电阻的光电导灵敏度 Sg ，要尽可能地缩短光敏电 阻两极间的距离 l。--设计光敏电阻的基本原则 可以增大受光面积，从而提高探测效率。
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我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
行，将空穴导向 P 区，电子导向 N 区； iii. 内建电场力 = 扩散力，二者达到动态平衡，中间区域形成少数 载流子移动的区域， 称为耗散区， 为光生载流子的捕捉和探测提 供场所。 3) 耗散区具备哪些特征（意义）？如何扩大？ i. 特征： 提供了一个空背景用于光生载流子的监测： 耗散区内自身载 流子很少，当光生载流子产生后，易于被捕获和识别； 光生载流子产生后， 在内建电场的作用下快速移动， 形成光 生电流，响应速度最快，为漂移时间，提高了灵敏度； 减少了扩散时间，提高结电电容。 ii. 扩大：耗散区越大越精密 加反向偏压； 产生雪崩效应； 硬件方面：加一层本征层，构成 PIN 型二极管。 （I 层没有 PN 结，本身不是光生伏特器件，但在光作用下可产 生本征吸收，产生光生载流子；同时自身载流子很少，符合耗 散区的要求。 ） 不能太厚，否则导电性不强； 但厚度增加，可以提高响应速度。 4) 为什么光生伏特效应发生在 PN 结中？ i. 背景纯净，可精确探测； ii. 与半导体技术结合在一起处理方便， 与电子技术结合好， 实现了 光电技术的最佳结合； iii. 耗散区有内建电场， 而其他位置载流子移动主要靠梯度扩散， 可 以在耗散区外加双倍电场， 使电子受强电场驱动， 提高响应速度， 符合信息处理的要求。 5) 光电导与光生伏特的异同点？ 光电导 相同点 发生位置 载流子种类 载流子电流 响应时间 光生伏特
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增大线宽，而不是长度
4. 光生伏特效应（重点） 1) 光生伏特效应是什么？ 基于半导体 PN 结基础上的一种将光 能转换成电能的效应。当入射辐射作 用在半导体 PN 结上产生本征吸收时， 价带中的光生空穴与导带中的光生电 子在 PN 结ห้องสมุดไป่ตู้建电场的作用下分开， 并分别向如图 1-11 所示的方向运动， 形成光生伏特电压或光生电流的现象。 2) PN 结形成过程中载流子的流动？ i. P 区空穴为多子，电子为少子，空穴浓度高，N 区相反，在浓度 梯度的牵引下，P 区空穴向 N 区移动，N 区电子向 P 区移动，扩 散过程中伴随着复合； ii. 形成内建电场，方向 N->P，内建电场阻碍扩散运动的进一步进