《光电检测技术》总复习.ppt
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1、课程课程:光电检测原理与技术光电检测原理与技术 主选教材:光电检测技术主选教材:光电检测技术 作者:雷玉堂、王庆友作者:雷玉堂、王庆友 主讲:徐志洁主讲:徐志洁主要讲述:主要讲述:分分五部分(五部分(4848学时)学时)一、光电检测技术基础、概论一、光电检测技术基础、概论(2(2学时学时)第一章第一章二、各类光电与电光器件二、各类光电与电光器件 (6 6学时学时)第二五章第二五章*三、检测电路与微机接口三、检测电路与微机接口(1 14 4学时学时)六七章六七章复习(复习(1学时学时)期中考试(期中考试(1学时)学时)*四、光电变换检测技术与方法四、光电变换检测技术与方法 (1818学时学时)第
2、八九章第八九章五、典型应用五、典型应用 (2 2学时学时)第十章第十章总复习(总复习(2 2学时学时)习题课:习题课:(2学时学时)概述:概述:(0.5学时学时)一、一、辐射度量与光度量(辐射度量与光度量(0.3 学时)学时)二、二、半导体物理基础半导体物理基础 (1 学时)学时)三、三、光电效应光电效应 (0.2 学时)学时)第一部分第一部分 光电检测技术基础光电检测技术基础 (2 学时)学时)一、一、辐射度量与光度量辐射度量与光度量(一)(一)光辐射度量光辐射度量 辐射是一种能的形式。辐射是一种能的形式。它有电磁本质,它有电磁本质,又具有量子性质。辐射能及其引起的特性又具有量子性质。辐射能
3、及其引起的特性以以能量或有效的物理量来测量能量或有效的物理量来测量。(二)(二)光谱辐射度量光谱辐射度量为了表征辐射,不仅要知道辐射的总通为了表征辐射,不仅要知道辐射的总通量,还应知道其量,还应知道其光谱成分光谱成分。光源发出的。光源发出的光往往由许多波长的光组成。光往往由许多波长的光组成。引入引入光谱辐射度量:表示单位波长间隔内光谱辐射度量:表示单位波长间隔内的辐射度量。即的辐射度量。即在在到到+d+d 间隔内,间隔内,光谱辐射度量光谱辐射度量=辐射度量辐射度量/d d(三)(三)光度量光度量光度量是基于人眼视觉的光学参量,是人眼对相光度量是基于人眼视觉的光学参量,是人眼对相应辐射度量的视觉
4、强度值。应辐射度量的视觉强度值。1.光通量光通量=单位:单位:流明(流明(lm)式中,式中,Km为为辐射度量与光度量间的比例系数,辐射度量与光度量间的比例系数,V()为人眼的光谱光视效率。为人眼的光谱光视效率。Km=683 流明流明/瓦,瓦,它表示在它表示在=555nm、V()=1)=1处,处,1W=683 lm二、二、半导体物理基础半导体物理基础(一)(一)半导体半导体导电特性导电特性 (1)电阻温度系数一般为)电阻温度系数一般为负负,对温度很,对温度很敏感。敏感。(2)导电性能导电性能因掺入因掺入微量杂质微量杂质而十分显著而十分显著变化。变化。(3)导电性能)导电性能受热、光、电、磁受热、
5、光、电、磁等外界的等外界的影响发生重要的变化。影响发生重要的变化。(二二)能带理论及其类型能带理论及其类型1.1.原子中电子的能级原子中电子的能级(1)能能带带理理论论:原原子子中中的的电电子子只只能能处处于于能能带带的的能能级级上上,且且每每一一个个能能带带中中都都有有与与原原子子总总数数相相适适应的能级数。应的能级数。能级能级量子态量子态(2)泡泡利利原原理理:在在每每一一个个能能级级上上最最多多只只能能填填充充一个电子一个电子。根据能量最小原理,电子填充能带时,总是根据能量最小原理,电子填充能带时,总是从从最低的能带、最小能量的能级开始填充最低的能带、最小能量的能级开始填充。(三三)热平
6、衡载流子热平衡载流子热平衡:表征宏观性质的每一参数不随时间热平衡:表征宏观性质的每一参数不随时间变化变化f(E)f(E):费米:费米狄拉克分布:电子占据某一能狄拉克分布:电子占据某一能量状态量状态E E的几率的几率。f(E)=1/(1+expf(E)=1/(1+exp(E-EE-EF F)/kT)/kT)当当E=EE=EF F时,时,f(E)=1/2 f(E)=1/2当当EEEEF F时,时,f(E)1/2 f(E)1/2当当EEE1/2 f(E)1/2电子浓度:电子浓度:n=N-exp(-(E-EF)/kT)空穴浓度:空穴浓度:p=N+exp(-(EF-E+)/kT)l本征半导体:本征半导体
7、:n=p=ni,np=ni 2 ni=(N+N-)1/2 exp((-Eg)/2kT)(四四)非平衡载流子非平衡载流子1.1.半导体在半导体在热平衡热平衡时,时,n n、p p恒定,即恒定,即 n=nn=n0 0 ,p=p,p=p0 0 电子和空穴相遇电子和空穴相遇复合,复合,产生率复合率产生率复合率。2.2.在外界因素作用下,如在外界因素作用下,如受光照时,产生率受光照时,产生率 复复合率合率,使电子、空穴数增加,使电子、空穴数增加,n=nn=n0 0+n,p=pn,p=p0 0+p p非平衡载流子:非平衡载流子:n n、p p3.3.当光照当光照稳定稳定时,产生率较高,复合率随时,产生率较
8、高,复合率随n n、p p的增加而增加,的增加而增加,复合率产生率复合率产生率,系统达,系统达到新的稳定状态。到新的稳定状态。4.4.当当光照停止光照停止时,产生率下降,时,产生率下降,复合率复合率 产生率,产生率,n n、p p减少,复合率也下降,复合率产生率,减少,复合率也下降,复合率产生率,n=nn=n0 0 ,p=p,p=p0 0(光照前的)系统恢复到平衡状(光照前的)系统恢复到平衡状态。态。复合率复合率 n/n/p/p/描述复合的参数描述复合的参数寿命寿命 的物理意义:的物理意义:(1 1)n n、p p复合的快慢。复合的快慢。(2 2)为为n n(或(或p p)下降到原来的)下降到
9、原来的1/e1/e所需的所需的时间时间(3 3)为为n n(或(或p p)的平均存在时间。)的平均存在时间。所有所有n n存在的时间总和存在的时间总和/n n的总数的总数 (五五)载流子的运动(定向的)载流子的运动(定向的)扩散运动:扩散运动:载流子浓度不均匀时,由载流子浓度不均匀时,由热运热运动动使载流子从高浓度向低浓度使载流子从高浓度向低浓度运动运动。漂移运动:漂移运动:载流子在载流子在外加电场外加电场的作用下的的作用下的定向运动。定向运动。(六六)半导体对光的吸收半导体对光的吸收主要掌握:主要掌握:1.本征吸收本征吸收:从价带跃迁到导带的吸收。从价带跃迁到导带的吸收。长波限长波限0c h
10、/Eg=1.24/Eg (m)上式中上式中Eg 的单位的单位 为电子伏特(为电子伏特(eV)1 eV=1.6021892*10-*10-19 19(J)2.杂杂质质吸吸收收:其其光光子子能能量量应应大大于于或或等等于于所所需需的的电离能电离能Ei,即,即 杂质吸收所需光子的波长杂质吸收所需光子的波长 0c h/Ei (七)(七)半导体的半导体的PN结结计算通过计算通过PN结的电流(纯扩散电流)结的电流(纯扩散电流)只能计算一种载流子(空穴):只能计算一种载流子(空穴):I=Ip(xp)In(xp)=I0(exp qV/kT1)反向饱和电流反向饱和电流 I0=I0(T)上上式为式为PN结的伏安特
11、性公式,结的伏安特性公式,它是分析所有它是分析所有PN结器件的最基本的公式结器件的最基本的公式。三、光电效应三、光电效应*外光电效应:外光电效应:光电子发射光电子发射*光电效应光电效应 光电导效应光电导效应*内内光光电电效效应应 光光生生伏伏特特效效应应*(势势垒垒引引起)起)l 光电扩散效应(光电扩散效应(丹倍效应丹倍效应)l 光磁光磁电电效应效应 P.34-35 P.34-35光电发射的基本定律光电发射的基本定律(1)斯托列托夫定律斯托列托夫定律(光电发射第一定律光电发射第一定律)l当入射辐射的光谱分布不变时,当入射辐射的光谱分布不变时,入射辐射通量入射辐射通量越大(携带的光子数越多),激
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