光电检测技术与应用第2版郭培源学习课件

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1、光电检测技术光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件目目 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、2光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件3.3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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件第四章第四章 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 C

3、CD 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5.35.3 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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件第一章 绪 论光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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）。

4、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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电信息技术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

5、理、识别和图象分析光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电信息技术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。 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测技术光电检测技术n检测与测量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

6、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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件定义：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

7、（化学量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、） 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件例：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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n直接直接测量：测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：值。例如：长度：直尺、游标卡尺、千分尺长度：直尺、游标卡尺

8、、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） 返回光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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, 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

9、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技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测系统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体的几何量或物理

10、量。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测系统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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测系统与人操作功

11、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 执行机构n光电传感部分相当于人身的感觉器官 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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、光谱光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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，

12、数值控制n图象分析型图形检测图形分析光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测方法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与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测技术发展趋势n纳米、亚纳米高精度的光电测量

13、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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件一、在工业生产领域的应用一、在工业生产领域的应用在在线线检检测测：零零件件尺尺寸寸、产产品品缺缺陷陷、装装配配定定位位.现现代代工工程程装装备备中中，检检测测环环节节的的成成本本约约占占5070%光电检测技术的应用光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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：

14、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、

15、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 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件二、检测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

16、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

17、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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件三、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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD四、

18、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，敌友方光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件“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、

19、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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件学习本课程的目的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

20、的元器件、仪器和相关的接口技术。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件本课程的学习内容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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件第二章第二章 光电检测技术基础光电检测技术基础光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

21、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：光是一种电磁波光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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，提出辐射年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念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

22、的频率成正比光具有波粒二象性光具有波粒二象性光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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：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 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

23、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。 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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辐射照度瓦特平方米Wm-2光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

24、。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。 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光度的基本物理量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，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。 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

25、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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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结光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件导体、半导体和绝缘体n自然存在的各种物质，分为气

26、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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件半导体的特性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

27、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。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为入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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件本征和杂质半导体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，可以显著地控制半导体的导电

28、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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

29、也不再是平衡载流子浓度，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。 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件载流子的输运过程n扩散n漂移n复合光电检测技术与应用(第2版)郭培源

30、学习课件半导体对光的吸收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，才能发生本征激发光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件PN结n将P型

31、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结构单元。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件 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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件 PN结的伏安特性曲线 对应表:光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电效应n光照射到物体表面

32、上使物体发射电子、或导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，这种因电率发生变化、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称为光光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应电效应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内光电效应光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

33、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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n光生伏特效应光生伏特效应：光照在半导体：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

34、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）。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光热效应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

35、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，回路中产生电流光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件第三章 光电检测器件光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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光电检测

36、技术与应用(第2版)郭培源学习课件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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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:光子(光电子)检测器件热电检测器件光电检测技术

37、与应用(第2版)郭培源学习课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技术与应用(第2版)郭培源学习课件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，一般为几毫秒光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件3.

38、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线性度n工作温度光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件一、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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光谱响应度：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

39、度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件响应时间：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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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） 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

40、的响应会有较大的影响。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件：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测器频率响应的带宽返回返回光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件二、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。n用均方噪声来表示噪声值大小光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n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

41、。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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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噪声光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件1、热噪声n或称约翰逊噪声，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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件2、散粒噪声n散粒噪声：入射到光探测器表面的光

42、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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件3、产生-复合噪声n半导体受光照，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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

43、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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件、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，为光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件、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)。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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件噪声等效功

44、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，的辐射功率为光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件、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。返回光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件三、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

45、，量子效率愈高愈好。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件量子效率与响应度的关系量子效率与响应度的关系I/q ： 每秒产生的光子数P/h：每秒入射的光子数光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件四、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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件五、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

46、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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件一、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，光电线性

47、度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光敏光敏电阻电阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符号符号： 符号符号光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

48、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，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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件入射光入射光返回光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

49、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检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电导与光电流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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n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。光

50、电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n无光照，暗电导率n光照下电导率 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n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应使要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0和和n0小，因此光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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作

51、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温度特性温度特性光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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，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

52、可以改善）改善） 光敏电阻的光电特性光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件在弱光照下，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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n光电导灵敏度: 光电导g与照度E之比.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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件伏安特性伏安特性n在一定

53、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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件受耗散功率的限制，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。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

54、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。频率特性光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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响应时间光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件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

55、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电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光敏电阻参数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 欧姆光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光敏电阻的应用n基本功能：根据自

56、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光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电池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射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向光生电子拉向n区，光生空穴拉向区，

57、光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一个正电压。结上加一个正电压。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，则会出现电流（光生电流）。结短路，则会出现电流（光生电流）。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电池的结构特点n光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。的薄片状，来接收更多的入射光。n在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），型杂质（如硼）， 受光面是受光面是P型层型层n或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），型杂质（如磷）， 受光面是受

58、光面是N型层型层光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用保护作用n上电极做成栅状，为了更多的光入射上电极做成栅状，为了更多的光入射n由于光子入射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，结上， 实际使用的光电池制成薄实际使用的光电池制成薄P型或薄型或薄N型。型。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电池等效电路光电池等效电路光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测技术与应用(第2版)郭

59、培源学习课件光电池的特性n1、伏安特性、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。半导体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。度与光照度成正比。 曲线与电压轴交点称为开路电压曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流与电流轴交点称为短路电流ISC。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件反向电流随光照度的增加而上升反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加照度增加光电检测技术与应用(第

60、2版)郭培源学习课件n2、时间和频率响应、时间和频率响应 硅光电池频率特性好硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池硅光电池是目前使用最广泛的光电池 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；n光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。光电

61、池。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件开路电压下降大约开路电压下降大约2 2 3mV/3mV/度度短路电流上升大约短路电流上升大约1010-5-5 1010-3-3mA/mA/度度n3 3、温度特性、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件4 4、光谱响应度、光谱响应度n硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0

62、.4-1.10.4-1.1微米，微米， 峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。n硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.75微米，微米， 峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件5、光电池的光照特性、光电池的光照特性连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出-(a) 短路电流输出短路电流输出-(b)光光电电池池在在不不同同的的光光强强照照射射下下可可产产生生不不同同的的光光电电流流和和光光生电动势。生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开开路路电电压压随随

63、光光强强变变化化是是非非线线性性的的，并并且且当当照照度度在在2000lx时趋于饱和。时趋于饱和。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光照特性光照特性-开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性(电压电压-光强光强)，灵敏度高，灵敏度高短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好(电流电流-光强光强) ，灵敏度低，灵敏度低开开关关测测量量（开开路路电电压压输输出出），线线性性检检测测（短短路路电电流流输输出）出）光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n负载负载RL的增大线性范围也越来越小。的增大线性范围也越来越小。n因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，因此，在要求输出电流与光照度成线

64、性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。制在适当的光照范围内使用。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电池的应用n1、光电探测器件光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。电流随光照度线性变化等特点。n2、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。组成电池组。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件硅太阳能电池n硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能硅太阳能

65、电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。电池、非晶硅太阳能电池。n单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池而规模生产的单晶硅太阳能电池, ,其效率为其效率为15%15%。n多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉, ,但是由于它存在着但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为的实验室最高转换效率为18%,18%,工业规模生产的转换效工业规模生产的转换效率为率为10%10%。光电检

66、测技术与应用(第2版)郭培源学习课件非晶硅太阳能电池n非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺, 具有具有较多的优点较多的优点,例如例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。能够实现大面积沉积。 n非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的是单晶硅的40倍倍,1微米厚的非晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约可以吸引大约90%有用的太阳有用的太阳光能。光能。n非晶硅太阳能电池的稳定性较差非晶硅太阳能电池的稳定性较差, 从而影响了它的迅速从而影响了它的迅速发展发展。 光电

67、检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件化合物太阳能电池 n三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池和二六族化合物电池。n三五族化合物电池主要有三五族化合物电池主要有GaAs电池、电池、InP电池、电池、GaSb电池等电池等;n二六族化合物电池主要有二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、电池、CaS/CdTe电池等。电池等。n在三五族化合物太阳能电池中在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转电池的转换效率最高换效率最高,可达可达28%;光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件GaAs 化合物太阳能电池化合物太阳能电池nGa是其它产品的副产品是其它产品的副产品,非常稀少

68、珍贵非常稀少珍贵;As 不是稀有不是稀有元素元素,有毒。有毒。nGaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池池,这是由于这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。高的吸收效率。 nGaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是但是GaAs材料的价格不菲材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。电池的普及。 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件太阳能n太阳能特点：太阳能特点： 无枯竭危险；无枯竭危险；绝对干净；绝对干净；不受资

69、源分布地域的不受资源分布地域的限制；限制；可在用电处就近发电；可在用电处就近发电；能源质量高；能源质量高；使使用者从感情上容易接受；用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。获取能源花费的时间短。n要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。同现在的电网联网。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光敏二极管结构光敏二极管结构n光敏二极管与普通二极管一样有一个光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于结，属于单向导电性的非线形元件。

70、外形不同之处是在光电单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。实现光电转换。n为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。它的受光面。n为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极结的深度较普通二极管浅。管浅。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电二极管（光敏二极管）光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号光敏二极管符

71、号 光敏二极管接法光敏二极管接法 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件外加反向偏压外加反向偏压n可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用偏压情况下使用n大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子子空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。敏度。n增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。特性。n但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加但是，为了提高灵敏度及频响特性

72、，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素结反向击穿电压等因素的限制。的限制。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。用多。n扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管硅光敏二极管和雪崩光敏二极管扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管硅光敏二极管光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n选择一定厚度的选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。层，具有高速响应特性。ni层所起的作用

73、层所起的作用:(1)为了取得较大的为了取得较大的PN结击穿电压，结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。n而而i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。n (2)反偏下，耗尽层较无反偏下，耗尽层较无i层时要大得多，从而使结层时要大得多，从而

74、使结电容下降，提高了频率响应。电容下降，提高了频率响应。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件PIN管的最大特点是管的最大特点是频带宽，可达频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。另一特点是线性输出范围宽。缺点缺点: 由于由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。几微安至数微安。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管n由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。性。n通过

75、一定的工艺可以使它在通过一定的工艺可以使它在1.06微米波长处的微米波长处的量子效率达到量子效率达到30，非常适于可见光及近红外，非常适于可见光及近红外区域的应用。区域的应用。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n 当光敏二极管的当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子新的电子空穴对。空穴对。n新的电子新的电子空穴对在强电场的作用下分别向相反方向空穴对在强电场的作用

76、下分别向相反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子生电子空穴对。空穴对。n只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。略低于击穿电压。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件雪崩光电二极管的雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线倍增电流、噪声与偏压的关系曲线光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着点以左

77、，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加n从从B点到点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声增大，将发生雪崩击穿；同时噪声n也显著增加，如图中也显著增加，如图中c点以有的区域。因此，最佳的偏点以有的区域。因此，最佳的偏压工作区是压工作区是c点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。相应调整工作电压。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件

78、n雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏。是目前响应最快的一种光敏二极管。二极管。n不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。射信号的探测方向被广泛地应用。n在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。持更高的工艺和保证结面的平整

79、。n其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较n体积小n结构紧凑n工作电压低n使用方便n但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大n故光电倍增管更适宜于弱光探测光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光敏二极管阵列光敏二极管阵列 n将将光光敏敏二二极极管管以以线线列列或或面面阵阵形形式式集集合合在在一一起起，用用来来同同时时探探测测被被测测物物体体各各部部位位提提供供的的不不同同光光信信息，并将这些信息转换为电信号的器件。息，并将这些信息

80、转换为电信号的器件。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件象限探测器象限探测器象象限限探探测测器器有有二二象象限限和和四四象象限限探探测测器器，又又分分光光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。象象限限探探测测器器是是在在同同一一块块芯芯片片上上制制成成两两或或四四个个探探测测器器，中中间间有有沟沟道道将将它它们们隔隔开开，因因而而这这两两或或四四个探测器有完全相同性能参数。个探测器有完全相同性能参数。当当被被测测体体位位置置发发生生变变化化时时，来来自自目目标标的的辐辐射射量量使使象象限限间间产产生生差差异异，这这种种差差异异会会引引起起象象限限

81、间间信信号号输输出出变变化化，从从而而确确定定目目标标方方位位，同同时时可可起起制制导、跟踪、搜索、定位等作用。导、跟踪、搜索、定位等作用。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光敏三极管（光电三极管）光敏三极管（光电三极管）n光光电电三极管是由光三极管是由光电电二极管和一个晶体三极管二极管和一个晶体三极管构成构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。并联一个光电二极管。n同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。透明窗口，以接收光线照射。n日前用得日前用得较较多的是多的是

82、NPNNPN和和PNPPNP两种平面硅光两种平面硅光电电三三极管极管。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件NPN光电三极管结构原理简图光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电三极管工作原理光电三极管工作原理nNPN光电三极管（光电三极管（3DU型），使用时光电二极型），使用时光电二极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。n 光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结开路的状态。集电结(基基集结集结)处于反向偏置，处于反向偏置，基极电流等于基极电流等于0，因而集电极电流很小，为光，因而集

83、电极电流很小，为光电三极管的暗电流。电三极管的暗电流。n当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子子空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。光生电压，基极电位升高。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件发射结发射结发射结发射结集电结集电结集电结集电结B B B BE E E EC C C CN N N NN N N NP P P P基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极光电检测技术与应用(第

84、2版)郭培源学习课件n如同普通三极管的发射结如同普通三极管的发射结(基基发结发结)加加上了正向偏置，当基极没有引线时，集上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。电极电流就等于发射极电流。n这样晶体三极管起到电流放大的作用。这样晶体三极管起到电流放大的作用。n由于光敏三极管基极电流是由光电流供由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，给，因此一般基极不需外接点，所以通所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。常只有集电极和发射极两个引脚线。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n光光电电三极管与光三极管与光电电二极管相比，具有二极管相比，具有较较高的高的输

85、输出光出光电电流，但流，但线线性差性差n线线性差性差主要是由电流放大倍数主要是由电流放大倍数 的非线性所致的非线性所致n在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。以作开关元件使用。管不能作线性转换元件，但可以管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。作开关元件使用。光电三极管的光照特性光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性 硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流 在微安量级。在微安量级。 在零偏压时硅光电三极管没有光

86、电流输出，但硅光电二极管在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管 有光电流输出。有光电流输出。 工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线 性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关） 在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时间隔在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时间隔 较均匀，在高照度时曲线越来越密较均匀，在高照度时曲线越来越密光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件硅光电三极管硅光电三极管硅光电二极管硅光电二极管光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件 光敏三极

87、管的温度特性光敏三极管的温度特性 温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。 温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。 精密测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。精密测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。 光光电电三极管三极管的光电流和的光电流和暗电流受温度影响比暗电流受温度影响比光光电电二极管二极管大得多大得多光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件 光敏三极管的（调制）频率特性光敏三极管的（调制）频率特性 光光敏敏三三极极管管的的频

88、频率率特特性性受受负负载载电电阻阻的的影影响响，减减小小负负载载电电阻阻可可以以提高频率响应。提高频率响应。 一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。 对对于于锗锗管管，入入射射光光的的调调制制频频率率要要求求在在5000Hz以以下下，硅硅管管的的频频率响应要比锗管好。率响应要比锗管好。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件第四章第四章 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4.44.4CCDCCD光电检

89、测技术与应用(第2版)郭培源学习课件4.14.1 发光二极管发光二极管n发光二极管（LED）的类型n发光二极管的原理n发光二极管的特性n发光二极管的应用光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件4.24.2 激光器激光器n激光器的结构与原理n激光器的种类n激光器的特性参数n激光器在光电检测方面的应用光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件激光器的原理n受激辐射：激光是受激辐射的光放大。n粒子数反转n增益大于损耗n激光器由三部分组成：激活介质，谐振腔和激发源。n激光具有：单色性，方向性，高亮度，相干性。激发源激活介质光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件激光器的特性参数n功率（平均峰值），

90、能量n波长，频率，线宽n脉冲宽度，重复频率n光斑直径，发散角，平方因子n模式，波长可调谐性n稳定性（波长频率功率能量方向等），寿命，光电效率光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件激光器的类型n气体、固体、半导体激光器n紫外、可见和红外激光器n连续、准连续和脉冲激光器n单频、单模激光器n可调谐激光器n超短脉冲激光器光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件He-Ne激光器的基本结构形式气体激光器n光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。n效率低，能耗高，寿命较短，体积大。n原子（氦氖）激光器，离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器，分子（CO2,CO,准分子)激光器。光电检测技术与应用(第2版)郭培

91、源学习课件固体激光器n运行方式多样：连续，脉冲，调，锁模等，可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光；n主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式；n结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；n：，红宝石，钕玻璃激光器。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件固体激光晶体棒光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件固体激光实验装置光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件微型固体激光器（学生研发）光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件深大学生研究固体激光器光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件深大“挑战杯”小组（省二等奖）光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件半导体激光器n体积小，

92、效率高，能耗低，寿命长，稳定可靠；n线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频调制；n可批量生产，单片集成；n发散角大，温度特性差，容易产生噪声。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件半导体激光器（自制）光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件半导体激光器电源光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件白 光激光器光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件激光器在光电检测中的应用n激光测距，测长，测平面度等n激光大气污染检测n激光检测n激光海洋探测n激光制导n激光雷达n激光干涉测量（探伤）n激光全息测量光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件4.34.3 光电耦合器件光电耦合器件n定

93、义：发光器件与光接受器件的组合器件。n类型：光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，又能实现电路间的电气隔离和消除噪声。光传感器：用于检测物体的位置或物体有无的状态。n发光器件：，灯等光接受器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件工作原理与特点n发光器件与光接受器件封装一体，但不接触，有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。n特点：具有电隔离（欧姆）功能；信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；具有抗干扰和噪声能力；响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹），体积小，寿命长，使用方便；既有耦合特性，又有隔离功能；光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电耦

94、合器件的应用n代替脉冲变压器耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小；n代替继电器使用，做光电开关用；n把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移；n作为计算机主机与输入输出端的接口，大大提高计算机的可靠性；n在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电位置敏感器件（PSD）nPSD用于测量光斑的位置或位置的移动量n光束入射光敏层,在入射位置产生与入射辐射成正比的信号电荷,该电荷形成的光电流(I1 , I2)由信号电极1和2输出，为公共电极nX: 位置信号I0 = I1 + I2 L光LxAI1I2I0层i 层层光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件

95、4.44.4 CCD CCDnCCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device)nCCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。nCCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。nCCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件CCDCCD的结构的结构nMOS 光敏元：光敏元：构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS(金属金属氧化物氧化物半导体半导体)结构。结构。（型层）（型层）电极电极光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴

96、（多子）的分布是均匀的。型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。n加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。n当当UG Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子体内的电子(少子少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。n反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。电荷存储电荷存储光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件电荷的

97、转移（耦合）光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件电荷的转移（耦合）n第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。n若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。nCCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1m的间隙长度是足够了。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n

98、主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。n输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。n电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。的工作原理的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势

99、阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。n为了实现电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。n以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。的工作原理的工作原理光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件CCD的特点n体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。n空间分辨率高，可以获得很高的定位精

100、度和测量精度。n光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 。n高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有1520的残象)n集成度高n可用于非接触精密尺寸测量系统。n无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。n有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件CCDCCD的特性参数的特性参数n像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等n像素数是指CCD上感光元件的数量。4444万（万（768*576768*576）、）、100100万（万（1024*10241024*1024）、）、200200万（万（1600*12001600*1200）、

101、）、600600万万（2832*21282832*2128）n信噪比：典型值为典型值为46分贝分贝n感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 表面沟道CCD(简称SCCD)。2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输， 体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。的类型光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件的类型n线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数

102、十种型号的器件可供选用。n面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。n目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件线阵线阵CCD：一行，扫描；：一行，扫描；体积小，价格低；体积小，价格低；面面阵阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；面阵面阵CCDCCD芯片芯片光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件CCDCCD在检测方面的应用在检测方面的应用n几何量测量自动步枪激光模拟射击系统。n光谱测量光谱仪输出信号测量。光电检测技术与应用(第

103、2版)郭培源学习课件光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件第五章第五章 光电检测系统光电检测系统光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测系统分类n主动系统/被动系统(按信息光源分)n红外系统/可见光系统(按光源波长分)红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器可见光系统多用于民用n点探测/面探测系统(按接受系统分)用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布n模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)n直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件主动系统n通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制.返回

104、返回光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件被动系统n光信号来自被测物体的自发辐射返回返回光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件直接检测/相干检测n直接检测:无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的信息。n相干检测:利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线电外茶检测，故又称光外差检测。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测系统的信噪比n信噪比：与灵敏度相关n误码率： “0”和“1”出现错误的概率光电检测技术与应用(第2版)郭培

105、源学习课件 直接检测系统的基本工作原理直接检测系统的基本工作原理n将待测光信号直接入射到光探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度输出相应的电流或电压。n光探测器的平方律特性光电流正比于光电场振幅的平方光电流正比于光电场振幅的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件系统的基本特性n信噪比：表征检测系统的灵敏度 PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率 n检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有关光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件直接检测系统的视场角n表征系统能“观察

106、”到的空间范围n系统的视场角越大越好但是增大检测器面积使系统的噪声增大；减小焦距使系统的相对孔径加大光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件系统的通频带宽度n检测系统要求f保持原由信号的调制信息n确定系统频带宽度的几种方法：等效矩形带宽频谱曲线下降dB的带宽包含能量的带宽n频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪声功率也越大光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件nfS 为信号光波，fL为本机振荡光波，这两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。n经探测器变换后，输出信号中包含 的差频信号，故又称相干探测。 光外差检测光外差检测光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n设入射到

107、探测器上的信号光场为： n本机振荡光场为： n入射到探测器上的总光场为： 基本原理光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n ； :量子效率； :光子能量； : 差频。n式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于12。n第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。n当差频 低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为 的光电流输出。 光探测器输出的光电流光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光外差检测的特性 n可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位

108、等全部信息；n转换效率高：转换增益可高达，对微弱信号的探测有利光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光外差检测的特性 n可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息。n转换效率高：转换增益可高达，对微弱信号的探测有利。n差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到的，只有激光才能实现外差探测。 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光外差检测的特性n良好的滤波性能取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的杂散光；而直接探测中，所有的杂散光都被接收n信噪比损失小

109、n检测灵敏度高例如：量子效率为，f为Hz，则外差检测的灵敏度极限为个光子光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件系统对探测器性能的要求n光外差检测对探测器的要求比直接检测高响应频带宽均匀性好工作温度高 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n光电检测系统的类型n直接检测n光外差检测(相干检测)n典型的光电检测系统第五章第五章 光电检测系统光电检测系统光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光电检测系统分类n主动系统/被动系统(按信息光源分)n红外系统/可见光系统(按光源波长分)n点探测/面探测系统？(按接受系统分)n模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)n直接检测？/光外差检测系

110、统？(按光波对信号的携带方式分)光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件直接检测的基本原理n直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件直接检测的基本特性n光探测器的平方律特性光电流正比于光电场振幅的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方n信噪比：表征检测系统的灵敏度n视场角:表征系统能“观察”到的空间范围n通频带宽度:频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪声功率也越大n检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标返回返回光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光外差检测的基本原理n利用光波的

111、振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。n两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场,又称相干检测。只有激光才能进行相干检测。n输出信号中包含 的差频信号,因此称光外差检测n输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光外差检测的特性n光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、频率和相位等；n转换效率高，检测灵敏度高（比直接检测高数量级），对微弱信号的探测有利（尽管信号光功率小，但是本振光功率大）n良好的滤波性能n信噪比损失小n检测灵敏度高n检测距离远n对探测器的要求比直接检测高光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件光外差检测的空间和频率条

112、件n空间条件空间条件：:两束光的夹角，l：检测器光敏面线度波长越短或口经越大，要求相位差角越小，越难满足要求n频率条件频率条件：要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。如何获得单频光和稳频光？信号光与本振光并非平行而成一夹角光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件5.3 5.3 典型的光电检测系统典型的光电检测系统n你所知道的光电检测系统? n你能讲一讲光电检测系统?n你能评一评光电检测系统?光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件典型的光电检测系统典型的光电检测系统n直接检测系统（光强调制）莫尔条纹测长仪激光测距仪激光准直环境污染检测系统n光外差检测系统激光干涉测长仪（相位调制）

113、多普勒测速（频率调制）光外差通信光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件5.3.1莫尔条纹测长仪n莫尔条纹的原理将两块光栅(节距分别为P1和P2)叠加在一起,并且两者的栅线成很小的角度,透过光栅能看到如图所示的明暗相间的莫尔条纹.这就是莫尔条纹的光强调制作用n长光栅莫尔条纹的形式横向条纹:P1=P2, 很小;纵向条纹: P1P2, =0;斜条纹: P1P2, 很小.n莫尔条纹演示纵向条纹横向条纹光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件莫尔条纹的特性n光栅的节距比光的波长大很多.n莫尔条纹的宽度B（mm)、光栅的节距P(mm)和夹角(rad)之间的关系为：n当两光栅沿垂直于栅线的方向相对移动

114、时，莫尔条纹将沿平行于栅线的方向移动光栅每移动一个节距，莫尔条纹移动一个宽度n因为很小，放大倍数很大例如: =20,K=172斜向条纹光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件莫尔条纹测长仪n两块光栅：一块为指示光栅与工作台固定一块为长光栅工作台前后移动的距离由两块光栅形成的莫尔条纹进行计数得到指示光栅相对移动一个节距，莫尔条纹变化一周指示光栅移动的距离为： ：指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，：小于个光栅节距的小数简单光栅读数头：灯，：聚光镜，：指示光栅，：长光栅，：光电探测器光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件莫尔条纹测长仪n光电探测器接收到的明暗变化的光信号转换成电信号；n通过对

115、莫尔条纹的直接测量，可以测的光栅的位移量；n在较宽的莫尔条纹间隔内安放细分装置进行细分，可读取位移的分数，提高测量的灵敏度和精度光栅输出信号波形光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件莫尔条纹测长仪的应用n工业自动化中的核心测控部件n小型智能化的长度测试仪器，用于对长度、直径、厚度、表面形状、粗糙度等多种参数的测量。n新一代的计量测试工具 n某些几何量计量检测仪器的核心转换系统 n某些物理量的计量检测仪器的核心转换系统n纳米级测量的重要仪器 n非接触在线测量控制仪器光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件5.3.2激光测距仪n激光测距仪的类型脉冲激光测距仪相位激光测距仪n激光测距仪的特点测

116、程远、测量精度高结构小巧、携带方便快速、非接触式距离测量激光对点准确受气象条件影响较大n激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、科学技术。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件一、脉冲激光测距仪n测距原理： 由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接受目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来计算出目标的距离。n测距仪原理： 由激光发射系统、接受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计数器等组成。脉冲激光测距仪的原理框图光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件脉冲激光测距仪发射系统接收系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器：LD，ND：Y

117、AG（调（调Q/锁模）锁模）电源发射望远系统物镜小孔光阑干涉滤光片光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n激光器发射激光脉冲被分为两部分：参考信号和回波信号。n回波脉冲经光电探测器变换成电信号，再经放大和整形后，将电子门打开，使通过电子门的时钟脉冲进入计数器开始计时；当回波脉冲（负与门）到来时，关闭电子们。n在参考和回波脉冲之间计数器所接收到的时钟脉冲个数代表来被测距离。n时钟频率越高，测量的分辨率越高。但分辨率最终取决于激光脉冲的上升时间。脉冲测距波形光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件二、相位激光测距仪n相位测距原理： 相位激光测距是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定

118、调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件 若调制光角频率为，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为，则对应时间t 可表示为： t=/距离L可表示为 式中： 信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 调制信号的角频率，=2f。 光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件N：测线所包含调制波长个数。N：测线所包含不足波长的小数部分。 ：称为测尺长，又称“光尺”。相位延迟：被测距离：距离的测量变成了测线所包含波长个数和不足一个波长的小数部分的测量。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件n测量信号相位的方法都不能确定出

119、相位的整周期数N，只能测定不足2的尾数N。由于N值不确定，距离L就成为多值解。n测程长，精度低；反之，精度高，则测程短n n解决方法：解决方法：解决方法：解决方法：用两个频率的波（两个不同的光尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。就可以既扩大测程又保证精度。如果需要还可以用更多的频率测量。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件差频相位检测原理 调制频率越高,测量精度越高.但是,一般相位计工作在低频区. 差频后两信号都工作在低频区,但相位差仍保持高频信号的相位差s.差频后差频后:光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件相位激光测距仪的原理n精主振f1(高频)和

120、粗主振f2 (低频) ，由开关控制依次对发光管供电进行两次测相n检相器只能工作于较低频率，故设立精本振频率f1-fc，粗本振频率f2-fcn基准混频器对本振电压和主振电压进行混频外差，进行外差，输出低频fc的基准电压n信号混频器对本振电压和输出信号进行混频外差，输出低频fc的信号电压n信号与基准电压的有相同的频率,但相位差仍保持高频信号的相位差.由相检计检出相位差.两次测相的结果输入计算电路计算得到测量结果。相位激光测距仪的原理图光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件5.3.3激光多普勒测速n频率调制：运动物体的反射或散射光发生多普勒频移而改变光的频率。n光外差检测：可见光的频率很高（Hz

121、)，一般光电器件不能响应，也就无法直接检测多普勒频移因此，需要光外差的方法：同一光源的两束相干光以一定的条件投射到光电探测器表面进行混频，就能在输出的电信号中得到两束光的差频光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件激光多普勒测速的原理激光束经分光镜分成两束，一束经透镜会聚测点，被该处正以速度V运动的微粒向四面八方散射，散射光发生了频移，频率为（）。另一束经滤光片衰减后也由透镜会聚于测点，有一部分穿越测点作为参考光束，频率为。进入光阑由透镜会聚到光电倍增管的光电阴极上的有两束频率相近的光，发生干涉。参考光模式光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件设：两光束的夹角为，光波波长为，则干涉条纹的间距为：干涉条纹的空间频率为：若粒子运动的速度为，运动的方向与条纹垂线的夹角为，则粒子散射光的频率为：只要只要测测出散射光的出散射光的频频率，就可以得到粒子率，就可以得到粒子的速度。的速度。光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件激光多普勒测速的特点n动态响应快n空间分辨率高n流速测量范围宽n测量精度高光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件激光多普勒测速的应用n管道内水流流层研究；n流速分布亚音速或超音速气流旋流的测量n大气远距离测量；n风速测量n可燃气体火焰的流体力学研究；n水洞、风洞和海流测量光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习课件