光电检测技术

光电检测技术

预览说明:预览图片所展示的格式为文档的源格式展示,下载源文件没有水印,内容可编辑和复制

习题一

1、光电检测系统是由哪几部分组成的？各部分的作用是什么？

2、光电检测技术的特点有哪些？

3、简答以下概念：辐射通量、辐射亮度、辐照度、光通量、光亮度、光照度。

4、简答半导体材料的特性。

5、绝缘体、半导体、导体的能带图有何区别?

6、什么是N型半导体？

7、随温度的提高为什么N、P型半导体的费米能级会向中间移动？

8、什么是载流子的复合？

9、载流子的运动分哪两种？

10、半导体对光的吸收有哪几种？哪种吸收最强？

11、简答以下概念：半导体的异质结、肖特基势垒、注入接触、欧姆接触。

2、光电检测技术特点

高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。

高速度：光速是最快的。

远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。

非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。

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。

数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。

3、半导体对光的吸收形式有；本征吸收、杂质吸收、自由载流子、激子吸收、晶格吸收其中本征吸收最强。

4、温度特性、掺杂特性、受热、光、电磁场的影响。 5、禁带宽度不同，绝缘体太大，导体价带导带重合，只有半导体禁带宽度适合电子跃迁

6、硅晶体中掺入五族元素，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。

7、在常温下，N型半导体中n〉〉p，这时从价带激发到导带的电子比施主所提供的电子要少得多，但随着温度的提高，由价带到导带的热激发作用越来越强，由价带激发到导带的电子的比重越来越大，最后达到n≈p，即随温度的进一步上升，EF逐渐向禁带中央移动，材料显示本征特性。

8、电子与空穴相遇消失的过程。

9、由浓度梯度引起的扩散运动，在电场的作用下的漂移运动。

10、由两种不同质的半导体材料接触而组成的结，或由两种禁带宽度不同半导体材料组成的结。

肖特基势垒；金属和半导体接触由于费米能级的位置不同，电子就从一个物体流向另一个使两者都带电，最终使费米能级拉平，这种接触形成的势垒称为肖特基势垒。

金属与半导体结合后电子会从费米能级高的一边流向低的一边，使边界处的载流子浓度高于体内，电流—电压关系呈超线性关系，这种接触称为注入接触。

若金属与半导体接触逸出功相同，接触后没有电荷转移，加上外电场时，电流——电压关系服从欧姆定律，这样的接触称欧姆接触。

习题二

1、光电效应是如何分类的？

2、光电发射效应的规律有哪些？

3、有关响应方面的参数有哪些？

4、光电检测器件的噪声有哪些？

5、简答光电倍增管的工作原理。

6、光电倍增管有哪些组成部分？ 7、光电倍增管有何特点8、简答光敏电阻的工作原理。

9、光敏电阻有哪些特性？10、简答光电池的工作原理。

11、简述光敏二极管的光电流是怎样形成的？12、简答雪崩光敏二极管的工作原理。

13、光电器件的特性有哪些？

1、光电效应通常分为外光电效应和内

光电效应两大类。

一、在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子

叫光电子。

二、内光电效应按其工作原理可分为：光电导效应和光生伏特效应。

1.光电导效应

在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料载流子浓度增加，使电阻率变化，这种现象称为光电导效应。

2.光生伏特效应

在光照射下，能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。

2、斯托列夫定律、爱因斯坦定律、光电发射的红限、光电发射的瞬时性。

3、响应度也称灵敏度，输出比输入，光谱响应度，单色光的输出，积分响应度是连续辐射的反应程度，响应时间，频率响应。

4、热噪声、散粒噪声、产生一复合噪声、1/f噪声。

5、光照射到光电阴极上，光电阴极激发出的光电子在电场的加速作用下，打到第一倍增极上，由于光电子能量很大，在倍增极上被激发出若干二次电子，这些电子在电场作用下，又打到第二倍增极上，引起二次电子发射，逐级发射直到阳极收集为止，若一次倍增极电子数增加δ倍，有n个倍增极，则阳极收集的电子数就是原来的δn倍。

6、光电倍增管的组成： 1．光窗

光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。决定光谱短波限。

2．光电阴极

它的作用是接收入射光，向外发射光电子。决定光电管长波限。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。

3．电子光学系统

前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1

4．阳极

阳极是用来收集最末一级倍增极发射出来的电子的。现在普遍采用金属网来作阳极，使它置于靠近于最末一级倍增极附近。

5．倍增系统

倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。

7、最大特点有很高的灵敏度，很高的增益，量子效率很高，但存在最大噪声是暗电流。

8、光敏电阻是入射光子使电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电而阻值减小，电导增大。

热敏电阻是吸收辐射、晶格振动使器件温度上升，阻值发生变化。

9、增益、灵敏度、光电特性、伏安特性、温度特性、时间频率特性、噪声。

10、硅光电池是以硅作为基体材料利用光生伏特效应来完成光电转换，PN结受光照射时，就会在结区产生电子—空穴对。受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，最后在结区两边产生一个与内建电场方向相反的光生电动势，如果有外接负载，将有电流流过负载。

11、光照射光敏二极管表面时，不同波长的光（蓝光、红光、红外光）在光敏二极管不同区域被吸收，在表面P型层因光照产生少数载流子，在空间电荷场的作用下拉向N区，波长较长的光波透过P型层到达空间电荷区，激发的电子一空穴对分别拉向N区和P区，波长更长的红光、红外光透过P区和空间电荷区，在N区被吸收产生少数载流子被结电场拉向P区，总的光生电流即由这三部分电流形成的。

12、当光敏二级管中的PN结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一高电场，进入该场区的光生载流子获得足够的能量发生碰撞，通过碰撞使晶格原子电离而产生新的电子一空穴对，只要电场足够强这种过程将会重复进行，而使光生载流子达到雪崩的状态。

13、灵敏度高、动态特性好、光电特性好、响应快，光谱特性好。

习题三

1、简答热电检测器件的特点。

2、简答辐射热电偶的工作原理。

3、简答热电偶的类型。

4、简答热敏电阻的工作原理。

5、热敏电阻有哪些特点？

6、热敏电阻有哪些类型？

7、热释电探测器有哪些优点？8、简答热释电探测器的原理。

1、（1）从光谱响应看，热电检测器件属于无选择器件，室温下不需致冷，应用上不同于光电器件。

（2）热电检测器件将辐射能转换为热能，这是每个器件都要经历的阶段，属于热电检测器件的共性。（3）将热能转换为电能随每个器件的结构原理不同而存在差异，属于热电检测器件的个性。

2、当两种不同的金属A和B组成一个回路时，如果两种金属的连接点一端为涂黑金箔接受热辐射温度升高形成热端，另一端温度较底，在入射辐射作用下，在回路两端产生温差，由于温差存在则在回路中就有电流流过。

3、热电偶分为标准化与非标准化两大类，热电极材料有金属、非金属和半导体几大类。金属中又有廉价金属、贵金属和难熔金属等。常见的热电偶材料有：康铜、Cu、Fe、W、NiCr、NiAl、Ni、Pt、PtRh、Ag 等。 4、热敏电阻是吸收辐射、晶格振动使器件温度上升，阻值发生变化。

5、①电阻温度系数大，约为金属电阻的10～100倍，灵敏度高；②结构简单，体积小，热惯性小，可以用来测定点温度及变化温度。元件尺寸可做到直径为0.2mm，能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度；③使用寿命长；电阻率高，适宜作动态测量。④利用半导体掺杂技术，可以测量42～100K之间的温度，是一种重要的低温传感器。⑤使用方便，电阻值可在0.1~100kW之间任意选择。其不足之处是互换性差，离散性严重。

6、热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数(PTC)热敏电阻和负温度系数(NTC)热敏电阻及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度热敏电阻器(CTR)。

7、1、能够解决检测器件的矛盾

（1）响应波长与探测率的矛盾：热电器件宽波段响应，光电类，响应波长越长，探测率越低。

探测率与响应时间的矛盾；热电器件探测率越高反应速度越慢，光电类也有此矛盾。

热释电检测器件的的响应时间取决于入射辐射的切割速度，避免了以上矛盾。

2、热释电检测器件优点

很多材料具有热释电效应，具有很好的检测特性。

8、用调制频率为f的红外辐射照射热释电晶体，使晶体温度升高，晶体的自发极化以及由此而引起的面束缚电荷均随频率f变化。

f＞1/ζ时，体内自由电荷来不及中和面束缚电荷的变化，结果使晶体在垂直Ps的两端面有开路交流电压，接上负载，即有电流流过，产生交流信号电压。

习题四

1、简答光电成像器件的类型

2、氧化铅视像管是如何工作的？ 3、视像管硅靶面是如何完成光电转换的？

4、电荷耦合器件CCD是如何完成电荷储存的？

5、简述CCD的电荷耦合过程。

6、CMOS与CCD传感器有何区别？

1

2、氧化铅靶在工作时，其信号板上加有+40V左右的电压，通过电子束对靶面扫描，靶的扫描面电位被稳定在0伏。这样NIP异质结处于反向偏置。由于本征层的电阻率高，所以外加的反向偏压主要是施加在本征层上，当入射光子打倒靶上被本征层吸收，产生光生载流子，在电场作用下电子拉向N区，空穴被拉向P区，结果在靶面上获得了与输入图象光照分布对应的电位分布。

4、CCD的基本单元是MOS光敏元，在电极上加正电压，在电场作用下P型区内空穴被排斥形成耗尽

区，对电子来说相当于一个势能很低的区域称作势阱，如果有

光束入射到光敏单元上，其中光生电子被势阱收集，光生空穴

被排斥出耗尽区，这样就完成了电荷的储存。

3、当有光学图像输入时，N型硅将吸收光子产生电子-空穴对，

它们将在电场作用下

作漂移运动，空穴通过PN结

移到P岛，空穴的漂移在一帧

的周期内连续进行，从而提高

了P型岛的电位，其电位升高

的数值正比于该点的曝光量，

因此靶面的P型岛上形成了积累

的电荷图像，这时通过电子束

扫描即可得到视频信号。

6、CCD摄像器件—有光照灵敏度高、噪声低、像素面积小等优点。

但CCD光敏单元为MOS阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，后续信号处理比较复杂；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相