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光电检测技术教案(精炼版).docx
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第 3,4 学时
授课题目(教学章节或主题):辐射量和光学量。
单元教学目标或要求:掌握光学量及其单位;了解光的基本性质、辐射量及其单位。
单元教学内容(包括基本内容、重点、难点,以及引导学生解决重点难点的方法、例题
等):
* 基本内容:
§1.1 辐射量和光学量
可见光是波长在 3.8×10-7~7.8×10-7 米范围内的电磁辐射,描述电磁辐射的物理量,即
辐射量,也可用来描述可见光;可见光是能对人的视觉形成刺激并能被人感受的电磁辐射,
因而人们很自然地用视觉受到刺激的程度,即视觉感受来量度可见光。按这种视觉响应原则
建立的表征可见光的量称作光学量。
下面简要介绍各种辐射量和光学量及其单位,以及两种量值系统间的关系。
一、辐射量
1、辐射能 2、辐通量 3、辐出度 4、辐照度 5、辐射强度 6、辐亮度
上述的六种辐射量,对于所有的光辐射都是适用的,它们是纯物理量。对于可见光,人们常
用光学量量值系统进行度量。
二、光学量
1、光通量
2、光出射度 Mv
光出射度的单位为流[明]每平方米(lm/m2)。
3、光照度 Ev
光照度的单位名称是勒[克斯](lx)。 1 lx=1 lm/m2 。
4、发光强度 Iv
发光强度的单位为坎[德拉](cd)。1979 年第十六届国际计量大会对发光强度的单位坎德拉
作了明确的规定:“一个光源发出频率为 540×1012HZ (赫兹)的单色光,在一定方向的辐射
强度为 1/683 W/sr,则此光源在该方向上的发光强度为 1 坎德拉”。发光强度是光学基本量,
是国际单位制中七个基本量之一。从发光强度的单位坎德拉可以导出光通量的单位流明:发
光强度为 1 坎德拉的匀强点光源,在单位立体角内发出的光通量为 1 流明。
5、光亮度 Lv
三、光学量和辐射量间的关系
1、光谱光效率函数
人对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数,称之为光谱光效率函数。
两种光谱光效率函数:明视觉光谱光效率函数和暗视觉光谱光效率函数。
2、光学量和辐射量间的关系
明视觉条件下
暗视觉条件下
* 重点:
光学量及其单位。
* 难点:
光学量与辐射量之间的区别与联系。
* 引导学生解决重点难点的方法、例题:
通过结合现实生活,加强学生对知识的理解。
本授课单元教学手段与方法:
本堂课是理论课,采用 PPT 课件讲授以及结合现实生活。
本授课单元思考题、讨论题、作业:
1. 现在的国际单位制中的七个基本单位是什么?
2.一束波长为
m 的蓝光,光通量是 620lm,相应的辐通量是多少?如果射在一个
屏幕上,屏幕上 1min 所接收的辐射能是多少?
本授课单元参考资料(含参考书、文献等,必要时可列出)
[1] 吴杰编著,《光电信号检测》,哈尔滨工业出版社,1990
[2] 高稚允等编著,《光电检测技术》,国防工业出版社,1995
授课题目(教学章节或主题):
半导体物理基础&光电效应。
本授课单元教学目标或要求:
掌握半导体特性、载流子的运动、PN 结以及三种光电效应;了解能带理论、PN 结的三种
接触方式。
本授课单元教学内容(包括基本内容、重点、难点,以及引导学生解决重点难点的方法、
例题等):
* 基本内容:
§1.2 半导体物理基础&光电效应
一、半导体特性
1、电阻温度系数一般都是负的,对温度的变化十分敏感;
2、导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化;
3、导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界总有的影响而发生非常重要的变化。
二、能带理论
1、原子中电子的能级
2、电子的共有化运动
3、晶体中电子的能带
三、载流子的运动
1、几个概念
(1)本征半导体:完全纯净&结构完整的半导体。
(2)本征激发:电子由价带直接激发跃迁到导带。
(3)N 型半导体&P 型半导体:主要由电子导电的半导体称为???
(4)空穴:价带中的电子空位。
(5)载流子:电子&空穴都能导电,我们通称他们为载流子。
2、热平衡载流子
(1)费米能级 EF
(2)半导体中的费米能级
3、非平衡载流子
四、半导体对光的吸收
五、半导体的 PN 结及金属与半导体的接触
1、PN 结原理
2、半导体异质结
3、三种接触:(1)阻挡接触(2)注入接触(3)欧姆接触
§1.3 光电效应
一、定义
因光照而引起物体电学特性的改变称为光电效应。
二、类型
(1)外光电效应(光电发射效应)(2)光电导效应&光生伏特效应。
三、光电发射效应
1、过程
(1)电子吸收光子以后产生激发,即得到能量;
(2)得到光子能量的电子(受激电子)从发射体内向真空界面运动(电子传输);
(3)这种受激电子越过表面势垒向真空逸出。
2、主要性质
斯托列托夫定律(光电发射第一定律)爱因斯坦定律(光电发射第二定律);光电发射的瞬
时性;光电发射的红限
四、光电导效应
1、定义:
半导体受光照射后,其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小的现
象。本征半导体&杂质半导体都能产生光电导效应,当光子能量大时,易于发生本征光电导;
当光子能量小时,易于发生杂质光电导。
2、相关参数
(1)光电导体的灵敏度;(2)光电导的弛豫;(3)光电导的光谱分布
五、光生伏特效应
1、定义
它是把光能转化为电能的一种效应,是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子&空穴
在空间分开而产生电位差的现象。
2、类型(产生原因)
* 重点:
半导体特性、载流子的运动、PN 结以及三种光电效应。
* 难点:
能带理论、PN 结的三种接触方式。
* 引导学生解决重点难点的方法、例题:
通过结合现实生活,加强学生对知识的理解。
本授课单元教学手段与方法:
本堂课是理论课,采用 PPT 课件讲授以及结合现实生活。
本授课单元思考题、讨论题、作业:
1、 详细讨论光电发射过程;
2、 PN 结的不断发展主要解决哪些问题?
本授课单元参考资料(含参考书、文献等,必要时可列出)
[1] 吴杰编著,《光电信号检测》,哈尔滨工业出版社,1990
[2] 高稚允等编著,《光电检测技术》,国防工业出版社,1995
授课题目(教学章节或主题):
光电检测器件的基本特性参数
本授课单元教学目标或要求:
掌握光电检测器件的概念、有关响应方面的特性参数、有关噪声方面的参数以及其它参数。
本授课单元教学内容(包括基本内容、重点、难点,以及引导学生解决重点难点的方法、
例题等):
* 基本内容:
§2.1 光电检测器件的基本特性参数
一、光电检测器件的概念
利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。
二、有关响应方面的特性参数
1、响应度(灵敏度)
响应度是光电探测器输出信号(电压或电流)与输入辐射功率之间关系的度量。
2、光谱响应度
光电探测器的输出信号与入射到探测器上的单色辐通量之比。
3、积分响应度
探测器对连续辐射通量的反应程度。是光电探测器的输出信号与入射到探测器上的总光通量
之比。
4、响应时间
描述光电探测器对入射辐射响应快慢地一个参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射
被遮断后,其输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。
5、频率响应
光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性。其关系如下:
三、有关噪声方面的参数
(一)光电检测器件的噪声
1、热噪声(约翰逊噪声)
载流子无规则的热运动造成的噪声。
2、散粒噪声(散弹噪声)
穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声。
3、产生-复合噪声
载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内在平均值上下起伏所造成的噪声。
4、1/f 噪声(闪烁噪声或低频噪声)
由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在,当电流流过时在微粒间发生微火花放
电而引起的微电爆脉冲。
(二)衡量噪声的参数
1、信噪比(S/N)
在负载电阻 RL 上产生的信号功率与噪声功率之比。
2、等效噪声输入(ENI)
器件在特定带宽内(1Hz)产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流时的输入通量。
3、噪声等效功率(NEP)或称最小可探测功率 Pmin(10-11W)
信号功率与噪声功率之比为 1 时,入射到探测器件上的辐射通量。
4、探测率 D 与归一化探测率 D*
四、其他参数
1、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。
2、线性度:描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程
度。
3、工作温度:光电探测器最佳工作时的温度。
* 重点:
光电检测器件的概念、有关响应方面的特性参数、有关噪声方面的参数以及其它参数。
* 难点:
1/f 噪声、信噪比、量子效率等概念。
* 引导学生解决重点难点的方法、例题:
通过结合现实生活,加强学生对知识的理解。
本授课单元教学手段与方法:
本堂课是理论课,采用 PPT 课件讲授以及结合现实生活。
本授课单元思考题、讨论题、作业:
试自己画图描述上升时间和下降时间。
本授课单元参考资料(含参考书、文献等,必要时可列出)
[1] 吴杰编著,《光电信号检测》,哈尔滨工业出版社,1990
[2] 高稚允等编著,《光电检测技术》,国防工业出版社,1995
授课题目(教学章节或主题):
半导体光电检测器件
本授课单元教学目标或要求:
掌握光敏电阻、光电池、光敏二极管以及光敏三极管的定义、特性参数、结构和工作原理;
各种器件的特性比较和选择方法等;了解他们的应用。
本授课单元教学内容(包括基本内容、重点、难点,以及引导学生解决重点难点的方法、
例题等):
* 基本内容:
§2.3 半导体光电检测器件
一、光敏电阻
(一)定义:在绝缘材料上装梳状光电导体封闭在金属或塑料外壳内,再在两端连上欧姆接
触的电极而成。
(二)光敏电阻的特性参数(结合相关图例讲述)
1、增益 G
2、灵敏度
光电导灵敏度 Sg:光电导 g(分为亮电导&暗电导)与输入光照度 E 之比;
电阻灵敏度 SR:Rd 为暗电阻,RL 为亮电阻
比灵敏度:单位通量与电压下所产生的光电流。
3、光电特性 4、伏安特性 5、温度特性 6、时间&频率响应 7、噪声
8、前历效应:光敏电阻的时间特性欲工作前历史有关的一种现象。
二、光电池(结合相关图例讲述)
(一)光电池的结构
(二)特性参数
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春哥111
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