光电检测原理与技术--第2章 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。
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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。
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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。
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如：0.35 m 0.8 m
紫外区 近红外区
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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。

光热效应
可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应
1、 热释电效应
介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。
物理本质：极化晶体
极化晶体：在外电场和应力为零情况下自身具有自发极化的晶体，原因是内部电偶极矩不为零(正负电荷中心不重合)，表面感应出束缚电荷。
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。 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。
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。
半导体的特性
半导体电阻温度系数一般是负的（温度升高，电阻下降），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)) 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。
光电导效应示意图
L
S
本征半导体样品

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

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。