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光电检测技术基础PPT课件

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光电检测技术光电检测应用基础知识教学PPT

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

光电测量技术 PPT课件

光电测量技术 PPT课件

它由光电阴极、若干个倍增 极和阳极三部分组成。光电阴极 是由半导体光电材料锑—铯制造 的，入射光就在它上面打出光电 子。倍增极数目在4~14个不等。 在各倍增极上加上一定的电压，阳极收集电子，外电路形成 电流输出。工作时，各个倍增极上均加上电压，阴极K电位最低。 从阴极开始，各个倍增极E1、E2、E3、E4（或更多）电位依次 升高，阳极A电位最高。入射光在光电阴极上激发电子，由于各 极间有电场存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，在 受到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子，称为“二次电 子”。
1:硫化镉、 2:硫化铊、 3:硫化铅。
④光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光敏电阻的 光电流I与照射光通量Φ的关系称为光 电特性。 光敏电阻的光电特性具有非线性。
⑤时间常数 当光敏电阻受到光照时，光电流要经过一定时间才能到达 稳定值。同样，光照停止后，光电流也要经过一定时间才能恢 复到暗电流。 光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性，通常用时间常数 τ表示。时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度。不 同材料的光敏电阻有着不同的时间常数。 2 光电池 光电池基于阻挡层的光电效应工作的。 在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元 件。实质上它就是电压源。 光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、
物体表面受到光的照射，表面内的电子与光子碰撞， 发生能量转移，光子把全部能量转移给电子，使电子 的能量增加。如果电子的能量超过逸出功A0时，电子 就逸出物体表面产生光电发射。如果不考虑电子热运 动的能量，产生光电发射的条件是：光子能量h〃f超过 表面逸出功A0。光子能量超过表面逸出功的部分，表 现为电子的能量。
10.3 常用光电传感器及其应用
1 光敏电阻 (1) 结构和原理
光敏电阻又称光导管。光敏电阻是用半导体材料制成的。 在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两 端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将 它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体 光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最 敏感的波长范围内透射率最大。

第1章 光电检测技术PPT课件

第1章 光电检测技术PPT课件
…… 检测器件：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 检测过程：信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
10
测量：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确
定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍
数的过程
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量
的数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺
4.3 光电信号检测电路的动态计算
4.4 光电信号检测电路的噪声
4.5 前置放大器
4.6 光电检测电路举例
第五章 光电直接检测系统
5.1 光电直接检测系统的基本工作原理
5.2 光电直接检测系统的基本特性
5.3 直接检测系统的距离方程
5.4 光电直接检测系统举例
第六章 光外差检测系统
6.1 光外差检测原理
• 电子检测系统：一般由传感器、信号调理器和输出环 节三部分组成。
15
光电检测系统
光
光
被
光变 电
存储
源
学 系 统
光 载
测 对
波象
光 信
电 传
换 电
息感路
信 号 处
显示
理 控制
光学变换
光电转换
电路处理
16
• 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。
– 电压：万用表
– 质量：天平
间接测量：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：
– 电功率：P = I × V（电流×电压）
– 重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动

《光电检测技术基础》课件

《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

光电检测原理与技术--第2章光电检测技术基础

光电检测原理与技术--第2章光电检测技术基础
单次测量的随机误差没有规律，也不可预见，不 能用实验的方法来消除。但是大量重复测量的结果遵循 某种统计规律，因此可以采用概率统计的方法来处理含 有随机误差的数据。
注意事项：
• 系统误差是测量过程中某一突出因素变化所引起的，随机 误差是测量过程中多种因素微小变化综合引起，两者不存 在绝对的界限。
c、粗大误差（Gross error）
2.1 检测量的误差及数据处理
一、 前言 二、 测量过程与误差的基本概念 三、 随机误差 四、 系统误差
一、前言
1、研究误差的意义
（1）、 确定测量误差是整个测量过程不可缺少的重要环 节。对于不知其测量误差的测量结果，往往是无法应用从而也
是无意义的。 例：机加工中，制造与某个孔相配合的轴。
（2）、误差理论是保证和提高测量准确性必要的理论依据。
例：用台式血压计测量人体血压。
测量仪器、测量方法、测量人员、测量环境、 测量对象等都会产生误差。
二、 测量过程与误差的基本概念
1、测量过程与标准
(1)测量：借助于专门设备，以确定被测对象的量值为目的所 进行的操作。它是一个比较过程，即通过一定的实验方法将被 测量与一个作为比较单位的标准量相比较的过程。 测量包括测量过程和测量结果。
试比较两电压测量结果准确度的高低。
解：A、B两电压测量结果的相对误差分别为：
rA
A xA
1.0 100.0
1%
通过比较可知A的准确度高于B
rB
B x
0.2 5.0
4%
的准确度。
c、额定相对误差
一种简化和方便实用的主要用于表示电表的误差，广泛用在电工和热工仪表方面，少 数无线电测量仪器也用这种误差表示方法。
定义：又称“疏失误差”或“寄生误差”，明显超出在 规定条件下预期的误差。 特征：明显的歪曲测量结果。成因可归纳为测量条 件突变或人为因素。

《光电检测技术》课件-光电池

《光电检测技术》课件-光电池

f/ Hz
图7-18 硅光电池的频率特性
2023/4/26
7
(4) 温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路 电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温 度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标， 因此温度特性是光 电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图19所示。从图中看出， 开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓 慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元 件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。
2023/4/26
11
不宜用作电压源。
2023/4/26
4
图16 硅光电池的光谱特性
10 0
80 硒
60
硅
S /%
40
20
2023/4/26
0 400 600 800 1000 1200
/ nm
5
图 17 硅光电池的光照特性
Байду номын сангаас
光 生 电 流 / mA 光 生 电 压 /V
0.3 0.2 0.1
0
2023/4/26
0.6
开 路 电压
0.4
短 路 电流
0.2
2 000
0 4 000
照 度 / lx
6
相 对 光 电 (流%) /
（3） 频率特性 图18分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标 表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。
10 0 硅 光 电池
80
60 硒 光 电池
40
20
0 1500 3000 4500 6000 7500
S4.7、光电池

《光电检测技术》课件-色敏传感器

《光电检测技术》课件-色敏传感器

2023/4/26
4
2023/4/26
2
二、色敏传感器的应用
色彩信号处理电路
2023/4/26
3
识别色彩, 必须获得两个光电二极管的短路电流 比。 故采用对数放大器电路, 在电流比较小的时 候, 二极管两端加上的电压和流过电流之间存在 近似对数关系, 即OP1、OP2输出分别跟lnISD1、 lnISD2成比例, OP3取出它们的差。输出为Uo = C（ln ISD2-lnISD1）= C ln (ISD2/ ISD1), 其正比于短路电流比ISD2/ISD1的对 数。其中c为比例常数。将电路输出电压经A/D变 换, 处理后即可判断出与电平相对应的波长（即 颜色）。
S4-11 、色敏传感器
色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特 殊类型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体， 其结构和工作原理的等效电路如图所示。
电极1 电极2
1
SiO2
P+
N
2
P
电极3
3
2023/4/26
色敏光电传感器43;-N结为浅结，N-P结 为深结。当光照射时，P+，N，P三个区域及其 间的势垒区均有光子吸收，但是吸收的效率不同 。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被吸 收完毕；因此，浅结对紫外光有较高灵敏度。而 红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处被吸 收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半 导体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏 度。这一特性为识别颜色提供了可能性。利用不 同结深二极管的组合，即可构成测定波长的半导 体色敏传感器。

光电检测技术基础(1)幻灯片PPT

光电检测技术基础(1)幻灯片PPT

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，dΦv=Ιv· dΩ。
辐[射]出[射] Μe 离开表面一点处面元的辐通量除以该面元
度
面积。除以该面元 面积。
辐[射]照度 [光]照度
H 光照度对时间的积分。
勒[克斯]秒 (lx·s)
21
§1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
常用光谱辐射量一览表
22
§1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
辐通量的光谱分布 辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。
总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐通量 的连续分布曲线。
c t 48
J
divB 0
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)＝(8πhν2/c3)·(1/ehν/KT-1)
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。
坎[德拉](cd)
射在给定方向上的辐射强度
Ιe=1/683W·sr -1时，规定为1cd。
Le 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。
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16Leabharlann 杂质光电导效应：杂质半导体
杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离，产生 自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。
29.12.2020
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9
激子和晶格吸收
▪ 指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动 能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴 的能量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至 会降低光电转换效率。
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10
光电导效应、光生伏特效应和光热效应
▪ 光电效应：物质受光照射后，材料电学性 质发生了变化（发射电子、电导率的改变、 产生感生电动势）现象。 包括：
▪ 其它方法：电注入、高能粒子辐照等。
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6
载流子的输运过程
▪ 扩散 ▪ 漂移 ▪ 复合
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7
半导体对光的吸收
▪ 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。
▪ 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
▪ 本征吸收——由于光子作用使电子由价带 跃迁到导带
第二章 光电检测技术基础
29.12.2020
.
1
导体、半导体和绝缘体
▪ 自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。 ▪ 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。 ▪ 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
hv>Eg 即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。
基本概念： 1、稳态光电流：稳定均匀光照 3、亮电导率和亮电流
2、暗电导率和暗电流 4、光电导和光电流
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15
基本公式：
光
本征半导体样品
S
L
U
光电导效应示意图
29.12.2020
暗电导率Gd=σdS/L 暗电流Id= σdSU/L 亮电导率Gl= σlS/L 亮电流Il= σlSU/L 光电导Gp= ΔσS/L 光电流Ip= ΔσSU/L
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2
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
净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))
▪ 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
29.12.2020
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8
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
外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化
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11
光电效应解释
▪ 物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质 中 电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效 应、光生伏特效应和光电子发射等现象。
▪ 在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： ▪ 原因：是辐射，而不是升温； ▪ 现象：电子运动状态发生变化； ▪ 结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。 ▪ 简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电
.
5
非平衡载流子的产生
▪ 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。
▪ 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。
▪ 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。
▪ 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增 加。
时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。 ▪ 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。
29.12.2020
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4
平衡和非平衡载流子
▪ 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。
▪ 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。
▪ 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，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。
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原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电 子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。
属于内光电效应。
包括：
本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。
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14
本征光电导效应
本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。
即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激发出电 子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：
▪ 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。
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光电导效应
▪ 光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光 照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作 的基础。 物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质
▪ 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。
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3
本征和杂质半导体
▪ 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。
▪ 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。
▪ 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半 导体的导电性质。
▪ 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 ▪ 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同
导效应、光生伏特效应、光电子发射。
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12
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克服原子核的束缚时， 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。