求大神分享光电技术与光纤基础知识点

光电复习
一.基础知识
（1.）光电检测系统组成：光源，信息载体，光学系统，光电探测器，信息处理装置
（2）.幅射度学（下标e):








（3.）光度学（下标v）
1.视见函数V(波长r）在波长为555nm的绿色光最大，为1，其他波长视见函数小于1
2.光通量（光通量与辐射通量的关系）






3.照度






4.点源






（4）能带结构
1.满带：被电子填满的能带（不导电）
2.空带：没有电子占据的能带
3.价带：原子最外层电子分裂成的能带
4.导带：比价带能量更高的允许带
5.固体的能带结构形成原因：电子共有化
6.与半导体导电性能有关的能带：导带和价带
7.载流子：导电的自由电子和自由空穴统称为载流子
8.本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体（禁带越小，导电性越好）
9.施主：易 释放电子的原子
10.施主电离能：施主能级Ed和导带底Ec间的能量差￥Ed
11.N型半导体：由施主能级激发到导带中去的电子来导电，自由电子浓度高于自由空穴浓度
12.受主：容易获得电子的原子
13.受主电离能：受主能级Ea与价带顶Ev的能量差￥Ea
14.P型半导体：由受主控制材料导电性的半导体，自由空穴浓度高于自由电子浓度
（5）非平衡载流子
1.概念：通过外部注入载流子或用光激光方式使载流子浓度超过热平衡时的浓度，这些超出部分的载流子称为非平衡载流子
2.本征吸收长波限：Eg为半导体的禁带宽度越窄，长波限越长（本征半导体低温不导电，常温弱导电）






3.杂质吸收长波限：






4.直接复合：自由电子直接由导带回到价带与自由空穴复合
间接复合：自由电子和自由空穴在禁带中复合
（6）载流子的扩散和漂移
漂移（漂移电流）电场导致（空穴向负电极移动，电子向正电极移动）
扩散（扩散电流）载流子浓度差导致（空穴电流是负的，电子电流是正的）
（7）黑体辐射定律
1.绝对黑体：在任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1
2.基尔霍夫定律：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比等于同一温度时绝对黑体的单色辐出度
3.普朗克辐射公式：是两物体间热力传导的基本法则
4.斯忒藩－玻耳兹曼定律：






5.维恩位移定律：（指出当绝对黑体的温度增高时，单色辐出度的最大值向短波方向移动）






（8）光电效应
光电效应包括内光电效应（光电导效应，光伏特效应）和外光电效应
1.光电导效应：当半导体材料受光照时，由于吸收光子使其中的载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大
2.光生伏特效应：光生载流子被结电场分离后，空穴流入P区，电子流入N区，在结区两边产生势垒，产生光电流
(PN结受光照射时，就会在结区产生电子一空穴对。受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，最后在结区两边产生一个与内建电场方向相反的光生电动势，这就是光生伏特效应。)
3.外光电效应：在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象
光子的能量E=hv,v为光的频率，光的频率等于光速除以波长，光速等于300000km/s
光电子发射的逸出功（能量阈值）：A0=Eg+EA(Eg为禁带宽度，EA为电子亲和力）
半导体的阈值波长等于






（9）光电探测器的噪声和特性参数
1.响应率






2.等效噪声效应：探测器所接收到的幅度功率所引起的信号输出=探测器本身产生的噪声
是信噪比为1时的探测器所能探测到最小辐射功率，其值越小，探测器所能探测到的辐射功率越小，越灵敏。
3.量子效率：（每入射一个光子所释放的平均电子数）






（10）作业
1.光电发射的基本定律：
.光电发射第一定律：当电子从光子吸收的能量大于逸出功A0时，电子就能逸出表面，产生光电子发射
光电发射第二定律：当辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的通量成正比
2.光电发射与光电导和光生伏特效应相比，本质的区别：
光电导和光伏特效应属于内光电效应，是光照到半导体材料时，材料由于光子的加入引起载流子的浓度变化，导致材料电导率增大或是产生内建电场
光电发射属于外光电效应，它是光子和物质材料中的电子相互作用，光子能量足够大以使电子获得能量而逸出物质表面
二.常见光源
（1）光源的特性参数
1.辐射效率：（P是功率）






2.发光效率：






3.光谱功率分布：线状光谱，带状光谱，连续光谱，复合光谱
4.色温：当某一辐射体辐射光的颜色与某一温度下的黑体所辐射光的颜色相同时，则将黑体的温度称为光源的色温。衡量光鲜色彩的定值，表示光源光谱质量最通用的指标。
（2）热辐射源：太阳，黑体模拟器，白炽灯
（3）气体放电光源：脉冲灯，原子光谱灯，汞灯，氙灯
（5）固体发光光源：结型发光光源
（6）激光器
1激光原理：光与原子二能级系统相互作用，有3种跳跃过程：自发辐射，受激吸收，受激辐射
2.自发辐射：没有干预，电子由处于激发态的高能级自动跳跃到低能级，频率，振动方向和相位都不相同，不是相干光（白炽灯，日光灯）
3.受激吸收：吸收光子，从低能级跳跃到高能级
4.受激辐射：电子处于高能级时，外来的光子的频率恰好匹配时，电子向低能级跳跃，并发出与外来电子一样特征的光子（一共两个）
5.激光产生的必要条件：粒子数反转，光泵，谐振腔
6.粒子数反转：使辐射远大于吸收，实现有效的光放大
泵浦：为维持粒子数的反转状态，需不断的将原子从低能级状态抽运到高能态，使处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数
谐振腔：由全反射镜，部分透反射镜，激光束组成；辐射在谐振腔的两平面之间来回之间来回传播形成震荡，来回反射的次数越多，激发更多的辐射，从而使辐射能量放大，输出腔外，产生激光。
7.激光器由工作物质，谐振腔和泵浦源组成
工作物质：组成原子具有亚稳态能级结构且能产生粒子数反转的物质






8.激光的特性：单色性好、方向性好、亮度高、相干性好
（7）作业
1.光源的基本参数：.辐射效率和发光效率、光谱功率分布、空间光强分布、光源的颜色、光源的色温
2.发光二极管的外量子效率与哪些因素有关：外量子效应与产生的光子数和注入的电子-空穴对数有关
三.结型光电器件
（1）结型光电器件的工作原理：热平衡下的PN结，光照下的PN结
1.热平衡下的PN结：
内建电场消弱扩散、增强漂移，直到两者达到平衡
热平衡下，PN结的静电流为0，正向电流随正向电压的增大而增大，反向饱和电流：当反向电压不超过反向击穿电压时，它随反向偏压的增大逐渐趋向饱和值
2.光照下的PN结:
光伏效应：是指光照射半导体的结区时，产生电位差的现象
光伏工作模式：零偏置的开路状态，PN结光电器产生光生伏特效应（没电源）
光电导工作模式：反偏置，无光照时结电阻很大，电流很小，有光照时，结电阻很小，电流变大，而且光电流随照度的变化而变化（有电源）
电流方程：
Ip:光生电流，与反向饱和电流I0方向相同
Id:负载电阻RL产生电压降而产生的正向电流











（2）硅光电池的特征参数：光照特性，光谱特性，频率特性，温度特性
光照特性：
开路时：






短路时：






有负载时：（负载电阻越小，线性范围越大）






（3）硅光电二极管和三极管
1.硅光电二极管通常用在反偏的光电导工作模式
当硅光电二极管与负载电阻RL串联时，则在RL两端便可得到随光照度变化的电压信号，从而完成了将光信号转化为电信号






硅光电二极管和光电池的区别
①光电池掺杂浓度高
②光电池电阻率低
③光电池在零偏下工作，光电池在反偏下工作
④ 光电二极管面积小，响应度大，速度快,暗电流小






2.硅光电三极管
1.工作时需保证集电结反偏置，发射结正偏置，光激发产生的光生载流子中的电子流向集电极，空穴流向基极
集电极电流：






发射极电流：






（3.）特殊结型的光电二极管
1.PIN型光电二极管
结构：在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






原理:在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层具有一定厚度(近似于反偏压下的耗尽层厚度)的本征半导体或低携杂半导体材料(称为I层)，使PIN管具有优于耗尽层光敏二极管的高速响应特性。
特点:响应时间很短，在S左右:频带很宽，可达10GHz:输出电流小，只有零点几uA至数uA
2.光电位置传感器（PSD)
光点离中心点的距离为x:






PSD优点:与象限式探测器相比，PSD对光斑的形状没有严格要求:光敏面上无象限分割线，对光斑位置可以进行连续测量，位置分辨率高
3.雪崩光电二极管（APD)
原理：借助强电场产生载流子倍增效应的一种高速光电二极管
雪崩光电二极管就是利用这种效应而具有光电流的放大作用的
高反向电压下工作的光敏二极管，高电场加速了光生载流子的速度，产生二次载流子对。适合弱光的探测
特点:它通常工作在很高的反偏电压状态，自身有电流增益，具有响应度高，响应速度快的特点。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。
（4）作业
1.PN结型光电器件必须工作在哪种偏置电压状态？为什么？
答：反偏置，反偏压使用时，光电转换线性好，电压方向与PN结内建电场方向相同，更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性
2.由于硅的禁带宽度（1.1eV），硅光电池的理想开路电压为0.6-0.7eV，当照度增大到一定时，为什么不再随入射照度的增加而增加，只是接近这一理想值？
答：开路电压与光照度的对数成正比
在同一照度下，为什么加负载后输出电压总是小于开路电压？
答：同一光照下，加负载后，负载电阻与光电阻内电阻串联，内电阻会分一部分电压，所以负载输出电压总是小于开路电压
3.硅光电池的开路电压，为什么随温度上升而下降？
硅光电池的开路电压具有负温度系数，所以随着温度上升开路电压减小，具体原因要从硅半导体的导电性（即费米能级）随温度的特性考虑，温度越高，费米能级越靠近半导体的禁带中央，那么PN结两边的费米能级之差越小，势垒高度也越低，开路电压降低。
4.为什么PIN管的频率特性比普通光电二极管好？
答：由于I层(高阻)的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可以选择低电阻的基体材料，减少了串联电阻:使扩散区不会到达基体，从而减少了或者根本不存在少数載流子通过扩散区的扩散时间，提高了响应速度:反偏下，耗尽层较无I层时要大的多从而使结电容下降到零点几PF
四.光电导器件
（1）光敏电阻类型（本征型光敏电阻，掺杂型光敏电阻）
1.本征型光敏电阻（常用于可见光波段测试）
只有当入射光子能量hv等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时才能激发一个电子-空穴对，在外加电场作用下形成光电流
2.掺杂型光敏电阻（常用于红外波段甚至远红外测试）
光子的能量hv只要等于或大于杂质电离能时，就能把施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外加电场作用下形成电流。
（2）工作原理：基于光电导效应
g为载流子产生率，t为载流子寿命，L为光电导长度，A为光电导体横截面面积












（3）主要特性参数











（4）偏置电路（Rp为光敏电阻，RL为负载电阻，Ub是偏置电压）











1.恒流偏置：RL>>Rp,I=Ub/RL,电流为常数，输出电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值
2.恒压偏置：RL<
3.恒功率偏置：RL=Rp,负载电阻的功率最大P=Ub^2/4RL
为保障光敏电阻正常工作，电路中的外加电压有一个最大限制值
（5）光敏电阻的应用






五.真空光电器件
（1）光电阴极
原理：外光电效应
主要参数：灵敏度（光电流与入射的光通量之比），量子效率（入射的光子数与产生的电子数比），光谱响应曲线（光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线），热电子发射
分类：透射型，反射型
电子亲和势（ EA）：导带底部到真空能级间的能量值，表征材料在发生光电效应时电子逸出材料的难易程度
负电子亲合势光电阴极






负电子亲和势光电阴极的能带结构：半导体表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下，有效电子亲和势为负值。
（2）光电管与光电倍增管
1.光电管的组成：玻壳，阳极和光电阴极
分类：真空光电管，充气光电管
2.光电倍增管
光电倍增管----是建立在光电子发射效应，二次电子发射效应基础上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子数目放大的真空光电发射器件。
组成：入射窗口，光电阴极，电子光学系统，电子倍增系统和阳极
相比光电管，光电倍增管增加了电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了灵敏度
工作原理：光入射到光电倍增管的光电阴极上，打出电子；电子在加速电场的作用下打到第一倍增极，一个电子打出多个电子；这些二次电子再在加速电场的作用下，打向下一级，打出更多的电子；这样经过多级倍增之后的电子到达阳极，被阳级收集形成光电流。
入射窗口：侧窗为反射式光电阴极，端窗为透射式光电阴极
电子光学系统：作用：1.使光电子尽可能的汇集到第一倍增集上，而将热发射的杂乱电子散射掉2.尽量使电子的渡越时间相同
电子倍增极：分为聚焦型（鼠笼式、直线聚焦式）和非聚集型（盒栅式、百叶窗式、近贴栅网式、微通道板式）
与光电阴极的区别：光电阴极是入射光照到光电阴极上发射出光电子，电子倍增极是发出比入射电子更多的二次电子
阳极：收集从末级倍增极发射出的二次电子，形成电流
（3）光电倍增管的主要特性参数
主要参数：灵敏度，放大倍数，暗电流，噪声，伏安特性，线性，稳定性，滞后效应，时间特性，磁场特性
1.灵敏度：
光谱响应：阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和入射窗口的材料性质，光阴极产生的光电流与入射到它上面的光通量之比
阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积，阳极输出电流与入射到阴极上的光通量之比
放大倍数











2.伏安特性
阴极伏安特性：表示阴极电流IK与阴极与第一倍增极之间电压的关系
当阴极电压大于一定值后，阴极电流开始趋于饱和，与入射光通量成线性关系
阳极伏安特性：它表示阳极电流IP对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系
当阳极电压大于一定值后，阳极电流开始趋于饱和，与入射光通量成线性关系
3.线性：表征阳极电流与阴极光通量之间关系，工作在饱合区时信号会失真
原因：随着入射光强的增强，在最后几级倍增极上出现较大的电流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而出现疲劳效应，又由于较大的电流形成显著的空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降低。
（4）光电倍增管的供电和信号输出电路
1.高压分压电路的接地方式：阳极接地和阴极接地
2.增大线性输出范围的方法：1.减小分压电阻的阻值来增加分压电流2.在最后一倍增极和阳极之间使用一只齐纳二极管，如果必要倒数第二、第三极也可以使用






Uo=—IpRf






（5）微通道板光电倍增管(MCP)
1.结构：用微通道板代替一般光电倍增管中的电子倍增器
2.微通道板原理和结构：






为了减小微通道内残存离子的影响，防止雪崩击穿，通常使用Z形或是人字型的折线通道，减小离子自由飞行路程以其由离子轰击发射的二次电子。
微通道板和光电倍增管在结构和原理的异同点：






优点：尺寸大为缩小，响应速度大大提高
（6）光电倍增管的应用
1.光谱测量2.极微弱光信号的测量3.射线的探测
（7）作业






六.真空成像器件






（1）像管
主要功能是把不可见辐射图像或微弱光图像通过光电阴极和电子光学系统转换成可见光图像
包括：变像管（能够把不可见光的图像变成可见光的图像）
图像增强管（把亮度很低的光学图像转变为高亮度的图像）
组成：光电阴极，电子光学系统（电子透镜），荧光屏
电子透镜的作用：把光电阴极发出的电子图像呈现在荧光屏上
光电阴极的作用：能把一些辐射图像或亮度低的图像转换为电子图像
电子光学系统：能将光电阴极发出的电子束加速聚焦成像在荧光屏上，从而实现图像亮度的增强，使荧光屏发射出强得得多的光能
荧光屏：在高速电子的轰击下将电子图像转换成可见光图像
（2）常见像管
1.红外变像管2.紫外变像管3.选通式变像管
常见像增强管：1.级联式像增强管（第一代）2.微通道板像增强管（第二代）3.第三代像增强管4.X射线像增强管
（3）摄像管
作用：将空间光强分布的光学图像记录并转换成视频信号的成像装置
分类：1.光电发射型摄像管（利用外光电效应进行光电转换，有移像区）
2.光电导型摄像管（视像管）（利用内光电效应进行光电转换，无移像区）
移像区包含光电阴极和电子光学系统，作用是使光电阴极产生的光电子在运动过程中获得能量而加速，以便在靶子上产生更多的电荷，提高摄像管的响应率
摄像管的工作原理：先将输入的光学图像转换成电荷图像，然后通过电荷的积累和储存构成电位图像，最后通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号输出






（4）光导靶和存储靶
1.视像管靶（光电导靶）
主要作用：完成光学图像的光电转换和信号电荷的积累和存储，适合视像管靶的材料必须具有电荷的存储功能，要求靶上每个像素的驰豫时间远大于储存时间。











2.存储靶（光电发射型）
二次电子传导靶（SEC)






(5)作业
光电导摄像管（视像管）和光电发射摄像管的区别是什么？简单论述一下他们的关键器件靶的作用
答：光电导摄像管（视像管）和光电发射摄像管的区别是光电转换方式的不同，
光电导摄像管是内光电效应，没有移像区；光电发射摄像管是外光电效应，有移像区，光电导摄像管靶是光导靶，而光电发射摄像管靶是存储靶。光导靶主要作用是完成光学图像的光电转换，信号电荷的积累和存储。存储靶主要作用是产生二次电子发射，通过改变移像区的加速电压可改变靶的电子增益，工作在亮度较低的场合。
七.固体成像器件
（1）固体成像器件
固体成像器件本身就能完成光学图像转换、信息存储和按顺序输出（自扫描）视频电视信号
分类：电荷耦合器件CCD和自扫描光电二级管列阵SSPD
CMOS与CCD图像传感器的比较
1.CMOS与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将图像处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，其缺点是图像质量与灵活性要比CCD低。
2.CCD像元耗尽层深度为10nm，CMOS像元耗尽层只有1-2nm
3.CCD的动态范围比CMOS高2倍
4.CCD的噪点比CMOS的少
5.CMOS的工作速度优于CCD
6.CCD顺序读出信号结构，CMOS通过XY寻址技术读出数据
7.CCD的功耗高于CMOS
8.CMOS的可靠性高于CCD
CMOS与CCD图像传感器工作原理上的异同
答：CMOS图像传感器的光电转换方式与CCD基本相同，但是信号读出方式不同，CCD图像传感器是基于电荷耦合原理，其像元主要由光敏器件和MOS电容器（电荷转移组成），通过有规律地改变栅极电压实现电荷的行间传输，电荷被顺序读取。CMOS每个像元单位都有MOS场效应元和放大器，在像元中实现A/D转换，信号能够被单独选址和读出。
（2）电荷耦合器件
1.组成：信号输入部分，电荷转移部分和信号输出部分
信号输入部分的作用：将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。
方法：1.电注入（将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。注入势阱中的绝对电荷量并不代表信号电荷，而电荷量的差值才是信号电荷）2.光注入（摄像器件唯一的注入方法，光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收产生电子一空穴对，多数载流子进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失;少数载流子便被收集到势阱中成为信号电荷。当输入栅开启后第1个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进人到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。）
电荷转移部分由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。
信号输出部分由输出二极管，输出栅和输出耦合电路组成，作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。






2.电荷耦合原理：（基本思想是调节势阱深度，利用势阱耦合）
从半导体基本知识可知，当金属电极加上正电压时，接近半导体表面处的空穴被排斥，电子增多，在表面下一定范围内只留下受主离子，形成耗尽区。该区域对电子来说，是一个势能很低的区域，也称势阱。加在栅极上的电压越高，表面势越高，势阱越深;若外加电压一定，势阱深度则随势阱中电荷量的增加而线性下降。如果不断的改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地一位一位按顺序传输。






3.CCD电极结构形式：按加在电极上的脉冲电压相数来分，电极结构分为二相，三相，四相等结构
4.电荷转移沟道类型
两种类型：1.表面沟道电荷耦合器件(SCCD)：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输
2.体内沟道电荷耦合器件(BCCD)：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输。
两种比较：1.SCCD比BCCD的信号处理能力大
2.BCCD的工作频率比SCCD提高了一个数量级以上
3.BCCD的转移效率高
4.两者的存储栅和转移栅刚好相反
5.SCCD信号电荷是少子，而BCCD信号电荷是多子
6.SCCD制作工艺简单，信号处理容量大，很适合于运行速度要求不高的场合。BCCD噪声低，高传输效率，可用于低照度下
（3）电荷耦合器件的分类
CCD器件按结构分为:线阵CCD和面阵CCD
1.线阵CCD：作为摄像用时，通常是光敏区和转移区分开；从而有单边传输结构（结构简单，但效率低）和双边传输结构（结构复杂，但效率高）。
2.面阵CCD：两种类型：帧转移型（FTCCD)和行间转移型(ILTCCD）
1.帧转移型：光敏区和暂存区分开，结构简单，灵敏度高
2.行间转移型：光敏区与转移区相间排列的方式，适合低光强
（4）CCD的性能参数
1.电荷转移效率和转移损失率
转移效率：转移到下一个电极下的电荷 除以 原有的信号电荷量






转移损失率：没有被转移的电荷量 除以 原信号电荷






当信号电荷转移n个电极的电荷量为Qn时，总转移效率为：
对于二相CCD移位寄存器，若移动m位，则n=2m。






“零胖”工作模式，就是让“零”信号也有一定的电荷来填补陷阱，能提高转移效率和速率
（5）自扫描光电二级管列阵
1.光电二极管阵列的结构形式和工作原理
两种结构形式：1.普通光电二极管阵列 2.自扫描光电二极管阵列SSPD
工作原理：1.连续工作方式（N位图像传感器至少应有N+1根信号引出线，输出电流小，一般只用于64位以下）






2.SSPD,电荷存储工作方式



































八。红外辐射与红外探测器
（1）红外辐射特性
1.红外辐射的物理本质是热辐射----物体的温度越高、辐射出来的红外线越多，辐射出的能量就越强
（2）红外探测器分类
两大类：热探测器和光子探测器(输出电压与入射光功率成正比）
1.热探测器（光---->热------>电）分为热敏电阻型探测器，热电偶型红外探测器，热释电型和高莱管型
热释电型红外探测器
热释电效应：指极化强度随温度变化而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。对恒定辐射没有输出，可以采用斩波的方法测量恒定辐射。
热释电器件是综合性能最好的,在红外波段是最有前途的器件,近十年来受到人们的广泛重视。
(1)反应速度快 ns, 甚至10ps，一般ms。
(2)探测率仅次于高莱管,受环境温度影响小.
(3)不需偏压,内阻高.
(4)对恒定辐射无反应.
(5)易制造,有大面积和两维成像器件. 0.1mm2→10cm2
2.光子探测器分为外光电探测器（PE)和内光电探测器（光电导探测器(PC)，光生伏特探测器(PU)和光磁电探测器(PEM)）
（3）红外测温原理
红外测温原理是斯忒藩-玻耳兹曼定律






M为黑体总辐射出射度，






特点：①反应速度快（不需要热平衡）②灵敏度高③属于非接触测温（适合于高温、高压、带电、运动）④准确度高。可小于0.1°C⑤可测摄氏负几十度~几千度的范围
（4）作业
1.简述疫情中最常用的“额温枪”测温的原理？
答：全辐射测温，人体辐射红外线，根据斯特藩-玻尔兹曼定理，测量辐射全波段红外线的辐射能量得到温度。
2.怎样理解热释电效应？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？
答：热释电效应是指温度改变引起晶体极化强度变化，导致极化电荷和表面电荷不平衡，在铁电体表面有多余的电荷出现，相当于释放出一部分电荷。由于热释电效应只有在温度变化的瞬间才发生，并很快晶体又会达到电平衡状态。温度恒定时，热释电晶体吸附周围空气中的异性电荷，没有极化效应。故对于恒定的红外辐射，必须进行调制变成交变辐射，不断引起探测器的温度变化，才能导致热释电产生，输出相应的电信号。
九.光导纤维与光纤传感器
（1）光导纤维基础知识
1.光纤的结构：由纤芯，包层及外套组成。外套折射率>包层>纤芯
2.光纤的种类：阶跃型和梯度型和单孔型（子午光线---通过中心轴线的光线）
阶跃光纤中子午光线以锯齿状前行
梯度光纤中子午光线以抛物状前行，并产生会聚
3.光纤的传输模式（分为多模光纤和单模光纤，阶跃型和梯度型为多模光纤）
4.光纤的传光原理

















5.光纤的传输特性
传输损耗
两类：吸收损耗（光能转换为热能）和散射损耗（由光纤材料的不均匀性或材料的缺陷引起）






色散
光纤的色散：输入脉冲在光纤内的传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。
分为材料色散（材料的折射率随入射光波长的改变而不同）；波导色散（光纤的结构引起的不同波长的传播速度不同）；多模色散（传播模式不同的光）
三种色散大小：多模色散>材料色散>波导色散
容量由于光脉冲在传输过程中的色散展宽，而影响到光纤的信息容量和品质
抗拉程度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷
集光本领由光纤的数值孔径决定，数值孔径只决定于光纤的折射率。






（2）光导纤维的应用
1.光纤在直接导光方面的应用：光纤照明，光纤束扫描器，激光手术刀
2.光纤制品在传像方面的应用：各种内窥镜，眼动系统，光纤图像转换器，光学纤维面板
（3）光纤传感器的分类及构成
光纤传感器分为
功能型光纤传感器：不仅起传光作用而且又是敏感元件
非功能型光纤传感器：只作为传输回路
基本构成：光源，光电元件
（4）功能型光纤传感器
1.相位调制型光纤传感器











光的相位调制通过干涉转化为振幅调制











放大后输入记录仪，从记录的移动条纹数就可以检测出温度信号
2.光强调制型光纤传感器
光纤微弯曲位移和压力传感器是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成。











（5）非功能型光纤传感器
1.传输光强调制型光纤传感器（半导体吸收式光纤温度传感器测温系统原理）
2.反射光强调制型光纤传感器（压力）
3.频率调制光纤传感器（利用多普勒效应进行频率调制来测量物体的运动速度）
4.光纤液位传感器
（6）作业
1.单模光纤和多模光纤的区别？
答：单模光纤只有一种模式传输，纤芯比较细。多模光纤支持多模式传输，纤芯比较粗。
2.简述一下光子晶体光纤（微结构光纤）的导光原理和优势？
答：光子晶体光纤有依赖折射率的全反射导光原理和利用光子晶体的光子带隙导光原理。相对于普通的光纤，光子晶体光纤结构多样，具有较低的传输损耗（本征、弯曲、色散损耗）。

光电复习
一.基础知识
（1.）光电检测系统组成：光源，信息载体，光学系统，光电探测器，信息处理装置
（2）.幅射度学（下标e):








（3.）光度学（下标v）
1.视见函数V(波长r）在波长为555nm的绿色光最大，为1，其他波长视见函数小于1
2.光通量（光通量与辐射通量的关系）






3.照度






4.点源






（4）能带结构
1.满带：被电子填满的能带（不导电）
2.空带：没有电子占据的能带
3.价带：原子最外层电子分裂成的能带
4.导带：比价带能量更高的允许带
5.固体的能带结构形成原因：电子共有化
6.与半导体导电性能有关的能带：导带和价带
7.载流子：导电的自由电子和自由空穴统称为载流子
8.本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体（禁带越小，导电性越好）
9.施主：易 释放电子的原子
10.施主电离能：施主能级Ed和导带底Ec间的能量差￥Ed
11.N型半导体：由施主能级激发到导带中去的电子来导电，自由电子浓度高于自由空穴浓度
12.受主：容易获得电子的原子
13.受主电离能：受主能级Ea与价带顶Ev的能量差￥Ea
14.P型半导体：由受主控制材料导电性的半导体，自由空穴浓度高于自由电子浓度
（5）非平衡载流子
1.概念：通过外部注入载流子或用光激光方式使载流子浓度超过热平衡时的浓度，这些超出部分的载流子称为非平衡载流子
2.本征吸收长波限：Eg为半导体的禁带宽度越窄，长波限越长（本征半导体低温不导电，常温弱导电）






3.杂质吸收长波限：






4.直接复合：自由电子直接由导带回到价带与自由空穴复合
间接复合：自由电子和自由空穴在禁带中复合
（6）载流子的扩散和漂移
漂移（漂移电流）电场导致（空穴向负电极移动，电子向正电极移动）
扩散（扩散电流）载流子浓度差导致（空穴电流是负的，电子电流是正的）
（7）黑体辐射定律
1.绝对黑体：在任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1
2.基尔霍夫定律：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比等于同一温度时绝对黑体的单色辐出度
3.普朗克辐射公式：是两物体间热力传导的基本法则
4.斯忒藩－玻耳兹曼定律：






5.维恩位移定律：（指出当绝对黑体的温度增高时，单色辐出度的最大值向短波方向移动）






（8）光电效应
光电效应包括内光电效应（光电导效应，光伏特效应）和外光电效应
1.光电导效应：当半导体材料受光照时，由于吸收光子使其中的载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大
2.光生伏特效应：光生载流子被结电场分离后，空穴流入P区，电子流入N区，在结区两边产生势垒，产生光电流
(PN结受光照射时，就会在结区产生电子一空穴对。受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，最后在结区两边产生一个与内建电场方向相反的光生电动势，这就是光生伏特效应。)
3.外光电效应：在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象
光子的能量E=hv,v为光的频率，光的频率等于光速除以波长，光速等于300000km/s
光电子发射的逸出功（能量阈值）：A0=Eg+EA(Eg为禁带宽度，EA为电子亲和力）
半导体的阈值波长等于






（9）光电探测器的噪声和特性参数
1.响应率






2.等效噪声效应：探测器所接收到的幅度功率所引起的信号输出=探测器本身产生的噪声
是信噪比为1时的探测器所能探测到最小辐射功率，其值越小，探测器所能探测到的辐射功率越小，越灵敏。
3.量子效率：（每入射一个光子所释放的平均电子数）






（10）作业
1.光电发射的基本定律：
.光电发射第一定律：当电子从光子吸收的能量大于逸出功A0时，电子就能逸出表面，产生光电子发射
光电发射第二定律：当辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的通量成正比
2.光电发射与光电导和光生伏特效应相比，本质的区别：
光电导和光伏特效应属于内光电效应，是光照到半导体材料时，材料由于光子的加入引起载流子的浓度变化，导致材料电导率增大或是产生内建电场
光电发射属于外光电效应，它是光子和物质材料中的电子相互作用，光子能量足够大以使电子获得能量而逸出物质表面
二.常见光源
（1）光源的特性参数
1.辐射效率：（P是功率）






2.发光效率：






3.光谱功率分布：线状光谱，带状光谱，连续光谱，复合光谱
4.色温：当某一辐射体辐射光的颜色与某一温度下的黑体所辐射光的颜色相同时，则将黑体的温度称为光源的色温。衡量光鲜色彩的定值，表示光源光谱质量最通用的指标。
（2）热辐射源：太阳，黑体模拟器，白炽灯
（3）气体放电光源：脉冲灯，原子光谱灯，汞灯，氙灯
（5）固体发光光源：结型发光光源
（6）激光器
1激光原理：光与原子二能级系统相互作用，有3种跳跃过程：自发辐射，受激吸收，受激辐射
2.自发辐射：没有干预，电子由处于激发态的高能级自动跳跃到低能级，频率，振动方向和相位都不相同，不是相干光（白炽灯，日光灯）
3.受激吸收：吸收光子，从低能级跳跃到高能级
4.受激辐射：电子处于高能级时，外来的光子的频率恰好匹配时，电子向低能级跳跃，并发出与外来电子一样特征的光子（一共两个）
5.激光产生的必要条件：粒子数反转，光泵，谐振腔
6.粒子数反转：使辐射远大于吸收，实现有效的光放大
泵浦：为维持粒子数的反转状态，需不断的将原子从低能级状态抽运到高能态，使处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数
谐振腔：由全反射镜，部分透反射镜，激光束组成；辐射在谐振腔的两平面之间来回之间来回传播形成震荡，来回反射的次数越多，激发更多的辐射，从而使辐射能量放大，输出腔外，产生激光。
7.激光器由工作物质，谐振腔和泵浦源组成
工作物质：组成原子具有亚稳态能级结构且能产生粒子数反转的物质






8.激光的特性：单色性好、方向性好、亮度高、相干性好
（7）作业
1.光源的基本参数：.辐射效率和发光效率、光谱功率分布、空间光强分布、光源的颜色、光源的色温
2.发光二极管的外量子效率与哪些因素有关：外量子效应与产生的光子数和注入的电子-空穴对数有关
三.结型光电器件
（1）结型光电器件的工作原理：热平衡下的PN结，光照下的PN结
1.热平衡下的PN结：
内建电场消弱扩散、增强漂移，直到两者达到平衡
热平衡下，PN结的静电流为0，正向电流随正向电压的增大而增大，反向饱和电流：当反向电压不超过反向击穿电压时，它随反向偏压的增大逐渐趋向饱和值
2.光照下的PN结:
光伏效应：是指光照射半导体的结区时，产生电位差的现象
光伏工作模式：零偏置的开路状态，PN结光电器产生光生伏特效应（没电源）
光电导工作模式：反偏置，无光照时结电阻很大，电流很小，有光照时，结电阻很小，电流变大，而且光电流随照度的变化而变化（有电源）
电流方程：
Ip:光生电流，与反向饱和电流I0方向相同
Id:负载电阻RL产生电压降而产生的正向电流











（2）硅光电池的特征参数：光照特性，光谱特性，频率特性，温度特性
光照特性：
开路时：






短路时：






有负载时：（负载电阻越小，线性范围越大）






（3）硅光电二极管和三极管
1.硅光电二极管通常用在反偏的光电导工作模式
当硅光电二极管与负载电阻RL串联时，则在RL两端便可得到随光照度变化的电压信号，从而完成了将光信号转化为电信号






硅光电二极管和光电池的区别
①光电池掺杂浓度高
②光电池电阻率低
③光电池在零偏下工作，光电池在反偏下工作
④ 光电二极管面积小，响应度大，速度快,暗电流小






2.硅光电三极管
1.工作时需保证集电结反偏置，发射结正偏置，光激发产生的光生载流子中的电子流向集电极，空穴流向基极
集电极电流：






发射极电流：






（3.）特殊结型的光电二极管
1.PIN型光电二极管
结构：在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






原理:在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层具有一定厚度(近似于反偏压下的耗尽层厚度)的本征半导体或低携杂半导体材料(称为I层)，使PIN管具有优于耗尽层光敏二极管的高速响应特性。
特点:响应时间很短，在S左右:频带很宽，可达10GHz:输出电流小，只有零点几uA至数uA
2.光电位置传感器（PSD)
光点离中心点的距离为x:






PSD优点:与象限式探测器相比，PSD对光斑的形状没有严格要求:光敏面上无象限分割线，对光斑位置可以进行连续测量，位置分辨率高
3.雪崩光电二极管（APD)
原理：借助强电场产生载流子倍增效应的一种高速光电二极管
雪崩光电二极管就是利用这种效应而具有光电流的放大作用的
高反向电压下工作的光敏二极管，高电场加速了光生载流子的速度，产生二次载流子对。适合弱光的探测
特点:它通常工作在很高的反偏电压状态，自身有电流增益，具有响应度高，响应速度快的特点。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。
（4）作业
1.PN结型光电器件必须工作在哪种偏置电压状态？为什么？
答：反偏置，反偏压使用时，光电转换线性好，电压方向与PN结内建电场方向相同，更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性
2.由于硅的禁带宽度（1.1eV），硅光电池的理想开路电压为0.6-0.7eV，当照度增大到一定时，为什么不再随入射照度的增加而增加，只是接近这一理想值？
答：开路电压与光照度的对数成正比
在同一照度下，为什么加负载后输出电压总是小于开路电压？
答：同一光照下，加负载后，负载电阻与光电阻内电阻串联，内电阻会分一部分电压，所以负载输出电压总是小于开路电压
3.硅光电池的开路电压，为什么随温度上升而下降？
硅光电池的开路电压具有负温度系数，所以随着温度上升开路电压减小，具体原因要从硅半导体的导电性（即费米能级）随温度的特性考虑，温度越高，费米能级越靠近半导体的禁带中央，那么PN结两边的费米能级之差越小，势垒高度也越低，开路电压降低。
4.为什么PIN管的频率特性比普通光电二极管好？
答：由于I层(高阻)的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可以选择低电阻的基体材料，减少了串联电阻:使扩散区不会到达基体，从而减少了或者根本不存在少数載流子通过扩散区的扩散时间，提高了响应速度:反偏下，耗尽层较无I层时要大的多从而使结电容下降到零点几PF
四.光电导器件
（1）光敏电阻类型（本征型光敏电阻，掺杂型光敏电阻）
1.本征型光敏电阻（常用于可见光波段测试）
只有当入射光子能量hv等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时才能激发一个电子-空穴对，在外加电场作用下形成光电流
2.掺杂型光敏电阻（常用于红外波段甚至远红外测试）
光子的能量hv只要等于或大于杂质电离能时，就能把施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外加电场作用下形成电流。
（2）工作原理：基于光电导效应
g为载流子产生率，t为载流子寿命，L为光电导长度，A为光电导体横截面面积












（3）主要特性参数











（4）偏置电路（Rp为光敏电阻，RL为负载电阻，Ub是偏置电压）











1.恒流偏置：RL>>Rp,I=Ub/RL,电流为常数，输出电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值
2.恒压偏置：RL<
3.恒功率偏置：RL=Rp,负载电阻的功率最大P=Ub^2/4RL
为保障光敏电阻正常工作，电路中的外加电压有一个最大限制值
（5）光敏电阻的应用






五.真空光电器件
（1）光电阴极
原理：外光电效应
主要参数：灵敏度（光电流与入射的光通量之比），量子效率（入射的光子数与产生的电子数比），光谱响应曲线（光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线），热电子发射
分类：透射型，反射型
电子亲和势（ EA）：导带底部到真空能级间的能量值，表征材料在发生光电效应时电子逸出材料的难易程度
负电子亲合势光电阴极






负电子亲和势光电阴极的能带结构：半导体表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下，有效电子亲和势为负值。
（2）光电管与光电倍增管
1.光电管的组成：玻壳，阳极和光电阴极
分类：真空光电管，充气光电管
2.光电倍增管
光电倍增管----是建立在光电子发射效应，二次电子发射效应基础上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子数目放大的真空光电发射器件。
组成：入射窗口，光电阴极，电子光学系统，电子倍增系统和阳极
相比光电管，光电倍增管增加了电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了灵敏度
工作原理：光入射到光电倍增管的光电阴极上，打出电子；电子在加速电场的作用下打到第一倍增极，一个电子打出多个电子；这些二次电子再在加速电场的作用下，打向下一级，打出更多的电子；这样经过多级倍增之后的电子到达阳极，被阳级收集形成光电流。
入射窗口：侧窗为反射式光电阴极，端窗为透射式光电阴极
电子光学系统：作用：1.使光电子尽可能的汇集到第一倍增集上，而将热发射的杂乱电子散射掉2.尽量使电子的渡越时间相同
电子倍增极：分为聚焦型（鼠笼式、直线聚焦式）和非聚集型（盒栅式、百叶窗式、近贴栅网式、微通道板式）
与光电阴极的区别：光电阴极是入射光照到光电阴极上发射出光电子，电子倍增极是发出比入射电子更多的二次电子
阳极：收集从末级倍增极发射出的二次电子，形成电流
（3）光电倍增管的主要特性参数
主要参数：灵敏度，放大倍数，暗电流，噪声，伏安特性，线性，稳定性，滞后效应，时间特性，磁场特性
1.灵敏度：
光谱响应：阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和入射窗口的材料性质，光阴极产生的光电流与入射到它上面的光通量之比
阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积，阳极输出电流与入射到阴极上的光通量之比
放大倍数











2.伏安特性
阴极伏安特性：表示阴极电流IK与阴极与第一倍增极之间电压的关系
当阴极电压大于一定值后，阴极电流开始趋于饱和，与入射光通量成线性关系
阳极伏安特性：它表示阳极电流IP对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系
当阳极电压大于一定值后，阳极电流开始趋于饱和，与入射光通量成线性关系
3.线性：表征阳极电流与阴极光通量之间关系，工作在饱合区时信号会失真
原因：随着入射光强的增强，在最后几级倍增极上出现较大的电流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而出现疲劳效应，又由于较大的电流形成显著的空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降低。
（4）光电倍增管的供电和信号输出电路
1.高压分压电路的接地方式：阳极接地和阴极接地
2.增大线性输出范围的方法：1.减小分压电阻的阻值来增加分压电流2.在最后一倍增极和阳极之间使用一只齐纳二极管，如果必要倒数第二、第三极也可以使用






Uo=—IpRf






（5）微通道板光电倍增管(MCP)
1.结构：用微通道板代替一般光电倍增管中的电子倍增器
2.微通道板原理和结构：






为了减小微通道内残存离子的影响，防止雪崩击穿，通常使用Z形或是人字型的折线通道，减小离子自由飞行路程以其由离子轰击发射的二次电子。
微通道板和光电倍增管在结构和原理的异同点：






优点：尺寸大为缩小，响应速度大大提高
（6）光电倍增管的应用
1.光谱测量2.极微弱光信号的测量3.射线的探测
（7）作业






六.真空成像器件






（1）像管
主要功能是把不可见辐射图像或微弱光图像通过光电阴极和电子光学系统转换成可见光图像
包括：变像管（能够把不可见光的图像变成可见光的图像）
图像增强管（把亮度很低的光学图像转变为高亮度的图像）
组成：光电阴极，电子光学系统（电子透镜），荧光屏
电子透镜的作用：把光电阴极发出的电子图像呈现在荧光屏上
光电阴极的作用：能把一些辐射图像或亮度低的图像转换为电子图像
电子光学系统：能将光电阴极发出的电子束加速聚焦成像在荧光屏上，从而实现图像亮度的增强，使荧光屏发射出强得得多的光能
荧光屏：在高速电子的轰击下将电子图像转换成可见光图像
（2）常见像管
1.红外变像管2.紫外变像管3.选通式变像管
常见像增强管：1.级联式像增强管（第一代）2.微通道板像增强管（第二代）3.第三代像增强管4.X射线像增强管
（3）摄像管
作用：将空间光强分布的光学图像记录并转换成视频信号的成像装置
分类：1.光电发射型摄像管（利用外光电效应进行光电转换，有移像区）
2.光电导型摄像管（视像管）（利用内光电效应进行光电转换，无移像区）
移像区包含光电阴极和电子光学系统，作用是使光电阴极产生的光电子在运动过程中获得能量而加速，以便在靶子上产生更多的电荷，提高摄像管的响应率
摄像管的工作原理：先将输入的光学图像转换成电荷图像，然后通过电荷的积累和储存构成电位图像，最后通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号输出






（4）光导靶和存储靶
1.视像管靶（光电导靶）
主要作用：完成光学图像的光电转换和信号电荷的积累和存储，适合视像管靶的材料必须具有电荷的存储功能，要求靶上每个像素的驰豫时间远大于储存时间。











2.存储靶（光电发射型）
二次电子传导靶（SEC)






(5)作业
光电导摄像管（视像管）和光电发射摄像管的区别是什么？简单论述一下他们的关键器件靶的作用
答：光电导摄像管（视像管）和光电发射摄像管的区别是光电转换方式的不同，
光电导摄像管是内光电效应，没有移像区；光电发射摄像管是外光电效应，有移像区，光电导摄像管靶是光导靶，而光电发射摄像管靶是存储靶。光导靶主要作用是完成光学图像的光电转换，信号电荷的积累和存储。存储靶主要作用是产生二次电子发射，通过改变移像区的加速电压可改变靶的电子增益，工作在亮度较低的场合。
七.固体成像器件
（1）固体成像器件
固体成像器件本身就能完成光学图像转换、信息存储和按顺序输出（自扫描）视频电视信号
分类：电荷耦合器件CCD和自扫描光电二级管列阵SSPD
CMOS与CCD图像传感器的比较
1.CMOS与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将图像处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，其缺点是图像质量与灵活性要比CCD低。
2.CCD像元耗尽层深度为10nm，CMOS像元耗尽层只有1-2nm
3.CCD的动态范围比CMOS高2倍
4.CCD的噪点比CMOS的少
5.CMOS的工作速度优于CCD
6.CCD顺序读出信号结构，CMOS通过XY寻址技术读出数据
7.CCD的功耗高于CMOS
8.CMOS的可靠性高于CCD
CMOS与CCD图像传感器工作原理上的异同
答：CMOS图像传感器的光电转换方式与CCD基本相同，但是信号读出方式不同，CCD图像传感器是基于电荷耦合原理，其像元主要由光敏器件和MOS电容器（电荷转移组成），通过有规律地改变栅极电压实现电荷的行间传输，电荷被顺序读取。CMOS每个像元单位都有MOS场效应元和放大器，在像元中实现A/D转换，信号能够被单独选址和读出。
（2）电荷耦合器件
1.组成：信号输入部分，电荷转移部分和信号输出部分
信号输入部分的作用：将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。
方法：1.电注入（将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。注入势阱中的绝对电荷量并不代表信号电荷，而电荷量的差值才是信号电荷）2.光注入（摄像器件唯一的注入方法，光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收产生电子一空穴对，多数载流子进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失;少数载流子便被收集到势阱中成为信号电荷。当输入栅开启后第1个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进人到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。）
电荷转移部分由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。
信号输出部分由输出二极管，输出栅和输出耦合电路组成，作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。






2.电荷耦合原理：（基本思想是调节势阱深度，利用势阱耦合）
从半导体基本知识可知，当金属电极加上正电压时，接近半导体表面处的空穴被排斥，电子增多，在表面下一定范围内只留下受主离子，形成耗尽区。该区域对电子来说，是一个势能很低的区域，也称势阱。加在栅极上的电压越高，表面势越高，势阱越深;若外加电压一定，势阱深度则随势阱中电荷量的增加而线性下降。如果不断的改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地一位一位按顺序传输。






3.CCD电极结构形式：按加在电极上的脉冲电压相数来分，电极结构分为二相，三相，四相等结构
4.电荷转移沟道类型
两种类型：1.表面沟道电荷耦合器件(SCCD)：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输
2.体内沟道电荷耦合器件(BCCD)：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输。
两种比较：1.SCCD比BCCD的信号处理能力大
2.BCCD的工作频率比SCCD提高了一个数量级以上
3.BCCD的转移效率高
4.两者的存储栅和转移栅刚好相反
5.SCCD信号电荷是少子，而BCCD信号电荷是多子
6.SCCD制作工艺简单，信号处理容量大，很适合于运行速度要求不高的场合。BCCD噪声低，高传输效率，可用于低照度下
（3）电荷耦合器件的分类
CCD器件按结构分为:线阵CCD和面阵CCD
1.线阵CCD：作为摄像用时，通常是光敏区和转移区分开；从而有单边传输结构（结构简单，但效率低）和双边传输结构（结构复杂，但效率高）。
2.面阵CCD：两种类型：帧转移型（FTCCD)和行间转移型(ILTCCD）
1.帧转移型：光敏区和暂存区分开，结构简单，灵敏度高
2.行间转移型：光敏区与转移区相间排列的方式，适合低光强
（4）CCD的性能参数
1.电荷转移效率和转移损失率
转移效率：转移到下一个电极下的电荷 除以 原有的信号电荷量






转移损失率：没有被转移的电荷量 除以 原信号电荷






当信号电荷转移n个电极的电荷量为Qn时，总转移效率为：
对于二相CCD移位寄存器，若移动m位，则n=2m。






“零胖”工作模式，就是让“零”信号也有一定的电荷来填补陷阱，能提高转移效率和速率
（5）自扫描光电二级管列阵
1.光电二极管阵列的结构形式和工作原理
两种结构形式：1.普通光电二极管阵列 2.自扫描光电二极管阵列SSPD
工作原理：1.连续工作方式（N位图像传感器至少应有N+1根信号引出线，输出电流小，一般只用于64位以下）






2.SSPD,电荷存储工作方式



































八。红外辐射与红外探测器
（1）红外辐射特性
1.红外辐射的物理本质是热辐射----物体的温度越高、辐射出来的红外线越多，辐射出的能量就越强
（2）红外探测器分类
两大类：热探测器和光子探测器(输出电压与入射光功率成正比）
1.热探测器（光---->热------>电）分为热敏电阻型探测器，热电偶型红外探测器，热释电型和高莱管型
热释电型红外探测器
热释电效应：指极化强度随温度变化而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。对恒定辐射没有输出，可以采用斩波的方法测量恒定辐射。
热释电器件是综合性能最好的,在红外波段是最有前途的器件,近十年来受到人们的广泛重视。
(1)反应速度快 ns, 甚至10ps，一般ms。
(2)探测率仅次于高莱管,受环境温度影响小.
(3)不需偏压,内阻高.
(4)对恒定辐射无反应.
(5)易制造,有大面积和两维成像器件. 0.1mm2→10cm2
2.光子探测器分为外光电探测器（PE)和内光电探测器（光电导探测器(PC)，光生伏特探测器(PU)和光磁电探测器(PEM)）
（3）红外测温原理
红外测温原理是斯忒藩-玻耳兹曼定律






M为黑体总辐射出射度，






特点：①反应速度快（不需要热平衡）②灵敏度高③属于非接触测温（适合于高温、高压、带电、运动）④准确度高。可小于0.1°C⑤可测摄氏负几十度~几千度的范围
（4）作业
1.简述疫情中最常用的“额温枪”测温的原理？
答：全辐射测温，人体辐射红外线，根据斯特藩-玻尔兹曼定理，测量辐射全波段红外线的辐射能量得到温度。
2.怎样理解热释电效应？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？
答：热释电效应是指温度改变引起晶体极化强度变化，导致极化电荷和表面电荷不平衡，在铁电体表面有多余的电荷出现，相当于释放出一部分电荷。由于热释电效应只有在温度变化的瞬间才发生，并很快晶体又会达到电平衡状态。温度恒定时，热释电晶体吸附周围空气中的异性电荷，没有极化效应。故对于恒定的红外辐射，必须进行调制变成交变辐射，不断引起探测器的温度变化，才能导致热释电产生，输出相应的电信号。
九.光导纤维与光纤传感器
（1）光导纤维基础知识
1.光纤的结构：由纤芯，包层及外套组成。外套折射率>包层>纤芯
2.光纤的种类：阶跃型和梯度型和单孔型（子午光线---通过中心轴线的光线）
阶跃光纤中子午光线以锯齿状前行
梯度光纤中子午光线以抛物状前行，并产生会聚
3.光纤的传输模式（分为多模光纤和单模光纤，阶跃型和梯度型为多模光纤）
4.光纤的传光原理

















5.光纤的传输特性
传输损耗
两类：吸收损耗（光能转换为热能）和散射损耗（由光纤材料的不均匀性或材料的缺陷引起）






色散
光纤的色散：输入脉冲在光纤内的传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。
分为材料色散（材料的折射率随入射光波长的改变而不同）；波导色散（光纤的结构引起的不同波长的传播速度不同）；多模色散（传播模式不同的光）
三种色散大小：多模色散>材料色散>波导色散
容量由于光脉冲在传输过程中的色散展宽，而影响到光纤的信息容量和品质
抗拉程度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷
集光本领由光纤的数值孔径决定，数值孔径只决定于光纤的折射率。






（2）光导纤维的应用
1.光纤在直接导光方面的应用：光纤照明，光纤束扫描器，激光手术刀
2.光纤制品在传像方面的应用：各种内窥镜，眼动系统，光纤图像转换器，光学纤维面板
（3）光纤传感器的分类及构成
光纤传感器分为
功能型光纤传感器：不仅起传光作用而且又是敏感元件
非功能型光纤传感器：只作为传输回路
基本构成：光源，光电元件
（4）功能型光纤传感器
1.相位调制型光纤传感器











光的相位调制通过干涉转化为振幅调制











放大后输入记录仪，从记录的移动条纹数就可以检测出温度信号
2.光强调制型光纤传感器
光纤微弯曲位移和压力传感器是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成。











（5）非功能型光纤传感器
1.传输光强调制型光纤传感器（半导体吸收式光纤温度传感器测温系统原理）
2.反射光强调制型光纤传感器（压力）
3.频率调制光纤传感器（利用多普勒效应进行频率调制来测量物体的运动速度）
4.光纤液位传感器
（6）作业
1.单模光纤和多模光纤的区别？
答：单模光纤只有一种模式传输，纤芯比较细。多模光纤支持多模式传输，纤芯比较粗。
2.简述一下光子晶体光纤（微结构光纤）的导光原理和优势？
答：光子晶体光纤有依赖折射率的全反射导光原理和利用光子晶体的光子带隙导光原理。相对于普通的光纤，光子晶体光纤结构多样，具有较低的传输损耗（本征、弯曲、色散损耗）。

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