光电检测技术教学课件作者胡涛第1章节课件

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1、第一章光电检测技术基础1.1光电检测技术概论信息技术感测技术通信技术人工智能和计算机技术控制技术现代信息技术微电子学光电子学光电检测技术是现代信息技术的重要组成部分。光电检测技术是将待测的物理量转换成为光学量，然后利用光电变换和电路处理的手段对待测物理量进行检测的技术。它将电子学和光学融为一体实现信息的提取、加工、传输、处理、储存的一系列的处理过程。1.2光电检测的基本概念测量直接测量：不需要对仪表读数进行任何计算，直接得到待测量的数值，如用温度计测温度，用万用表测电压。间接测量：获取几个与待测量相关的物理量，通过函数关系式计算出来待测量的数值

2、，如功率测量P=IV检测是用指定的方法检验测试某种物体（气体、液体、固体）指定的技术性能指标。检测技术的任务包括：寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者之间的定性、定量关系；从反映某一信息的多钟信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变化、处理、传输、存储、显示的方法和响应的设备。1.2光电检测的基本概念光电检测技术测量误差小精度高传感器是能够将实际中的力、声、光、温度、湿度等非电量转化为电学量的一种检测装置。它能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式

3、的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。在光电检测系统中，光电传感器处于核心的地位，它的作用是将光学信号转换为电学信号，本质上是光学系统和电学系统之间的接口。光电传感器被广泛应用于自动控制、生物医学、光机电一体化等领域。1.3光频电磁波的基本理论和定律1.3.1麦克斯韦方程电磁波在空间中的运动规律可以利用麦克斯韦方程组描述麦克斯韦方程可以用于任何的连续介质的内部，在两介质的分界面上，由于一般出现的电荷电流分布，使得物理量发生跃变。1.3光频电磁波的基本理论和定律1.3.2平面波利用麦克斯韦方程可以预言能量能够以电磁波的

4、形式进行空间上的传播。在无限均匀的空间里，基本的电磁波形式为平面波。可见，光的传播速度受到材料的介电常数和磁导率的影响。该物理量可以被理解为光在真空中传播的速度与在介质中传播的速度之比1.3光频电磁波的基本理论和定律1.3.3电磁场中的能量能流密度和能量密度能流密度S描述能量在场内的传播，S在数值上等于单位时间内垂直流过单位横截面的能量，其方向代表能量的传播方向；能量密度w表示场内单位体积的能量，是空间位置x和时间t的函数，w=w（x，t）。1.3光频电磁波的基本理论和定律1.3.4光的反射和折射定律光的反射和折射（a）p偏振入射情况（b）s偏

5、振入射情况1.3光频电磁波的基本理论和定律1.3.5电磁波谱与光度学1.电磁波谱1.3光频电磁波的基本理论和定律2.光度学国际照明委员会（CIE）根据实验结果，确定了人眼对各种波长的光的相对敏感程度，称为“光谱光视效能”。1.3光频电磁波的基本理论和定律（1）光辐射通量：光辐射通量又称为光功率，表示电磁波谱中所有辐射波长的功率的总和。（2）光通量：光通量与辐射通量的定义相对应（3）发光强度：发光强度的定义为点辐射源在给定方向上的单位立体角内辐射的光通量（4）光亮度：面辐射源在某方向上的单位投影表面在单位立体角内的光通量（5）照度：照度定义成在单

6、位受光面积上所接收的辐射通量1.3光频电磁波的基本理论和定律1.3.5光的量子性（1）光子具有能量（2）光子具有动量（3）光子具有质量1.4半导体物理基础1.4.1半导体材料的能带共有化运动图1.4半导体物理基础能带的形成过程图1.4半导体物理基础1.4.2半导体的导电性半导体导电原因：载流子的运动。载流子的运动有两种形式：漂移运动和扩散运动。在外加电场的作用下，载流子获得一定方向的加速度，但是由于晶格振动和缺陷等结构对载流子的散射，使得载流子失去原有的运动速度，做无规则运动。漂移运动：在电场作用和晶格散射的共同作用下，载流子在平均效果上呈现出

7、稳定的定向运动。载流子在半导体中，除了漂移运动以外，还可以以扩散运动的形式发生移动。1.4半导体物理基础1.4.3半导体PN结PN结内建电场的形成图：（a）p型半导体材料能带示意图（b）n型半导体材料能带示意图（c）PN结能带示意图1.4半导体物理基础外加偏压情况下，PN结势垒高度的变化图，（a）零偏压下PN结能带图，（b）正向偏压下PN结的能带图，（c）反向偏压下PN结的能带图1.4半导体物理基础1.4.4半导体中的光吸收（1）本征吸收从重要性角度来说，本征吸收是半导体材料中最为重要的一种吸收。当光子能量大于禁带宽度时，光子能量可能被价带中的

8、电子吸收，从而使电子获得足够的能量跃迁到导带。（2）激子吸收当光子能量hν小于禁带宽度Eg时，因为库仑力的作用仍然和对应价带中的空穴联系在一起，形成束