光电子相关概念

光电子技术期末作业

陈新娟 学号2120100222

1，光电子技术定义、研究范围、研究内容及其在现代科技中的应用

光电技术定义：光电子技术确切称为信息光电子技术。是信息技术两大技术之一。是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X 射线（频率范围3×1011Hz ~3×1016Hz 或波长范围1mm ~10nm ）波段的电子学技术。通过光来获取信息（力，温度，声，电流和生物等方面的信息）。20世纪60年代激光问世以来，最初应用于激光测距等少数应用，到70年代，由于有了室温下连续工作的半导体激光器和传输损耗很低的光纤，光电子技术才迅速发展起来。现在全世界敷设的通信光纤总长超过1000万公里，主要用于建设宽带综合业务数字通信网。以光盘为代表的信息存储和激光打印机、复印机和发光二极管大屏幕现实为代表的信息显示技术称为市场最大的电子产品。人们对光电神经网络计算机技术抱有很大希望，希望获得功耗低、响应带宽很大，噪音低的光电子技术。

研究范围：光与物质中的电子相互作用及能量转换的关系以及相关技术。主要特征是：光源激光化，传输波导化，手段电子化，电子学理论模式和处理方法光学化。

研究内容：辐射光源（激光光源）——>光辐射探测器（激光探测器，PN 结探测器）——>光成像系统（CCD ）——>信息显示。 光电技术在现代科技中的应用：（1）扩展了人的视觉功能。视觉探测域的光谱延伸（原来人的视觉域值时380nm —780nm ，现在低于380nm 向紫外X 射线r 射线和高能粒子延伸，高于780nm 的向微波方向延伸），（2）探测的域值接近了光子探测的机械水平。（3）超快速现象的反应监控（核爆炸和火箭发射方面的运用）。最具代表性的是激光器的使用（解决了光频载波）从此原本电子学的一些概念（放大，振荡，调制，解调，倍频，差频）都移植到了光波段。

2光电子技术中辐射源的类型、激光光源的工作原理，工作模式及其具体应用实例；

光电子技术中辐射源的类型：一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。天然光源是自然界中存在的，如太阳、恒星等，在天文学电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。人造光源（电光源）是人为将各种形式能量（热能、电能、化学能）

转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。在一般光电测量系统中，电光源是最常见的光源。人造光源里又具体有：热辐射源（白炽灯，黑体辐射等），气体放电（汞灯，荧光灯，钠灯，氙灯，金属卤化物灯等），固体发光源（发光二极管），激光器（气体，固体，燃料激光器）等。

激光光源的工作原理：1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以

另一方式跃迁到较低能级。他指出当频

率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会

引发粒子以一定的概率，迅速地从能级

E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来

光子频率、相位、偏振态以及传播方向

都相同的光子，这个过程称为受激辐射。

可以设想，如果大量原子处在高能级E2

上，当有一个频率 =（E2-E1）/h的光子

入射，从而激励E2上的原子产生受激辐

射，得到两个特征完全相同的光子，这

两个光子再激励E2能级上原子，又使其

产生受激辐射，可得到四个特征相同的

光子，这意味着原来的光信号被放大了。

这种在受激辐射过程中产生并被放大的

光就是激光。激光器的种类有：自由电子激光器，x 射线激光器，准分子激光器，金属蒸气激光器等。

工作模式：激光器的工作模式包括纵模和横模。纵模是指在一个谐振腔中，并非所有的频率的电磁波都能产生振荡，只有频率满足一定共振条件的光波才能在腔内的来回反射中形成稳定分布和获得最大强度的工作模式。在激光器内，除有沿着腔轴分布的纵模以外，还存在保持稳定不变的光场横向分布，这种来回反射中可保持住的横向光场分布的称为横模。

具体应用实例：激光是现代新光源，具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而被广泛应用，如激光测距、激光钻孔和切割、地震监测、激光手术、激光唱头等。对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工，激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前，激光技术已经融入我们的日常生活之中了。激光武器产生的独特烧蚀效应、激波效应和辐射效应，已被广泛运用于防空、反坦克、轰炸机等方面，并已显示了它的神奇威力。激光技术是一项前沿科学技术发展不可缺少的支柱。作为光电子主导产品的激光器的

发

展，经历了原理上的四次变革，体积日益变小，功率不断增大，可靠性和功率得到了很大的提高。半导体二级管激光器和固体激光器技术和发展十分迅速，其中最为突出的进展是固态化。现今，固体激光器的平均输出功率已从百瓦级提高到了千瓦级。半导体激光器的功率也有很大提高，其结构和其他性能也正在经历重大变化。与此同时，还开发出了实用价值高的新波长和宽带可调谐激光器，包括对人眼无伤害的1.54μm 和2μm 的激光器、蓝光激光器和X 光激光器。

（1）全息照相：激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为参考光束。当光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程 全息照片和普通照片截然不同。用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹。用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的立体景物 从不同的角度去观察，可以看到原来物体的不同侧面，每一片碎片都包括被摄物体的完整信息。

（2）激光全息存储：利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术 通过将缩微胶片上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更大的全息图。全息图是由干涉条纹组成的影像，该条纹记录了入射光线的全部信息—振幅和相位，阅读还原时，需在激光照射下利用条纹影像的衍射原理使其再现。

（3）光纤通信光通信是利用光波作为载波来传递信息的。

3，PN 结光伏探测器的工作原理、工作模式及性能指标； PN 结光伏探测器的工作原理：光照使不均匀半导体或均匀半导体中光电子和空穴在空间分开而产生电位

差的现象称为光生伏特效应, 是把光

能变为电能的一种效应。当光照射在

PN 结时, 如果光子能量大于半导体带

隙能量(Eo＞Eg), 可激发出电子——

空穴对, 在PN 结内电场作用下空穴

移向N 区, 电子移向P 区, 当PN 结两

端通过负载构成闭合回路时, 就会有

电流沿着由经外电路的方向流动，从

而形成从N 型区到P 型区的由于光照

产生的载流子漂移电流，从而使光敏

电阻器的阻值迅速下降。使P 区和N

区之间产生电压, 这个电压就是光生

伏特效应产生的光生电动势。基于这种效应的器件有光电池。

工作模式：

（1）零偏置的光伏工作模式有光照射时，则在p-n 结内出现两种相反的电流。光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下形成

的光生电流Ip ，它与光照有关，其方向与p-n 结反向饱和电流I0相同；光生电流流过负载产生电压降，相当于在p-n 结施加正向偏置电压，从而产生电流ID 。流过负载的总电流是两者之差：IL=ID—IP 。典型应用为光电池，如下图：

（2）反向偏置的光电导工作模式

无光照时二极管处于截止状态，Io 很小，电阻很大；有光照时，由于光生

载

流

子

，电

阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。类似光电导器件。可以利用该特性进行光强的测量，即光探测器。下图为光敏二极管在反向偏置下的电路图：

（3）正向偏置的工作模式。

二极管工作于正向导通状态，

电流随电压成指数变化，幅

度较大，所以此时光电流对

id 的影响较小，不易测量。

u D

性能指标

1. 灵敏度

定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化引起电流变化dI 与辐射量变化之比。

2. 光谱响应

光电二极管的光谱响应定义：以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。

3. 时间响应

1) 在PN 结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间记为τd r ；

2) 在PN 结区外产生的光生载流子扩散到PN 结区内所需要的时

间，称为扩散时间记为τp ；

3) 由PN 结电容Cj 和管芯电阻Ri 及负载电阻RL 构成的RC 延迟

时间τR C 。

4. 噪声

低频噪声Inf 、散粒噪声Ins 和热噪声，散粒噪声是光电二极管的主要噪声

4光电导探测器（光敏电阻）的工作原理，举出几种典型的光敏电阻及其性能指标；

光电探测器是一种能把光辐射信号转换为电信号的器件。是光电信息技术中核心组成部分，在光电信息技术中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的某些应用提取某些必要的信息。目前已经有一系列工作于γ－射线、x －射线、紫外、可见光、红外光波段的各种探测器。根据器件对辐射响应的方式不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器，另一类是热探测器。

光电导探测器（光敏电阻）的工作原理：将光信号转变为电信号。通过光照，材料的电阻率发生变化，属于内光电效应。作为探测器来讲，它非接触测量，响应速度快，性能可靠。

几种典型的光敏电阻：常用的为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。

红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化

镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

光敏电阻的主要特性参数有：

暗电阻：不受光照时的电阻值（室温）。典型值：106－108Ω 暗电流：给定电压下（例如：10V ），流过暗电阻的电流。

亮电阻：受光照时的电阻值。典型值：102－103Ω

亮电流：给定电压下，流过亮电阻的电流。

光电流：亮电流 － 暗电流。

伏安特性：一定照度下，光电流与所加电压的关系。

光照特性：光电流与光强的关系。（非线性）

光谱特性：相对灵敏度与入射光谱频率（波长）的关系。不同光敏电阻对光谱频率具有选择性。

响应时间与频率特性：

光照上升时间：t f 从暗电流上升到光电流值的63%所需时间。

去光照下降时间：td 从亮电流下降到光电流值的63%所需时

间。

响应时间：t = t f ＋ t d

频率特性：入射光的相对灵敏度与调制频率的关系。

探测器的性能指标：

下面五点即为我们的探测器的性能参数：

（1）响应率即输出V0/Φ辐射通量

（2）光谱响应率

（3）等效噪声功率，探测率弱辐射通量随某一频率变化输出Vs （Is ）等于噪声的均方根，那么此时所对应的辐射通量Φ就称为等效噪声功率（NEP ）

（4）响应时间

（5）线性率。输出与输入成比例程度范围。