1、關于光電檢測技術基礎第1頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第一章 光電檢測技術基礎本章內容檢測技術的基本概念、方法和發展趨勢 誤差的概念以及類型能帶理論、載流子及其運動各類光電效應本章重點檢測技術的基本概念和方法 能帶理論、載流子及其運動各類光電效應本章難點載流子及其運動第2頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第一節 檢測技術的基本概念及方法 靜態測量 第3頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 對緩慢變化的對象進行測量亦屬于靜態測量。 最高、最低溫度計第4頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四地震測量振動波形動態測

2、量第5頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 可以顯示波形的便攜式儀表便攜式儀表第6頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四直接測量 電子卡尺第7頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 對多個被測量進行測量，經過計算求得被測量（阿基米德測量皇冠的比重）。 間接測量第8頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四接觸式測量 第9頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四非接觸式測量 例：雷達測速車載電子警察第10頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四離線測量 產品質量檢驗第11頁，共68頁，2022年

3、，5月20日，9點38分，星期四 在流水線上，邊加工，邊檢驗，可提高產品的一致性和加工精度。在線測量第12頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第二節 測量誤差及分類 絕對誤差： =Ax0 某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發現均缺少約0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？ (1-1)其中Ax為測量值，A0為真實值。第13頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四相對誤差及精度等級 幾個重要公式：引用（滿度）相對誤差示值（標稱）相對誤差其中Am為儀器的滿度值。第14頁，共68頁，2022年，5月20日，9點

4、38分，星期四儀表的準確度等級和基本誤差 例：某指針式電壓表的精度為2.5級，用它來測量電壓時可能產生的滿度相對誤差為2.5% 。為了確定儀表的準確度，常用（14）來表示其等級S。其中m為最大絕對誤差值。第15頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？第16頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 用2.5V量程測量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問引用相對誤差哪一個大？第17頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四誤差產生的因素：1.粗大誤差

5、明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當發現粗大誤差時，應予以剔除。 第18頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四產生粗大誤差的一個例子第19頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 2.系統誤差：夏天擺鐘變慢的原因是什么？ 系統誤差也稱裝置誤差，它反映了測量值偏離真值的程度。凡誤差的數值固定或按一定規律變化者，均屬于系統誤差。 系統誤差是有規律性的，因此可以通過實驗的方法

6、或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調整測量儀表的有關部件予以消除。 第20頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3.隨機誤差 在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發現測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差，也稱偶然誤差，它反映了測量值離散性的大小。隨機誤差是測量過程中許多獨立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結果。 存在隨機誤差的測量結果中，雖然單個測量值誤差的出現是隨機的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數隨機誤差都服從正態分布規律。 第21頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四隨機誤

7、差的正態分布規律長度相對測量值次數統計第22頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四隨機事例的幾個例子 彩票搖獎第23頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4.動態誤差 由心電圖儀放大器帶寬不夠引起的動態誤差 當被測量隨時間迅速變化時，系統的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態誤差。 第24頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 第三節 檢測技術的發展趨勢 1.不斷提高檢測系統的測量精度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性： 隨著科學技術的不斷發 展，人們對檢測系統的測量精度要求也相應地在提高。近年來，人們研制出許多高精

8、度和寬量程的檢測儀器以滿足各種需要。人們還對傳感器的可靠性和故障率的數學模型進行了大量的研究，使得檢測系統的可靠性及壽命大幅度的提高?，F在，許多檢測系統可以在極其惡劣的環境下連續工作數十萬小時。目前，人們正在不斷努力進一步提高檢測系統的各項性能指標。第25頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四提高測量精度數字電壓、歐姆表 將量程切換到2V時，最小顯示值為1V第26頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四提高可靠性承受劇烈振動第27頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 2.應用新技術和新的物理效應，擴大檢測領域月球車第28頁，共68頁，202

9、2年，5月20日，9點38分，星期四2.應用新技術和新的物理效應，擴大檢測領域（續） 火星車第29頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2.應用新技術和新的物理效應，擴大檢測領域（續）“惠更斯”號登陸土衛六的效果圖土衛六表面第30頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 2.應用新技術和新的物理效應，擴大檢測領域（續） 安全檢查第31頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3.發展集成化、功能化的傳感器 可拍照的手機第32頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4.采用計算機技術，使檢測技術智能化 面部 識別技術第33頁，共68

10、頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4.采用計算機技術，使檢測技術智能化（續） 單片機芯片第34頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 5.發展網絡化傳感器及檢測系統第35頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 第四節 半導體物理基礎一、定義 導體 半導體 絕緣體106 cm103 1012以電阻率界限定義銅，銀等硅，鍺等硫化鎘云母，琥珀第36頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四二、半導體特性1、電阻溫度系數一般都是負的，對溫度的變化十分敏感；2、導電性能可受極微量雜質的影響而發生十分顯著的變化；3、導電能力及性質會受熱、光、電

11、、磁等外界總有的影響而發生非常重要的變化。純硅在室溫下的電導率為51061cm-1，當摻入硅原子數的百萬分之一的雜質時，電導率卻上升至2-1cm-1，幾乎增加了一百萬倍。沉積在絕緣板上的硫化鎘層不受光照時的阻抗可高達幾十甚至幾百兆歐，但一旦受到光照，電阻就會下降到幾十千歐。第37頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四三、能帶理論1、電子運動的三個特點：1）具有穩定的運動狀態（量子態），每一個量子態所確定的能量稱為能級。越外層能量越高；2）嚴格講原子中沒有完全確定的軌道；3）泡利不相容原理：每一個能級中，最多容納兩個自旋方向相反的電子。第38頁，共68頁，2022年，5月20日

12、，9點38分，星期四1）原子以一定的周期重復排列所構成的物體稱為晶體；2）晶體中的不同原子的電子軌道發生不同程度的交迭，使原來隸屬于某一原子的電子，不再是此原子私有，而是在整個晶體中運動，成為整個晶體所共有，這種現象稱作電子的共有化；3）電子的共有化只發生在能量相同的量子態之間。2、電子的共有化運動（Flash演示）第39頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1)能量區域中密集的能級形象稱為能帶；2）能量最高的價電子填滿的能帶稱為價帶；3）能量最低的能帶為導帶，中間為禁帶；4）絕緣體、半導體、導體的能帶情況。（見電子版22頁）3、晶體中電子的能帶（Flash演示）第40頁，共

13、68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四四、載流子的運動1、幾個概念（1）本征半導體：完全純凈結構完整的半導體。（2）本征激發：電子由價帶直接激發躍遷到導帶。（3）N型半導體P型半導體：主要由電子導電的半導體稱為？（4）空穴：價帶中的電子空位。第41頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（5）載流子：電子空穴都能導電，我們通稱他們為載流子。在N型半導體中，一般把電子稱為多數載流子，而在P型半導體中，空穴自然稱為多數載流子；（6）在晶體中摻雜的雜質，如雜質本身為正電中心，施予電子，我們稱之為施主雜質，而被束縛于施主上的電子的能量狀態稱為施主能級；如雜質本身是負電中心，

14、接受電子，我們稱之為受主雜質，受主的空能量狀態稱為受主能級。第42頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2、熱平衡載流子（1）費米能級EF其中， (電子占據某一能量狀態E的幾率)E=EF時， 1/2EEF時， 1/2E1/2玻耳茲曼常數第43頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（2）半導體中的費米能級(EF(E-+E+)/2) EFD EDEAEFA 導帶 價帶E-EFE+ 本征半導體 N型半導體 P型半導體施主能級受主能級禁帶寬度EgE - - E+導帶底價帶頂第44頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3、非平衡載流子（1）定義：在外

15、界作用下，電子空穴的產生率大于復合率，導致載流子數目增加，這種增加的電子空穴稱為非平衡載流子。（2）壽命：復合率=n/，式中,，為常數，稱為非平衡載流子的壽命。其物理意義：（1）標志著非平衡載流子復合的快慢；（2）非平衡載流子的濃度衰減到原來的1/e所需的時間；（3）非平衡載流子的平均存在時間。（3）復合：（1）直接復合：導帶電子直接落在價帶空穴的位置上而與空穴結合失去其自由態的過程。（2）間接復合：導帶電子通過復合中心（由于半導體中晶體結構的不完整性和雜質的存在，在禁帶內存在一些深能級，這些能級能俘獲自由電子與自由空穴，從而使它們復合，這種深能級稱為復合中心）與價帶上的空穴復合。（4）陷阱效

16、應：雜質能級積累非平衡載流子的作用。第45頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四五、載流子的運動（Flash演示）六、半導體對光的吸收1、本征吸收：由于光子的作用使電子由價帶躍遷到導帶引起的吸收（本征激發所對應的吸收） ；其長波限o=1.24/Eg(m)。2、雜質吸收：雜質能級中的電子與空穴吸收光子；其長波限o=1.24/Ei(m)。3、自由載流子吸收：自由載流子在同一能帶內不同能級之間的躍遷引起的吸收；雜質的電離能第46頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4、激子吸收：電子在價帶中空穴庫侖場的束縛下運動，形成可動的電子空穴對，稱為激子。價帶中的電子吸收光

17、子而形成激子叫做激子吸收；5、晶格吸收：光子直接轉變成晶格原子的振動。第47頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四半導體的PN結及金屬與半導體的接觸一、PN結原理（結：P型，N型，i型半導體結合時其中的過渡區）（一）熱平衡下的PN結（二）非平衡下的PN結其能帶圖見圖1，另綜合前邊知識可得式（1），（2）。PN結的電流大小，即PN結的伏安特性公式（分析PN結器件的最基本公式）：（1）第48頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 電子擴散區 勢壘區 空穴擴散區npn=no+np=po+pxxP區N區E_E_E+E+EFPEFnqVEF-EF+圖1：正向PN結能帶

18、圖第49頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（2）1、當V=0時，即平衡態，2、當V0時，即在PN結上加正向電壓，此時，這說明載流子濃度增加，增加的載流子形成結的正向電流。3、當V0時，即在PN結上加反向電壓，此時，這說明載流子濃度減少，減少的載流子形成結的反向電流。式中，EF-EF+分別表示在非平衡狀態下的電子與空穴的費米能級，稱為準費米能級。第50頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（二）半導體異質結1、由兩種不同質的半導體材料接觸而組成的結。這種結構不僅改變了半導體的禁帶寬度，其他諸如能帶結構，遷移率等也發生了變化，電流電壓特性；2、對于金屬、絕緣

19、體與半導體也可構成異質結。如Ge-GaAs，ZnS-Pt等。第51頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3、安徒生模型（1）構成異質結的兩種材料晶格完全匹配；（2）不同的禁帶寬度，介電常數，功函數和電子親和能等。通過以上假設可簡化為同質結理論來討論異質結。4、晶格失配系數：如小于0.01，則可視為晶格匹配異質結。第52頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3、三種接觸（1）阻擋接觸：金屬與N型半導體接觸，金屬的費米能級低于半導體的費米能級，接觸后電子由半導體注入金屬，形成肖特基勢壘。（2）注入接觸：a、金屬與N型半導體接觸，金屬的費米能級高于半導體的費米能級

20、，接觸后電子由金屬注入半導體，形成一個由電子構成的負空間電荷區。b、金屬與P型半導體接觸，金屬的費米能級低于半導體的費米能級，接觸后電子由半導體注入金屬，形成一個由空穴構成的正空間電荷區。（3）歐姆接觸：若金屬與半導體的費米能級相同，接觸后沒有電荷轉移，接觸區無電場。加上外電場時，V-I關系服從歐姆定律，這樣的接觸稱為歐姆接觸。第53頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第五節 光電效應一、定義因光照而引起物體電學特性的改變稱為光電效應。二、類型（1）外光電效應（光電發射效應）：物質受到光照后向外發射電子的現象，其多發生于金屬金屬氧化物。（2）物質受到光照后所產生的光電子只在

21、物質內部運動而不會逸出物質外部的現象，其多發生于半導體內。又可分為光電導效應光生伏特效應。第54頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四三、光電發射效應1、過程（1）電子吸收光子以后產生激發，即得到能量；（2）得到光子能量的電子（受激電子）從發射體內向真空界面運動（電子傳輸）；（3）這種受激電子越過表面勢壘向真空逸出。第55頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發射效應，獲得1921年諾貝爾物理學獎。 第56頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2、主要性質斯托列托夫定律（光電發射第一定律）

22、當入射光線的頻譜成分不變時（同一波長的單色光或者相同頻譜成分的光線），光電陰極的飽和光電發射電流Ik與被陰極所吸收的光通量 （標度可見光對人眼的視覺刺激程度的量稱） 成正比。即 表征光電發射靈敏度的稀疏（3）第57頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四愛因斯坦定律（光電發射第二定律）發射出光電子的最大動能隨入射光頻率的增高而線性增大，而與入射光的光強無關，即光電子發射的能量關系符合愛因斯坦公式：（4） 光電發射的瞬時性光電發射的延遲時間不超過 s的數量級。光電陰極的逸出功第58頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電發射的紅限在入射光線頻譜范圍內，光電陰極

23、存在臨界波長，當光波波長等于這個臨界波長時，電子剛剛能從陰極逸出。這個波長通常稱為光電發射的“紅限”。（5）380nm 3.2ev780nm 1.6ev第59頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四四、光電導效應1、定義：半導體受光照射后，其內部產生光生載流子，使半導體中載流子數顯著增加而電阻減小的現象。本征半導體雜質半導體都能產生光電導效應，當光子能量大時，易于發生本征光電導；當光子能量小時，易于發生雜質光電導。原因？見課本第15頁第60頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2、相關參數（1）光電導體的靈敏度表示在一定光強下光電導的強弱。一般用光電增益G來表示。（6）為量子產額，即吸收一個光子所產生的電子空穴對數；為光生載流子壽命；為遷移率；U為外加電源電壓；l為光電導體兩極間距。第61頁，共68頁，2022年，5月20日，9點38分，星