第一章光电检测技术基础1(川大版)
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光电检测技术基础
光电检测技术基础
3、杂质半导体 在本征半导体中掺入一定数量的杂质就会使半导 体的导电性能发生显著的变化,使它具有制造晶体 管时所需要的特性,并且因掺入杂质元素的不同, 可形成电子型半导体(N型半导体)和空穴型半导体 (P型半导体)两大类(均成电中性)。
① P型半导体 如果在纯净的硅(或锗)中掺入少量的三价元素硼(或 铝等),就能得P型半导体,当硼(B)原子占据硅原子的 位置并和四个相邻的硅原子共价结合时,由于硼只有三 个价电子,要从附近硅原子中拿一个价电子来填补,这 祥就在这个砖原子中产生了一个空穴,掺入的每一个硼 原子都产生一个空穴,所以掺杂的半导体中空穴的数目 就大大增加.由于这些杂质原子必须接受一个电子才能 与相邻的四个原子组成共价键,所以三价元素的硼叫做 受主杂质,接受一个电子的杂质原子叫做受主离子。这 种半导体主要是靠空穴导电的,所以也叫空穴型半导体。
光电检测技术基础
共价键中的价电子因受热作用而成为自由电子 的过程称为本征激发或热激发。价电子冲破束缚成 为自由电子后,在其原来的位置上留下了一个空位, 我们称它为空穴.空穴是带正电荷的,可以自由移 动。电子、空穴成对产生。
光电检测技术基础
本征激发使半导体内不断产生电子和空穴,同 时它们又不断地进行着复合。产生和复合这对矛盾 的对立统一,使半导体在一定温度下达到载流子数 目的动态平衡。从而维持了一定数量的自由电子和 空穴这种状态称为热平衡。 必须指出,常温下本征半导体中的电子、空穴 是很少的,因而本征半导体的导电能力是很差的, 所以它不能直接用来制造晶体管。
光电检测技术基础
如:0.35 m 0.8 m
紫外区 近红外区
光电检测技术基础
二、光辐射的度量(辐射度参数与光度参数) 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应, 分析光电敏感器件的光电特性,以及用光电敏感器件进 行光谱、光度的度量计算,常需要对光辐射给出相应的 计量参数和量纲。光辐射的度量方法有两种: 物理(或客观)的计量方法,称为辐射度学计量方 法或辐射度参数,它适用于整个电磁辐射谱区,对辐射 量进行物理的计量; 生理(或主观)的计量方法,以人眼所能见到的光 对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法,称为光度参 数。只适用于可见光谱区域,是对光强度的主观评价。
光电检测技术光电检测应用基础知识教学PPT
外层电子的共有化较为显著,而内壳层因交叠少共 有化不十分显著。电子的共有化运动只能在原子中相似 的壳层间进行2,021如/8/233S壳层上的电子只能在所有原子的313S 壳层上做共有化运动。
2.能带的形成
电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微 小的差异。一个电子能级因受N个原子核的作用而分裂成N 个新的靠得很近的能级。这N个新能级之间能量差异极小, 而N值很大,于是这N个能级几乎连成一片而形成具有一定 宽度的能带。
易释放电子的原子称为施主。施主束缚电子的能量状态 称为施主能级Ed,位于禁带中比较靠近导带的位置,如下图 所示。施主能级Ed和导带底Ec间的能量差为ΔEd,它称为施 主电离能。这种由施主能级激发到导带中去的电子来导电的 半导体称为N型半导体。
容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状 态用受主能级Ea表示。也处于禁带之中,位于价带顶Ev附 近。Ea与Ev 之能量差ΔEa,称为受主电离能。这种由受主 控制材料导电性的半导体称为P型半导体。在P型半导体中, 自由空穴浓度高于自由电子浓度。
Ie
o
I
e
d
2021/8/23
4
其余物理量,如 Me 、Le 等意义与 Ie 相仿。
1.1.2. 光度学基本物理量
人为眼了是从最数常量用上的描可述见人光眼接对受各器种。波对长不辐同波射长能的的电相磁对敏
辐感射度有,不引同入的视灵见敏函度数,V不同。人的眼睛,其灵敏度也有差异。
国际照明委员会从
ΔEd
Ec Ed
2021/8/23
Ev
ΔEa
Ec
Ea
17
Ev
1.2.2.热平衡下的载流子浓度 载流子浓度就是指单位体积内的载流子数量的多少。 在一定温度下,若没有外界作用,半导体中的载流子
2.能带的形成
电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微 小的差异。一个电子能级因受N个原子核的作用而分裂成N 个新的靠得很近的能级。这N个新能级之间能量差异极小, 而N值很大,于是这N个能级几乎连成一片而形成具有一定 宽度的能带。
易释放电子的原子称为施主。施主束缚电子的能量状态 称为施主能级Ed,位于禁带中比较靠近导带的位置,如下图 所示。施主能级Ed和导带底Ec间的能量差为ΔEd,它称为施 主电离能。这种由施主能级激发到导带中去的电子来导电的 半导体称为N型半导体。
容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状 态用受主能级Ea表示。也处于禁带之中,位于价带顶Ev附 近。Ea与Ev 之能量差ΔEa,称为受主电离能。这种由受主 控制材料导电性的半导体称为P型半导体。在P型半导体中, 自由空穴浓度高于自由电子浓度。
Ie
o
I
e
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其余物理量,如 Me 、Le 等意义与 Ie 相仿。
1.1.2. 光度学基本物理量
人为眼了是从最数常量用上的描可述见人光眼接对受各器种。波对长不辐同波射长能的的电相磁对敏
辐感射度有,不引同入的视灵见敏函度数,V不同。人的眼睛,其灵敏度也有差异。
国际照明委员会从
ΔEd
Ec Ed
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Ev
ΔEa
Ec
Ea
17
Ev
1.2.2.热平衡下的载流子浓度 载流子浓度就是指单位体积内的载流子数量的多少。 在一定温度下,若没有外界作用,半导体中的载流子
《光电检测技术》课件
生物医学
光电检测技术在生物医学领域的 应用包括光谱分析、荧光成像、 激光共聚焦显微镜等,有助于疾 病的诊断和治疗。
工业生产
光电检测技术在工业生产中的应 用包括产品质量检测、生产线自 动化控制等,可以提高生产效率 和产品质量。
光电检测技术的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展,光电检测技术 将逐渐实现智能化,能够自动识别和分类
目标,提高检测精度和效率。
微型化
随着微纳加工技术的发展,光电检测器件 将逐渐微型化,能够应用于更广泛的领域
,如生物医疗、环境监测等。
高光谱成像
高光谱成像技术能够获取目标的多光谱信 息,有助于更准确地分析物质成分和状态 ,是光电检测技术的重要发展方向。
多模态融合
将多种光电检测技术进行融合,实现多模 态信息获取和分析,能够提高检测的准确 性和可靠性。
利用光电检测技术快速读取条形码的设备
详细描述
光电式条形码阅读器通过发射光源和接收装置,快速扫描条形码并将光信号转 换成电信号,实现快速、准确地读取条形码信息。广泛应用于超市、图书馆、 物流等领域,提高信息录入效率和准确性。
光电式指纹识别系统
总结词
利用光电检测技术进行指纹识别的系统
详细描述
光电式指纹识别系统通过发射光源和图像传感器,获取指纹的反射光信号,再转换成电信号进行处理。系统能够 实现高精度、高速度的指纹识别,广泛应用于身份认证、门禁控制等领域,提高安全到探测器表面时,光子与材料中的电子相 互作用,使电子从束缚状态跃迁到导带,形成光生电压或电流,从而实现对光 信号的探测。
03
常见的光伏探测器有硅、锗等。
光子探测器
光子探测器是利用光子效应制成的探测器,主要应用于紫外、可见和近红外波段的探测。
《光电检测技术基础》课件
信息量大
光电检测技术受到环境因素的影响较大,如温度、湿度、光照等,可能导致测量误差。
对环境条件敏感
光电检测设备通常较为昂贵,对于一些小型企业和实验室而言,购置和维护成本较高。
设备成本高
光电检测技术需要专业的知识和技能,操作和维护需要专业人员,限制了其在某些领域的应用。
专业性强
由于获取的信息量大,对数据的解读和分析需要较高的专业水平,增加了使用难度。
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术,具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程测量等特点。它主要用于测量温度、压力、位移等参数,在石油化工、航空航天、交通运输等领域有广泛应用。
光电检测技术的优缺点分析
05
光电检测技术利用光子与物质的相互作用,能够实现高精度的测量,尤其在光谱分析、激光雷达等领域具有显著优势。
数据解读难度大
通过改进设备结构和材料,降低环境因素对检测结果的影响,提高检测的稳定性和可靠性。
提高稳定性与可靠性
加强光电检测技术与其它相关领域的交叉融合,如物理学、化学、生物学等,拓展其在前沿科学研究中的应用。
多学科交叉融合
通过技术优化和规模化生产,降低光电检测设备的成本,促进其在更广泛领域的推广应用。
光电式传感器的应用非常广泛,例如在自动控制系统中用于检测光束的通断,在测量领域用于检测物体的位置和尺寸,在环保领域用于检测烟尘、水质等。
光电式传感器通常由光电器件、测量电路和机械装置组成,其中光电器件是核心部分,其性能直接影响传感器的测量精度和稳定性。
红外检测技术是一种利用红外辐射进行检测的技术,具有非接触、高精度、高灵敏度等特点。它主要用于测量温度、气体浓度、湿度等参数,在工业生产和科学研究等领域有广泛应用。
显示系统
光电测试技术-第1章基本光学量的测试技术1
2
2024/7/13
11
第1章 基本光学量的测试技术
§1-1 光电系统的对准和调焦技术
1. 目视系统的对准和调焦
1.2 望远镜的对准不确定度和调焦不确定度 2)望远镜的调焦标准不确定度——消视差法 将人眼的消视差法调焦不确定度换算到望远镜物方
Γ 2b
注意:眼瞳的有效移动距离b不等于眼瞳的实际移动距 离t,而等于出瞳中心到进入眼瞳的光束中心的距离。 如图所示。
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。
几何焦深是指当弥散圆直径等于人眼分辨极限时,目标至 标志的距离δx的两倍2δx。
由几何焦深造成的人眼调焦标准不确定度为
1'
1 l2
1 l1
ae De
单式位中为,ra1 'd。以m-1为单位,这时l1、l2和De的单位为m,αe的
λ/K(常取K=6)时,人眼仍分辨不出此时视网膜上的衍
射图像与艾里斑有什么差别。即如果目标与标志相距小于
dl时眼睛仍认为二者的像同样清晰,通常将2dl称为物理
焦深。由物理焦深造成的人眼调焦的标准不确定度由下式
求得
De2 De2
k 8l2 8l1
2 '
1 l2
1 l1
8
KDe2
式中,l2=l1±dl;De为眼瞳直径(De与波长λ的单位皆
光电对准分类: 光度式:普通光度式、差动光度式 相位式
2024/7/13
19
第1章 基本光学量的测试技术
§1-1 光电系统的对准和调焦技术
2. 光电对准
光敏电阻
鉴别器
放大器
指零仪表
测微器
光电检测 技术 第一章 光电检测应用中的基础知识
光电检测系 统组成: 被测对象的
信息加载
例:
激光 外径 扫描 仪原 理图
光源
信息 载体
被测 对像
光电探 测器
信息处理
光学 系统
光电
转换
t nT
d t
放大 边缘检测
电动机 驱动
门控
主
振
处理
§1.1 辐射度学和光度学基本概念
X光辐射(10~100nm)
电磁辐射
紫外辐射 (100~380nm)
红、橙、黄、 可见光辐射 (380~780nm) 绿、青、蓝、
) )
0
1. 基尔霍夫定律
M e1( ,T ) M e2 ( ,T ) M e3( ,T ) ... M eB( ,T ) 常数
1( ,T ) 2( ,T ) 3( ,T )
B ( ,T )
aB( ,T ) 1
M e1( ,T ) 1( ,T )
M e2 ( ,T ) 2( ,T )
带填充空位
价带
•间接复合---通过“缺陷、错位、
导带
杂质”等形成的复合中心复合
价带
1.2.4 载流子的扩散和漂移
1.扩散
------在某种作用下(如光照),使材料中的局部位置的光生载 流子浓度高于其它地方的载流子浓度,这时载流子就从浓度高 的地方向浓度低的地方运动,这种现象称为扩散
扩散形成电流的大小:J nD
0.38 0.55μm
0.52 μm
0.7 λ
定义:
视见函数
V
K Km
V
1
C
明视
k kmV CV
0.38 0.55μm0.7 λ
v
2 1
ke d
《光电检测技术基础》幻灯片
导效应、光生伏特效应、光电子发射。
光对电子的直接作用是物质产生光 电效应的起因
▪ 光电效应的起因: 在光的作用下,当光敏物质中的 电子直接吸收光子的能量足以抑制原子核的束缚时, 电子就会从基态被激发到高能态,脱离原子核的束 缚,在外电场作用下参与导电,因而产生了光电效 应。
▪ 这里需要说明的是,如果光子不是直接与电子起作 用,而是能量被固体晶格振动吸收,引起固体的温 度升高,导致固体电学性质的改变,这种情况就不 是光电效应,而是热电效应。
者之间的半导体。 ▪ 电阻率10-6 ~10-3欧姆•厘米范围内——导体 ▪ 电阻率1012欧姆•厘米以上——绝缘体 ▪ 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体
半导体的特性
▪ 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,可以制作热电探测器件。
▪ 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。〔纯 洁Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子 数百万分之一的杂质时,电导率为2 /(欧姆•厘米))
杂质吸收和自由载流子吸收
▪ 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的 电离能
▪ 由于杂质电离能比禁带宽度小,杂质吸收的光 谱区位于本征吸收的长波方向.
▪ 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。载流子浓度很大时,导带中的 电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出 现的非选择性吸收
激子和晶格吸收
《光电检测技术基础》幻 灯片
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导体、半导体和绝缘体
光对电子的直接作用是物质产生光 电效应的起因
▪ 光电效应的起因: 在光的作用下,当光敏物质中的 电子直接吸收光子的能量足以抑制原子核的束缚时, 电子就会从基态被激发到高能态,脱离原子核的束 缚,在外电场作用下参与导电,因而产生了光电效 应。
▪ 这里需要说明的是,如果光子不是直接与电子起作 用,而是能量被固体晶格振动吸收,引起固体的温 度升高,导致固体电学性质的改变,这种情况就不 是光电效应,而是热电效应。
者之间的半导体。 ▪ 电阻率10-6 ~10-3欧姆•厘米范围内——导体 ▪ 电阻率1012欧姆•厘米以上——绝缘体 ▪ 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体
半导体的特性
▪ 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,可以制作热电探测器件。
▪ 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。〔纯 洁Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子 数百万分之一的杂质时,电导率为2 /(欧姆•厘米))
杂质吸收和自由载流子吸收
▪ 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的 电离能
▪ 由于杂质电离能比禁带宽度小,杂质吸收的光 谱区位于本征吸收的长波方向.
▪ 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。载流子浓度很大时,导带中的 电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出 现的非选择性吸收
激子和晶格吸收
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导体、半导体和绝缘体
《光电检测技术》全【2024版】
能源与动力工程学院
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 :
(1)放电管内金属卤化物蒸发,向电弧中心扩散 (2)电弧中心,金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 (3)金属原子处于高能级时产生辐射,并参与放电 (4)金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散,并在 低温区重新复合为金属卤化物分子,依次循环
(2)光源色温:
a.色温:辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同,则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温:光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近,则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 :直径约为1.392×109m的光球,到地球的
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布:光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式: 线状光谱:有若干条明显分隔的细线组成; 带状光谱:由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线; 连续光谱:谱线连成一体; 复合光谱:由以上三种光谱混合而成。
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布: (1)许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 (2)若在光源辐射光的空间某一截面上,将发光强度 相同的点连线,就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ,称为 配光曲线;
(3)HG500型发光二极 管的配光曲线。
(4)为提高光的利用率,一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
能源与动力工程学院
Pi
单位:流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例: V
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 :
(1)放电管内金属卤化物蒸发,向电弧中心扩散 (2)电弧中心,金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 (3)金属原子处于高能级时产生辐射,并参与放电 (4)金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散,并在 低温区重新复合为金属卤化物分子,依次循环
(2)光源色温:
a.色温:辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同,则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温:光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近,则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
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3.2 热辐射光源
1、太阳光 :直径约为1.392×109m的光球,到地球的
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3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布:光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式: 线状光谱:有若干条明显分隔的细线组成; 带状光谱:由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线; 连续光谱:谱线连成一体; 复合光谱:由以上三种光谱混合而成。
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布: (1)许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 (2)若在光源辐射光的空间某一截面上,将发光强度 相同的点连线,就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ,称为 配光曲线;
(3)HG500型发光二极 管的配光曲线。
(4)为提高光的利用率,一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
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Pi
单位:流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例: V
光电检测技术1
•光接收机的分类
•功率检测接收机—直接检测或非相干检测 外差检测接收机—相干检测(空间相干)
2020/2/13
光信息科学与技术系
18
•光接收机的分类图示
空间滤波器
透镜
接收到 的光场
光电检测器
频率滤波器
直接检测接收机
透镜
合束镜
外差检测接收机
2020/2/13
接收到 聚焦光场 的光场
光电检测器
本地光场
1. 了解并掌握典型的光电器件的原理和特点, 会正确选用光电器件。
2. 学会根据光电器件的特点选择和设计光电 检测电路和有关参数。
3. 能根据被测对象的要求,设计光电检测系 统。
2020/2/13
光信息科学与技术系
26
1.4 光电检测方法及应用发展趋势
▪ 光电传感器的类型
根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同,可分为:
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
5、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 7、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
2020/2/13
光信息科学与技术系
武器制导,光电跟踪,电视遥测等。
▪ 非接触检测。光照可认为是没有测量力的,也无磨擦,可实现动态测
量,效率最高。
▪ 寿命长。光波可永久使用。 ▪ 具有很强的信息处理和运算能力。可将复杂信息并行处理。。同
时光电方法还便于信息控制和存储,易于实现自动化和智能化。
2020/2/13
光信息科学与技术系
25
▪ 光电检测技术的学习要求:
《光电检测技术》PPT课件
lim E Βιβλιοθήκη P dP0 A dA
10
二、光度量
光度量与人眼有关联,所以只与可见光发生联系。
为避免混淆,在辐射度量符号上加下标“e”,而在光度量符号上加下标“v”
1. 视见函数
光视效能
K v e
光谱光视效能
K () v
e
K(λ)值表示在某一波长上,每1W光功率对目视引起刺激的光通量
光视效能与光谱光视效能的关系
、() 、 (都) 是波(长)的函数
分别称为光谱反射率 、光谱吸收率 、光谱透射率
27
2. 朗伯定律和朗伯—比耳定律
(1)朗伯定律 (吸收定律) 只考虑介质的吸收 设有一平行辐射束在均匀(即不考虑散射)的吸收介质内传播距离为dx 路程之后,其辐射功率减少dP ,实验证明,被介质吸收掉的辐射功率的相对 值 dP/P 与通过的路程dx 成正比
1 Myriametre
万 米 = 1 mam = 104 metres
间 1 Kilometre
千 米 = 1 km
= 103 metres
1 Hectometre 百 米 = 1 hm
= 102 metres
1 Decametre
十 米 = 1 dam = 10 metres
1 Metre
米 = 1m
22
2. 互易定理
设有两个面积分别为A1 和 A2 的均匀朗伯辐射面,其辐射亮度分别为L1 和 L2
P12
L1 cos1
cos2
l2
1
2
P21
L2
cos1
cos2
l2
1
2
两朗伯面所接收到的
P12 L1
辐射功率之比
《光电检测技术》第一章PPT课件
(2)工作原理:
(d)由主振向二跳变脉冲间填充测量脉冲便可测出光扫描工 件上下边缘的时间 Δt,若光扫描工件的线速度 v不变,则可 测出被测工件尺寸 D =vΔt。
3、光电检测系统的基本组成:
1)光源:产生信息传递的媒介——光。 2)光学系统:对光线传播方向等作处理以适应要求。 3)光学变换:光载波与被测对象相互作用而将被测量 载荷到光载波上,称为光学变换。 光学变换是用各种调制的方法来实现的。使用各种光 学元件和光学系统来实现的,如平面镜、光狭缝、光 楔、透镜等,实现将被测量转换为光参量(振幅、频 率、相位、偏振态、传播方向变化等)。
– 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
教材
《光电测试技术》浦昭邦 编著, 机械工业出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著, 清华大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著, 中国计量出版社
第一章 光电检测技术概论
一、光电测试技术
1、信息技术:
(1)信息具有的特点: a. 信息具有可处理、可共享、可控制; b. 理论研究——信息科学; 工程应用——信息技术:获取、传递、加工、
再生信息的技术。
(2)信息技术主要包括: a.电子信息技术:以电子方法来实现信息获取、加工、 处理、传输、存储核显示的技术——微电子技术,特 点:微小尺寸。
b.光学信息技术:用纯光学方法实现信息获取、加工、 处理、存储和显示的技术。如光材料技术 、光器件技 术 和光学系统技术等。 特点:快速和大容量。
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§1-1 光谱与光子能量
§1-2 光度学(Photometry) 与辐射度学(Radiometry)
§1-3 半导体基础知识 §1-4 光电效应
§1-1 光谱与光子能量
一、
光的主要性质
二、 电磁波谱与光谱
三、 光电检测的理论依据
一、
光的主要性质:
光具有波粒二象性,既是电磁波,又是光子流。 1. 1860年麦克斯韦(C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。 证明了光在传播时表现出波动性。
μ —介质的磁导率,ε —介电常数或电容率 由此式可证明电磁波在以太(即真空)中传播的 速度,等于光在真空中传播的速度。这不是偶然 的巧合,是由于光和电磁波在本质上是相同的。 光是一定波长的电磁波,这就是麦克斯韦创立的 光的电磁学说。
(1831-1879)
1 E 4 curlB J c t c curlE 1 B c t divE 4 9 divB 0
本章着重介绍三个主要内容: 一、辐射量和光度量的定义及它们之间的换算关系; 二、半导体光电器件的物理基础,如能带理论、PN结理论; 三、光电效应, 如半导体光电导效应和光电发射等。
这些是以后各章所述具体光电器件的理论基础,对于正确理解和 掌握各种光电器件的原理、性能和用法是十分重要的。
3
第一章 光电检测技术基础
E—电场强度 B—磁场强度 c—真空中的光速 t—时间 J—电流密度 ρ —电荷密度 curl—旋度 div—散度
(1831-1879)
第一个方程表示磁场对位移电流密度(或电场的时间变化率)和 传导电流密度(或电荷的运动速度)的依赖关系。第二个方程是 法拉第感应定律。第三个方程表明除电源外,没有其它磁场源。 8 第四个方程相当于库仑定律。
17
二、
电磁波谱与光谱:
电磁波谱及光谱图
1. 电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。
2. 光电检测技术只涉及光学区。 在光学谱区内,具有相同的辐射与吸收机理,许多辐射源 的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。 3. 使用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。
18
三、 光电检测的理论依据:
h h h p 光子动量公式: c
19
§1-1 光谱与光子能量
一、
光的主要性质
二、 电磁波谱与光谱
三、 光电检测的理论依据
§1-2 光度学(Photometry) 与辐射度学(Radiometry)
常用辐射量和光度量一览表 常用光谱辐射量一览表
辐通量的光谱分布 接收器的光谱响应 V(λ)称为视见函数
21Βιβλιοθήκη §1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
普 朗 克
1、引入了著名的普朗克常数h。
对黑体辐射的研究发现了热物体辐射强度正 比于它的绝对温度,而反比于这个发射光线波长 的平方: ρ (ν )=(8π hν 2/c3)· hν /KT-1) (1/e
其中引入了一个常数h,后来被称为普朗克常 数。1900年10月19日他在德国物理学会上报告了 自己的成果,普朗克公式被认为是正确的普遍公 式。 普朗克认为这个公式必能从某些理论中推导出来, (1858-1947) 经典物理学的所有理论和方法他都试过了,但都 失败了。他从失败中认识到这个公式不能单纯从 经典理论中推导出来。
§1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
常用辐射量和光度量一览表
名 称 辐[射]能 光能量 辐[射能]通量 光通量 辐[射]出[射] 度 光出射度 辐[射]照度 [光]照度 Εe Ev 符号 Qe Qv Φe Φv Μe Μv 定义 以辐射形式发射、传播或接收的能量。 光通量对时间的积分。 以辐射形式发射、传播或接收的功率。 发光强度为Ιv的光源,在立体角元dΩ内的 辐通量,dΦ v=Ι v· 。 dΩ 离开表面一点处面元的辐通量除以该面元 面积。 离开表面一点处面元的光通量除以该面元 面积。 照射到表面一点处面元上的辐通量除以该 面元的面积。 照射到表面一点处面元上的光通量除以该 面元的面积。 单位 焦[耳](J) 流[明]秒(lm· s) 瓦[特](W) 流[明](lm) 瓦每平方米 (W·m-2)
在第一个方程中,项麦克斯韦称 为位移电流 ,这是他在理论上的一个重大发现,也是他建立 麦克斯韦方程组的关键。 麦克斯韦方程组表明: 空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场 ,而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场 和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即 电磁波。 麦克斯韦方程还说明:电磁波的速度只随介质 的电和磁的性质而变化,这个速度可表示为:
(1831-1879)
7
麦克斯韦在总结前人工作的基础上,引入位 移电流的概念,建立了一组微分方程。这方程 组确定电荷、电流(运动的电荷)、电场、磁 场之间的普遍联系,是电磁学的基本方程,麦 克斯韦方程组的微分形式是
1 E 4 curlB J c t c curlE 1 B c t divE 4 divB 0
爱因斯坦
(1879-1955)
13
爱因斯坦
实验:微弱的紫光能从金属表面打出电子, 而很强的红光却不能从金属表面打出电子。 这个现象用光的波动说是解释不了的。因为 光的波动说认为光是一种波,它的能量是连续的 ,和光波的振幅即强度有关,而和光的频率即颜 色无关,如果微弱的紫光能从金属表面打出电子 来,则很强的红光应更能打出电子来,而事实却 与此相反。 (1879-1955)
表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射
2. 1900年,普朗克(Max.Planck)提出了辐射的量子论。
3. 1905年,爱因斯坦(Albert.Einstein)将量子论用于光电效
应之中,提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。 表现为光的发射、吸收、色散、散射
6
麦克斯韦
麦克斯韦是继法拉第之后,集电磁学大成的 伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培 、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现 和实验成果,建立了第一个完整的电磁理论体 系,不仅科学地预言了电磁波的存在,而且揭 示了光、电、磁现象的本质的统一性,完成了 物理学的又一次大综合。这一自然科学的理论 成果,奠定了现代的电力工业、电子工业和无 线电工业的基础。 1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电 磁学大成的划时代著作,全面地总结了19世纪 中叶以前对电磁现象的研究成果,建立了完整 的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自 然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》 和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的 著作。
3. 1905年,爱因斯坦(Albert.Einstein)将量子论用于光电效
应之中,提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。 表现为光的发射、吸收、色散、散射
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二、
电磁波谱与光谱:
电磁波谱及光谱图
射线区(粒子区) 10 nm 紫外区10 nm 400 nm 电磁波光学区10nm 1mm 可见光区400 nm 800 nm 红外区800 nm 1mm 长波区(微波区) 1mm
光电系统——光能的传递和接收系统。 辐 射——一种能的形式。 辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统,最后被 光电器件接收。 光能的强弱是否能使接收器感受,这是光电系统一个很重要的指标 光度学——研究对可见光的能量的计算方法学。它使用的参量 称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。 辐射度学——适用于整个电磁波谱的能量计算方法学。主要用 于X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。 光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号 、定义式彼此对应,基本都相同,只是单位不同。为了区别这 两种量,规定用下标v 和e表示。 22
(1879-1955)
1925年因此获得诺贝尔物理学奖
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一、
光的主要性质:
光具有波粒二象性,既是电磁波,又是光子流。 1. 1860年麦克斯韦(C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。 证明了光在传播时表现出波动性。
表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射
2. 1900年,普朗克(Max.Planck)提出了辐射的量子论。
流[明]每平方米
(lm· -2) m 瓦每平方米 (W·m-2) 勒[克斯](lx)
23
§1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
常用辐射量和光度量一览表(续前)
名 称 辐[射]强度 发光强度 符号 Ι e Ιv 定义 单位 在给定方向上的立体角元内,离开点辐射 瓦每球面度 源或辐射源面元的辐射功率除以该立体角 (W·sr-1) 元。光度量中的基本量,单位为坎德拉cd。 坎[德拉](cd) cd的意义为:频率为540×1012Hz的单色辐 射在给定方向上的辐射强度 Ι e=1/683W· -1时,规定为1cd。 sr 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强 度除以该面元在垂直于给定方向平面上的 正投影面积。 表面一点处的面元在给定方向上的发光强 度除以该面元在垂直于给定方向平面上的 正投影面积。 瓦每球面度平 方米(W· sr1· m-2) 坎[德拉]每平 方米(cd· m-2)
10
普 朗 克
2、提出了能量子假说。
能量子假说的提出,给经典物理学打开了一 个缺口,为量子物理学安放了一块奠基石,宣告 量子物理学的诞生。普朗克在做出量子假说时已 年过四十。他受过严格的经典物理学训练,对经 典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理 学决裂,只是迫于事实的压力,才不得不做出能 量子的假说。 1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了 自己的研究结果,他的公式受到欢迎,但他的能 量子假说,却受到冷遇,当时没有人相信他的假 说。
(1858-1947)
11
普 朗 克
3、能量子假说。
黑体是由许多振子组成的,振子的能量不可 以连续地变化,当它吸收和辐射频率为ν 的电磁 波时只能是一份一份地进行,每份能量为:E= hν ,每个振子的能量是这个基本能量单元的整 数倍。 他根据这个假设从理论上推导出了普朗克公式。
§1-2 光度学(Photometry) 与辐射度学(Radiometry)
§1-3 半导体基础知识 §1-4 光电效应
§1-1 光谱与光子能量
一、
光的主要性质
二、 电磁波谱与光谱
三、 光电检测的理论依据
一、
光的主要性质:
光具有波粒二象性,既是电磁波,又是光子流。 1. 1860年麦克斯韦(C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。 证明了光在传播时表现出波动性。
μ —介质的磁导率,ε —介电常数或电容率 由此式可证明电磁波在以太(即真空)中传播的 速度,等于光在真空中传播的速度。这不是偶然 的巧合,是由于光和电磁波在本质上是相同的。 光是一定波长的电磁波,这就是麦克斯韦创立的 光的电磁学说。
(1831-1879)
1 E 4 curlB J c t c curlE 1 B c t divE 4 9 divB 0
本章着重介绍三个主要内容: 一、辐射量和光度量的定义及它们之间的换算关系; 二、半导体光电器件的物理基础,如能带理论、PN结理论; 三、光电效应, 如半导体光电导效应和光电发射等。
这些是以后各章所述具体光电器件的理论基础,对于正确理解和 掌握各种光电器件的原理、性能和用法是十分重要的。
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第一章 光电检测技术基础
E—电场强度 B—磁场强度 c—真空中的光速 t—时间 J—电流密度 ρ —电荷密度 curl—旋度 div—散度
(1831-1879)
第一个方程表示磁场对位移电流密度(或电场的时间变化率)和 传导电流密度(或电荷的运动速度)的依赖关系。第二个方程是 法拉第感应定律。第三个方程表明除电源外,没有其它磁场源。 8 第四个方程相当于库仑定律。
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二、
电磁波谱与光谱:
电磁波谱及光谱图
1. 电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。
2. 光电检测技术只涉及光学区。 在光学谱区内,具有相同的辐射与吸收机理,许多辐射源 的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。 3. 使用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。
18
三、 光电检测的理论依据:
h h h p 光子动量公式: c
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§1-1 光谱与光子能量
一、
光的主要性质
二、 电磁波谱与光谱
三、 光电检测的理论依据
§1-2 光度学(Photometry) 与辐射度学(Radiometry)
常用辐射量和光度量一览表 常用光谱辐射量一览表
辐通量的光谱分布 接收器的光谱响应 V(λ)称为视见函数
21Βιβλιοθήκη §1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
普 朗 克
1、引入了著名的普朗克常数h。
对黑体辐射的研究发现了热物体辐射强度正 比于它的绝对温度,而反比于这个发射光线波长 的平方: ρ (ν )=(8π hν 2/c3)· hν /KT-1) (1/e
其中引入了一个常数h,后来被称为普朗克常 数。1900年10月19日他在德国物理学会上报告了 自己的成果,普朗克公式被认为是正确的普遍公 式。 普朗克认为这个公式必能从某些理论中推导出来, (1858-1947) 经典物理学的所有理论和方法他都试过了,但都 失败了。他从失败中认识到这个公式不能单纯从 经典理论中推导出来。
§1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
常用辐射量和光度量一览表
名 称 辐[射]能 光能量 辐[射能]通量 光通量 辐[射]出[射] 度 光出射度 辐[射]照度 [光]照度 Εe Ev 符号 Qe Qv Φe Φv Μe Μv 定义 以辐射形式发射、传播或接收的能量。 光通量对时间的积分。 以辐射形式发射、传播或接收的功率。 发光强度为Ιv的光源,在立体角元dΩ内的 辐通量,dΦ v=Ι v· 。 dΩ 离开表面一点处面元的辐通量除以该面元 面积。 离开表面一点处面元的光通量除以该面元 面积。 照射到表面一点处面元上的辐通量除以该 面元的面积。 照射到表面一点处面元上的光通量除以该 面元的面积。 单位 焦[耳](J) 流[明]秒(lm· s) 瓦[特](W) 流[明](lm) 瓦每平方米 (W·m-2)
在第一个方程中,项麦克斯韦称 为位移电流 ,这是他在理论上的一个重大发现,也是他建立 麦克斯韦方程组的关键。 麦克斯韦方程组表明: 空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场 ,而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场 和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即 电磁波。 麦克斯韦方程还说明:电磁波的速度只随介质 的电和磁的性质而变化,这个速度可表示为:
(1831-1879)
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麦克斯韦在总结前人工作的基础上,引入位 移电流的概念,建立了一组微分方程。这方程 组确定电荷、电流(运动的电荷)、电场、磁 场之间的普遍联系,是电磁学的基本方程,麦 克斯韦方程组的微分形式是
1 E 4 curlB J c t c curlE 1 B c t divE 4 divB 0
爱因斯坦
(1879-1955)
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爱因斯坦
实验:微弱的紫光能从金属表面打出电子, 而很强的红光却不能从金属表面打出电子。 这个现象用光的波动说是解释不了的。因为 光的波动说认为光是一种波,它的能量是连续的 ,和光波的振幅即强度有关,而和光的频率即颜 色无关,如果微弱的紫光能从金属表面打出电子 来,则很强的红光应更能打出电子来,而事实却 与此相反。 (1879-1955)
表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射
2. 1900年,普朗克(Max.Planck)提出了辐射的量子论。
3. 1905年,爱因斯坦(Albert.Einstein)将量子论用于光电效
应之中,提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。 表现为光的发射、吸收、色散、散射
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麦克斯韦
麦克斯韦是继法拉第之后,集电磁学大成的 伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培 、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现 和实验成果,建立了第一个完整的电磁理论体 系,不仅科学地预言了电磁波的存在,而且揭 示了光、电、磁现象的本质的统一性,完成了 物理学的又一次大综合。这一自然科学的理论 成果,奠定了现代的电力工业、电子工业和无 线电工业的基础。 1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电 磁学大成的划时代著作,全面地总结了19世纪 中叶以前对电磁现象的研究成果,建立了完整 的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自 然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》 和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的 著作。
3. 1905年,爱因斯坦(Albert.Einstein)将量子论用于光电效
应之中,提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。 表现为光的发射、吸收、色散、散射
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二、
电磁波谱与光谱:
电磁波谱及光谱图
射线区(粒子区) 10 nm 紫外区10 nm 400 nm 电磁波光学区10nm 1mm 可见光区400 nm 800 nm 红外区800 nm 1mm 长波区(微波区) 1mm
光电系统——光能的传递和接收系统。 辐 射——一种能的形式。 辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统,最后被 光电器件接收。 光能的强弱是否能使接收器感受,这是光电系统一个很重要的指标 光度学——研究对可见光的能量的计算方法学。它使用的参量 称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。 辐射度学——适用于整个电磁波谱的能量计算方法学。主要用 于X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。 光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号 、定义式彼此对应,基本都相同,只是单位不同。为了区别这 两种量,规定用下标v 和e表示。 22
(1879-1955)
1925年因此获得诺贝尔物理学奖
15
一、
光的主要性质:
光具有波粒二象性,既是电磁波,又是光子流。 1. 1860年麦克斯韦(C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。 证明了光在传播时表现出波动性。
表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射
2. 1900年,普朗克(Max.Planck)提出了辐射的量子论。
流[明]每平方米
(lm· -2) m 瓦每平方米 (W·m-2) 勒[克斯](lx)
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§1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
常用辐射量和光度量一览表(续前)
名 称 辐[射]强度 发光强度 符号 Ι e Ιv 定义 单位 在给定方向上的立体角元内,离开点辐射 瓦每球面度 源或辐射源面元的辐射功率除以该立体角 (W·sr-1) 元。光度量中的基本量,单位为坎德拉cd。 坎[德拉](cd) cd的意义为:频率为540×1012Hz的单色辐 射在给定方向上的辐射强度 Ι e=1/683W· -1时,规定为1cd。 sr 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强 度除以该面元在垂直于给定方向平面上的 正投影面积。 表面一点处的面元在给定方向上的发光强 度除以该面元在垂直于给定方向平面上的 正投影面积。 瓦每球面度平 方米(W· sr1· m-2) 坎[德拉]每平 方米(cd· m-2)
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普 朗 克
2、提出了能量子假说。
能量子假说的提出,给经典物理学打开了一 个缺口,为量子物理学安放了一块奠基石,宣告 量子物理学的诞生。普朗克在做出量子假说时已 年过四十。他受过严格的经典物理学训练,对经 典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理 学决裂,只是迫于事实的压力,才不得不做出能 量子的假说。 1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了 自己的研究结果,他的公式受到欢迎,但他的能 量子假说,却受到冷遇,当时没有人相信他的假 说。
(1858-1947)
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普 朗 克
3、能量子假说。
黑体是由许多振子组成的,振子的能量不可 以连续地变化,当它吸收和辐射频率为ν 的电磁 波时只能是一份一份地进行,每份能量为:E= hν ,每个振子的能量是这个基本能量单元的整 数倍。 他根据这个假设从理论上推导出了普朗克公式。