光电子技术复习

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线偏振光正入射P型液晶材料，如果其 偏振方向与光轴平行或垂直，则它的偏
振方向和传播方向都不改变。
二、扭曲向列型液晶器件（TN-LCD）
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液晶盒 ： 封装液晶 的间隙只 有几μm。
定向层：使液晶分子 46
从上到下扭曲90°。
TN-LCD的工作原 理
光电子技术 复习专题二
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第三章 如何正确理解光电二极管的全电流方程？
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的
正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如图3-2所示。其 电流方程为
I IDeqUkT 1
（3-1）
ID为U为负值（反向偏置时） 且 U >> kT q 时(室温下 kT/q≈0.26mV，很容易满足
波长的关系曲线称为光谱响应。
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光电二极管的噪声
光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等 3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和 热噪声为其次要因素。
散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，它与电流
的关系
In2s2qIf
(3-6)
位移电流Id
在充放电过程中：
e
ES
0
S
q
0
0
de dt
dq dt
I
Id
0
de dt
---位移电流
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0e q
S
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倍以上。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重
的2金021属/10。/10
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由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻（因为在相同的入 射辐射下得到
较大的温升）粘 合在导热能力高 的绝缘衬底上， 电阻体两端蒸发 金属电极以便与 外电路连接，再 把衬底同一个热 容很大、导热性 能良好的金属相 连构成热敏电阻。
出测量时的湿度。
材料常数B是用来描述热敏电阻材料物理特性的一个参数，又
称为热灵敏指标。在工作温度范围内，B值并不是一个严格的常数,
而是随温度的升高而略有增大，一般说来，B值大电阻率也高，对
于2负021温/10度/10 系数的热敏电阻器，B值可按下式计算：
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B2.303T1T2 lgR1 T2 T1 R2
aT
1dRT (1/C) R dT
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式中，aT和RT为对应于温度T（K）时的热电阻的温度系数和阻值。
对于正温度系数的热敏电阻温度系数为
aT = A
对于负温度系数的热敏电阻温度系数为
a T
1 RT
dRT B dT T2
（5-19） （5-20）
可见，在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的aT在数值上等于 常数A，负温度系数热敏电阻的aT随温度T的变化很大，并与材料常 数B成正比。因此，通常在给出热敏电阻温度系数的同时，必须指
热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系数与负 温度系数两种，分别表示为：
① 正温度系数的热敏电阻
RT R0eAT
② 负温度系数的热敏电阻
（5-16）
RT ReBT
（5-17）
式中，RT为绝对温度T时的实际电阻值；分别为背景环境温度下的 阻20值21/1，0/1为0 与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数；A、B2为1
相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点：
①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一 般金属电阻大10～100倍。
②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。
③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。
④阻值与温度的变化关系呈非线性。
⑤2不021足/10之/10 处是稳定性和互换性较差。
阻上加上偏压Ubb之后，由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而负
载2电021阻/10电/10 压增量
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热释电效应的原理
热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其它
热探测器相比，热释电器件具有以下优点：
① 具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它 热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在1~0.01s 范围内，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4 ~ 3×10-5 s；
液晶分子的形状呈棒状， 宽约十分之几纳米，长为 数纳米。
微小的外部能量——电场、磁场、热能 等就能实现各分子状态间的转变，从而 引起液晶的光、电、磁的物理性质发生 变化。
液晶材料用于显示是利用它在 电场作用下，光学性质发生变化
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从而对外部入射光产生调制。
晶向 显列 示相 的液 主晶 要分 材子 料是 。液
采用光刻技 术，制作 ITO玻璃上 的显示电极
加电压到相应电极上， 可实现所期望的显示。
在下偏振片
后再贴一块
反光片，就
成为反射式
液202晶1/10显/10 示器
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大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结 而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻 值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温情况 下的使用。
2. 热敏电阻的原理、结构及材料
半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂 质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等， 并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上 升，即器件的电阻值发生变化。
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如何正确理解光电二极管的灵敏度：
1.光电二极管的灵敏度
定义光电二极管的电流灵 敏度为入射到光敏面上辐射量
的变化（例如通量变化dΦ）引
起电流变化dI与辐射量变化之 比。
202S 1/i10 /10dd I hqc(1ed)
（3-3）4
显然，当某波长λ的辐射作用于光电二极管时，其
In2 2qIM nf
（3-15）
式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅 管为2.3<n<2.5。
显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。因
此2，021随/10着/10 M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。
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电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光
电转换特性的线性关系。必须指出，电流灵敏度与入射
辐射波长λ的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵
敏度时通常定义其峰值响应波长的电流灵敏度为光电二
极管的电流灵敏度。在式（3-3）中，表面上看它与波长
λ成正比，但是，材料的吸收系数α还隐含着与入射辐
射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与
图5-1所示分别为半导体材料和金属材料（白金）的温度特性曲
线。白金的电阻温度系数为正值，大约为±0.37%左右；将金属氧
化物（如铜的氧化物，锰-镍-钴的氧化物）的粉末用黏合剂黏合后，
涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。半导体
材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%~-6%，约为白金的10
❖ 5.3.1 热释电器件的基本工作原理
1. 热释电效应
电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由 带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带 电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图 5-12所示的电介质的上下两侧加上如图所示的电场后，电介质产生 极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介 质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也 是2一021种/10电/10 流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止。26
② 热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D* 才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小；
③ 热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以 不外加接偏置电压；
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④ 与5.2节讨论的热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更 小；
⑤ 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好， 且制造比较容易。
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热敏电阻
❖ 5.2.1 热敏电阻
1. 热敏电阻及其特点
凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压 的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。
2021/1实0/10用中是用30多种单质液晶组成混合液晶。
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一、线偏振光在向列液晶中的传播
关于液晶介电常数；定义： //
0 P型液晶； 外电场作用时，分子长轴
方向与外电场平行。
0 N型液晶 ；外电场作用时，分子长轴
方向与外电场垂直。 液晶显示主要使用P型液晶。 P型液晶是正单轴晶体，分子长轴方向就是光轴。
由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振
动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，
因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种
无2选021择/10性/10 的光敏电阻。
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一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外 界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。 相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。 因此，当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加， 也即由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数，而由半导体材料 组成的热敏电阻具有负温度特性。
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液晶显示器（LCD）
液晶：一些有机化合物既 具有液态的流动性，又具 有晶体的各向异性。
材料常数。
对于正温度系数的热敏电阻有
R25RTeA29T 8
对于负温度系数的热敏电阻有
B 1 1
R25RTe 298T
式中，RT为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。
由式（5-16）和（5-17）可分别求出正、负温度系数的热敏电阻的 温度系数aT 。
aT表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化为
红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变 化2。021为/10了/10 提高热敏元件接收辐射的能力，常将热敏元件的表面进2行0 黑化处理。
热敏电阻的参数
热敏电阻探测器的主要参数有：
（1）电阻-温度特性
热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系， 这是它的基本特性之一。电阻温度特性曲线如图5-1所示。
❖ （2）热敏电阻阻值变化量
（5-21）
已知热敏电阻温度系数aT后，当热敏电阻接收入射辐射后温度变 化△T，则阻值变化量为
ΔRT=RTaTΔT
式中，RT为温度T时的电阻值，上式只有在△T不大的条件下才能 成立。
（3）热敏电阻的输出特性
热敏电阻电路如图5-5所示，图中 RT RT1 ，RL1 RL2 。若在热敏电
In 22q2 (h Φ sc Φ b) f2qd If4K R L T f
(3-8) (3-9)
目前，用来制造PN结型光电二极管的半导体材料主要有硅、
锗、硒和砷化镓等，用不同材料制造的光电二极管具有不同的
20特21/1性0/1。0
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噪声
由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后 的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。 在无倍增的情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所示的散粒噪声。 当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似 由下式计算。
光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流Is和背景辐射引 起的背景光电流Ib，因此散粒噪声应为
In 2s2q(IdISIb) f
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根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与 入射辐射的关系 ，得到
In 2s2q2(h Φ sc Φ b) f2qd If
再考虑负载电阻RL的热噪声
这个条件)的电流，称为反
向202电1/10流/10 或暗电流。
2
当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上时， 光电二极管的全电流方程为
I h q( 1 c ex d ) p )Φ e , ( Id ( 1 ex q/p k U )T ()
（3-2）
式中η为光电材料的光电转换效率，α为材料对光的吸收系数。