课件 第六章 光电信号的变换及检测技术
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习掌握APD光电二极管的工作原理 2、学习掌握APD光电二极管的基本特性 3、掌握APD光电二极管特性测试方法 4、了解APD光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、APD光电二极管暗电流测试实验 2、APD光电二极管光电流测试实验 3、APD光电二极管伏安特性测试实验 4、APD光电二极管雪崩电压测试实验 5、APD光电二极管光电特性测试实验 6、APD光电二极管时间响应特性测试实验 7、APD光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1台 4、光敏电阻及封装组件 1套 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、示波器 1台
四、实验原理 雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。 雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V／cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。 图6-1为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I 区。图4的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P 区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高(可达2x104V／cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪崩区较窄，不能充分吸收光子，相当多的光子进入了I区。I区很宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。我们把I区吸收光子产生的电子-空穴对称为初级电子-空穴对。在电场的作用下，初级光生电子从I区向雪崩区漂移，并在雪崩区产生雪崩倍增；而所有的初级空穴则直接被P+层吸收。在雪崩区通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。可见，I区仍然作为吸收光信号的区域并产生初级光生电子-空穴对，此外它还具有分离初级电子和空穴的作用，初级电子在N+-P区通过碰撞电离形成更多的电子-空穴对，从而实现对初级光电流的放大作用。
光电探测技术
第一章： 1，光电检测系统的基本组成及各部分的主要作用？ 光源——光学系统——被测对象——光学变换——光电转换——电信号放大与处理[存储，显示，控制] 作用：光学变换：将被测量转换为光参量，有时需要光信号的匹配处理，目的是更好的获得待测量的信息。 电信号放大与处理的作用：存储，显示，控制。 第二章： 1、精密度、准确度、精确度、误差、不确定度的意义、区别。 答：精密度高指偶然误差较小，测量数据比较集中，但系统误差大小不明确； 准确度高指系统误差较小，测量数据的平均值偏离真值较少； 精确度高指偶然误差和系统误差都比较小，测量数值集中在真值附近； 误差=测量结果-真值；不确定度用标准偏差表示。 2、朗伯辐射体的定义？有哪些主要特性？ 答：定义：辐射源各方向的辐亮度不变的辐射源。特性：自然界大多数物体的辐射特性，辐亮度与观察角度无关。 3、光谱响应度、积分响应度、量子效率、NEP、比探测率的定义、单位及物理意义。 答：灵敏度又叫响应度，定义为单位辐射度量产生的电信号量，记作R，电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以是电压，称为电压响应度。对应不同辐射度量的响应度用下标来表示。辐射度量测量中，测不同的辐射度量，应当用不同的响应度。 对辐射通量的电流响应度(AW-1 ) 对辐照度的电流响应度(AW-1 m 2 ) E 对辐亮度的电流响应度(AW-1 m 2 Sr)L 量子效率：在单色辐射作用于光电器件时，单位时间产生的的光电子数与入射的光子数之比，为光电器件的量子效率。 NEP：信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的功率。单位：W。物理意义：反映探测器理论探测能力的重要指标。 比探测率：定义；物理意义：用单位探测系统带宽和单位探测器面积的噪声电流来衡量探测器的探测能力。 第三章： 1、光源的分类及各种光源的典型例子；相干光源和非相关光源包括哪些？ 答：按照光波在时间、空间上的相位特征，一般将光源分成相干光源和非相干光源；按发光机理可分为：热辐射光源，常用的有：太阳、黑体源、白炽灯，典型军事目标辐射；气体辐射光源，广泛用作摄影光源；固体辐射光源，用于数码、字符和矩阵的显示；激光光源，应用：激光器。相干光源：激光；非相关光源：普通光源。 2、对一个光电检测系统的光源通常都有哪方面要求？ 答：1.波长（光谱）特性2.发光强度（光功率）3.光源稳定性（强度、波长） 3、辐射效率和发光效率的概念及意义 答：在给定λ1～λ2波长范围内，某一辐射源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需比，称为该辐射源在规定光谱范围内的辐射效率；某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功/率之比，就是该光源的发光效率。 4、色温，配光曲线的概念及意义 答：色温：如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的光的颜色相同，则黑体的
光电探测实验报告
光电探测技术 实验报告 班级：10050341 学号：05 姓名：解娴
实验一光敏电阻特性实验 一、实验目的 1.了解一些常见的光敏电阻的器件的类型； 2.了解光敏电阻的基本特性； 3.测量不同偏置电压下的光敏电阻的电压与电流，并作出V/A曲线。 二、实验原理 伏安特性显示出光敏电阻与外光电效应光电元件间的基本差别。这种差别是当增加电压时，光敏电阻的光电流没有饱和现象，因此，它的灵敏度正比于外加电压。 光敏电阻与外光电效应光电元件不同，具有非线性的光照特性。各种光敏电阻的非线性程度都是各不相同的。 大多数场合证明，各种光敏电阻均存在着分析关系。这一关系为 式中，K为比例系数；是永远小于1的分数。 光电流的增长落后于光通量的增长，即当光通量增加时，光敏电阻的积分灵敏度下降。 这样的光照特性，使得解算许多要求光电流与光强间必需保持正比关系的问题时不能利用光敏电阻。 光照的非线性特性并不是一切光敏半导体都必有的。目前已有就像真空光电管—样，它的光电流随光通量线性增大的光敏电阻的实验室试样。光敏电阻的积分灵敏度非常大，最近研究出的硒—鎘光敏电阻达到12A／lm，这比普通锑、铯真空光电管的灵敏度高120，000倍。
三、实验步骤 1、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图1接线，电源可从+2V～+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮。则暗电流L暗=V暗/RL,亮电流L亮=V亮/RL，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 2、伏安特性 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系即为伏安特性。按照图1接线，分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V时的光电流，并尝试高照度光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果 填入表格并做出V/I曲线。 图1光敏电阻的测量电路 偏压2V4V6V8V10V12V 光电阻I 四、实验数据 实验数据记录如下： 光电流： E/V246810 U/V0.090.210.320.430.56 I/uA1427.54255.270.5 暗电流：0.5uA 实验数据处理：
光电信号转换测试
实验报告：光电信号转换测试 一、实验目的 1、了解光电响应现象及光电响应的原理。 2、熟悉利用电化学手段测试光电响应的方法，能熟练的操作电化学工作站进行光电响应的测试。 二、实验内容 通过电化学的方法测试样品的光电相应参数，如记录光电流值，开路电压，计算样品的功率，并根据数据进行作图分析。 三、实验原理 光伏响应原理： P 型半导体（空穴多）和n 型半导体（电子多）相结合时，在其交界处形成p-n 结，p 区的空穴向n 区扩散，n 区的电子向p 区扩散，引起p 区荷负电，n 区荷正电，在p-n 交界面附近的一个区域（结区，或称耗尽区）内形成一电 图1(a) 太阳光辐照下的硅p-n 结太阳能带, 图1(b)太阳能电池的理想等效
场，称为内建电场，如图1（a）所示。图中左侧为n区，右侧为p区，纵坐 标为电子能量。电子能量越高，电势越低。n区电势比p区电势高，电场方向 由n区指向p区。当光电池受到太阳光照时，能量大于构成p-n结的半导体材料的禁带宽度Eg的光子将价带电子激发到导带，同时在价带中产生空穴，它 们都称为光生载流子。在p-n结的结区，光生电子和空穴被内建电场分别推到势垒的n、p区边沿，然后向各自的内部扩散，在两端形成电压，这就是光伏 效应。若在p-n结两端接入外电路，该光生电压就可形成电流。从外电路来看，发生光伏效应的那个p-n结就是一个电源，即光电池，如图1（b）所示。 四、材料与仪器 电化学工所站、太阳能电池。 五、实验步骤 1. 完成电化学工作站的测试电路的连接； 2. 点start开始测试，测量样品的光电响应曲线、暗态和光照下的开路电极电势，并记录所得的光电流以及开路电压，并计算样品的功率。 六、实验数据记录与分析 1. I-V特征曲线： 暗态：
光电检测技术第二章习题答案
第二章习题答案 1、自发辐射：在没有任何的外界作用，粒子从高能态E2自发地辐射到低能态E1，同时发射出频率为ν、能量为12E E -=ην的光子，这个过程叫自发辐 射。所形成的光波相位不同，偏振方向不同，每个粒子所发出的光可能沿所有可能的方向传播。 受激吸收：处在下能级E1的粒子受到外来能量为12E E -=ην的光子的作 用，吸收这个光子而跃迁到E2能级的过程，称为受激吸收。 受激辐射：处在上能级E2的粒子受到外来能量为12E E -=ην 的光子的激励而跃迁到E1能级，并发射一个与外来光子一模一样的光子，这个过程称为受激辐射。受激辐射的光子与外来光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振态。 2、自发辐射所形成的光波相位不同，偏振方向不同，每个粒子所发出的光可能沿所有可能的方向传播，因此形成的是自然光。 受激辐射的光子与外来光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振态，形成的相干光。 3、白炽灯降压可以提高使用寿命。第二问题参见p17 4、第一问参见表2-3在普通紫外-可见光分光光度计（200~800nm ）中，要选择照明光源，首先此光源要满足光谱要求，光谱范围必须在200~800nm ，其次就是光源的强度是否在普通紫外-可见光分光光度计的接收范围内，最后就是稳定性和结构等其他方面是否满足要求。 5、粉末电致发光、薄膜电致发光和结型电致发光（或称注入式发光）。第二问参见p20-22。 6、当加上正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴的复合，且几率增加，。电子和空穴复合以光的形式辐射出来。 7、发光二极管是由P 型和N 型半导体组合成的二极管。在PN 结附近，N 型材料中的多数载流子是电子，P 型材料中的多数载流子是空穴，由于电子浓度不同，载流子扩散运动加强。这样，在PN 结型上，P 区由于空穴向N 区扩散运动而带负电荷，N 区电子向P 区扩散运动而带上正电荷，形成由N 区指向P 区方向
光电探测器特性测试实验
光电探测器特性测试实验 光电探测器是一种将辐射能转换成电讯号的器件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光子效应的光子探测器，另一类是利用温度变化的热探测器。 1、光敏电阻 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管．它是基于半导体光电效应工作的。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流电压，也可以加交流电压。当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值(亮电阻)急剧减少，因此电路中电流迅速增加。 光敏电阻的暗电阻越大．而亮电阻越小．则性能越好，也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1M欧，甚至高达100MΩ，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1kΩ以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。 频率特性：非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程，在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。
光谱响应特性：由所用半导体材料的禁带宽度决定。PbS 2、 光敏二极管 光敏二极管是一种光伏探测器，主要利用了PN 结的光伏效应。对光伏探测器总的伏安特性可表达为 s kT qV s s D I e I I I I --=-=)1(0 式中I 中是流过探测器总电流，I so 二极管反向饱和电流，I s 是光照时的光电流，q 是电子电荷，V 是探测器两端电压，k 为玻耳兹曼常数，T 器件绝对温度。 当入射光的强度发生变化，通过光敏二极管的电流随之变化，于是在光敏二极管的二端电压也发生变化。光照时导通，光不照时，处于截止状态，并且光电流和照度成线性关系。 光照特性：输出的饱和光电流与光照度之间的关系。 光谱特性：取决于所采用材料的禁带宽度，同事也与结构工艺有着密切的关系。 频率特性：由光生载流子的渡越时间和L R j C 的乘积决定。 伏安特性：在零偏压下，光电二极管仍有光电流，这是光生伏特效应所产生的短路电流。 3、 光敏三极管 在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用了晶体三极管的电流放大作用，用Ge 或Si 单晶体制造NPN 或PNP 型光敏三极管。 光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极和集电极并联：集电极-基极产生的电流，输入到三极管的基极再放大。不同之处是，集电极电流（光电流）由集电结上产生的I φ控制。集电极起双重作用：把光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。一般光敏三极管只引出E 、C 两个电极，体积小，光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制作光电开关应用。
光电检测复习
光电检测技术与应用复习 第一章 1、信息技术是一种综合技术，基本内容：感测技术，通信技术，人工智能，计算技术以及控制技术。当今时代，还包括：微电子信息技术，光电信息技术。 2、光电信息技术：光与电子转换及应用的技术。 3、光电检测技术：利用光电传感器实现各类检测，将被测量转换为光通量，再将光通量转换为电量，并综合利用信息传送技术和信息处理技术，完成各类物理量的在线和自动检测。 4、检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范围带，以此来判别合格或参数量是否存在。 测量：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。 直接测量：对被测物进行测量时，对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。 （温度计测量温度，万用表测量电压） 间接测量：测量几个与被测量有关的物理量，通过函数关系式计算出被测量的数值。 5、传感器：将非电量转换为与之有对应关系的电量输出。 能量控制型传感器（有源传感器）：将被测量变化转换成电参数变化（电阻，电 容），需外加激励电源，才能将被测量参数 变化转换成电压、电流变化。 能量转换型传感器（无源传感器）：直接将被测量变化转换成电压、电流的变化， 不需外加激励源。 敏感器：将被测非电量转换为可用非电量的器件或装置。 6、光电传感器 光电二极管：高速的光检测电路、宽范围照度的照度计、超高速的激光传感器 光电晶体管：几千赫兹的激光脉冲传感器、简单电路中低速脉冲光电开关 光敏电阻Cds：响应速度慢，但性能良好的电阻桥式传感器以及具有电阻性质的光电传感器、路灯自动亮灭电路中的光电传感器、随光的强弱成比例改变的可变电阻 光电耦合器： 集成光电传感器：旋转编码器、速度传感器 光电池： 图像传感器： 7、电子检测系统组成：传感器、信号调理器、输出环节 光电检测系统：（基本环节）光发射机、光学信道、光接收机 主动式：光发射机由光源和调制器构成 被动式：光发射机为被检测物体的辐射发射 光接收机：光接收机前端、光电检测器、后续检测信号处理器 功率检测接收机（直接检测接收机、非相干接收机） 外差接收机 8、光学变换：光载波与被测对象相互作用将被测量载荷到光载波上。 （通过各种光学元件和光学系统） 光电变换：经光电器件实现光向电的信息转换。 （通过各种光电变换器件） 9、光电检测技术优点：高精度、高速度、远距离，大量程、非接触检测、寿命长、具有很 强的信息处理和运算能力
光电探测器特性测量实验报告
实验1 光电探测器光谱响应特性实验 实验目的 1. 加深对光谱响应概念的理解； 2. 掌握光谱响应的测试方法； 3. 熟悉热释电探测器和硅光电二极管的使用。 实验内容 1. 用热释电探测器测量钨丝灯的光谱特性曲线； 2. 用比较法测量硅光电二极管的光谱响应曲线。 实验原理 光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。电压光谱响应度 ()v R λ定义为在波长为λ的单位入射辐射功率的照射下，光电探测器输出的信号 电压，用公式表示，则为 () ()() v V R P λλλ= (1-1) 而光电探测器在波长为λ的单位入射辐射功率的作用下，其所输出的光电流叫做探测器的电流光谱响应度，用下式表示 () ()() i I R P λλλ= (1-2) 式中，()P λ为波长为λ时的入射光功率；()V λ为光电探测器在入射光功率 ()P λ作用下的输出信号电压；()I λ则为输出用电流表示的输出信号电流。为简 写起见，()v R λ和()i R λ均可以用()R λ表示。但在具体计算时应区分()v R λ和()i R λ，显然，二者具有不同的单位。 通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光来得到不同波长的单色辐射,然后测量在各种波长的辐射照射下光电探测器输出的电信号()V λ。然而由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在相对测量中要确定单色辐射功率()P λ需要利用参考探测器（基准探测器）。即使用一个光
谱响应度为()f R λ的探测器为基准，用同一波长的单色辐射分别照射待测探测器和基准探测器。由参考探测器的电信号输出（例如为电压信号）()f V λ可得单色辐射功率()=()()f P V R λλλ，再通过(1-1)式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。 本实验采用单色仪对钨丝灯辐射进行分光，得到单色光功率()P λ ，这里用响应度和波长无关的热释电探测器作参考探测器，测得()P λ入射时的输出电压为()f V λ。若用f R 表示热释电探测器的响应度，则显然有 ()()f f f V P R K λλ= (1-3) 这里f K 为热释电探测器前放和主放放大倍数的乘织，即总的放大倍数。在本实验中=100300f K ?，f R 为热释电探测器的响应度，实验中在所用的25Hz 调制频率下，=900/f R V W 。 然后在相同的光功率()P λ下，用硅光电二极管测量相应的单色光，得到输出电压()b V λ，从而得到光电二极管的光谱相应度 ()() ()()()b b f f f V K V R P V R K λλλλλ= = (1-4) 式中b K 为硅光电二极管测量时总的放大倍数，这里=150300b K ?。 实验仪器 单色仪、热释电探测器组件、光电二极管探测器组件、选频放大器、光源。
光电探测技术与应用第一章课后习题与答案
光电探测技术与应用 第一章课后习题答案（部分） 1.1 辐射度量与光度量之间有哪些区别？有哪些相同点和联系？ 答：光辐射度量在历史上形成了辐射度学和光度学两套度量系统。辐射度学：是建立在物理测量的基础上的辐射能量客观度量,不受人眼主观视觉的限制，其概念和方法适用于整个光辐射范围（红外、紫外辐射等必须采用辐射度学）。光度学：是建立在人眼对光辐射的主观感觉基础上，是一种心理物理法的测量，故只适用于电磁波谱中很窄的可见光区域。 1.2一支氦-氖激光器（波长为63 2.8nm ）发出激光的功率为2mw 。该激光束的平面发散角为1mrad ，激光器的放电毛细管直径为1mm 。 （1）求出该激光束的光通量，发光强度，光亮度，光出射度。 （2）若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的反射比为0.85，求该屏上的光亮度。 解：① 该激光束的光通量 328.0102240.0683)(3-???==e m v V K φλφLm （流明） 发光强度 )1028.3(102.44 /)101(328.05523??=?=?Ω=-πφv v I Cd(坎德拉) 光亮度 )102.4(1035.54 /)101(102.41111235 ??=??=?=-或πS I L v v Cd/m 2 光出射度 523102.44 /)101(328.0?=?=?=-πφS M v v Lm/m 2 ② 10米远处光斑面积大小： 52321085.7)10110(4 14.3)(4--?=??=?=θπ L S m 2 反射光功率为： 33'107.110285.0--?=??==P P ρW 反射光通量 279.0240.0683107.1)(3''=???==-λφV K P m v Lm 漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度I 0与光通量的关系是πφ/0=I ，由于朗伯体的光亮度与方向无关，所以：
光电检测技术课后部分答案
第一章 1.举例说明你知道的检测系统的工作原理 激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此 激光的检测可辨别钞票的真假。山于仿制困难，故用于辨伪很准确。 2.简述光电检测系统的组成和特点 组成：（1）光学变换：时域变换-------调制振幅，频率，相位，脉宽 空域变换-------光学扫描 光学参量调制：光强，波长，相位，偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。 （2）光电变换，变换电路，前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）（3）电路处理 放大，滤波，调制，解调，A/D，D/A，微机与接口，控制。 第二章 1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。 自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。 受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。 受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。 2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点 结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。 粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。两电极夹有发光材料 薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。 3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光 加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。 4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有 关。 5.简述半导体激光器的工作原理，它有哪些特点，对工作电源有什么要求
光电信号检测实验
实验一 光敏电阻特性实验 实验原理: 利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管。是一种均质的半导体光电器件,其结构如图1-1所示。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。 光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见。当光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为： p n p e n e σμμ?=???+??? 在上式中，e 为电荷电量，p ?为空穴浓度的改变量，n ?为 电子浓度的改变量，μ表示迁移率。当两端加上电压U 后，光电流为：ph A I U d σ= ??? 式中A 为与电流垂直的表面，d 为电极间的间距。在一定的光照度下，σ?为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。 光敏电阻的伏安特性如图1-2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。 图1-2光敏电阻的伏安特性曲线 图1-3 光敏电阻的光照特性曲线 光敏电阻的光照特性则如图 1-3 所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3 类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感
器。 图1-4 几种光敏电阻的光谱特性 实验所需部件: 稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器 实验步骤: 1.测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻 观察光敏电阻的结构，用遮光罩将光敏电阻完全掩盖，用万用表欧姆档测得的电阻值为 暗电阻R 暗，移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R 亮 ，暗电阻与 亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。 结果：用万用表欧姆档测得的暗电阻为∞，超出万用表的量程。在环境光照下的亮电阻为6.5k?。 在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。 2.光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下测出输出U 暗和U亮，电流L 暗=U 暗 /R，亮电流L 亮 =U 亮 /R，亮电流与 暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 结果：暗光时电流为0。有光源照射时光电流为71uA。 3. 光敏电阻的伏安特性测试 按照图1-5接线，电源可从直流稳压电源+2~+12V间 选用，每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上 电压为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V时电阻R两端的电压U R，和电流数据，同时算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。 图1-5 光敏电阻的测量电路 光敏电阻伏安特性测试数据表（暗光） 电源电压（毫 伏） 2 4 6 8 10 U R（伏） 1.98 3.98 5.98 7.98 9.87 电阻（欧姆）∞∞∞∞∞ 电流（毫安）0 0 0 0 0
光电检测总结概要
变换电路 光电传感 光源 光学系 统 被测对象 光学变换 电信号处理 存 储 显 示 控 制 第一章概论 1.检测技术的概念与分类。 定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 检测技术分类 按工作原理：机械式 阻抗式 电量式 光电式 辐射式 按工作方式：接触式，非接触式 按工作物质：电量式，非电量式 2.光电检测技术特点，光电检测系统组成。 特点：光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D 变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。 系统组成： 光学变换 电路处理
第二章基础知识电磁波谱图 光谱光视效率函数
i o V P V S =i o I P I S = 01 ()T I i i t dt T == ? 2 20 1()[()()]T i t i t i t dt T ?=-?器件的基本特性参数 响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度 一、响应特性 １．响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。 响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率 电压响应率： 光电探测器件输出电压与入射光功率之比 电流响应率：光电探测器件输出电流与入射光功率之比 ２．光谱响应度：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比 ３．积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度． ４．响应时间：响应时间τ是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数. 上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。 ５．频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应 二、噪声特性 在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象 用均方噪声来表示噪声值大小 噪声的分类及性质 外部干扰噪声:人为干扰噪声的和自然干扰噪声。
《光电检测技术题库》
《光电检测》题库 一、填空题 1.光电效应分为内光电效应和外光电效应，其中内光电效应包括 和。 2.对于光电器件而言，最重要的参数是、 和。 3.光电检测系统主要由光电器件、和等部分组成。 4.为了取得很好的温度特性，光敏二极管应在较负载下使用。 5.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和 等构成。 6.光电三极管的工作过程分为和。 7.激光产生的基本条件是受激辐射、和。 8.检测器件和放大电路的主要连接类型有、 和等。 https://www.360docs.net/doc/b910546228.html,D的基本功能是和。 10.已知本征硅材料的禁带宽度E g=1.2eV，则该半导体材料的本征吸收长波限 为。 11. 非平衡载流子的复合大致可以分为和。 12.在共价键晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填满相应的能带，能量最高的是填满的能带，称为价带。价带以上的能带，其中最低的能带常称为，与之间的区域称为。 13.本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，此时导带中没有，价带中没有，所以不能。 14.载流子的运动有两种型式，和。 15. 发光二极管发出光的颜色是由材料的决定的。 16. 光电检测电路一般情况下由、、组成。 17. 光电效应分为内光电效应和效应，其中内光电效应包括和，光敏电阻属于效应。 18.导带和价带中的电子的导电情况是有区别的，导带愈多，其导电能力愈强；而价带的愈多，即愈少，其导电能力愈强。 19.半导体对光的吸收一般有、、、和这
五种形式。 20. 光电器件作为光电开关、光电报警使用时，不考虑其线性，但要考虑。24.半导体对光的吸收可以分为五种，其中和可以产生光电效应。 22.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成， 光电倍增管的光谱响应曲线主要取决于材料的性质。 23.描述发光二极管的发光光谱的两个主要参量是和。 25.检测器件和放大电路的主要连接类型有、和 等。 26.使用莫尔条纹法进行位移-数字量变换有两个优点，分别是 和。 27、电荷耦合器件（CCD）的基本功能是和。 28、光电成像器件的输出物理量与对应的输入物理量的比值关系常用转换特性来表示，不同 的光电成像器件往往用不同的参量来描述其转换特性，像管通常使用转换系数，像增强管常 使用，摄像器件采用。 29、几何中心检测法进行光学目标的形位检测主要的处理方法有差分法、调制法、补偿法和 跟踪法等，这些方法的主要依据是。亮度中心检测法主要的处理方法有光学 像分解和多象限检测等，这些方法的主要依据是。 30.光电编码器可以按照其构造和数字脉冲的性质进行分类，按照信号性质可以分为 和。 31.交替变化的光信号，必须使所选器件的大于输入信号的频率才能测出输 入信号的变化。 32.随着光电技术的发展，可以实现前后级电路隔离的较为有效的器件是。 33.硅光电池在偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。 34.发光二极管的峰值波长是由决定的。 35.光电成像器件的分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力，分辨率常用二种方式来描述，一种为，另一种为。 二、名词解释 1. 光亮度： 2. 本征半导体： 3. N型半导体： 4. 载流子的扩散运动： 5. 光生伏特效应： 6. 内光电效应： 7. 空穴： 8. 居里温度：
光电信号的检测方法(莫尔拓扑图)
第五章：光电信号的检测方法 单频光相位调制和条纹检测 在使用窄光束单频光波相位调制的干涉测量中，干涉条纹的形成和检测是在光束重叠的较小空间范围内进行的，通常采用单元光电器件检测局部位置上的干涉条纹波数或相位随时间的变化。 1．单频光的相位调制 在单一频率相干光路中，被测量使相干光波的相位发生变化，同时通过干涉作用把波相位的变化变换为振幅的变化，这个过程称单频光波的相位调制或称相幅变换。由前面的公式可知，能引起相位变化的参量是光路长L和介质折射率n。因此相位调制通常是利用不同形式的干涉仪，借助机械的、光学的、光电子学等变换器伴将被测量的变化转换为光路长L 和折射率n的变化。前者用来检测几何和机械运动参量，后者用于分析物质的理化特性。 为了定量描述被测参量对相位调制的影响，采用规一化相位响应表示在单位长度的光路内由被测参量引起的相位变化。 (1/L)(dφ/dF)＝(2π/λ0)[dn/dF+(n/L)(dL/dF)] 式中，(1/L)(dφ/dF)为规一化相位响应，L为干涉光路长度，F为被测参量。 等式右端两项分别表示折射率变化和光路长度变化引起的相位响应。上式可用来衡量相位调制的各种类型光学干涉仪和光纤干涉仪的工作特性。 1）光学干涉仪相位调制 通常作为相位调制用的光学干涉仪有迈克尔逊干涉仪、吉曼干涉汉、马赫-泽德干涉仪、萨纳克干涉仪和法布里-珀罗干涉仪等。下图给出了它们的原理示意图。 典型的光学干涉仪原理示意图 除了法布里-珀罗干涉仪外，前述干涉仪皆属双光束干涉。干涉强度分布满足公式。图a的迈克尔逊干涉仪其特点是结构简单，条纹对比度好，信噪比高。测量镜M2与被测物连接可以感知位移、变形等参量。由于M2的位移量Δx引起测量光路2Δx的变化，即λ/2的位移引起干涉条纹一个周期的变化，所以条纹的计数和被测位移的计算关系简单。它的测量灵敏度达10-13m的数量级。其缺点是输出光束能经分束镜返回激光器，这将使激光器工作不稳定，这可以通过设置偏振器来防止。图b是吉曼干涉仪。同样厚度的二块玻璃板背面镀以反射膜，利用两玻璃表面的反射形成光束的分束和再合成。由于两光路的光程差很小，即使相干性较差的光源也可进行精密测量。它主要用来测定透光物质（例如气体）的折射率，可进行标准试样和被测试样的比较测量。若试样长度为L，条纹测量精度为λ/50，则折射率误差在δn＝λ/50L之内。图c是马赫-泽德干涉仪，由二片分束镜和二片反射镜组成。输出分束镜有两束干涉光输出，可用于布置多路接收器，它的返回散射光较少，有利于降低激光的不稳定噪声。被测位移的引入通过可移动反射镜进行，位移范围不能超过相干光束的截面。
光电检测实验报告
实验三十光纤位移传感器（半圆分部）的特性实验 一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。 二、基本原理：本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤组成半圆分布的Y型传感探头，一束光纤端部与光源相接用来传递发射光，另一束端部与光电转换器相接用来传递接收光，两光纤束混合后的端部是工作端亦即探头，当它与被测体相距Ｘ时由光源发出的光通过一束光纤射出后，经被测体反射由另一束光纤接收，通过光电转换器转换成电压，该电压的大小与间距Ｘ有关，因此可用于测量位移。 三、需用器件与单元：光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流电源±15V、铁测片。 四、实验步骤： 1、根据图9-1安装光纤位移传感器，二束光纤分别插入实验板上光电变换座内，其内部装有发光管Ｄ及光电转换管T。 2、将光纤实验模板输出端V0与数显单元相连，见图9-2。 3、在测微头顶端装上铁质圆片，作为反射面，调节测微头使探头与反射面轻微接触,数显表置20V档。 4、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调节RW2使数显表显示为零。 5、旋转测微头,使被测体离开探头,每隔0.1mm读出数显表显示值,将其填入9-1。
注：电压变化范围从0→最大→最小必须记录完整。 表9-1：光纤位移传感器输出电压与位移数据如下表所示： 通过上述的表格可以找出在X=6.5或者6.6mm时输出电压才达到最大值为6.78或者6.79V，但当继续寻找最小值的时候并没有找到，输出电压随着位移的增大逐渐的减小，但是减小的幅度会渐渐的趋于平衡，在达到测微头最大量程时还在继续的减小，因此并没有找到最小的记录。并认为X=4mm时为最小的0。 6、根据表9-1数据，作出光纤位移传感器的位移特性图，并加以分析、计算出前坡和后坡的灵敏度及两坡段的非线性误差。 答：利用excel对数据进行分析得光纤位移传感器的位移特性图如下所示： 通过光纤位移传感器的位移特性图可知：其图形被分为前坡和后坡两部分，在前坡输出电压随着位移的增大而增大并且达到最大值，并且前坡的增大的幅度比较大，在后坡输出电压随着位移的增大不再增大而是相应的减小，减小的幅度较小，并逐渐的趋于稳定。通过图形可以看出前坡的范围窄，灵敏度高，线性好，适用于测小位移和表面粗糙度。后坡的减弱与探头和被测表面之间的距离平方成反比。 将在最大值之前的值作为前坡的数据单独拿出来做处理同时去掉最前和最后的值，同样用excel的画图进行斜线的拟合得到如下的拟合直线，并显示拟合的直线表达式：前坡部分的位移特性图如下所示：
光电检测实验
实验一、光照度计设计实验 一、实验目的 1、了解和掌握光电池在光照度计上的应用原理 2、了解和掌握光照度计结构原理 3、了解和掌握光照度计电路设计原理 二、实验内容 1、光照度计测量光照度实验 2、光照度计设计性实验 三、实验仪器 1、光电创新实验仪主机箱 2、光照度计&光功率计设计模块 3、照度计探头 4、连接线 4、万用表 四、实验原理 光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用V（λ）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。 光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度I的点光源，在相距L处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即： 2 E I /L 式中：E——光照度，单位为Lx； I——光源发光强度，单位为cd； L——距离，单位为m。 光照度计是用来测量照度的仪器，它的结构原理如下图所示： 图 1-1 图中D为光探测器，图3-2为典型的硅光探测器的相对光谱响应曲线；C为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。余弦校正器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F为V（λ）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数V （λ），而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行V（λ）匹配。匹配基
简答题——光电检测技术期末整理
1、雪崩光电二极管的工作原理 （当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压（100~200V)时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子—空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，使PN结电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。） 2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系？ （共性：同属于光电效应。区别：光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。） 什么是敏感器？敏感器与传感器的区别和联系？ （将被测非电量转换为可用非电量的器件。共性：对被测非电量进行转换。 区别：敏感器是把被测量转换为可用非电量，传感器是把被测非电量转换为电量） 发光二极管的工作原理。 （在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。 说明光子器件与热电器件的特点。 光子器件热电器件 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。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感 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 响应慢，一般为几毫秒 PIN型的光电二极管的结构、工作原理及特点 （它的结构分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。原理：层很厚，对光的吸收系数很小，入射光很容易进入材料部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度提供了光电转换效率，从而使灵敏度得以很高。两侧P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。特点：PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。缺点:由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。） 热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应。 （第一步：是热探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样； 第二步：利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。 第二阶段） 8、光电检测系统由哪几部分组成？作用分别是什么？ 1.论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。（10分） 下面是一个光电检测系统的基本构成框图：
光电探测实验报告
实验一光敏电阻特性实验 实验原理: 光敏电阻又称为光导管,是一种均质的半导体光电器件,其结构如图(1)所示。由于半导体在光照的作用下,电导率的变化只限于表面薄层,因此将掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘体表面就制成了光敏电阻，不同材料制成的光敏电阻具有不同的光谱特性。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。 实验所需部件: 稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、 各种光源、遮光罩、激光器、光照度计（由用户选配） 实验步骤: 1、测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻 观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩 盖,用万用表测得的电阻值为暗电阻 R暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的 阻值为亮电阻，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光 电阻越大，则灵敏度越高。 在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻， 试作性能比较分析。 2、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图(3)接线，电源可从+2~+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮则暗电流L暗=V暗/R L,亮电流L亮=V亮/R L，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 分别测出两种光敏电阻的亮电流，并做性能比较。 图（2）几种光敏电阻的光谱特性 3、伏安特性: 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。 按照图(3)分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V、12V时的光电流，并尝试高照射光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果填入表格并作出V/I曲线。 偏压2V 4V 6V 8V 10V 12V 光电阻I 光电阻II 实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LV。光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。实验时各种不同波长的光源的获取也可以采用在仪器上的光源灯泡前加装各色滤色片的办法，同时也须考虑到环境光照的影响。