光电检测技术-提纲1.0

光电检测技术雷玉堂 主编第2版

Chap 1绪 论

1. 光电检测技术(光电检测系统)，是指对被测光学量或由非光学被测量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。

2. 光电检测系统的组成：光学变换、光电变换、电路处理。

3. 光电检测系统的分类：a.按几何光学变换的光电检测方法（辐射式、反射式、遮挡式、透射式）；b. 按物理光学变换的光电检测方法（干涉式、衍射式）。

Chap 2光电检测技术基础

1. 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光，其中0.55μm的光为人眼最敏感。 2. 光辐射的度量（书p20-24）：辐（射）能和光能、辐（射）通量和光通量、辐(射)出(射)度和光出(射)度、辐(射)强度和发光强度、辐(射)亮度和亮度、辐（射）照度和光照度、辐(射)效率与发光效率。

3. 人眼的光谱光视效率V(λ)=dP555/dPλ：人眼对波长为555nm的光的视见函数为1，其它波长的视见函数值都小于1，不可见区的视见函数值都等于零。 4. 半导体物理基础：

a. 半导体定义与特性（p26）；b. 能带理论（p27）；c. 热平衡载流子（p30）；d. 非平衡载流子（p32）；e. 载流子的运动（扩散运动和漂移运动）（p34）；f. 半导体对光的吸收：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收。只有本征吸收和杂质吸收，能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应，其余是光热效应。发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即hv?Eg发生本征吸收的光波长波限

?L?hc1.24?；g. 半导体PN结（p38）。 EgEg5. 光电效应（p43）：外光电效应（多发生于金属和金属氧化物），内光电效应（p43）（发生

于半导体中）。内光电效应又可分为：a. 光电导效应（p43）（光敏电阻）：灵敏度、弛豫、光谱分布（由于杂质的电离能比禁带宽度小电导的光谱响应的波长比本征光电导的长。电导的光谱响应的波长比本征光电导的长,某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。）；b. 光生伏特效应（p47）：3个产生机制（由势垒效应产生，由载流子浓度梯度引起，用外加磁场产生）。

★Chap 3 光电检测器件

1. 基本原理：利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件

2. 特点：响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应；响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短， 一般为纳秒到几百微秒 3. 基本特性参数（p53）：响应参数、噪声参数、其他参数。

噪声等效功率(NEP)：即最小探测功率，信号功率与噪声功率之比为1（即S/N=1）时入射到探测器件上的辐射通量。NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。归一化探测率： *?DA?f?A?f/NEPD4. 光电倍增管（PMT）（p61）：a. 基本结构与原理（p61）；b. 基本特性参数（p63）；c. 供

电和输出电路（p65）；d. PMT的特点及其使用要点（p67）。 5. 半导体光电器件： a. 光敏电阻（p71，光电导效应）：结构与工作原理（p71）、基本特性参数（p73）（还有，

??lgR1?lgR2 R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值，光敏电阻的光电

lgE2?lgE1特性可用一个随光度量变化的指数γ来描述，并定义γ为光电转换因子）、优缺点（p75）及其使用要点（p76）、典型的偏置电路（ppt）

补充：禁带宽度越大的光敏电阻，其暗电阻也越大。

b. 以光生伏特效应为基本原理的半导体检测器件（各种关系图十分重要）： 光电池 光敏二极管 PIN光敏雪崩光敏二极光敏三极管 二极管 管（APD） 结构与 工作原理 特性参数 类型及应用 p78，核心是一个pn结 P79 P82，应用较多的为硒光电池和硅光电池，应用有光电检测器件和光电能量器件 P82 P89 P92，非常适用于可见光和近红外区域 P93 P94 P84 P90，主要特点 P96 1.p型衬底的PNP型为3CU型；2.n型衬底的NPN为3DU型 P87，点接触、P90，一扩散型pn些实例结、耗尽层型 参数 c. 光伏器件与光导型器件的区别：p98，共5点。

d. 光伏器件的使用要点p99

e. 各种光电器件的性能比较和应用选择p110

▲Chap 4 热电检测器件 1. 三种主要的热电效应：

a. 温差电效应（塞贝克效应）：温差产生电动势（热电偶和热电堆） b. 电阻温度效应：辐射引起电阻率变化（热敏电阻、测辐射热计）

c. 热释电效应（铁电性） ：辐射变化引起表面电荷变化（热释电探测器） 2. 热电检测器件基本原理及特点

a. 原理：将辐射能转换为热能（第一阶段，共性），再将热能转换为电能（第二阶段，个性）

b. 特点：主要是光谱响应几乎与波长无关，为无选择性探测器，所以响应速度较慢，可以在室温下工作，主要噪声为温度噪声。 3. 热电偶：

a. 结构与工作原理（p116）、各类参数（p117）

b. 为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，并把它们串联起来，就构成热电堆。 c. 使用注意事项（p120） 4. 热敏电阻： a. 特点（p124）、类型、原理及结构（p120-122）：由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，

因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种无选择性的光敏电阻。 b. 特性参数（p122-124）：其中比较重要的几点有

⑴. RT为热敏电阻在某个温度下的电阻值，常称为冷阻，如果功率为W 的辐射入射到热敏电阻上，设其吸收系数为a，则热敏电阻的热阻定义为吸收单位辐射功率所引起的温升，即 R ? ? T 。

FaW

⑵. 增加热敏电阻的灵敏度，需采取以下措施：

①增加偏压Ubb但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制； ②把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率a； ③增加热阻（即减小热导），其办法是减少元件的接收面积及元件与外界对流所造成的热量损失，常将元件装入真壳内，但随着热阻的增大，响应时间也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上； ④选用αT大的材料，也即选取B值大的材料。当然还可使元件冷却工作，以提高值。

5. 热释电检测器件

a. 工作原理（p127-129）：热释电效应：热电晶体（具有非中心对称的极性晶体）材料因吸收光辐射能量、产生温升，导致晶体表面电荷发生变化的现象。 b. 工作状态（p128）：交变辐射、居里温度以下、外加交流电压 c. 特性参数（p133-136）

Chap X 发光二极管（书上第六章 第二节） 1. 工作原理（p217）：当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。p与n在PN结区相遇复合释放能量而发光。工作条件：正向偏置。一般工作电流几十 mA，导通电压 (1~2) V。发光类型：可见光：红、黄、绿；不可见光：红外光。显示类型： 普通 LED，七段 LED，点阵LED。 2. 特性参数（p218-220） 3. 主要特点（p221）共6点

4. 主要应用：数字，文字及图像显示，指示、照明，光源，电开关、报警、遥控，光电耦合器件。

Chap 5光电成像器件

1. 我国电视制式及其参数：我国现行电视制式（PAL制式）的主要参数为：宽高比α=4/3；一幅图像的帧频为25Hz，行数为625行，则算得的行频fl=15625 Hz，场频为fv=50 Hz；场周期T=20ms，其中场正程扫描时间为18.4ms，逆程扫描时间为1.6ms。行周期为64μs，其中行正程扫描时间为52μs，逆程扫描时间为12μs。 2. 真空摄像管（p143-145）

a. 摄像管：把可见光或不可见光（红外、紫外或X射线等）图像通过电子束扫描后转换成相应电信号，再通过显示器件成像。

b. 作用：在电视发送端将空间分布的光学图像转换成视频信号 c. 分类：

外光电效应：光电发射型摄像管 内光电效应：视象管 3. 电荷耦合器件 –CCD

a. CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。（具体特点见ppt）

b. 基本结构（p145）：MOS光敏元（金属—氧化物—半导体）结构 c. 基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测，具体见p146

⑴光电转换：光子进入衬底产生电子跃迁，从而形成电子-空穴对，这种电子-空穴对在外加电场作用下，就会分别向电极两端移动，因而产生光生电荷；

⑵电荷存贮：在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。当UG＞ Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能；

⑶电荷转移（p148或ppt）

d. 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。 e. 输入、输出机制：

⑴输入机构即电荷的注入，有光注入和电注入（p149-150）

⑵输出信号的方式：电流输出、浮置扩散放大器输出、浮置栅放大器输出 f. 分类及各类型的工作方式（p153，简答题常考）（隔列转移面阵CCD的工作方式见ppt） g. 特性参数（p160-166）

4. 变像管和像增强管（仔细阅读p200典型结构与工作原理即可）

Chap 6 光电检测典型的技术和应用（基本在简答题中出现，仔细阅读ppt第六章）

注：本提纲以此版本教材和ppt为准，建议自备。

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