光电材料与器件 期末复习题.docx

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1、光电材料与器件 期末复习题光电材料与器件复习题 第一章 1.光电探测器：光电导效应、光伏效应内光电效应 发光二极管、半导体激光器：载流子的注入和复合发光效应 太阳能电池：光生伏特效应 外光电效应 :在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象,光电管、光电倍增管。 2. (1)原子核外电子排布 能量最低原理 核外电子在原子轨道上的排布，应使整个原子的能量处于最低状态。即填充电子时，是按照近似能级图中各能级的顺序由低到高填充的。 泡利不相容原理 在同一原子中，不可能有两个电子具有完全相同的四个量子数。如果原子中三个量子数相同，第四个一定不同，即同一轨道最多能容纳2个自旋方向相反的电子。

2、 洪特规则 在同一亚层的各个轨道上，电子的排布尽可能分占不同的轨道，并且自旋相同。 电子在能带中的排布 排布原则: 能量最低原理按由低到高的顺序填充各能级。 泡利不相容原理同一能级最多容纳2个自旋方向相反的电子。 3.费米能级 EF是反映电子在各个能级中分布情况的参数。对于具体的电子体系，在一定温度下，只要确定了EF，电子在能级中的分布情况也就完全确定了。 对于一定的半导体，费米能级随温度以及杂质的种类和数量而变化。 费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。 在绝对零度时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。 4. 非平衡载流子的注入 光注入：用光照射半导体产生非

3、平衡载流子的方法。 电注入： 给PN结加正向偏压，PN结在接触 面附近产生非平衡载流子。 当金属和半导体接触时，加上适当的偏压，也可以注入非平衡载流子。 电-光器件） 非平衡载流子的复合 非平衡载流子的复合：非平衡载流子是在外界作用下产生的，当外界作用撤除以后，由于半导体的内部作用，导带中的非平衡电子将落入到价带的空状态中，使电子和空穴成对地消失。 非平衡载流子的复合是半导体由非平衡态趋向平衡态的一种弛豫过程，属于统计性的过程。 5.量子限制效应 (QCE，Quantum Confinement Effect)，指固体材料的尺度缩小到一定值时，即在某一维度上可与电子的德布洛意波长或电子平均自由

4、程相比拟或更小时，电子的运动受到局限，电子态呈量子化分布，连续的能带分解为分立的能级 。 第二章 1.pn结定义 所谓pn结，是指采用某种技术在一块半导体材料内形成共价键结合的p型和n型区，那么p型区和n型区的界面及其二侧载流子发生变化范围的区域称为pn结。 2.非平衡pn结 定 义：施加偏压的pn结。此时pn结处于非平衡状态，称非平衡pn结。 正向偏置：偏置电压为p区电位高于n区电位 反向偏置：偏置电压为n区电位高于p区电位 特 征-与平衡pn结相比： 空间电荷区内电场发生变化- 破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡； 空间电荷区宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化； 产生新的物理现象-形成电

5、流： 正向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被削弱，载流子扩散运动大于漂移运动，形成净扩散流-称为正向电流。 反向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被增强，载流子漂移运动大于扩散运动，形成净漂移流-称为反向电流。 3.载流子分布 正偏： 空间电荷区电场被削弱，载流子扩散大于漂移； 载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值； 边界处非平衡少数载流子向体内扩散； 边扩散边与多子复合，在少子扩散长度处近似等于平衡少子浓度。 反偏： 空间电荷区电场被加强，载流子漂移运动大于扩散运动； 载流子浓度在空间电荷区及边界处低于其平衡值； 中性区平衡少子向空间电荷区内扩散； 使扩散长度范围内少子浓度低于其平衡值；

6、载流子低于平衡值就要有产生； 扩散进空间电荷区的载流子与产生的载流子动态平衡时，反偏 载流子达稳定分布。 4.pn结击穿 定义：反向电压增大到某一值时，电流急剧上升。这种现象称为pn结的击穿。 相应反偏电压称为pn结击穿电压。 击穿是pn的本征现象，本身不具有破坏性，但是如果没有恰当的限流保护措施，pn结则会因功耗过大而被热损坏。 击穿机制： 热击穿； 隧道击穿； 雪崩击穿-常见的主要击穿机制。 隧道击穿 隧道效应-电子具有波动性，它可以一定几率穿过能量比其高的势垒区，这种现象称作隧道效应。 隧道击穿-pn结反偏下，p区价带顶可以高于n区导带低，那么p区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达n区

7、。当反偏压达到时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这种现象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿。 雪崩击穿 碰撞电离-反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子-空穴对，称为碰撞电离。 雪崩倍增效应-产生的电子-空穴对从电场获取足够能量，与原子撞碰又产生第二代电子-空穴对。如此继续下去，使构成反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。 雪崩击穿-由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，称为雪崩击穿。 5.异质结定义 二种不同半导体材料以价健形式结合在一起，那么其界面及二测少子密度(

8、与平衡状态相比)发生变化的区域称为异质结 特征：二个区域禁带宽度不同 同型异质结(二种半导体材料导电类型相同) ； 反型异质结(二种半导体材料导电类型不同)。 6、半导体的光吸收机制 机理：载流子吸收光能跃迁； 晶格振动吸收光能。 机制：本征吸收，杂质吸收，自由载流子吸收， 激子吸收，晶格振动吸收。 激子： 处于禁带中的电子与价带中的空穴在 库仑场作用下束缚在一起形成的电中 性系统。激子可以在整个晶体中运动， 不形成电流。 激子吸收： 价带电子受激跃至禁带，形成激子。 激子吸收特征：hv小于EG 第三章 1.、光辐射的度量 光辐射的度量方法有两种:一种是客观的度量方法,研 究各种电磁辐射的传播

9、和量度,称为辐射度学参量.适 用于整个电磁谱区.另一种是主观的计量方法,以人眼 见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法,称 为光度学参量.适用于可见光谱区. 辐通量：以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐能。又称辐功率。 光通量：从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度；单位时间内，人眼所感受到的光能。与辐射波长及人眼的视见函数有关。 2.半导体的光吸收有本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格振动吸收等多种吸收机制。其中，最主要的吸收是本征吸收。 价带中的电子吸收了能量足够大的光子后，受到激发，越过禁带，跃入导带，并在价带中留下一个

10、空穴，形成了电子空穴对，这种跃迁过程所形成的光吸收过程称为本征吸收。 2.光电导探测器原理 内光电效应: 材料在吸收光子能量后，出现光生电子空穴，由此引起电导率变化或电流电压现象，称之为内光电效应，是相对于外光电效应而言的。 光电导效应：当半导体材料受光照时，吸收光子引起载流子浓度增大，产生附加电导率使电导率增加，这个现象称为光电导效应。 第四章重点： 定义，知道相关器件： 外光电效应：物质吸收光子并激发出自由电子的行为 内光电效应：当光照射在物体上,使物体的电阻率发生变化,或产生光生电动势的现象 定义，比较，简答题： 光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸

11、收光子 后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。 特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。例如：太阳电池花 光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的 光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。 特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。 说明：在红外区，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，常用于红外线辐射探测。 例如：热释电红外探测器 光谱匹配是选择光电探测器，如像管、光电倍增管、红外成像器件的光电转换材料的重要依

12、据。希望光电探测器尽量与光源匹配。 定义：如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流将随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf 噪声主要分为：有形噪声和无规噪声 前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。 后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏 它是探测器所固有的不可避免的现象。 任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。 这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。 从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题 长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的

13、，其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小 依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生复合噪声、热噪声和低频噪声。 几种噪声的定义： 1.散粒噪声： 无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏。 由于起伏单元是电子电荷量e，故称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。 2.产生复合噪声 对光电导探测器，载流子热激发是电子空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。 因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，

14、取名为产生复合散粒噪声 3.光子噪声 以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为热激发直流电流Id为零。由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。 因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光子起伏，故称为光子噪声。它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大 4.热噪声 电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动势。这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材

15、料的热噪声，或称为约翰逊噪声。热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。 5. 1/f 噪声 1/f 噪声又称为闪烁或低频噪声。 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声或1/f 噪声。实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。 . 温度噪声 它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在热探测器件

16、中必须考虑温度噪声的影响。 当材料的温度发生变化时，由于有温差T的存在，因而引起材料有热流量的变化，这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。 本征型光敏电阻 一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测 非本征型光敏电阻 通常在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测 光敏电阻的电流： 1. 无光照时,光敏电阻的阻值很大,电路中电流很小。 2.受光照时,由光照产生的光生载流子迅速增加,它的阻值急剧减少。在外电场作用下光生载流子沿一定方向运动,在电路中形成电流,光生载流子越多电流越大。 简答，判断： 光敏电阻的特点： 光谱响应范围宽，根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展

17、到远红外，尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度 偏置电压低，工作电流大(可达数毫安) 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光 光电导增益大(大于1)，灵敏度高 光敏电阻无极性，使用方便 光谱响应主要由材料禁带宽度决定，禁带宽度越窄则对长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低，因此采用冷却灵敏面的办法来降低热发射，来提高灵敏度往往是很有效的。温度降低，使灵敏范围和峰值向长波范围移动，降低了热发射，提高了灵敏度 零偏压pn结光伏探测器光伏工作模式光电池 硅光电池的用途：光电探测器件，电源 PN结很重要！ 太阳电池的物理基础： p-n结的形成： 当p型

18、硅和n型硅互相接触时，如图2.1所示，交界面两侧的电子和空穴浓度不同，于是界面附近的电子将通过界面向右扩散运动，而空穴则向左扩散运动。界面左侧附近的电子流向p区后，就剩下了一薄层不能移动的电离磷原子P+，如图(b)所示，形成一个正电荷区，阻碍n区电子继续流向p区，也阻碍p区空穴流向n区。类似的过程也使界面右侧附近剩下一薄层不能移动的电离硼原子B-，它阻碍p区空穴向n区及n区电子向p区的继续流动。于是界面层两侧的正、负电荷区形成了一个电偶层，称为阻挡层，如图(b)所示。 n型硅和p型硅接触；形成p-n结 非本征吸收包括激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸收和晶格振动吸收等。本征吸收发生在波长吸收限0

19、以内，非本征吸收发生于0之外。 简答，过程会叙述： 光生伏特效应： 当p-n结处于平衡状态时，在p-n结处有一个耗尽区，其中存在着势垒电场，该电场的方向由n区指向p区。如图2.3所示，电池被太阳照射时，能量hEg的光子，穿过减反射膜进入硅中。在n区、空间电荷区、p区中激发出光生电子-空穴对。光生电子-空穴对在耗尽区中产生后，立即被势垒电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴则被推进p区。在n区中，光生电子-空穴对产生后，光生空穴便向p-n结边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引做漂移运动，越过耗尽区进入p区，光生电子则被留在n区。p区中的光生电子同样因为扩散、漂移而

20、进入n区，光生空穴留在p区。这样，在p-n结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势，如图2.3所示，这就是光生伏特效应。 太阳电池的性能参数 由于IL与入射光强成正比，因此VOC也随入射光强增加而增大，与入射光强的对数成正比，开路电压还与I0的对数成反比，而I0与电池基体材料的禁带宽度有关，禁带愈宽，I0越小，则VOC愈大。同时VOC随温度的升高而降低。 填充因子 最大输出功率与之比称为填充因子，用FF表示。对于开路电压VOC和短路电流ISC一定的特性曲线来说，填充因子越接近于1，电池效率越高，伏安特性线弯曲越大。因此FF也称曲线因子，表示式为FF=VIPm=mmVOCISCVOCISCFF是

21、用以衡量太阳电池输出 特性好坏的重要指之一。在一定光强下，FF愈大，曲线愈方，输出功率越高。 太阳电池效率 太阳电池的转换效率是首要的关键指标，决定着电池的成本、质量、材料消耗、辅助设施等许多因素。太阳电池的转换效率为FFVOCISCPmh=100%h=100%PinPin式中Pin 太阳电池的输入功率。所以太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载时的最大能量转换效率。 判断： 效率影响因素： 禁带宽度 禁带宽度对转换效率的影响是双向的。一方面禁带宽度增大会使短路电流减少。因为随着它的增大，能激发光生电流的光子数在减少。另方面，开路电压则随着禁带宽度增大而增大。因此，要得到较高的电池转换效

22、率，必须找合适禁带宽度的材料。 温度 电池效率随着温度升高而下降。这是因为温度升高会造成禁带宽度的降低。 少数载流子的寿命 光生载流子产生后，少数载流子要运动到p-n结另一方。在此期间，只有它不被复合才有可能形成电池电流。少数载流子寿命除了取决于材料本身外，还取决于复合中心的浓度。而复合中心由晶体缺陷和杂质所构成。少数载流子寿命越长，暗电流越小，开路电压越高。 掺杂浓度及其分布 在一定范围内，掺杂浓度越高，开路电压也随之增大，这有利于转换效率的提高。但由于载流子的简并效应，过多的掺杂反而会降低开路电压，而且少子寿命也会降低。另外，当掺杂浓度从电池表面的扩散区向结的方向不均匀降低时，可提高光生载

23、流子的收集效率，有利于转换效率的提高。 光强 提高太阳光的强度有助于提高转换效率。提高太阳光的强度可以增大电池的短路电流。另一方面还会发生“场助效应”，即在基区中产生强大的光生电流，这个电流产生一个促使光生载流子流向p-n结的电场。高的光强还可以提高电池的填充因子。 串联电阻 电池的排列、欧姆接触、电池的内阻都构成电池的串联电阻。 染料敏化太阳电池： 激发态的寿命越长，越有利于电子的注入，而激发态的寿命越短，激发态分子有可能来不及将电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而返回到基态。2、4两步为决定电子注入效率的关键。电子注入速率常数与逆反应速率常数之比越大，电子复合的机会就越小，电子注

24、入的效率就越高。步骤6是造成电流损失的一个主要原因，因此电子在纳米晶网络中的传输速度越大，电子与I3-离子复合的交换电流密度越小，电流损失就越小。 在整个过程中，各反应物种总状态不变，光能转化为电能。电池的开路电压取决于二氧化钛的费米能级和电解质中氧化还原电对的能斯特电势之差。 1Si光电二极管结构原理： 为了消除表面漏电流，在器件的SiO2表面保护层中间扩散一个环形p-n结，如图所示， 该环形结构称为环极。在有环极的光电二极管中，通常有三根引出线，对于n+p结构器件，n侧电极称为前极，p侧电极称为后极。环极接电源正极，后极接电源负极，前极通过负载接电源正极，由于环极电位高于前极，在环极形成阻

25、挡层阻止表面漏电流通过，可使得负载RL的漏电流很小(小于0.05A )，若不用环极也可将其断开作为空脚。 填空，简答： 光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电路RC时间常数。 简答，原理过程会描述： 雪崩光电二极管 在几百伏的反偏压作用下，由于PN结内的电场足够高，由光子产生的电子和空穴可获得很高的能量，当它们撞击价带中的被束缚的电子时，就会引起电离现象，从而产生新的电子空穴对，原有的电子和空穴连同新产生的电子和空穴在强电场的作用下又重新获得能量，导致更多的撞击，产

26、生更多的电子空穴对，这样由光子产生的一对电子和空穴经过多次碰撞后可以产生很多的电子和空穴，人们将这种电流放大现象称为雪崩。雪崩光电二极管就是利用这种效应产生光电流的放大作用。 热探测器包括：热电和热释电探测器 热探测器的分析模型有三部分组成：热敏元件、热链回路和大热容量的散热器 利用热释电效应制成的探测器称为热释电探测器。 在某些绝缘物质中由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应。 简答，原理，过程 光电倍增管：PhotoMultiplier Tube，简称PMT，是一种建立在光电子发射效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱光转化成光电子并获倍增的重要的真空光电发射器件。这

27、种器件实际上是一种电子管，感光的材料主要是金属铯的氧化物，其中并掺杂了其他一些活性金属的氧化物进行改性，以提高灵敏度和修正光谱曲线，用这材料制成的光电阴极射线管，在光线的照射下能够发射电子，我们可以称之为光电子，它经栅极加速放大后去冲击阳极，最终形成了电流。 判断，填空 光电面按光子的发射方法可分成反射型和透过型两大类。反射型通常是在金属板上形成发光面，光电子同入射光反方向发射。透过型通常是在光学透明平板上形成薄膜状光电面，光电子同入射光同方向发射。 结构：1）环形聚焦型 2）盒栅型 3）直线聚焦型 4）百叶窗型 5）细网型 6） 微通道板型 7）金属通道型 掌握取决于什么材料： 光谱响应特性

28、的长波端取决于光阴极材料，短波端则取决于入射窗材料。 掌握来源的名称： 阳极暗电流的主要来源有以下几种： 1） 电子热发射 2） 残留气体电离 3） 玻璃发光 4） 漏电电流 5） 场致发射 光电材料与器件第五章重点： 成像转换过程有四个方面的问题需要研究： 能量方面物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质， 解决能否探测到目标的问题 成像特性能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多 光谱成像还包括它的光谱分辨率 噪声方面决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性 信息传递速率方面 掌握 固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号视频信号，

29、而视频信号能再现入射的光辐射图像。 固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件 互补金属氧化物半导体图像传感器 电荷注入器件 电荷耦合器件特点以电荷作为信号 CCD的基本功能电荷存储和电荷转移 CCD工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程 电荷存储 构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器 电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态 电荷转移 以三相表面沟道CCD为例 表面沟道器件，即SCCD转移沟道在界面的CCD器件 体内沟道 即 BCCD用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移

30、效率高达99.999以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件 电荷检测：电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构； 浮置扩散输出 应用最广泛 线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构 面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构 彩色CCD：目前主要有三片式和单片式两种 CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD中暗电流密度的分布是不均匀的。 暗电流的危害有两个方面：限制器件的低频限、引起固定图像噪声 CCD的噪声可归纳为三类：散粒噪

31、声、转移噪声和热噪声。 分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力。测试时用专门的测试卡。目前国际上一般用来表示分辨率。 采用CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor）技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统。 工作过程：首先，外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应

32、的数字图像信号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息。 红外焦平面器件就是将CCD、CMOS技术引入红外波段所形成的新一代红外探测器，是现代红外成像系统的关键器件。IRFPA建立在材料、探测器阵列、微电子、互连、封装等多项技术基础之上。 IRFPA通常工作于13m、35m和812m的红外波段并多数探测300K背景中的目标。 IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组成。 红外光敏部分材料的红外光谱响应 信号处理部分有利于电荷的存储与转移

33、 接收系统对景物的分解方式决定了光电成像系统的类型： (1)光机扫描方式 最常用的扫描方式是直线扫描，即瞬时视场从左到右进行行扫描，扫描完一行后在从上往下进行第二行扫描，这种上下挪动扫描称为列扫描。 特点是：探测器相对于总视场只有较小的接收范围，而由光学部件做机械运动来实现对景物空间的分解。 常用多元探测器来提高信号幅值或降低扫描速度，进而提高光电成像系统的信噪比。 根据扫描方式因元件的排列和扫描方向的不同，分为： 串联扫描、并联扫描、串并联混合扫描 (2)电子束扫描方式 成像系统元件：采用的是各种电真空类型的摄像管，如红外成像系统中的热释电摄像管。 原理：在这种成像方式中，景物空间的整个观察

34、区域同时成像在摄像管的靶面上，图像信号通过电子束检出。只有电子束所触及的那一小单元区域才有信号输出。 摄像管的偏转线圈控制电子束沿靶面扫描，促使能够一次拾取整个观察区域的图像信号。 特点：光敏靶面对整个视场内的景物辐射同时接收，而由电子束的偏转运动实现对景物图像的分解。 (3)固体自扫描方式 成像系统元件：采用的是各种面阵固体摄像器件，如面阵CCD、CMOS摄像器件等。 原理：面阵摄像器件中的每个单元对应于景物空间的一个相应小区域，整个面阵摄像器件对应于所观察的景物空间。 特点：面阵摄像器件对整个视场内的景物辐射同时接收，而通过对阵列中各单元器件的信号顺序采样来实现对景物图像的分解。 红外成像

35、光学系统应满足以下几方面的基本要求：物像共轭位置、成像放大率、一定的成像范围，以及在像平面上有一定的光能量和反映物体细节的能力。 光学系统：由透镜、反射镜、棱镜及光阑等多种光学元件按一定次序组合成的整体。 理想光学系统：若抛开光学系统的具体结构, 假定其在任意大的空间，以任意宽的光束都能成完善像。它是能产生清晰且与所成像与物貌完全相似的光学系统理想模型，可作为衡量实际光学系统成像质量的标准。 理想光学系统具有下述性质 ： 光学系统每一点物对应一点像，光路可逆。 一对物、像可互换的点称为共轭点。 物方某条入射光线与对应的出射光线称为共轭光线。 物方每个平面对应像方的一个共轭平面面。 这种点对应点

36、、直线对应直线、平面对应平面的成像变换称为共线成像。 主光轴上任一点的共轭点仍在主光轴上。过光轴的某一截面内的物点对应的共轭像点必位于该平面的共轭像面内；垂直于主光轴的平面其共轭面与主光轴垂直。 垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像，其几何形状与物完全相似 (垂直于主光轴的共轭平面其横向放大率为常量)。 一个共轴理想光学系统，若已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率，以及轴上两对共轭点的位置，则其它一切物点的共轭像点都可以根据这些已知的共轭面和共轭点来表示。 通常将这些已知的共轭面和共轭点分别称为共轴系统的“基面”和“基点”。 简答题，作用，原因 光学系统中的光阑按作用分类：

37、 孔径光阑：限制轴上点成像光束的孔径角。 视场光阑：限制物面或像面上的物体成像范围。 渐晕光阑：去掉成像质量差的光束，改善轴外物点和远轴光成像质量。 产生原因：轴上点：发出充满入射光瞳的光束，经光学系统后以充满出射光 瞳的光束成像。 轴外点：某些情况下不能以充满入射光瞳的光束通过系统成像，只有中间一部分光束可以通过光学系统成像，这种轴外点光束被部分拦掉的现象称为渐晕，物点离光轴越远，渐晕越大。 消杂光光阑：可以拦掉视场以外的光线射入物镜的入射光瞳，提高成像质量。 填空，知道名称 实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异即为像差。 光学系统对单色光成像时产生单色像差，分为五类：球面像差、彗形像

38、差、像散差、像面弯曲和畸变。 对多色光成像时，光学系统除对各单色光成分有单色像差外，还产生两种色差：轴向色差和垂轴色差。 红外物镜系统 透射式红外光学系统 反射式红外光学系统 折反射组合式光学系统 红外成像中信号处理的基本任务是：形成与景物温度相应的视频信号，如测温，根据景物各单元对于的视频信号标出景物各部分的温度。 信号中的直流成分需要在信号处理前通过隔直流的方法去掉 信号处理变得简单、抑制背景和削弱1/f噪声 为了减小图像缺陷，采用直流恢复技术。 确定视频信号处理电路通频带基本原则：既要最大可能使信号不失真，又要尽量抑制噪声。 调制传递函数： 目标经系统成像后一般都是能量减少，对比降低和信

39、息衰减。 通常所谓的分辩率，是将物体结构分解为线或点，这只是分解物体方法的一种。另一种方法是将物体结构分解为各种频率的谱，即认为物体是由各种不同的空间频率组合而成的。这样红外成像系统的特性就表现为它对各种物体结构频率的反应：透过特性、对比变化和位相推移。 噪声等效温差： NETD、Fab是表征一个红外成像系统性能的三个主要特征参数，分别反映了系统的温度分辨率、信息传递速率及空间分辨率：NETD Fab 光电材料与器件第六章重点： 发光二极管和半导体激光器都是用半导体PN结或类似结构把电能转换成光能的器件。 由于发光是由注入的电子和空穴复合而产生的，所以称为注入式电致发光。 20世纪XX年代初，

40、砷化镓发光二极管和砷化镓半导体激光器被制造出来。 简答题，两者原理，特点，定义，区别 LED和半导体激光器虽然都是PN结注入式器件，但二者之间有很多区别，最主要区别是： LED靠自由载流子自发发射发光，发射的是非相干光； Laser发光是需要外界的诱发促使载流子复合的受激发射，发射的是同频率、同位相、同偏振、同方向的相干光，其单色性、方向性和亮度都比LED好得多。 LED具有效率高、寿命长、节能等优点，很可能成为下一代照明的主流产品。 LED自发发射，产生非相干光； Laser受激发射，产生相干光。 LED与Laser发光机理：正偏pn结电子与空穴复合，释放出光子-辐射复合 载流子的复合： 复

41、合：两种带电粒子结合成中性粒子的过程。半导体中自由运动的电子和空穴复合成不能自由运动的中性粒子。 辐射复合：复合时放出的能量以光的形式辐射出来。 非辐射复合：复合时放出的能量以其他形式释放出来。 光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。 激子复合： 如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发，但由于库伦作用，仍受到价带中留下空穴的束缚，形成激子，在禁带中形成一系列激子能级。被库伦能束缚在一起的电子-空穴对称为激子，激子作为一个整体，可以在晶体内自由运动。 激子是电中性的，激子的运动 不会引起电流，但它是一个能量系统，可以把能量以辐射方 式或非辐射方式重新释放。 根据

42、束缚程度不同，激子分为两类： 1. 弗伦克尔激子或紧束缚激子：其半径为晶格常数量级。 2. 万尼尔激子：电子和空穴束缚较弱，二者之间距离远大于晶格常数。通常半导体中存在的是万尼尔激子。 等电子杂质：周期表内与半导体基质原子同族的原子，与基质原子的价电子数相等。 等电子陷阱：由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态。 产生“陷阱”的原因？ 等电子杂质原子与被替位的基质原子之间的电负性和原子半径等方面都不同，会引起晶格势场畸变，因而可以束缚载流子形成带电中心。如同等电子杂质原子的位置形成陷阱，束缚住电子或空穴。 等电子杂质原子和晶格基质原子之间电负性的大小关系决定了该等电子陷阱是电子的束缚态还是

43、空穴的束缚态。 等电子杂质的电负性晶格原子的电负性，形成电子(空穴)的束缚态，该等电子陷阱称为等电子的电子陷阱，该杂质称为等电子受主。 非辐射复合中心又称为消光中心，对发光的危害很大。 材料的本底杂质、晶格缺陷、缺陷与杂质的复合体等都可能成为非辐射复合中心。 辐射复合与非辐射复合小结：1.辐射复合(1)带间辐射复合a.本征复合h Egb.高能复合h Eg# 直接带隙复合: h Eg间接带隙复合:h Eg+ nabcdef(2)杂质与带间复合c.导带受主d.施主价带e.施主受主浅能级和主带之间的复合(3)深能级杂质复合38(4)激子复合激子-电子和空穴束缚形成的可在晶体中移动的中性粒子。激子中电

44、子和空穴复合-激子复合。(5)等电子陷阱复合:同价原子取代主原子-称为等电子。但原子序数不同，内层电子结构不同，电负性不同。原子序数小的，电子亲和力大，易俘获电子成为负电中心。原子序数大的，易俘获空穴成为正电中心。该中心称为等电子中心。等电子中心再俘获相反类型载流子形成束缚激子。之后复合发光-称等电子复合(6)等分子复合:一种分子取代主分子-称为等分子。若其电子亲和力大，易俘获电子成为负电中心。反之，易俘获空穴成为正电中心。然39后再俘获相反类型载流子复合-称等分子复合。简答论述 2. 非辐射复合多声子跃迁电子和空穴复合所放出的能量产生声子。这一过程叫做声子跃迁。声子跃迁的结果，使电子放出的能

45、量转变为晶格振动能。俄歇复合电子和空穴复合时，把多余的能量传给第三个载流子。获得能量的载流子又会产生多声子过程。这种复合称为俄歇复合。表面复合晶体表面处存在能从周围吸附杂质的悬挂键，能够产生高浓度的深能级和浅能级，可以充当复合中心。40定义 发光二极管是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应于光的自发发射过程。 发光光谱特性特点：1. 自发辐射光- LED谱线较宽2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽3. 长波长光源谱宽比短光源宽-短波长GaAlAs/GaAs 谱宽3050 nm-长波长InGaAsP/InP 谱宽60120 nm47温度特性由于禁带