1、光电检测技术参考书目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 中国计量出版社教材教材光电检测技术与应用郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社目目 录录第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 光电检测技术基础光电检测技术基础2.1 光的基本性质光的基本性质2.2 辐射与光度学量辐射与光度学量2.3 半导体基础知识半导体基础知识2.4 光电效应光电效应第三章第三章 光电检测器件光电检测器件3.1光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点3.2光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数3.3半导体光电器件半导体光电器件 光
2、电导器件光电导器件:光敏电阻光敏电阻 光伏器件光伏器件:光电池光电池/光电二极管光电二极管/三极管三极管3.4真空光电器件真空光电器件 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管3.5热电检测器件热电检测器件 热敏电阻热敏电阻 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热释电探测器件热释电探测器件第四章第四章 发光、耦合和成像器件发光、耦合和成像器件4.14.1 发光二极管发光二极管4.24.2 激光器激光器4.34.3 光电耦合器件光电耦合器件4.44.4 CCD CCD第五章第五章 光电检测系统光电检测系统5.1 5.1 直接光电检测系统直接光电检测系统5.25.2 光外差光电检测系统光外差光电检测系统5.3
3、5.3 典型的光电检测系统典型的光电检测系统第六章第六章光纤传感检测光纤传感检测第七章第七章光电信号的数据采集与微机接口光电信号的数据采集与微机接口第八章第八章光电检测技术的典型应用光电检测技术的典型应用第一章 绪 论光电检测是信息时代的关键技术光电检测是信息时代的关键技术n信息技术:微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、光电信息技术（光电集成）。感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。光电信息技术1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成2、光通信和综合信息网络3、光频微电子4、光电方法用于瞬态光学观测以光
4、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。它涉及到：5、光电传感、光纤传感和图象传感、光电传感、光纤传感和图象传感6、激光、红外、微光探测，定向和制导、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、光电精密测试，在线检测和控制技术8、混合光电信息处理、识别和图象分析光电信息技术9、光电人工智能和机器视觉10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储11、生物光子学 本课程着重在第5、6、7三个方面的一些基本知识，即：光电检测的元器件、系统、方法和应用光电检测的元器件、系统、方法和应用。光电检测技术光电检测技术n检测与
5、测量n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。n光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量n光电检测系统 光学变换 光电变换 电路处理定义：定义：被测信息：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：全部操作：检测过程检测过程确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测的基本概念检测的基本概念信号采集、信号处理、信号显示、信号输出信号采集、信号处理、信
6、号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象：被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）检测器具检测器具化学量（化学量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、）例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温空气空气被测对象被测对象：被测信息被测信息：检测器具检测器具：操作过程操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温度传感器-热电阻、热电偶热电阻、热电偶 热敏电阻热敏电阻 电信号电信号 处理处理 显示显示空调机空调机返回n直接直接测量：测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的对仪
7、表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：数值。例如：长度：直尺、游标卡尺、千分尺长度：直尺、游标卡尺、千分尺 电压：万用表电压：万用表 质量：天平质量：天平n间接测量：间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过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。例如：函数关系式计算出被测量。例如：电功率：电功率：P=I*V（电流（电流/电压）电压）重力加速度：单摆测量（重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，：摆的线长，T：摆动的周期）：摆动的周期）224TLg返回光电探测器的种类类 型实 例PN结PN光电二极管（Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si,
8、Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结光电元件(CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池返回光电检测系统n光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。n由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物
9、体的几何量或物理量。光电检测系统变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理光电检测系统n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。n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）。n电路处理 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。光电检测系统与人操作功能比较光电检测系统与人操作功能比较n被测物体 感觉器官 人脑 手控 n被测物体 光电传感 微机
10、执行机构n光电传感部分相当于人身的感觉器官 光电检测系统的功能分类n测量检查型:几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。运动量：速度、加速度、振动 表面形状：光洁度、庇病、伤痕 工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等 机械量：重量、压力、应变、压强 电学量：电流、电压、电场、磁场 光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱n控制跟踪型 跟踪控制：激光制导，红外制导 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制n图象分析型 图形检测 图形分析光电检测技术的特点n高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。n高速度：光速是最快的。n远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。n
11、非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。n寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。n数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。光电检测方法n直接作用法n差动测量法n补偿测量法n脉冲测量法光电检测技术发展趋势n纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。n小型、快速的微型光、机、电检测系统。n非接触、快速在线测量。n微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。n闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。n向人们无法触及的领域发展。n光电跟踪与光电扫描测量技术。一、在工业生产领域的应用一、在工业生产领域的应用在线检测：零件
12、尺寸、产品缺陷、装配定位在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.现代工程装备中，现代工程装备中，检测环节的成本约占检测环节的成本约占5070%光电检测技术的应用检测技术在汽车中的应用日新月异检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容汽车传感器：汽车电子控制系统的
13、信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器，普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。底底 盘：盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 二、检测
14、技术在日常生活中的应用二、检测技术在日常生活中的应用 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：可视对讲、可视电
15、话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 -压力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 -离子传感器离子传感器三、检测技术在军事上的应三、检测技术在军事上的应用用美军研制的未来单兵作战武器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。激光测距仪：可精确的定位目标。美
16、国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD四、检测技术在国防领域的应用四、检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5.卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统 监测系统监测系统:探测和发现探测和发现敌人导弹的发射并追踪敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假拦截器：能识别真假弹头，敌友方弹头，敌友方“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器个传感器检测参数检测参数-加速度、温度、压力、加速度、温度、压力、
17、振动、流量、应变、振动、流量、应变、声学声学神州飞船：神州飞船：185台（套）仪器装置台（套）仪器装置五、检测技术在航天领域的应用五、检测技术在航天领域的应用学习本课程的目的n了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。n掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。n能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。n掌握直接检测与外差检测的原理和区别。n了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的光波调制技术。n掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。本课程的学习
18、内容n光电检测器件的物理基础n光电检测器件的工作原理和特性及其应用n光电直接和外差检测系统n光纤传感检测技术n光电信号的数据采集与微机接口第二章第二章 光电检测技术基础光电检测技术基础n光的基本性质光的基本性质n辐射与光度学量辐射与光度学量n半导体基础知识半导体基础知识n光电效应光电效应光的基本性质光的基本性质n牛顿牛顿微粒说微粒说 根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振n波动理论波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等惠更斯、杨氏和费涅耳等 解释光的干涉和衍射现象解释光的干
19、涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波光的基本性质光的基本性质n光量子说光量子说 1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论射的量子论 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念提出光量子的概念 光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性光具有波粒二象性辐射度的基本物理量n辐射能Qe：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳Jn辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：
20、瓦n辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr 辐射度的基本物理量n辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2n 辐射出射度e：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2n辐射亮度e：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：W/m2Srn光谱辐射通量e（）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度瓦特球面度Wsr-1辐射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度
21、瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ/ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/光度量的最基本单位n发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。n光通量v：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明lm。n光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量，单位：勒克斯lx，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。光度的基本物理量n光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，
22、v，Iv，Lv，Mv，Ev。n光度量只在可见光区（nm)才有意义。n辐射度量和光度量都是波长的函数。晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx半导体基础知识半导体基础知识n导体、半导体和绝缘体n半导体的特性n半导体的能带结构n本征半导体与杂质半导体n平衡
23、和非平衡载流子n载流子的输运过程n半导体的光吸收nPN结导体、半导体和绝缘体n自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。n固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。者之间的半导体。n电阻率电阻率10-6 10-3欧姆欧姆厘米范围内厘米范围内导体导体n电阻率电阻率1012欧姆欧姆厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体n电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体半导体的特性n半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电
24、探测器件。化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。n导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。化。（纯净（纯净Si在室温下电导率为在室温下电导率为5*10-6/(欧姆欧姆厘米厘米)。掺入。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2/(欧姆欧姆厘米厘米)n半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。响。本征和杂质半导体n本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。n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。n在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著
25、地控制半导体的导电性质。n掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。n施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。n受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。平衡和非平衡载流子n处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。n半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。n处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，
26、比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。非平衡载流子的产生n光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。n当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。n产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。n光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。n其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。载流子的输运过程n扩散n漂移n复合半导体对光的吸收n物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。n吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸
27、收、晶体吸收n本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带n只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发0/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的长波限杂质吸收和自由载流子吸收n引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能n由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区n自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。1.24()daEE()daEEPN结n将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。n是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的
28、结构单元。PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子子漂移加强，但少子数量有限，只能形成数量有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。RE PN结的伏安特性曲线 对应表:光电效应n光照射到物体表面上使物体发射电子、或光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应称为光电效应n光电效应包括外光电效应和内光电效应光电效应包括外光电效应和
29、内光电效应n外光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子：物体受光照后向外发射电子多发生多发生于金属和金属氧化物于金属和金属氧化物n内光电效应内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物：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质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体多发生在半导体n内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应n光电导效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，：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使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象n光生伏特效应光生伏特效应：光照在
30、半导体：光照在半导体PN结或金属结或金属半导体接半导体接触上时，会在触上时，会在PN结或金属结或金属半导体接触的两侧产生光半导体接触的两侧产生光生电动势。生电动势。n PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一个正电结上加一个正电压。压。n半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，结短路，则会出现电流（光生电流）。则会出现电流（光生电流）。光
31、热效应n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，回路中产生电流第三章 光电检测器件n光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数n半导体光电器件半导体光电器件 光电导器件光电导器件光敏电阻光敏电阻 光伏器件光伏器件 光电池光电池 光电二极管光电二极管/三极管三极管n真空光电器件真空光电器件 光电管光电管 光
32、电倍增管光电倍增管n热电检测器件热电检测器件 热敏电阻热敏电阻 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热释电探测器件热释电探测器件3.1 光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化n光电子发射：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物n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n光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体接触上时，会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。光电检测器件的类型光电检测器件的类型n光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件.n光电检测器件分为两大类:
33、光子(光电子)检测器件热电检测器件光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管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热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器光电检测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超 过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒3.2 3.2 器件的基本特性参数器件的基本特性参数n响应特性n噪声特性n量子效率n线
34、性度n工作温度一、响应特性一、响应特性响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率n电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比n电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比ioVPVSioIPIS光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度()()()oViVSP()()()oIiISP响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数（如图）。上升时间：入射光照射到
35、光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。n光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率为时间常数（等于RC）0S2/120)2(1)(fSfS)(fS频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。0002 1/21122()0.7071(1)2fRCSSS fSc：上限截止频率：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探
36、测器频率响应的带宽fc返回返回二、噪声特性n在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。01()TIii t dtTn用均方噪声来表示噪声值大小2201()()()Ti ti ti tdtTn噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。n由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。n一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。n所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。光电探测器常见的噪声n热噪声n散粒噪声n产生-复合噪声n1/f噪声1、热噪声n或称
37、约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。n导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。n热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声2、散粒噪声n散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。n散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。n例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。3、产生-复合噪声n半导体
38、受光照，载流子不断产生-复合。n在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。4、1/f噪声n或称闪烁噪声或低频噪声。n噪声的功率近似与频率成反比n多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。、信噪比n信噪比是判定噪声大小的参数。n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比n若用分贝（dB）表示，为2222NSLNLSNSIIRIRIPPNSNSNSIIIINSlg20lg1022、噪声等效功率(NEP)n定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。
39、n这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）n一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。nNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。()eNEPWSNR 噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0 然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN 则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为20()NPNEPWUU、探测率与归一化探测率 探测率D定义为噪声等效功率的倒数 经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大 器带宽f 乘积的平方根成正比 归一化探测率D*，即 D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。1DNEP*1
40、/2*1()dDDAfNEP返回三、量子效率（）n量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。n对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1n实际上，1n量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。量子效率与响应度的关系量子效率与响应度的关系hqShPqI)(/)(I/q：每秒产生的光子数 P/h：每秒入射的光子数四、线性度n线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。n在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。n非线性误差：max/(I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差；I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值
41、。五、工作温度n工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。n光电探测器在不同温度下，性能有变化。例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。3.3 半导体光电器件半导体光电器件n光敏电阻光敏电阻n光电池光电池n光电二极管光电二极管n光电三极管光电三极管一、光敏电阻n光敏电阻是光电导型器件。n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。n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
42、，光电线性度较差 光电驰豫时间较长，频率特性较差。光敏光敏电阻电阻(LDR)(LDR)和它的和它的符号符号：符号符号1.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理n光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（有窗口的金属或塑料外壳内。（如图如图）n工作机理工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空带跃迁到导带时
43、，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。入射光入射光返回本征型和杂质型光敏电阻n本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。n杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。n本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主光电导与光电流n光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照
44、时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。n光电流：亮电流和暗电流之差；I光 =IL -Idn光电导：亮电流和暗电流之差；g =gL -gd 光In光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。n光电流与光照强度电阻结构的关系。n无光照，暗电导率n光照下电导率 pnqpqn000pnpqnqpppnnn00n附加光电导率附加光电导率,简称光电导简称光电导n光电导相对值光电导相对值n要制成附加光电导相对值高的光敏电阻要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使应使p0和和n0小，因此光
45、敏电阻一般采用禁带宽度大的小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用材料或在低温下使用。pnpqnq00000()npnpnpnpnpnnpnpn当光照稳定时，光生载流子的浓度为n无光照时，光敏电阻的暗电流为n光照时，光敏电阻的光电流为00npg 000npdqUA npUAILL（）nppqUAnpUAILL（）光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作特性n光电特性光电特性n伏安特性伏安特性n时间响应和频率特性时间响应和频率特性n温度特性温度特性n光电特性：光电流与入射光照度的关系：(1)弱光时，弱光时，=1，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系(2)强光时，强光时，=0.5，
46、光电流与照度成抛物线，光电流与照度成抛物线光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）改善）：外加电压，欧姆接触为电压指数光电导，照度指数光USUESIgg)1(:)15.0(:光敏电阻的光电特性在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。n光电导灵敏度:光电导g与照度E之比.：入射通量光敏面积，:AAgEggS
47、不同波长的光，不同波长的光，光敏电阻的灵敏光敏电阻的灵敏度是不同的。度是不同的。在选用光电器件在选用光电器件时必须充分考虑时必须充分考虑到这种特性。到这种特性。n光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。n量子效率：光电流与入射光子流之比。：电极间距：外加电压，：迁移率，：载流子寿命，量子产额，UlUG:2伏安特性伏安特性n在一定的光照下，光敏电阻的光电流与在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系所加的电压关系n光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。定律，其伏安特性曲线为直线。n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线受耗散
48、功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能 超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。n光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有率低。只有PbSPbS光敏电阻的频率特性稍好光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。些，可工作到几千赫。频率特性n光敏电阻的时间响应特性较差n材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：n停止光照，光生载流子浓度的变化为00(1 exp()tppp 为稳态光生载流子浓度0exp()tpp 响应时间光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温
49、度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性光敏电阻参数n使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.n光敏面：1-3 mmn工作温度：-40 80 oCn温度系数：1n极限电压：10 300Vn耗散功率：100 Wn时
50、间常数：5 50 msn光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外n暗电阻：108 欧姆n亮电阻：104 欧姆光敏电阻的应用n基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。n基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路n基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS光电池n光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。成电能的一种器件。nPN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射射PN结时，由于内建场的
