光电检测技术教案精炼版.docx

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光电检测技术教案精炼版

第3,4学时

Ø授课题目（教学章节或主题）：

辐射量和光学量。

Ø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。

Ø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）。

1lx=1lm/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1/683W/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。

Ø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。

Ø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

Ø授课题目（教学章节或主题）：

半导体物理基础＆光电效应。

Ø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。

Ø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。

Ø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。

Ø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？

Ø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

Ø授课题目（教学章节或主题）：

光电检测器件的基本特性参数

Ø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。

Ø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。

Ø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。

Ø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。

Ø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

Ø授课题目（教学章节或主题）：

半导体光电检测器件

Ø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。

Ø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

1、输出特性2、光谱特性3、温度特性4、频率特性

（三）光电池的应用

光电开关，激光准直，太阳能转换为电能（硅光电池）等。

三、光敏（电）二极管

（一）结构与原理（结合相关图例讲述）

1、结构：

（1）PIN光电二极管的结构；（24）雪崩光电二极管的结构

2、工作原理（光电转换原理）

（1）PIN光电二极管的工作原理

（2）雪崩光电二极管的工作原理

（二）光电二极管的特性参数（结合相关图例讲述）

1、势垒区的厚度与电容2、光谱响应3、光照特性

4、频率响应（主要由载流子的渡越时间＆RC时间常数决定）

5、温度特性

（三）类型

点接触光电二极管；扩散型P-N结光电二极管；耗尽层型光电二极管；扩散型P-I-N硅光电二极管

（四）实际应用时光电二极管参数

四、光敏（电）三极管

§2.4各种光电检测器件的性能比较＆应用选择

一、接收光信号的方式

1、光信号的有无

被测对象造成投射到光电器件上的光信号截断和通过；

2、光信号按一定频率交替变化

光信号的输入是有一定频率的，必须使所选器件的上限截止频率大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化；

3、光信号的幅度大小

当被测对象因对光的反射率、透过率变化或被测对象本身光辐射的强度变化，此时光信号幅度大小亦改变；

4、光信号的色度差异

当被测对象本身光辐射的色温存在差异或表面颜色变化时，必须选择合适的光谱特性的器件。

二、各种光电检测器件的性能比较

三、光电检测器件的应用选择（注意事项）

1、光电检测器件必须＆辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配；

2、光电检测器件的光电转换特性必须＆入射辐射能量相匹配（主要是感光面）；

3、光电检测器件必须＆光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形＆良好的时间响应；

4、光电检测器件必须＆输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等；

5、注意选好器件的规格＆使用的环境条件。

*重点：

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。

*难点：

各种光电器件的工作原理以及特性参数。

*引导学生解决重点难点的方法、例题：

通过结合现实生活以及实际器件演示，加强学生对知识的理解。

Ø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和实际器件演示。

Ø本授课单元思考题、讨论题、作业：

自己查找一张电路图，讨论为什么电路使用该种类型器件（比如光敏电阻、光敏二极管等）。

Ø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

Ø授课题目（教学章节或主题）：

热电检测器件基本原理、热电偶与热电堆

Ø本授课单元教学目标或要求：

掌握热电检测器件的概念、基本工作原理以及热电偶与热电堆的相关知识等。

Ø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：

§3.1热电检测器件基本原理

一、定义

利用热效应（器件吸收入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化）输出电信号的器件。

二、共性

个性：

热能转换为电能；

共性：

辐射能转化为热能。

三、最小可探测功率

§3.2热电偶与热电堆

一、热电偶的构造与工作原理

1、工作原理（温差效应或称塞贝克热电效应）

当两种金属A＆B组成一个回路时，如果两种金属的连接点一端温度较高（热端），另一端温度较低（冷端），在入射辐射作用下，在回路两端产生温度差，由于温度差而产生电位差，则在回路中就有电流流过，这一现象称为温差效应（塞贝克热电效应）。

2、结构（两种不同类型的结构，详细结合图例讲解）

辐射热电偶（测温）

半导体热电偶

二、特性参数

1、响应率

直流辐射：

交流辐射：

2、响应时间：

几毫秒到几十毫秒，比较大，通常探测直流或低频状态。

3、最小可探测功率：

决定于噪声，一般为10－11W。

三、热电堆

四、使用注意事项

避免受强辐射照射，最大辐通量为几十微瓦；

流过热电偶的电流一般在1微安以下，决不能超过100微安（不能用万用表）；

两个输出端短路，避免强烈振动；

防止感应电流，尤其是电火花；

环境温度不超过60摄氏度。

*重点：

热电检测器件的概念、基本工作原理以及热电偶与热电堆的相关知识。

*难点：

热电偶的工作原理以及特性参数。

*引导学生解决重点难点的方法、例题：

通过结合现实生活以及实际器件演示，加强学生对知识的理解。

Ø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和实际器件演示。

Ø本授课单元思考题、讨论题、作业：

热电堆试如何在热电偶的基础上发展上来的？

Ø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

Ø授课题目（教学章节或主题）：

热敏电阻、热释电探测器件

Ø本授课单元教学目标或要求：

掌握热敏电阻的结构与原理、正（负）温度系数及其特性参数；热释电探测器的发展＆优点、工作原理；了解热释电探测器件的结构和国产器件的相关参数。

等。

Ø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：

§3.3热敏电阻

一、热敏电阻的结构与原理

1、定义

凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件。

2、正（负）温度系数

3、结构与原理

由热敏材料制成厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在具有导热能力的绝缘衬底上，的电阻体两端蒸发金电极，同外电路连接，再把衬底同一个热容量很大的、导热性良好的金属基体连接，红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化，通常在热敏元件表面用发黑材料进行表面黑化，增强对辐射的吸收能力。

二、热敏电阻的参数

1、阻温特性（实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系）

2、热敏电阻阻值变化量

3、热敏电阻的输出特性

4、冷阻＆热阻

冷阻：

热敏电阻在某个温度下的电阻值。

热阻：

单位功率所引起的温升。

5、响应率（单位入射辐射功率下的输出信号电压）

增加其响应率的措施：

增加偏压；增加吸收率；增加热阻；选用B值大的材料。

6、最小可探测功率（10－8～10－9W）

其主要噪声：

热噪声、温度噪声、电流噪声

§3.4热释电探测器件

一、热释电探测器的发展＆优点

1、发展

18世纪在电石中发现热释电效应；

1956年贝尔电话实验室Chynoweth利用动态法研究钛酸钡的热释电效应；

1962年英国Cooper从理论上计算出钛酸钡热释电探测器在居里温度附件的NEP优于其他类型热探测器；

1969年英国人Putley系统论述了其工作原理。

2、特点

避免了探测率与快速响应的矛盾；

固体衬底的探测器，牢靠性较高；

工作频率远高于其他热探测器；

较大面积的灵敏面，并且不受偏压影响；

受环境温度影响较小，但只能做交流器件使用。

二、工作原理

1、电介质的极化矢量与所加电场的关系

2、结构

把已完成好电极工艺的TGS热敏元件连同衬底贴于普通晶体管管座上，上下电极通过导电胶、铟球或细钢丝过渡到管脚，加窗口封装后，即成为完整的TGS热电探测器。

三、类型（列表说明）

四、国产热释电探测器件参数（列表说明）

*重点：

热敏电阻的结构与原理、正（负）温度系数及其特性参数；热释电探测器的发展＆优点、工作原理。

*难点：

热敏电阻的结构与原理。

*引导学生解决重点难点的方法、例题：

通过结合现实生活以及实际器件演示，加强学生对知识的理解。

Ø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和实际器件演示。

Ø本授课单元思考题、讨论题、作业：

详细查找热敏电阻有哪些应用？

Ø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

Ø授课题目（教学章节或主题）：

热敏电阻、热释电探测器件

Ø本授课单元教学目标或要求：

掌握发光二极管的结构与原理及其特性参数；了解二极管的应用以及国产器件的相关参数。

等。

Ø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：

§4.1发光二极管

一、发光二极管的结构与工作原理

1、ELED（侧面发光型）的结构

出射光束时朗伯型，平行于PN结结平面的方向光束发散角为120度，垂直于结平面的方向，光束发散角为30度。

2、ELED的工作原理

当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区的空穴载流子p向N区扩散，N区的电子n向P区扩散，p与n在PN结区相遇复合释放能量而发光。

3、SLED（正面发光型）的结构

4、制作材料

（1）直接带（直接跃迁）材料：

GaAs、GaN、ZnSe等。

（2）间接带（间接跃迁）材料：

GaP

（3）混晶：

GaAs1-xPx

4、特点

体积小，耐冲击，寿命长，功耗低，响应快，可靠性高，颜色鲜明＆易与集成电路匹配等。

二、特性参数

（一）效率

（1）用于非显示

功率效率：

输入的电功率转换成辐射的功率的效率。

光学效率：

外量子效率与内量子效率的比。

量子效率：

注入载流子复合而产生的光量子效率，可分为内量子效率＆外量子效率。

内量子效率：

辐射复合所产生的光子数与激发时注入的电子空穴对数之比。

外量子效率：

射出光子数与注入电子空穴对数之比。

（2）用于显示

照明效率：

辐射功率转换成光通量的效率。

流明效率：

消耗单位功率所得到的光通量。

（二）发光光谱

发光二极管的峰值波长是由材料的禁带宽度决定的。

当GaAs1-xPx的x值不同时，峰值波长在620～680nm之间变化，谱线半宽度大约为20～30nm，GaP发红光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。

（三）出光特性

（四）伏安特性

（五）发光亮度与电流的关系

（六）寿命

发光二极管的亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。

一般可达十万个小时。

随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。

它与工作电流密度有关，随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。

（七）响应时间

标志器件对信息反应速度的物理量。

即指器件启亮与熄灭时间的延迟。

发光二极管的响应时间一般很短。

三、应用

1、数字、文字以及图像显示

2、指示、照明

单个发光二极管可在仪器指示灯，示波器标尺，收音机刻度及钟表中的文字照明等。

目前已有双色、多色甚至变色的单个发光二极管。

3、光源

多用于光纤通信与光纤传感器中。

4、光电开关、报警、遥控＆耦合

四、国外几种半导体发光二极管的主要参数（列表说明）

*重点：

发光二极管的结构与原理及其特性参数。

*难点：

发光二极管的结构与原理。

*引导学生解决重点难点的方法、例题：

通过结合现实生活以及实际器件演示，加强学生对知识的理解。

Ø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和实际器件演示。

Ø本授课单元思考题、讨论题、作业：

试比较发光二极管与光敏二极管？

Ø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

Ø授课题目（教学章节或主题）：

光电耦合器件

Ø本授课单元教学目标或要求：

掌握光电耦合器件的含义、特点、特性参数及其应用。

等。

Ø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：

§4.3光电耦合器件

一、光电耦合器件的含义＆特点

1、含义：

把发光器件与光敏元件封装在仪器构成光电耦合器件。

这种器件在信息的传输过程中用光作为媒介把输入边＆输出边的电信号耦合在一起的，具有线性变化关系，且在电性能上是完全隔离的。

所以，我们把利用光耦合做成的电信号传输器件，一般称为光电耦合器件。

2、特点：

具有电隔离功能；绝缘电阻高达1010～1012欧姆，击穿电压高达100～25千伏，耦合电容小到零点几个皮法；

信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以，模拟，数字信号都适用；

具有抗干扰＆噪声的能力，可作为继电器＆变压器等使用；

响应速度快，一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级；

使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性价比高，工作温度范围在－55到100摄氏度之间。

二、特性参数

1、传输特性

2、输入－输出间绝缘耐压BVCFO

绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管＆光敏三极管之间的距离有直接关系，且是一对矛盾体。

当二者距离增大，绝缘耐压提高，但电流传输比却降低，反之，绝缘