硅光电二极管在光电检测技术中的发展
硅光电二极管
在光电检测技术中的发展
(读书报告)
班级：110111
学号：110111111
姓名：刘平贵
2014年6月
一、前言
“光电二极管”英文通常称为 Photo-Diode。而硅光电二极管是其按照材料类别分类的一种。首先先从光电二极管说起，光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但是，在电路中不是用它作整流元件，而是通过它把光信号转换成电信号。同时，光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度约大，反向电流也约大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。
其中PIN型硅光电二极管具有快速、廉价、兼顾、灵敏度高、量子效率高、体积小、重量轻、可靠性好、使用方便等特点。它不仅在工农业生产、军事、科研、天文地理中得到广泛的应用，而且在航天航空遥感中也有很好的使用，因此，硅光电二极管具有广泛的发展前景。
二、结构工作原理（按结特性分析）
1、PN结型硅光电二极管
硅光电二极管同光电池一样，按基底材料不同可分为2DU型和2CU型。2CU 系列以N-Si为衬底，2CU系列光电二极管只有两个引出线；2DU系列以P-Si 为衬底，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。
1)2DU管子,当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路;
2)2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。
2、PIN结型硅光电二极管
PIN型硅光电二极管是一种常用的耗尽层型光电二极管，通过适当的选择耗尽层的厚度，可获得较高的灵敏度和叫好的频率响应特性，适用于快速探测的场合。PIN型光电二极管的工作原理和普通光电二极管一样，其不同之处在于结构上在P型和N型之间加入了一个本征半导体I型层。当PN结受到光照射时，光子和半导体晶格原子相互作用，当入射光子能量E=hv超过硅材料禁带
宽度E
0=hv
，就在耗尽层区域中或离耗尽层区边沿一个扩散长度内产生电子空
穴对，这种电子空穴对被外加电场拉开，电子向N区漂流，空穴向P区飘移，当载流子的移动通过耗尽层时，在外电路形成光电流。这是PIN硅光电二极管的工作原理。同时，由于PIN硅光电二极管能选择耗尽层的厚度，是灵敏度和响应速度组佳化，故它是比PN硅光电二极管更为优越的探测器。
三、硅光电二极管器件性能参数
1、电学特性
（1）暗电流：
在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。暗电流必须预先测量，特别是当光电二极管被用作精密的光功率测量时，暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。
（2）电容：
硅光电二极管的电容包括结电容、管壳电容、引线电容、金属化电容等。
2、光学特性
（1）响应率：
硅光电二极管的响应特性与突发光照波长的关系响应率（responsivity）定义为光电导模式下产生的光电流与突发光照的比例，单位为安培/瓦特（A/W）。响应特性也可以表达为量子效率（Quantum efficiency），即光照产生的载流子数量与突发光照光子数的比例。
（2）光谱噪声I
N 和探测率D
A
：
光电二极管的噪声来自散粒噪声与热噪声.弱光照射时，散粒噪声小于热噪声，强光照射时，散粒噪声大于热噪声。PIN硅光电二极管的噪声主要是由暗电流决定的。它的大小直接反映器件对微弱信号的探测能力，其主要表现为散粒噪声的性质。
（3）响应速率：
响应特性标志着光电二极管对快速突变光信号的传输响应。影响响应速度的是，光生载流子的扩散时间。若对PIN型硅光电二极管以耗尽层为主要工作区，扩散时间可忽略。
（4）均匀性和稳定度：
采用小光点测量，PIN硅光电二极管器件表面的灵敏度的不均匀性为△max=2.1%。
3、可靠性和稳定性：
所谓器件的可靠性是指器件在规定的条件下，在一定时间内能正常工作的概率。而稳定性是指器件在各种环境条件下储存或工作以后各技术参数的变化。硅光电器件的可靠性和稳定性，直接与器件的材料、结构、使用目的，以及使用电路的电学、热学条件、温度、湿度、压力、放射性辐射、振动、冲击、腐蚀等密切相关。
四、硅光电二极管在光电检测电路中的分析及应用
1、硅光电二极管的基本结构及等效电路
Rs 是串联电阻，由接触电阻、未耗尽层材料的体电阻所组成, Cd 是结电容, Rs 、Cd 的大小同管子尺寸、结构和偏压有关, 偏压越大, Rs 、Cd 越小, Rd 是硅光电二极管的并联电阻, 由硅光电二极管耗尽层电阻和漏电阻所构成.它也是随温度的变化而变化的, 与管子尺寸有关.结面积越小, Rd 越大.温度越高, Rd 越小。D为PN 结等效二极管, RL 为负载电阻, CL 为负载电容。
2、硅光电二极管的线性响应与负载电阻的关系
在光电检测电路中当检测信号是缓变信号时, 电容Cd 、CL 的影响忽略不计, 此时, 由图硅光电二极管的等效电路可知, 通过等效二极管D 的电流为：
式中I
是光电二极管的反向饱和电流, q 是电子电量, k 是波尔兹曼常数, Ud 是加在硅光电二极管上的电压, 常数A 对于硅材料而言[ 3] , A ≈2 , VT
=kT/2 , 流过负载上的电流IL 为：
由上式可知, 硅光电二极管接受激光辐射时, 输出的负载电流并非线性关系, 而是指数关系.在输出短路的情况下, 由于Rs RL , 则上式变为
如果二极管的向饱和电流很小, 而输出电流不大, 即保持IsRL AVT , 可得到IL ≈Ip , 即输出电流近似等于光电流, 也就是线性好.因此, 硅光电二极管进行激光测量时要选取Rf 大、Rs 小、I0 小的二极管, 并在输出短路状态下工作.下面推导硅光电二极管的线性公式:设硅光电二极管的线性偏差为P =(Ip -IL)/ IL ，得：
由式可以定性看出Rs 越小,Rd 越大, I0 越小时, 线性P 值越小, 即线性好.在负载短路状态下, RL =0 ,一般RS Rd , 故式可简化为
由式可见:只要I0 和Rs 值很小, 则线性偏差值很小, 即线性好.对于2CUGS
型硅光电二极管,其暗电流I0 =2 .1nA , 串联电阻Rs =10Ψ, 常数A =2 在常温
下计算得1/AVT ≈
20(1/ V).带入(7)式
可得不同输出短路电
流情况下的IL —P
曲线.如图所示.由图
可见其线性很好, 但
输出电流IL 1mA时,P
值增加很快, 硅光二
极管的线性变差.当
RL ≠0时, 又考虑(RL +Rs) Rd 的情况下,式化简为下式：（图为2CUGS型硅光电二极管短路状态
下线性偏差I
L
-P曲线）
综上式可得, 在I
L 不为零时, 随着R
L
的增大P值增大,线性变坏.若取R =100欧,
1千欧时, 则在其它条件不变的情况下所得的IL —P 曲线如图所示：
（不同R L 值是2CUGS 型硅光电二极管线性偏差I L -P ）
3、硅光电二极管应用：
（1）在光电阴极与硅光电二极管的结合中的应用
荷兰D E P 公司最近推出一种混成光电倍增管, 这是一种全新的概念。这种光电倍增管由一个传统的光电阴极和一个硅光电二极管构成, 两者都装在同一个管子内。光电阴极把光子转换成电子, 电子得到加速后聚焦在硅光电二极管上。这种光电倍增管的增益与加速电压成正比, 其主要特点是响应时间短(2 ns)、增益高( 3＊103 )、线性度好(104)；
（2）二极管阵列检测器（diode-array detector, DAD ）是以光电二极管阵列（或CCD 阵列，硅靶摄像管等）作为检测元件的。它可构成多通道并行工作，同时检测由光栅分光，再入射到阵列式接受器上的全部波长的信号，然后，对二极管阵列快速扫描采集数据，得到的是时间、光强度和波长的三维谱图。
（3）硅光电二极管在光纤探测器中的应用；
（4）硅光电二极管在CCD 中的应用等。
五、硅光电二极管在光电检测方面的发展
1、国内发展：硅光电二极管的新发展在各种波长(蓝、近紫外)激光器迅速发展情况下,探测这些波长的激光硅光电二极管有了新的发展。蓝、近紫外激光的新应用是,用可调染料激光器进行吸收研究,对于有机分子键的分解和激光多普勒测速。
2、国外发展：新产品性能新型的硅光电二极管是通过平面扩散、氧钝化制备的,响应率改进了20％～57％。美国联合探测器技术公司目前已进入试生产。
六、自身通过学习对硅光电二极管技术的认知
通过这一学期对光电技术的学习加之自身对光电检测知识的了解，我深切认识到伴随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测作为光电信息技术的主要技术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模数转换等接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。
而光电二极管便是光电检测系统的重要组成部分，它是检测系统中进行光电转换的重要元件，同时，硅光电二极管的发展也给光电检测技术的发展带来了新的方向。当然，于此同时，硅光电二极管技术在光电检测中的发展也为我国工农业、航天、军事、医疗等各方面提供了有利的技术保障与支持。
七、参考文献
[1] 苏俊宏等，光电技术基础[J].国防工业出版社2011，
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[7] 郭陪源等.光电检测技术与应用[M].北京航空航天大学.2006
激光检测技术研究现状与发展趋势
激光检测技术研究现状与发展趋势 提要：激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需要单独测量，而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测方法（如外差、相关、取样平均、光子计数等）被引入，使测量灵敏度和测量精度得到大大提高。用激光检测关键技术(激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术)实现的激光干涉仪、激光位移传感器等，可以完成纳米级非接触测量。可以说，超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展而发展；在此基础上，提出了激光测量需解决的关键技术及今后的发展方向。 1.测量原理 1.1激光测距原理 先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。
1.2激光测位移原理 激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。 2.激光测量系统的应用 激光功率和能量是描述激光特性的两个基本参数，激光功率计和能量计是最常用的两类激光测量仪器。随着激光技术的不断发展，对激光测试技术和测量仪器提出了更高要求。由于调Q和锁模激光的出现和应用，要求测量的激光功率已从毫瓦、瓦、千瓦、兆瓦直到千兆瓦以上。激光能量也从毫焦尔逐渐跨过千焦尔。脉冲激光的持续时间也由毫秒、微秒、毫微秒、而缩短至微微秒量级。光谱范围也从紫外、可见、红外扩展到近毫米波段。激光精密测量和某些生物医学方面的研究和应用(如眼科治疗、细胞手术器等)的发展，对激光测量的精度也提出了非常高的要求。 2.1激光非球面检测技术 长期以来，非球面检测技术一直制约着非球面制造精度的提高，尤其对于高精度非球面的检测。规的非球面检测方法如刀口阴影法、激光数字干涉法及接触式光栅测量法等，对于检测工件表面来说都有一定的局限性。原子力显微镜是利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与
光电检测技术
光电检测技术总结 经过一学期的光电检测技术课程的学习，我们大致上了解了光电检测技术有许多方面的知识，按照传感器、转换电路、检测装置划分排列。接下来我们来仔细探讨一下究竟有什么值得我们学习的。 首先是光电技术的定义。何为光电技术？光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，或进入计算机处理，最终显示输出所需要的检测物理参数。其中检测和测量有一些不同的地方：检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或是否存在。测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。而光电检测技术的应用存在在生活中的每一个部分。比如人的视觉功能，人眼是一个直径为23mm的近似球体，眼球前方横径为11mm的透明角膜具有屈光作用，角膜后的虹膜中央有称为瞳孔的圆孔，它可以扩大或缩小以调节进入眼球的光亮。虹膜后的水晶体相当于光学系统中的透镜，其直径为9mm。在眼球的后方有视网膜，这是光学细胞和杆状细胞，它们和视网膜上的其他细胞组成的微小感光单元。这些感光单元接收光刺激后转化为神经冲动，经视神经传导到大脑的高级视觉中枢，从而产生亮度和彩色的感觉，同时也形成有关物体状和大小的判断。因此，人眼是一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器。正好光学仪器是人眼的视觉扩展，通过利用光辐射的各种现象和特性，摄取信息实现控制的有力工具，它是人类视觉参与下才能工作的。光学仪器一共在人类视觉上做出了以下的扩展：1、时间上扩展，可以通过摄像机记录过去的样子；2、空间上的扩展，通过地球卫星观看世界个地的样貌；3、识别能力的扩展，通过放大镜和显微镜我们能够观测到人眼看不见的细微东西。 光电检测系统由哪些东西组成？典型的光电仪器包括了精密机械、光学系统、光电信号传感器、电信号处理器和运算控制计算机以及输出显示设备等环节。各种环节分别实现各自的职能，组成光、机、电的综合系统。一个典型的光电检测系统的组成由辐射源开始，依次为传输媒质、检测目标、光学系统、光点检测器件、信息处理、输出设备。其中辐射源通过传输媒质由对象空间进入到光电系统。
光电检测技术试题及答案
光电检测技术试题及答案 光电检测技术试题及答案1、光电器件的基本参数特性有哪些? (响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度) @响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应 @噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声 1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP 2、光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。 (光电子学光电子器件) 3、光电检测系统通常由哪三部分组成 (光学变换光电变换电路处理) 4、光电效应包括哪些 外光电效应和内光电效应) 外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。 5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种? (光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池) 6、激光的定义，产生激光的必要条件有什么? ( 定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔) 7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出? (交变辐射) 8、 CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么? (电荷 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。) 9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。 (直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法) 10、光热效应应包括哪三种。 (热释电效应辐射热计效应温差电效应) 11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么?
基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析
基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析 发表时间：2017-03-09T11:18:47.780Z 来源：《电力设备》2017年第1期作者：王风敏 [导读] 在光电检测电路设计时，应该尽可能地减小噪声，从而提升系统的检测分辨率和信噪比。 （池州学院安徽池州 247100） 摘要：噪声是目前影响光电检测电路检测性能的重要因素，在光电检测电路设计时，应该尽可能地减小噪声，从而提升系统的检测分辨率和信噪比。为此，本文就对基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声进行了分析，首先简单介绍了光电二极管检测电路，然后对基于光电二极管反偏的光电检测电路设计进行了分析，随后探讨了光电检测电路的噪声，最后提出了光电检测电路的总噪声及低噪声的设计原则，旨在为低噪声光电检测电路的设计提供帮助。 关键字：噪声；光电检测电路；光电二极管；反偏 引言 现如今，光电检测技术已经被广泛地应用于诸多领域，从理论的角度分析而言，利用光电检测电路能够将任何存在光辐射信号地方的信号检测出来。然而，在实际检测过程中，经光电二极管转换的光电信号是非常微弱的，经常出现被检测信号被噪声淹没的情况，严重影响的光电检测电路的检测能力。因此，对光电检测电路的噪声进行分析具有非常重要的意义。 1.光电二极管检测电路 1.1光电二极管工作原理 光电二极管主要是利用半导体通过光电效应实现光信号到电信号的转换。受热运动的影响，耗尽层两侧没有电场的中性区域内有一些以扩散运动方式的空穴与光生电子进入到耗尽层，然后受电场的作用形成扩散电流，且方向与漂移电流相一致。光生电流为扩散电流分量与漂移电流分量的总和。所以，当N层和P层的连接电路打开时，在它们的两端会产生一定的电动势，而该效应则被称之为光电效应。当P 层与N层的连接电路出现闭合时，N区的过剩电子与P区的空穴电流会相互流动，从而形成一种光生电流。光生电流会随着入射光的变化而进行线性改变，从而实现光信号到电信号的转变。 1.2低噪声光电检测线路设计的意义 通常情况下，通过光电二极管转换而得到的光电信号是较为微弱的，且在光电信号的检测极易受到噪声的干扰。实际情况表明，当通过光电来检测相关线路时，其中光电转换器件的前置放大电路噪声往往会对整个系统产生较为严重的影响，因此，要想提升系统的检测分辨率和信噪比，在设计光电检测电路时，必须尽量地降低噪声。 1.3噪声的实用性分析 通过分析光电检测电路中噪声产生的原因，并对其噪声特点进行分析，并针对电路设计过程中有可能出现的所有问题，尽可能地降低电路噪声，从而确保西戎检测分辨率与信噪比的提高。现如今，诸多领域中都涉及到了微弱光信号的检测，当然检测方法也是各式各样的，但就实际应用效果来看，一部分常用检测方法的灵敏度不是很高，在工作中往往无法满足相关要求，而利用光电技术对微弱信号进行检测，具有较高的精度和稳定性。 2.基于光电二极管反偏的光电检测电路设计 光电二极管的工作状态在光电检测电路中存在反偏、无偏、正偏三种。当光电二极管处于反偏状态时，在反偏偏压的作用下，光生截流子的运动会加快，与其它两种状态相比较而言，所产生的光电流更大，更有利于弱光条件下的检测。本文所研究的基于光电二极管反偏的光电检测电路的设计思路为：首先采用光电二极管连接反向高压，对微弱光信号进行探测，实现光信号到电流信号的转换；然后，再利用三极管实现电信号的流压转换；最后，再通过运算放大器来放大电压，从而完成对弱光信号检测。光电检测电路中的所有期器件都不可避免会产生相应的噪声，从而对整个电路的噪声输出产生不良的影响，下面本文就电路的噪声进行进一步分析。 3.光电检测电路的噪声 3.1光电二极管的噪声 （1）热噪声。热噪声指的是导电材料两端因其中截流子的不规则热运动而产生涨落的电流或电压，并且电流或电压的涨落是随机的。材料的噪声等效带宽、电阻及温度是决定材料热噪声电压的主要因素，其中电阻是主要的热噪声源，在电阻不变的情况下，减少温度及噪声等效带宽能够使热噪声得到有效地减少。 （2）散粒噪声。散粒噪声是指导电材料中由于光生截流子流动与形成密度的涨落而产生的噪声，散粒噪声电流和电压均方值取决于通过光电二极管的电流和噪声带宽，并且散粒噪声电压与电流的均方值与电流及噪声带宽呈正比例关系，减少电流和噪声带宽能够使散粒噪声得到有效地降低。在光电检测电路中，散粒噪声电流与热噪声电流是相互独立的，总电流的均方值为散粒噪声电流均方值与热噪声电流均方值之和。 3.2三极管的噪声 三极管的噪声主要取决于工作电流、发射结阻抗以及基区电阻等参数，光电检测电路设计时，应该选用噪声系数较小的三极管，同时，在对负载电阻的阻值进行确定时，需要对噪声与三极管静态放大倍数之间的关系进行充分地考虑，从而实现电路设计优化。 3.3运算放大器的噪声 光电检测电路中的运算放大器是由电容、电阻、晶体管等集成的，其中电阻和晶体管分别会产生相应的热噪声和散粒噪声。运算放大器的输出噪声电压与其自身的增益、带宽、模型以及反馈电阻等因素有关。在光电检测电路设计时，其它需求条件都满足的情况下，运算放大器应尽可能地选用小的，同时放大倍数确定后，对电路阻值进行调整时，应尽可能地减少反馈电阻的阻值，从而实现电路噪声的减少。 4.光电检测电路的总噪声及低噪声的设计 通过上文分析，我们不难得出光电检测电路主要包括光电二极管、三极管流压转换以及运算放大器三个模块，在对整个电路的噪声进行分析时，必须对这三部分进行级联。除与电路器件自身相关之外，光电检测电路的输出噪声电压还与其它众多因素相关联。（1）从理论的角度来看，三极管的负载电阻与其静态增益的并联值越小，电路噪声越小，越有利于检测，然而随着负载电阻与静态增益的减小，输出信号也在随之变小。因此，在实际条件过程中，应该首先尽可能地满足负载电阻的值，然后再结合负载电阻对静态增益进行调节。（2）从
光电探测技术实验报告
光电探测技术实验报告 班级：08050341X 学号：28 姓名：宫鑫
实验一光敏电阻特性实验 实验原理: 光敏电阻又称为光导管,是一种均质的半导体光电器件,其结构如图(1)所示。由于半导体在光照的作用下,电导率的变化只限于表面薄层,因此将掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘体表面就制成了光敏电阻，不同材料制成的光敏电阻具有不同的光谱特性。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。 实验所需部件: 稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、 各种光源、遮光罩、激光器、光照度计（由用户选配） 实验步骤: 1、测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻 观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩 盖,用万用表测得的电阻值为暗电阻 R暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的 阻值为亮电阻，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光 电阻越大，则灵敏度越高。 在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻， 试作性能比较分析。 2、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图(3)接线，电源可从+2~+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮则暗电流L暗=V暗/R L,亮电流L亮=V亮/R L，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 分别测出两种光敏电阻的亮电流，并做性能比较。 图（2）几种光敏电阻的光谱特性 3、伏安特性: 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。 按照图(3)分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V、12V时的光电流，并尝试高照射光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果填入表格并作出V/I曲线。 注意事项: 实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LV。光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。实验时各种不同波长的光源的获取也可以采用在仪器上的光源灯泡前加装各色滤色片的办法，同时也须考虑到环境光照的影响。
光电探测技术发展概况
光电探测技术发展概况 学号：20121226465姓名：熊玉宝 摘要:本文扼要论述光电探测技术重要性，并简要地介绍了光电探测技术的几种主要方法及发展趋势。 关键词:光电；探测；技术 光电探测技术是根据被探测对象辐射或反射的光波的特征来探测和识别对象的一种技术，这种技术本身就赋予光电技术在军事应用中的四大优点，即看得更清、打得更准、反应更快和生存能力更强。 光电探测技术是现代战争中广泛使用的核心技术，它包括光电侦察、夜视、导航、制导、寻的、搜索、跟踪和识别多种功能。光电探测包括从紫外光（0.2～0.4μm）、可见光（0.4～0.7μm）、红外光（1～3μm，3～5μm，8～12μm）等多种波段的光信号的探测。 新一代光电探测技术及其智能化，将使相关武器获得更长的作用距离，更强的单目标/多目标探测和识别能力，从而实现更准确的打击和快速反应，在极小伤亡的情况下取得战争的主动权。同时使武器装备具有很强的自主决策能力，增强了对抗，反对抗和自身的生存能力。实际上，先进的光电探测技术已成为一个国家的军事实力的重要标志。 现代高技术战争的显著特点首先是信息战，而信息战中首要的任务是如何获取信息。谁获取更多信息，谁最早获取信息，谁就掌握信息战的主动权。光电探测正是获取信息的重要手段。微波雷达和光电子成像设备常常一起使用，互相取长补短，相辅相成，可以获取更多信息，可以更早获取信息。前者作用距离远，能全天候工作；后者分辨率高，识别能力和抗干扰能力强。无论侦察卫星、预警卫星、预警飞机还是无人侦察机往往同时装备合成孔径雷达和CCD相机、红外热像仪或多光谱相机。为改进对弹道导弹的预警能力，美国正在研制的天基红外系统（SBIRS）拟用双传感器方案，即一台宽视场扫描短波红外捕获传感器和一台窄视场凝视多色（中波/长波红外、长波红外/可见光）跟踪传感器，能捕获和跟踪弹道导弹从发射到再入大气的全过程。美国已经装备并正在不断改进的CR-135S眼镜蛇球预警机，采用可见光和中波红外像机，能精确测定420km外的导弹发射，确定发动机熄火点，计算出它的弹道和碰撞点。最近在上面加了一台远程激光测距机，其作用距离可达400km。美国海军也在为战区弹道导弹防御
硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究_付文羽
第20卷 第5期 许昌师专学报 Vol.20.No.5 2001年9月 JOURNAL OF XUCHANG TE AC HERS C OLLE GE Sep.,2001 文章编号:1000-9949-(2001)05-0019-04 硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究 付文羽,彭世林 (庆阳师范高等专科学校物理系,甘肃西峰745000) 摘 要:分析了光电检测时硅光电二极管线性响应及噪声特性,给出了硅光电二极管的线性 度及信噪比公式,并结合噪声E n—I n模型[1],对光电二极管用于光电检测时影响电路信噪比的 因素进行了探讨. 关键词:光电检测;信噪比;噪声模型 中图分类号:TN710.2 文献标识码:A 0 引言 硅光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中,尤其在激光通讯测量中,通常要测量微瓦以下的光信号,就更离不开硅光电二极管.质量好的硅光二极管用于激光功率测量时,测量下限可达10-8W,分辨率可达10-12W.在许多场合,光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号,其特点是:单一频率或包含着丰富的频率分量的交变信号,当信号很微弱时,由于背景噪声和电路热噪声的影响,还需要对信号进行低噪声处理、放大.因此,在交变光电信号作用下,怎样正确选择硅光电二极管的参数,以获得最小非线性失真信号及信号检测的灵敏度就成为人们所关心的问题. 1 硅光电二极管的基本结构及等效电路 光电二极管是一种光电转换器件,其基本原理是当光照射在P—N结上时,被吸收的光能转变为电能,这是一个吸收过程,与发光二极管的自发辐射和激光二极管的受激幅射过程相逆.P—N型硅光电二极管是最基本和应用最广的管子.基本结构如图1所示,它是在N型硅单晶片的上表面扩散一薄层P型杂质,形成P+型扩散层.由于扩散,在P+区和N型区形成一个P+N结.P+区是透明的,光子可以通过P+区到达PN结区产生光电子.在N型硅单晶下表面扩散N型杂质以形成高浓度的N+扩散区,以便给金属电极提供良好的电接触.另一种常用的硅光电二极管是P—I—N型硅光电二极管,其结构同P—N型类似.位于P层和N层之间的耗尽层由本征半导体构成,可以提供一个较大的耗尽深度和较小的电容,适合于反向偏压工作.硅光电二极管的等效电路如图2所示,图中I s为电流源,它是硅光电二极管接收辐射后所产生的光电流I p和暗电流I d以及噪声电流I n之和,即: 图1 平面扩散型PN结光电二极管结构图图2 硅光电二极管等效电路 收稿日期:2001-03-19 作者简介:付文羽(1963-),男,甘肃宁县人,庆阳师专物理系讲师,工程硕士,主要从事光电检测与传感技术应用研究.
《光电检测技术》考试大纲
《光电检测技术》考试大纲 一、课程性质 专业基础课。 二、适用科学 仪器科学与技术、光学工程(包括专业型硕士：仪器仪表工程、光学工程)。 三、试卷结构 基础知识占60％，应用能力占40％。 四、参考书目 教材：徐熙平、张宁编著，光电检测技术及应用，机械工业出版社，2016 参考：雷玉堂主编，光电检测技术，中国计量出版社，2009 王庆有主编，光电传感应用技术，机械工业出版社，2011 五、考试内容与基本要求 第一章绪论 [考试要求]光电检测技术及特点、光电检测系统的组成。 [考试内容]光电检测技术、光电检测系统的组成。 第二章光电检测技术基础 [考试要求] 辐射度量和光度量的基本概念，半导体的物理基础，半导体对光的吸收，各类光电效应概念，光电器件的基本参数。 [考试内容] 辐射度量和光度量的基本概念 半导体物理基础：半导体特性、能带、半导体导电结构、载流子的运动， PN结、半导体对光的吸收； 内光电效应：光电导效应、光生伏特效应； 外光电效应； 光电器件常用的各种基本参数。 第三章光电检测器件 [考试要求]光电导器件、光生伏特器件、光电发射器件、热辐射探测器件、热释电器件、光电耦合器件和图像传感器件等各种光电传感器的结构、工作原理、 特性参数和使用方法，关键参数计算等。 [考试内容]光电导器件：光敏电阻； 光生伏特器件：光敏二极管、硅光电池、光敏晶体管、光电位置敏感器件；
光电发射器件：光电倍增管； 热辐射探测器件：热敏电阻、热电偶、热电堆； 热释电器件：工作原理，居里温度，热释电器件优点； 光耦合器件：定义、原理、如何用光耦合器件组成简单的逻辑电路？ 图像传感器：电荷耦合器件、CMOS图像传感器、红外热成像、图像的增强 与变像。 第四章半导体发光管与激光器 [考试要求] 发光二极管、激光器等常用光源的工作原理、特性及其应用。 [考试内容]发光二极管：发光机理、应用； 半导体激光器：发光机理、结构； 几种典型的激光器：气体激光器、固体激光器结构。 第五章辐射信号检测 [考试要求] 辐射信号检测的方法，如直接检测、光外差检测、基于几何光学方法的光电信息变换检测、温度检测、莫尔条纹检测，并结合实际举例说明了如何 使用调制盘检测、投影放大法、光三角法、光扫描法、光焦点法等进行长、 宽尺寸测量的原理、结构，典型信号检测的优缺点。 [考试内容]直接探测法：光学系统、调制盘； 光外差探测法：探测原理、光外差探测的特性； 几何光学方法的光电信息变换：长、宽、位移、速度； 莫尔条纹特点及特性参数计算。 第六章光电检测系统典型电路 [考试要求] 常用的光电传感器如光敏电阻、光敏二极管、CCD电荷耦合器件等对应的典型电路，并举例说明了使用可编程逻辑器件进行CCD驱动的方法，视 频信号的二值化处理方法，光电信号常用的辨向处理和细分电路。 [考试内容]光敏电阻的变换电路：基本偏置、恒流电路、恒压电路； 光生伏特器件的偏置电路：反偏、零偏； CCD器件驱动电路：驱动电路时序方法、可编程器件产生驱动时序； 视频信号二值化处理电路：阈值法、微分法； 常用的光电信号辨向处理与细分电路。 第七章微弱信号检测
光电检测技术在机械设计中的应用与发展(DOC)
《光机电检测技术》 结课论文 光电检测技术在机械设计中的应用
摘要：本文通过对光电检测基本原理的描述，通过讨论了光电检测技术在印刷机，包装机械，洗衣机当中的应用，论述了在工艺上应该注意的问题。 关键词：光电检测，机械 前言：检测技术在国民经济的各个行业中,起着举足轻重的作用,无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测,利用现代光电子技术作为检测手段,具有无接触、无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、测量精度高等优越性,是当今检测技术发展的主要方向。光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模/数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。 1.光电检测的基本原理 图1 光电检测系统主要由投光器(光源)、受光器、信号处理装置等组
成。根据受光器所感知的信号判断被测对象的有无、形状、方位和颜色时,按投光器和受光器的相对位置不同可分为反射型和透过型两种型式,见图2。作为光电检测媒介的光可以是自然光如白炽灯、萤光灯或卤素灯发出的光。随着光电技术的发展,现常用的是一种特殊的经过调制的光,它是反光二极管在电压作用下发出的光。因为半导体没有热惯性,可以在通电的瞬间发光,并且可发出与电流波形相同的光,这大大提高了其抗干扰能力。投光器发出的光采用不同形式接触被测物后照射在受光器上,而受光器是在光照射下产生电流(或电导率发生变化),即所谓的具有光电效应的光敏元件,常用的有光电二极管和光电三极管。光电二极管的PN结在没有光照时和普通二极管一样具有单向导电性,使用时处于反向偏置;光线照射管芯,会产生光生载流子,在反向电压作用下,生载流子导电产生光电流,即随入射光强度的变化在负载电阻的两端就会产生随光强度变化的光电压,经检波、放大处理去推动控制系统。 图2 2.光电检测在机械设计中的应用
光电检测技术课程作业及答案(打印版)
思考题及其答案 习题01 一、填空题 1、通常把对应于真空中波长在（0.38mμ）到（0.78mμ）范围内的电磁辐射称为光辐射。 2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。 3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。 二、概念题 1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。 2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦(1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。 3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为(瓦每球面度平方米) 。 4、辐射强度：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W／sr(瓦每球面度)。 三、简答题 辐射照度和辐射出射度的区别是什么？ 答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接
收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。 四、计算及证明题 证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？答： 222 4444R I R I dA d E R dA d E R I I ===∴= ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为 ()1 2222222221 122 12 11001001010E E L I E L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴= = 又的距离为第二个探测器到点光源， 源的距离为设第一个探测器到点光 习题02 一、填空题 1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。 2、价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能向电子提供能量的外力作用）、（电子跃入的那个能级必须是空的）。 3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能态的分布），二是这些能态中（每一个能态可能被电子占据的概率）。 4、半导体对光的吸收有（本征吸收）（杂质吸收）（自由载流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的吸收主要是（本征吸收）。 二、概念题 1、禁带、导带、价带：
光电检测技术考试试卷
光电检测技术期中考试试卷 2014 一．选择题（20分） 1．对于费米能级，以下说法不正确的是（ ） A 一个平衡的系统只能有唯一一个费米能级 B 电子占据率为0.5时所对应的能级 C p 型半导体材料费米能级靠近价带顶 D n 型半导体材料费米能级靠近价带顶 2．负电子亲和势阴极和正电子亲和势比较有重要差别，参与发射的的电子（ ） A 不是冷电子，而是热电子 B 不是热电子，而是冷电子 C 既是冷电子，又是热电子 D 既不是冷电子，也不是热电子 3．下列器件按照响应速度由快到慢的顺序，正确的是（ ） A PIN 光电二极管 PN 结光电二极管 光电三极管 光敏电阻 B PIN 光电二极管 光敏电阻PN 结光电二极管 光电三极管 C 光电三极管 PIN 光电二极管 光敏电阻PN 结光电二极管 D PN 结光电二极管 光电三极管 PIN 光电二极管 光敏电阻 4．下列探测器的光－电响应时间，由少数载流子的寿命决定： （ ） A 光电导探测器 B 光电二极管 C 光电倍增管 D 光电倍增管 5．对于光敏电阻，下列说法不正确的是( ) A 弱光照下，光电流与照度之间具有良好的线性关系 B 光敏面做成蛇形，有利于提高灵敏度 C 光敏电阻光谱特性的峰值波长，低温时向短波方向移动 D 光敏电阻具有前历效应 6．下列光源中哪一种光源，可作为光电探测器在可见光区的积分灵敏度测量标准光源：（ ） A 氘灯 B 低压汞灯 C 色温2856K 的白炽灯 D 色温500K 的黑体辐射器 7．当黑体的温度升高时，其峰值光谱辐射出射度所对应的波长的移动方向为（ ） A.向短波方向移动 B.向长波方向移动 C.不移动 D.均有可能 8．表中列出了几种国外硅APD 的特性参数 根据表中数据，要探测830nm 的弱光信号，最为合适的器件是 （ ） A C30817E B C30916E C C30902E D C30902S 9．已知甲、乙两厂生产的光电器件在色温2856K 标准钨丝灯下标定出的灵敏度分别为uW uA S e /5=， lm A o S v /4.=，则甲乙两厂中光电器件灵敏度比较结果正确的是（ ） A. 甲场灵敏度高 B. 乙场灵敏度高 C. 甲乙两场灵敏度一样高 D. 无法比较
光电测试技术考试版
1、光电测试技术的发展，从功能上来看具有什么特点： 1、 从静态测量向动态测量发展； 2、 从逐点测量向全场测量发展； 3、 从低速测量向高速测量发展，同时具有存储和记录功能。 2、测量中应遵循的原则：阿贝原则，封闭原则 3、人眼进行调焦的方法中最简单、最常用的是清晰度法和消视差法。 人眼的对准不确定度和调焦不确定度 最简便最常用的调焦方法是清晰度法和消视差法。 清晰度法是以目标与比较标志同样清晰为准。调焦不确定度是由于存在几何焦深和物理焦深所造成的。 消视差法是以眼睛在垂轴平面上左右摆动也看不出目标和标志有相对横移为准的。 用望远镜调焦的目的是提高精度、准确度 4、 光电对准按功能原理分类： a) 光度式：普通光度式、差动光度式 b) 相位式:光度式的基础上加入一个调制器即成为相位式 5、 关于光具座： 测量焦距时使用玻罗板 6、 分辨率测试技术有几种判据？ ? 瑞利（Rayleigh ）判据认为，当两衍射斑中心距正好等于第一暗环的半径时，人眼刚 能分辨开这两个像点，这时两衍射斑的中心距为 ? 道斯（Dawes ）判据认为，人眼刚能分辨两个衍射像点的最小中心距为 ? 斯派罗（Sparrow ）判据认为，当两个衍射斑之间的合光强刚好不出现下凹时为刚可 分辨的极限情况，两衍射斑之间的最小中心距为 例：假设汽车两盏灯相距r =1.5m ，人的眼睛瞳孔直径D=4mm ，问最远在多少米的地方，人眼恰好能分辨出这两盏灯? 1－平行光管 2－透镜夹持器 3－测量显微镜 4－ 测微目镜 5－导轨 1 2 3 4 5 0'1.22 1.22f F D σλλ==0 1.02F σλ=00.947F σλ=
光电检测技术实验设计
光电检测技术 实验报告 题目：光电报警系统的设计和制作学院：仪器科学与光电工程学院专业：测控技术与仪器 班级： 学生姓名： 指导老师：
实验三 光电报警系统的设计和制作 一、设计任务 红外报警器系统的原理框图如图1所示。由红外光源发出的红外辐射被红外探测器接收，红外辐射信号变为电信号，经信号放大和处理电路后送报警电路。系统分成发送和接收两部分，分开放置。当没有人和物体进入这两部分之间，红外辐射没有被阻挡时，报警处于不报警状态。一旦有人或物体进入这两部分之间。红外辐射被阻挡，报警器立即翻转到报警状态。 图1 红外报警器系统原理框图 二、设计方案 （1）发射端电路 用NE555组成振荡器来驱动发光管，NE555构成多谐振荡器原题图如图2所示。下面对照电路图简述其工作原理及参数选择。 图2 多谐振荡器 注：1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值) 7放电 8电源电压Vc 当3脚为高电平（略低于Vc 时），输出电压将通过R1对C1充电。A 点电压按指数规律上升，时间常数为R1C1。 当A 点电压上升到上限阙值电压（约2Vc/3时），定时器输出翻转成低电平
（略大于0V）。这时，A点电压将随C1放电而按指数规律下降。当A点下降到下限阙值电压（约Vc/3）时，定时器输出变成高电平，调整R2的阻值得到严格的方波输出。 用NE555组成振荡器来驱动发光管时，要注意发光管上串联一个限流电阻。使输出电流小于或等于发光管的最大正向电流 F I。若振荡器输出电压为Vo，则 限流电阻R取值为F F O I V V R - ≥ 。如果限流电阻低于上述公式所得值，或未加限流电阻，则会造成发光管和定时器烧毁。 D2 LED 图3 振荡发射电路原理图 （2）光电检测、比较报警电路 D4 LED R8 500 图4 光电检测放大器电路原理图比较报警电路的设计利用光敏二极管的反向特性，当接收到光信号时，光敏二极管导通良好，产生电压，放大器即可对信号处理；当没有接收到光信号时，光敏二极管截止，放大器的同相端电压几乎为0。利用1/2LF353构成的光放大器，如图所示。用1/2LF353构成一个比较放大器。放大器的正端加2V左右偏压，负端加信号电压。当光线未阻断时，从主放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经低通滤波器后得到直流电压，使后面的放大器负载输入端电位大于（或等于）正输入端电位。
光电检测技术的现状及发展趋势
光电检测作为光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，主要包括光信息获取、光电变换、光信息测量以及测量信息的智能化处理等，具有精度高、速度快、距离远、容量大、非接触、寿命长、易于自动化和智能化等优点，在国民经济各行业中得到了迅猛的发展和广泛的应用，如光扫描、光跟踪测量，光纤测量，激光测量，红外测量，图像测量，微光、弱光测量等，是当前最主要和最具有潜力的光电信息技术。本文从光电检测技术本身特点出发，分析其发展现状及发展趋势。 一、光电检测技术的概述 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高测系统输出信号的信噪比。 光电检测的系统机构比较简单，分为信号的处理器，受光器，光源。在实际检测过程中，受光器在获得感知信号后，就会被反映为不同形状、颜色的信号，同时根据这些器件所处在的不同位置，就能够将他分为反射型与透过型的两种比较的模式。光电检测的媒介光应当是自然的光，例如白炽灯或者萤光灯。特别是随着这些技术的发展，光电技术也取得的非常好发展。由于投光器在发出光后，会以不一样的方式触摸这些被检测物中，直到照射到检测系统中的受光器中，同时受光器在此刺激下，会产生一定量的电流，这就是我们常说的光敏性的原件，实际生活中应用比较广泛的有三极管、二极管。 光电检测技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，它具有高精度、高速度、远距离、大量程、非接触测量等特点。 二、光电检测技术的发展现状
光电二极管检测电路的组成及工作原理
光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。
光电检测技术课程作业及答案(打印版)
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思考题及其答案 习题01 一、填空题 1、通常把对应于真空中波长在（0.38m μ）范围内的电磁辐 μ）到（0.78m 射称为光辐射。 2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。 3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。 二、概念题 1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。 2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦(1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。 3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为(瓦每球面度平方米) 。 4、辐射强度：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W／sr(瓦每球面度)。 三、简答题 辐射照度和辐射出射度的区别是什么？ 答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接
收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。 四、计算及证明题 证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？答： 2 22 4444R I R I dA d E R dA d E R I I ===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为ΘΘ ()1 2222222221 122 12 11001001010E E L I E L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴= =ΘΘ又的距离为第二个探测器到点光源， 源的距离为设第一个探测器到点光 习题02 一、填空题 1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。 2、价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能向电子提供能量的外力作用）、（电子跃入的那个能级必须是空的）。 3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能态的分布），二是这些能态中（每一个能态可能被电子占据的概率）。 4、半导体对光的吸收有（本征吸收）（杂质吸收）（自由载流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的吸收主要是（本征吸收）。 二、概念题 1、禁带、导带、价带：
光电探测实验报告
光电探测技术 实验报告 班级：10050341 学号：05 姓名：解娴
实验一光敏电阻特性实验 一、实验目的 1.了解一些常见的光敏电阻的器件的类型； 2.了解光敏电阻的基本特性； 3.测量不同偏置电压下的光敏电阻的电压与电流，并作出V/A曲线。 二、实验原理 伏安特性显示出光敏电阻与外光电效应光电元件间的基本差别。这种差别是当增加电压时，光敏电阻的光电流没有饱和现象，因此，它的灵敏度正比于外加电压。 光敏电阻与外光电效应光电元件不同，具有非线性的光照特性。各种光敏电阻的非线性程度都是各不相同的。 大多数场合证明，各种光敏电阻均存在着分析关系。这一关系为 式中，K为比例系数；是永远小于1的分数。 光电流的增长落后于光通量的增长，即当光通量增加时，光敏电阻的积分灵敏度下降。 这样的光照特性，使得解算许多要求光电流与光强间必需保持正比关系的问题时不能利用光敏电阻。 光照的非线性特性并不是一切光敏半导体都必有的。目前已有就像真空光电管—样，它的光电流随光通量线性增大的光敏电阻的实验室试样。光敏电阻的积分灵敏度非常大，最近研究出的硒—鎘光敏电阻达到12A／lm，这比普通锑、铯真空光电管的灵敏度高120，000倍。
三、实验步骤 1、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图1接线，电源可从+2V～+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮。则暗电流L暗=V暗/RL,亮电流L亮=V亮/RL，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 2、伏安特性 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系即为伏安特性。按照图1接线，分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V时的光电流，并尝试高照度光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果 填入表格并做出V/I曲线。 图1光敏电阻的测量电路 偏压2V4V6V8V10V12V 光电阻I 四、实验数据 实验数据记录如下： 光电流： E/V246810 U/V0.090.210.320.430.56 I/uA1427.54255.270.5 暗电流：0.5uA 实验数据处理：