2016光电探测技术-第一章
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第1章 光电技术基础
图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义 称为电 为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义(称为电 为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义 磁波谱)。电磁波谱的频率范围很宽， 磁波谱 。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无 线电波(10 的宽阔频域。 线电波 2～1025Hz)的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的 的宽阔频域 一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米， 一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～103m的范围。在这个范围内，只有 的范围。 的范围 在这个范围内，只有0.38～0.78µm的光才能引起 ～ 的光才能引起
π
由上式得到余弦辐射体的 由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为 余弦辐射体
Me Le = π
(1-17)
Mv Lv = π
(1-18)
6. 辐(射)效率与发光效率
光源所发射的总辐射通量Φ 光源所发射的总辐射通量 e与外界提供给光源的 功率P之比称为光源的辐 之比称为光源的辐(射 效率 效率η 功率 之比称为光源的辐 射)效率 e；光源发射的总光 通量Φ 与提供的功率P之比称为发光效率 之比称为发光效率η 通量 v与提供的功率 之比称为发光效率 v。它们分 别为
3. 辐(射)出(射)度和光出(射)度 度和光出(
对有限大小面积A的面光源， 对有限大小面积 的面光源，表面某点处的面元 的面光源 向半球面空间内发射的辐通量dΦ 与该面元面积dA之 向半球面空间内发射的辐通量 e与该面元面积 之 比，定义为辐(射)出(射)度Me，即 定义为辐 射 出 射 度
dΦe Me = dA
以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐(射) 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐 射 能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳 。 用符号 表示，其计量单位为焦耳(J)。 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分， 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以 Qv表示，其计量单位为流明秒 表示，其计量单位为流明秒(lm·s)。 。
光电探测技术与系统.ppt
2020/8/19
3
§1.2 现代信息技术与光电探测
现代信息技术的核心是计算机、软件和通信技术，技术发展的重点 是微电子和光电子技术、高端计算机技术、计算机网络技术、光纤 通信技术、人工智能技术、信息安全技术、卫星遥感技术、磁盘及 光盘存储技术、液晶和等离子体显示技术等。
光电信息技术是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科 综合技术，涉及光信息的辐射（产生）、传输、探测以及光电信息 的转换、存储、处理与显示等众多的内容，已经成为现代信息技术 的一个主干。
2、信息传递技术
Байду номын сангаас
光纤
3、信息处理与再生技术
光电信息处理是光学信息处理与电子学信息处理交叉融合的产物。
4、信息施用技术
……
2020/8/19
5
光电探测技术是光电信息技术的源头
光电探测技术的发展是随着其它相关技术的发展而发展的。由于激光技 术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术的发展，以及傅立叶 光学、现代光学、二元光学和微光学的出现和发展，光电探测技术无论从探 测方法、原理、精度、效率，还是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上 述相关技术发展的综合体现。
第一章 绪论
§1.1 信息与信息技术 §1.2 现代信息技术与光电探测 §1.3 光电探测（传感）器 §1.4 光电探测系统与仪器的构成及分类 §1.5 经典的光电探测系统及光电探测系统的特点
1.5.1 经典的光电探测系统 1.5.2 光电探测系统的特点 §1.6 光电探测系统的发展趋势
2020/8/19
信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存储、处理、检索
、检测、分析和利用等的技术。信息技术主要包括以下几方面技术：
光电检测技术精品专业课件
血糖测试仪
三、在军事上的应用
美军研制的未来单兵作战武器
夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。
四、检测技术在国防领域的应用
美国国家导弹防御计划---NMD
1.地基拦截器 2.早期预警系统 3.前沿部署(如雷达） 4.管理与控制系统 5. 卫星红外线监测系统
监测系统: 探测和发现 敌人导弹的发射并追踪 导弹的飞行轨道；
16、业余生活要有意义，不要越轨。2021/7/232021/7/23Jul y 23, 2021
17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。2021/7/232021/7/232021/7/232021/7/23
光电检测技术
光电传感器：
– 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件 – 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。
硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米))
半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影 响。
本征和杂质半导体
本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。
在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而 导带中的量子态全部空着（半导体的共价键结构，能带、 电子、空穴对，载流子）。温度升高，导电能力增强， 电子、空穴对
光电检测技术 与应用
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
光电检测技术基础 光的基本性质 辐射与光度学量 半导体基础知识 光电效应
三、在军事上的应用
美军研制的未来单兵作战武器
夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。
四、检测技术在国防领域的应用
美国国家导弹防御计划---NMD
1.地基拦截器 2.早期预警系统 3.前沿部署(如雷达） 4.管理与控制系统 5. 卫星红外线监测系统
监测系统: 探测和发现 敌人导弹的发射并追踪 导弹的飞行轨道；
16、业余生活要有意义，不要越轨。2021/7/232021/7/23Jul y 23, 2021
17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。2021/7/232021/7/232021/7/232021/7/23
光电检测技术
光电传感器：
– 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件 – 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。
硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米))
半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影 响。
本征和杂质半导体
本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。
在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而 导带中的量子态全部空着（半导体的共价键结构，能带、 电子、空穴对，载流子）。温度升高，导电能力增强， 电子、空穴对
光电检测技术 与应用
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
光电检测技术基础 光的基本性质 辐射与光度学量 半导体基础知识 光电效应
光电技术 第1章 (第1讲)
对点光源在给定方向的立体角元d 对点光源在给定方向的立体角元 内发射的辐通 与该方向立体角元d 量dΦe，与该方向立体角元 之比定义为点光源在该 方向的辐(射 强度 强度I 方向的辐 射)强度 e，即
dΦe Ie = d
(1-10)
强度的计量单位为瓦(特 每球面度 辐(射)强度的计量单位为瓦 特)每球面度 [W/sr]。 射 强度的计量单位为瓦 。 点光源在有限立体角 内发射的辐通量为
式中h为普朗克常数 式中 为普朗克常数(6.626×10-34J·s);ν为光的振动频 为普朗克常数 × 为光的振动频 为光在真空中的传播速度(3× 率(s-1)；c为光在真空中的传播速度 ×108m·s-1)。 ； 为光在真空中的传播速度 。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
15
dI v d 2Φ v Lv = = dA cos θ d dA cos θ
的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]。 Lv的计量单位是坎德拉每平方米 。
(1-16)
若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式 与光源发射辐射的方向无关， (1-15)、(1-16)表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗 、 表示， 表示 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体， 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光 源的亮度多少与方向有关。 源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。
16
余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射 余弦辐射体表面某面元 处向半球面空间发射 的通量为
dΦ = ∫∫ L cos θdAd
式中， 式中， d = sin θdθdϕ 。 对上式在半球面空间内积分的结果为
dΦe Ie = d
(1-10)
强度的计量单位为瓦(特 每球面度 辐(射)强度的计量单位为瓦 特)每球面度 [W/sr]。 射 强度的计量单位为瓦 。 点光源在有限立体角 内发射的辐通量为
式中h为普朗克常数 式中 为普朗克常数(6.626×10-34J·s);ν为光的振动频 为普朗克常数 × 为光的振动频 为光在真空中的传播速度(3× 率(s-1)；c为光在真空中的传播速度 ×108m·s-1)。 ； 为光在真空中的传播速度 。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
15
dI v d 2Φ v Lv = = dA cos θ d dA cos θ
的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]。 Lv的计量单位是坎德拉每平方米 。
(1-16)
若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式 与光源发射辐射的方向无关， (1-15)、(1-16)表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗 、 表示， 表示 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体， 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光 源的亮度多少与方向有关。 源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。
16
余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射 余弦辐射体表面某面元 处向半球面空间发射 的通量为
dΦ = ∫∫ L cos θdAd
式中， 式中， d = sin θdθdϕ 。 对上式在半球面空间内积分的结果为
《光电检测技术》课件-光电探测器的特性
光电探测技术是现代光电领域的重要分支，其中光电探测器的的重要指标之一。在设计光机扫描型系统时，必须精心选择探测器的时间常数，确保其短于探测器在瞬时视场上的驻留时间，以保障探测器的响应速度能跟上扫描速度。此外，针对不同的辐射信号检测需求，探测器的响应速度选择也至关重要。例如，在检测连续波激光时，可以使用响应较慢的热电堆作为探头探测器；而在检测脉冲激光时，则必须选用响应速度更快的热释电探测器；若激光脉宽非常窄，甚至需要使用光子探测器进行检测。这些选择策略旨在确保探测器能在各种应用场景中准确、高效地捕捉和分析入射信号，从而充分发挥光电探测技术的优势。
光电技术基础 第一章 辐射度量与光度量PPT课件
M bT,ldl2lh5c2echd lklT1
Байду номын сангаас36
常数的确定
得到物理常数的精确数值
4 5.673×10-12瓦／厘米2·K4
如果以微米为波长的单位，温度用 绝对温标，则位移定律可写成
lm T28983000
37
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
瓦，W=J/s 辐射强度Ie
点光源发出，单位时间、单位立体角所辐射出
的能量，Ie=dFe /dw
瓦/球面度，W·sr-1
12
辐射度量与单位
辐射出射度Me 辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率，Me=
dFe /dA
瓦/平方米， W·m-2 辐射亮度Le
由辐射表面定向发射的辐射强度，与辐射体表面
认为这些微粒在均匀媒质中沿直线方向等速飞行 直线传播 反射与折射 衍射、干涉、偏振？
4
惠更斯、杨氏、费涅耳
光的波动学说
光是发光材料中分子振动的结果。这些振动 通过一种假象的弹性媒质，以水波一样的方 式传播出去。 衍射 干涉 偏振
5
麦克斯韦
1860年提出光是电磁波
1860年，麦克斯韦电磁理论建立后，才认识到光是一种电磁现象，原来光和无线电波 一样，也是一种电磁现象，只不过光的波长比无线电波短的多而已。
M
Mb
这就是说，不管什么物体，吸收比愈大，
它发射辐射的辐射出射度也就愈大，但
两者的比值却是不变的，都等于同一温
度的黑体的辐射出射度。
29
能级概念的解释
Байду номын сангаас36
常数的确定
得到物理常数的精确数值
4 5.673×10-12瓦／厘米2·K4
如果以微米为波长的单位，温度用 绝对温标，则位移定律可写成
lm T28983000
37
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
瓦，W=J/s 辐射强度Ie
点光源发出，单位时间、单位立体角所辐射出
的能量，Ie=dFe /dw
瓦/球面度，W·sr-1
12
辐射度量与单位
辐射出射度Me 辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率，Me=
dFe /dA
瓦/平方米， W·m-2 辐射亮度Le
由辐射表面定向发射的辐射强度，与辐射体表面
认为这些微粒在均匀媒质中沿直线方向等速飞行 直线传播 反射与折射 衍射、干涉、偏振？
4
惠更斯、杨氏、费涅耳
光的波动学说
光是发光材料中分子振动的结果。这些振动 通过一种假象的弹性媒质，以水波一样的方 式传播出去。 衍射 干涉 偏振
5
麦克斯韦
1860年提出光是电磁波
1860年，麦克斯韦电磁理论建立后，才认识到光是一种电磁现象，原来光和无线电波 一样，也是一种电磁现象，只不过光的波长比无线电波短的多而已。
M
Mb
这就是说，不管什么物体，吸收比愈大，
它发射辐射的辐射出射度也就愈大，但
两者的比值却是不变的，都等于同一温
度的黑体的辐射出射度。
29
能级概念的解释
光电探测与信号处理（1）
光电探测与信号处理第1章绪论一、光电技术1.光电子技术:主要内容是利用光电结合的原理和方法，实现信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。
主要包括集成光学技术、光计算技术、信息光存储技术和光显示技术等领域。
微电子技术是以电子运动为基础，电子在电路中传输时，由于受到回路分布电气参数的影响，会产生传输延迟效应，往往难于突破纳秒的速度限制。
光电子技术是以光子运动为基础，光子无论在自由空间传播或者沿波导传输时，都能保持30万公里/秒的传播速度，以它作为信息载体能够大大提高信息流的传输速度2.光电子技术独特的优点：(1)光波波长比电波波长短(2) 光波的频谱范围比电波的频谱范围宽(3)光波与人类视觉有直接关系(4)光波抗电磁干扰二、光电技术主要应用领域1.光电能量技术主要是有关大容量、高功率光辐射能的产生、控制、利用以及向其他能量形式的转换。
1)激光核武器2)核原料的激光同位素分离3)激光核聚变4)太阳能电池和太阳能利用5)光加工6)光化学反应等2.光电信息:技术:以光电子器件为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。
6)激光、红外、微光探测、定向和制导7)光电精密测试、在线检测和控制技术8)光电混合信息处理、识别和图像分析9)机器视觉及人工智能10)光电逻辑运算、光计算及光存储11)生物医学光学三、当前光电子产业:1.光电子材料和元器件2.光子学及光通信器件3.光存储器件4.光传感器件5.光显示器件6.光能量转换器件7.能量光电子应用四光电探测系统的概念 1.光学变换;时域变换：调制振幅、频率、位相、脉宽;空域变换：光学扫描、电学扫描;光学参量调制：光强、波长、位相、偏振.任务：形成能被光电探测器接收、便于后续电学处理的光学信息。
2.光电变换：光电器件、变换电路、前置放大。
任务：将光信息变为能够驱动电路处理系统的电信息。
3.电路处理：放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、计算和接口。
《光电技术》 第一章 基础知识
dIe d 2 e , Le , dS cos ddS cos
图1－4
辐射源的辐射亮度
• •
七、光谱辐射量 当辐射量是波长的函 数，即
e e
• • • • • • 时，必须用光谱密度 函数来对辐射量进行 描述：
d e e （1.10） d
信息载体 辐射源
光电探测器 信息处理
图1－1
光电测量系统
• 首先，被测参量的变化对光学量（包括光强度、 相位、偏振、频率或波长等）进行调制；然后， 通过对调制量的探测、变换和处理等，形成光电 检测系统。 • 光电检测系统一般分为： • （1）测量检查型——实现光学测量或非光电参量 的光电检测； • （2）控制跟踪型——具有光电检测能力的反馈控 制系统。例如，光学制导、热定向等； • （3）图象分析型——能记录、再现目标图象、并 进行识别、判断等处理。例如，条码识别， 指纹、眼底模式识别等。
• • • •
今后光电技术的发展方向为： （1）检测技术自动化； （2）检测结果数字化； （3）检测系统智能化。
• 光的本质是电磁波辐射。整个电磁波波谱覆盖24个 数量级的波长范围：10-10—1014m。 • 一般把电磁波波谱划分为： • 长波区 >1000m • 光学区 0.01—1000m • 射线区 <0.01m • 而光学区又划分为： • 红外区 >0.78m • 可见光区 0.38—0.78m • 紫外辐射区 <0.38m
绿
10 1 1 m
可见 紫外 10-1 10-2
电 磁 波 谱 图
492
蓝
10-3 X 射线 10-4 10-5 射线 10-6
1nm 1Å
455 390 300
《光电检测技术》幻灯片
例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
空调机
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得 出被测量的数值。例如：
长度：直尺、游标卡尺、千分尺 电压：万用表 质量：天平 间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，
第四节 发光、耦合和成像器件 4.1 发光二极管 4.2 激光器 4.3 光电耦合器件 4.4 CCD
第五节 光电检测系统 5.1 直接光电检测系统 5.2 光外差光电检测系统 5.3 典型的光电检测系统
第一节 绪 论
光电信息技术
以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电 信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。
光电检测系统
光
光
被
光
光变
电
源
学 系 统
测 对 象
学 变 换
电换 传电 感路
信 号 处 理
存储 显示 控制
光学变换
电路处理
光电检测系统
光学变换 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学
信息。 光电变换 光电/热电器件〔传感器〕、变换电路、前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息〔电信号
的放大和处理〕。 电路处理 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、
光电检测系统与人操作功能比较
被测物体
感觉器官
人脑
手控
被测物体
光电传感
微机
执行机构
光电传感局部相当于人身的感觉器官
光电检测系统的功能分类
光电探测技术
以色列勒米特型材断面尺寸测量系统
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。
长度：直尺、游标卡尺、千分尺 电压：万用表
质量：天平
间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出 被测量。 电功率：P = I × V（电流/电压） 重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）
光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧， 温度升高，材料的性质发生变化。 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面 电荷变化的现象。 辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化 的现象。 温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生 电动势，回路中产生电流。
光敏电阻是光电导型器件 光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉 （CdS），锑化铟（InSb）等。 特点： 光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； 偏置电压低，工作电流大； 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； 光电导增益大，灵敏度高；
无极性，使用方便；
在强光照射下，光电线性度较差； 光电驰豫时间较长，频率特性较差。
4.2.4 光电探测器件 半导体光电器件 光电导器件—光敏电阻 光伏器件 光电池 光电二极管/三极管
真空光电器件
光电管 光电倍增管
热电探测器件
热敏电阻 热电偶和热电堆
热释电探测器件
光子器件
热电器件
真空器件 光电管 光电倍增管
固体器件
光敏电阻
光电池 光电二极管 光电三极管 光纤传感器 电荷耦合器件CCD
4.2.3 半导体基础知识 导体、半导体和绝缘体
自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。
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敏感材料的自由载流子吸收：材料吸
收光子后不引起载流子数量的变化， 而是引起载流子迁移率的变化。 这类器件常需要在极低温度下工作，以 降低能量向晶格转移。
敏感材料基本光学特性
光电探测敏感材料的吸收机理
本征吸收 杂质吸收
h c h
c
h 电离能 Eg
c
E g c 为长波限。
《太赫兹科学与技术原理》
《太赫兹科学技术和应用》 《红外探测器（第二版）》 《窄禁带半导体物理学》 《薄膜技术与薄膜材料》 《红外成像阵列与系统》
国防工业出版社，2012
北京大学出版社，2007 机械工业出版社，2014 科学出版社，2005 清华大学出版社，2006 科学出版社，2006
课程介绍
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础 光电探测器特性参数
第二节：光电探测器用敏感材料
敏感材料基本光学性质
不同波段敏感材料的特点及选择
第三节：常见光电探测器的器件结构原理
按结构原理分类光电探测器 不同结构器件的工作原理
第一节：光电探测技术基础
光谱波段划分
紫外线（100～380nm）、可见光（380～760nm）、近红外线（ 0.76~30μm）、 太赫兹30μm ~ 3mm及X射线、γ射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续 的电磁波谱。
半导体物理基础
能带（涉及“半导体光电子学”知识）
能带：一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条 带，称为能带 允许带：允许被电子占据的能带。允许带之间的范围是不允许 电子占据的。这一范围称为禁带。 价带：价电子所占据能带。价带可能被填满，也可能不被填满。 填满的能带称为满带． 导带：部分被电子占据的能带。
半导体物理基础
发光二极管
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
发光二极管
第一节：光电探测技术基础
（2） 外加反向电压 （反偏）
在PN结上加反向电压，外电场与 内电场的方向一致，扩散与漂移运动 的平衡同样被破坏。外电场驱使空间 电荷区两侧的空穴和自由电子移走， 于是空间电荷区变宽，内电场增强， 使多数载流子的扩散运动难于进行， 同时加强了少数载流子的漂移运动， 形成由N区流向P区的反向电流。由于 少数载流子数量很少，因此反向电流 不大，PN结的反向电阻很高，即PN结 处于截止状态。
敏感材料基本光学特性
光电探测敏感材料的吸收机理
敏感材料的本征吸收：入射辐射的光
子能量大于半导体禁带宽度，使电子 从价带激发到导带而改变其光电导率。 其优点是工作温度比非本征型高。
敏感材料杂质吸收：入射辐射激发杂
质能级上的电子或空穴而改变其电导 率。其优点是长波效应较好。
半导体的光激发过程 (a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由载流子吸收
第一节：光电探测技术基础
（3） 零偏（光照下）
半导体物理基础
背光源 偏振片
液 晶
偏振片
TN-LCD
第一节：光电探测技术基础
什么是光电效应
某些固体受到光的作用后，其中的电子直接吸收光子能 量而发生运动状态的改变，从而导致该固体的某种电学 参量的改变，这种电学性质的改变统称固体的光电效应。
第一节：光电探测技术基础
外光电效应：
外光电效应
当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会 被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大， 吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表面， 这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称 为外光电效应。
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外光电效应
当敏感材料表面在特定的光作用下，敏感材料会吸收光子并 发射电子。光的波长需小于某一临界值（相等于光的频率高 于某一临界值）时方能发射电子，其临界值即极限频率和极 限波长。临界值取决于材料，而发射电子的能量取决于光的 波长而非光的强度，这一点无法用光的波动性解释。
第一节：光电探测技术基础
光磁电效应
光磁电效应
光磁电效应：当红外光入射到半导体表面，如有外磁场存在，
则半导体表面附近产生的电子－空穴对在半导体内部扩散的 过程中，电子和空穴各偏向一侧，因而在半导体两端产生电 位差，这种现象为光磁电效应。
利用光磁电效应可制成半导体红外探测器。这类半导体材料有 Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等。
关于光的速度
敏感材料基本光学特性
光的反射
敏感材料基本光学特性
光的折射
敏感材料基本光学特性
光的色散与散射
敏感材料基本光学特性
光的色散与散射
敏感材料基本光学特性
材料的透射性
敏感材料基本光学特性
光的吸收
以上五种吸收中，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。 其他吸收都程度不同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。
第一节：光电探测技术基础
热电效应
热电效应
德国物理学家赛贝克用两种不同金属导体组成闭合回路，并用酒精灯
加热其中一个接触点，发现回路的指针发生偏转，但如果同时对两个 接触点加热，指针的偏转角反而减小。（热电效应或塞贝克效应）
热电偶基本定律： （1）若A与B相同，无论两接点温度如何，回路总热电势为零； （2）若T=T0，回路总热电势为零； （3）热电势输出只与两接点温度及材料性质有关，与A、B的中间各 点的温度、形状及大小无关。
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热释电效应
热释电效应
对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或冷却后，由于温度的变化
（△T）而导致自发式极化强度变化（△Ps），从而在晶体某一定方 向产生表面极化电荷的现象。宏观上是温度的改变在材料的两端出现 电压或产生电流。
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光电探测器特性参数
半导体物理基础
光电二极管
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
♫ 外加反偏电压于结内电场方向一致，没有光照时，反向电流很小（一般小 于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能 量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴 对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，电子被拉向n区 ，空穴被拉向p区而形成光电流，使反向电流明显变大。同时势垒区一侧一个 扩散长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与 导电。光的强度越大，反向电流也越大。光电二极管在一般照度的光线照射下 ，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号 ，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
适合受众：
攻读硕士与博士研究生的同学； 参加工作的同学。
课程介绍
参考书目：
《半导体器件物理（第3版）》 施敏 (S.M.SZE) 《光电探测技术与应用》 《军用紫外探测技术及应用》 郝晓剑，李仰军 许强 李允植 (Yun-Shik Lee) 许景周 Antoni Rogalski 褚君浩 田民波 常本康，蔡毅 西安交通大学出版社，2008. 国防工业出版社，2009 北京航空航天大学出版社， 2010
PN结的能带结构
半导体物理基础
第一节：光电探测技术基础
ＰＮ结的单向导电性
（1） 外加正向电压 （正偏）
PN结上加正向电压，外电场与内 电场方向相反，扩散与漂移运动平衡 被破坏。外电场驱使P区空穴进入空间 电荷区抵消一部分负电荷，同时N区自 由电子进入空间电荷区抵消一部分正 电荷，则空间电荷区变窄，内电场被 削弱，多子的扩散运动增强，形成较 大的扩散电流（由P区流向N区的正向 电流）。在一定范围内，外电场愈强， 正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻 很低，即PN结处于导通状态。
第一节：光电探测技术基础
光伏效应应用
内光电效应
第一节：光电探测技术基础
光电导效应
内光电效应
第一节：光电探测技术基础
光电导效应 光激发：产生空穴、电子，跃迁到导带。 杂质半导体：
内光电效应
n 型：施主能带靠近导带，电子获得足够能量进入导带参与导 电。
p 型：受主能带靠近价带，价带电子吸收光子能量跃迁受主能 带，使价带产生空穴参与导电。 表征光电导效应主要有三个参数：灵敏度、弛豫时间（惰性） 、光谱分布等。
电学信号
信号处 理电路
视频信号
显示设备
景物辐射 探测对象
大气传输
光学系统
显示 显示 记录 传输、执行 信号处理
探测器
信号读出
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半导体物理基础
我们将第IV簇（最外层轨道有四个电子）（Si、Ge、SiGe）、III-V簇（GaAs、 GaN等）、以及II-VI簇（ZnO、CdS等）化合物，且掺杂极少杂质的半导体的结 晶，称之为本征半导体（intrinsic semiconductor )
光伏效应
内光电效应
光伏效应：在半导体 P-N结及其附近区域吸收能量足够 大的光子后，在结区及结的附近释放出少数载流子（自 由电子或空穴）它们在结区附近靠扩散进入结区，而在 结区内则受内建电场的作用，电子漂移到 N区，空穴漂 移到 P 区，如果 P-N 结开路，则两端会产生电压。这种 现象为光生伏特效应。
半导体对光的吸收主要是本征吸收
1.24 L ( m) 本征型光敏电阻的长波限： Eg
< c
1.24 ( m) ED 由于Eg>>ΔEd，所以掺杂型半导体光敏电阻对红外波段较为敏感。
第一节：光电探测技术基础
不同光谱的特点与应用
第一节：光电探测技术基础
光的三原色
“红、绿、蓝”??? 红、绿、蓝三种色光无法被分解， 故称“三原色光”
太阳光谱
第一节：光电探测技术基础
牛顿与歌德光学之争