第一讲

教案

2022-2023 学年第二学期

课程名称：半导体光电子器件

课程性质：专业课，选修课

授课学时： 40学时

授课对象：物理20级

任课教师：彭润伍

长沙理工大学物电学院

2023.2

全课程教案

一、基本信息

课程名称	半导体光电子器件	课程编号	0702000070	课程性质		专业课选修课		学分	2.5
教学安排	总学时40。其中讲授 40 学时，实验 0 学时，上机 0 学时，实训 0 学时
	授课时间：第1周至第 10周				周学时		4
相关课程与环节	主要先修课程：量子力学、光学、半导体物理学主要后续课程：半导体光学、毕业设计

二、授课对象

基本情况	专业	物理学	年级	2020	班级	1，2班	修读人数	50
授课对象分析	物理学本科专业共计50人选修本课程，已经学习过半导体物理学，具有一定的半导体基础知识。大部分同学已通过全国大学英语四级考试，部分通过六级考试，整体英语水平较好。整体学风较好，极少数同学有挂科，但一般已补考通过。

三、教学内容与安排

课程简介与要求	光电子器件是光电子技术的关键和核心部件，是现代光电技术与微电子技术的前沿研究领域，是信息技术的重要组成部分。本课程是物理学专业的一门重要专业课。课程着重讲授光电子探测与成像器件的基础理论和基本知识，包括半导体光电探测器、光电倍增管、微光像增强器、真空摄像管、CCD和CMOS成像器件、致冷和非致冷红外成像器件，为信号检测与处理、传感器技术、光纤通信等后续课程打下基础，也为学生将来成为电子方面的管理、开发和设计的高级人才打下必要的专业理论基础。学完本课程，要求学生能较全面地掌握半导体光电子器件的基本原理、理论和了解其基本应用。
课程目标	课程目标		支撑毕业要求指标点				与课程关联度
	1 掌握常见光电子器件的基本特性和光电导探测器原理，熟悉光敏电阻的特性和应用		具有扎实的数学基础，掌握物理学的基本理论和方法，掌握信息科学的理论和技术基础及必要的专业知识，了解学科专业发展前沿和趋势，具有较强的计算机应用能力和从事专业领域内研究、开发及管理的基本能力。				H
	2 掌握光电池的原理，结构和特征参数，了解光电池的应用
	3 熟悉光电三极管的基本结构和基本特性，了解光电二极管和光电三极管的应用
	4 掌握光电发射效应和负电子亲和势光电阴极原理，熟悉光电发射过程中的能量效率和长波阈值
	5 掌握真空光电管和光电倍增管工作原理，熟悉真空光电管和光电倍增管的结构和应用
	6 掌握像管的基本原理和结构，熟悉红外变像管原理和构造，了解微光像增强器的应用
	7 掌握微通道板的工作原理和基本结构，了解微光像增强器的应用		能运用所学的理论、方法和技能解决科研和生产中的实际问题，能在交通、电力、电子、通信、管理等行业从事科研、设计、管理以及教学工作。				H
	8 熟悉摄像管的工作方式和结构，了解摄像管的特征参数和性能评定
	9 掌握CCD的基本结构和工作原理，熟悉CCD的特性和成像器件，掌握彩色CCD成像器件的工作原理，掌握CMOS与CCD成像器件的异同点
	10 掌握红外焦平面阵列结构和工作原理，了解红外成像器件制作与应用
	11 掌握热探测器和微测辐射热计工作原理，了解微测辐射热计的应用，掌握微测辐射热计的特征参数和性能		具有自主学习和终身学习意识，具备不断学习与适应社会发展的能力				M
	12 掌握热释电探测器的基本原理，了解热释电探测器的基本结构和应用，熟悉混合型热释电成像器件的设计
	13 掌握紫外成像器件和紫外像增强器的工作原理，了解紫外成像器件的材料，掌握紫外成像器件的基本结构，了解紫外成像器件的制作
	14 掌握X射线成像器件工作原理和结构，熟悉X射线成像器件系统的性能指标，了解X射线成像器件的应用，掌握X射线像增强器工作原理
课程思政	结合课程具体内容开展爱国主义教育、法治教育、道德教育、科学态度和素养、创新精神等思政教育。
教学方法	讲授为主，结合启发式教学、课堂讨论、实验演示、实验操作，辅以教学综合平台课外自学，课堂采用常规板书结合PPT、视频等多媒体展示教学内容。
教学重点与难点	重点：光电导探测器原理，光生伏特效应，光电二极管工作原理，负电子亲和势光电阴极，真空光电管原理，像管的基本原理，微通道板，摄像管的工作原理，CCD工作原理，CMOS工作原理，红外焦平面阵列工作原理，热探测器的基本原理和微测辐射热计的工作原理，微测辐射热计的响应率，热释电探测器的基本原理，热释电成像器件的设计，紫外像增强器，紫外成像器件的基本结构难点：光电池和光电二极管的异同，负电子亲和势材料能级，光电倍增管原理，电荷耦合原理，红外焦平面阵列工作原理，微测辐射热计的工作原理，微辐射计信噪比，紫外像增强器。
课程各教学环节内容与安排	知识单元	知识点		课内学时	教学方式	作业/测验		课外学习
	第一章 1.1，1.2	光电子器件的基本特性光电导探测器原理		2	讲授
	第一章 1.3	光敏电阻		2	讲授	1
	第二章 2.1，2.2	光生伏特效应光电池		2	讲授	1
	第二章 2.3，2.4	光电二极管光电三极管		2	讲授
	第三章 3.1，3.2	光电发射过程负电子亲和势光电阴极		2	讲授	1
	第三章3.3,3.4	真空光电管光电倍增管		2	讲授
	第四章4.1-4.4	像管的基本原理和结构像管的主要特性分析红外变像管第一代微光像增强器		2	讲授
	第四章4.5-4.8	微通道板第二代微光像增强器第三代微光像增强器第四代微光像增强器		2	讲授	1
	第五章5.1-5.3	摄像管的工作方式摄像管的性能指标与评定氧化铅光电导视像管		2	讲授
	第六章 6.1-6.4	电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本结构 CCD的主要特性电荷耦合成像器件		2	讲授	1
	第六章 6.5-6.8	彩色CCD成像器件 CMOS型成像器件的结构与原理 CMOS彩色成像器件 CMOS与CCD成像器件的比较		2	讲授
	第七章 7.1-7.4	SPRITE红外探测器红外焦平面阵列的结构和工作原理 IRFPA的性能参数红外成像器件与材料的制备		2	讲授
	第八章 8.1-8.3	热探测器的基本原理微测辐射热计的工作原理微测辐射热计的结构		2	讲授	1
	第八章 8.4-8.6	微测辐射热计的响应率微测辐射热计的噪声微辐射计信噪比		2	讲授
	第九章 9.1-9.2	热释电探测器的基本原理热释电材料和探测器		2	讲授
	第九章 9.3-9.4	混合型热释电成像器件的设计单片热释电成像器件		2	讲授
	第十章 10.1-10.3	紫外光的特性紫外成像器件概述紫外像增强器		2	讲授
	第十章 10.4-10.7	GaN的性质 GaN材料的生长技术器件的制作紫外成像器件的基本结构		2	讲授
	第十一章 11.1-11.4	X射线的特性 X射线探测与成像器件的分类 X射线成像器件系统的性能指标 CsI/MCP反射式X射线光电阴极		2	讲授
	第十一章 11.5-11.8	阴极透射式X光阴极 X射线像增强器 X射线影像光电二极管直接数字X射线影像器件复习讨论，课程考查		2	讲授

四、考核方式

考核项目	考核内容	考核方式	分值或占比
期末考试	课程教学内容	闭卷	60
作业	课后习题	提交作业	20
课堂表现	出勤率和课堂参与度	考勤、课堂讨论、课堂展示等	20

五、教学资源

推荐教材	《光电子器件》第三版，汪贵华，国防工业出版社，2020.
参考材料	[1] 光电子器件物理学，卢俊等著，电子工业出版社，2009。 [2] 纳米光电子器件，彭英才编著，科学出版社，2010。 [3] 光电子器件和组件，黄章勇编著，北京邮电大学出版社，2003。
课程资源	http://pt.csust.edu.cn/meol/jpk/course/blended_module/index.jsp?courseId=45882
教材分析与处理	根据课程目标选用汪贵华编著、国防工业出版社出版、“十三五”普通高等教育规划教材《光电子器件》第三版，对第十章和第十一章部分内容做了删减。

分课时教案

知识单元名称	第一章光电导探测器 1.1光电子器件的基本特性 1.2光电导探测器原理	课次	第1讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握常见光电子器件的基本特性 2掌握光电导探测器原理
本单元重点与难点内容	重点：常见光电子器件的特征参数和基本特性难点：光电导探测器产生信号的原理
教学内容	1.1光电子器件的基本特性 1 光谱响应率光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比，即单位入射光功率作用下探测器输出信号电压或电流称为响应率，包括光谱响应RA和积分响应RO。 2 响应率积分响应率简称为响应率R，为器件输出信号与输入信号功率之比。响应率实质上反映了器件的灵敏程度，响应率有被称为灵敏度或积分灵敏度，而响应的光谱响应率称为光谱灵敏度。 3 最小可探测辐射功率Pmin 对Pmin取倒数作为衡量探测器探测能力的参数称为探测率。 4.光吸收系数材料吸收光的原因，在于光与处在各种状态的电子、晶格原子和杂质原子的相互作用。 1.2光电导探测器原理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，称为内光电效应，是相对于外光电效应而言的。当半导体材料受光照时，吸收光子引起载流子浓度增大，产生附加电导率增加。这个现象称为光电导效应。本征电导效应，非本征电导效应电子在电场作用下沿着电场的反方向做定向运动，定向运动的速度称为漂移速度。半导体的导电作用是电子导电和空穴导电的总和。由于光照注入非平衡载流子引起的附加电导率的现象称为光电导效应。附加的电导率称为光电导率。能够产生光电导效应的材料称为光电导材料。载流子寿命的增加有利于增加光电导灵敏度、增加光电导的增益，有利于光电流的输出。灵敏度越高，增益越大，能探测到的最小光信号越小，响应率越大，从这个角度上将，要提高载流子的寿命；从另一个方面讲，载流子寿命的增加增大了光电导的惰性，惰性决定着可能探测到的光信号调制速度，决定了器件的频率响应特性。增益与惰性是光电导的两个重要的性能指标，二者往往不可兼得，必须折中考虑。光谱响应特性是光电导的一个重要指标，它决定着光电导器件的应用范围和灵敏度。
课程思政	绪论中讲解半导体光电子器件时从我国部分技术落后开展爱国主义教育、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授讨论：为什么响应曲线往长波长方向相应减小？
作业与思考题设置	作业：简述光电导探测器原理。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等	增加互动
备注

分课时教案

知识单元名称	第一章光电导探测器 1.3 光敏电阻	课次	第2讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握光敏电阻的基本原理和结构 2 熟悉光敏电阻的特性和应用
本单元重点与难点内容	重点：光敏电阻的结构和主要特性难点：光敏电阻的基本原理
教学内容	1.3光敏电阻利用光电效应制成的最典型的光电导器件是光敏电阻。目前广泛使用的光敏电阻的主要品种有硫化镉、硒化镉、硫化铅、硅、锗、锑化铟等。缺点：在强光照射下光电线性较差，光电弛豫时间长，频率特性较差。光敏电阻的主要用途是泳衣照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量等辐射接收元件。光敏电阻器均制作在陶瓷基体上，光敏面均做成蛇形，目的是要保证有较大的受光表面。光电流与照度的关系成为光电效应在弱光照下光电流与光照强度具有良好的线性，在强光照射下则为非线性，光敏电阻在强光时线性特性变差。光电导灵敏度为光电导值与光照之比。对于光敏电阻来说，电流有暗电流和亮电流，电导也有暗电导、亮电导和光电导之分。光敏电阻的主要参数是：（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻。（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。（5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。（6）伏安特性指在一定光照下。光敏电阻器上的外加电压与流过光敏电阻器的电流之间的关系曲线。曲线开始变弯，趋向饱和，电流并为继续增大。（7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。光敏电阻采用交变光照时，其输出随入射光频率的增加而减少，这是因为光敏电阻是应考非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生于复合都有一个时间过程，这个时间过程即在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的影响。光敏电阻的光谱响应特性主要由所用的半导体材料所决定。硅是重要的可见光和近红外探测材料，锗是重要的可见光和红外光电探测材料，硫化镉是在可见光区用的非常广泛的一种光电导材料。
课程思政	光敏电阻的发展和应用开展法治教育、道德教育、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授提问：为什么光敏电阻的频率响应特性比较差？
作业与思考题设置	作业：设计一个应用光敏电阻的控制系统。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等	针对坐在后排的同学多提问。
备注

分课时教案

知识单元名称	第二章结型光电探测器 2.1 光生伏特效应 2.2 光电池	课次	第3讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握光电池的原理，结构和特征参数 2 了解光电池的应用
本单元重点与难点内容	重点：光电池的原理和结构难点：光电池的原理和结构
教学内容	2.1光生伏特效应光生伏特效应是两种半导体材料或金属/半导体想接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近，形成光生电压的现象。光生伏特效应属于内光电效应。常用的器件有光电池、光电二极管、pin管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。电子和空穴相互扩散在接触区附近形成空间电荷区和耗尽层，结区两边形成内建电场。接触电势差UD取决于P型和N型半导体的费米能级 PN结家反向电压，如加正向电压形成的电流小。 PN结区的光生电子—空穴对被PN结势垒区较强的内建电场分离，空穴被移向P区，电子被移向N区产生了一个与内建场反向相反的光电场，于是在P区和N区之间造成光生电势差。从而给出一个与光照度响应的稳定的电势差，称为光生电动势。 2.2 光电池光电池的结构有两种：一种是金属一半导体接触型；另一种是PN结型，如硅光电池。分2DR型和2CR型。 PN结中有三种电流：扩散电流Ii、漂移电流Io、光生电流Ip。光生电流与漂移电流方向相同，与扩散电流反向相反。光照特性是指光电池的光生电动势，即光电流与照度的关系。伏安特性在有光照条件，光电池的回路电流I与输出电源U的关系，实际上是指输出电流I与输出电压之间的函数关系。光电池电压再光照增加到一定值之后将不会再增大，由于内建电场的作用，与禁带宽度有关。光电池的频率响应除了载流子运动的内在因素外，还与材料、结构、光敏面的大小及使用条件有关。光电池的温度特性。光电池材料和新型材料。光电池电源包括光电池组和蓄电池两个部分，光电池组采用单个光电池串联和并联的方式提高电压和电流。利用蓄电池稳定输出的电压。
课程思政	光电池与节约能源、保护环境进行法治教育、道德教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授课堂讨论：为什么硅光电池PN结的电压增加到0.6V后不再增加？
作业与思考题设置	作业:简述光电池的原理与结构。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等	讨论环节需要鼓励大家都参与。
备注

分课时教案

知识单元名称	第二章结型光电探测器 2.3 光电二极管 2.4 光电三极管	课次	第4讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握光电二极管的基本结构和基本特性 2 熟悉光电三极管的基本结构和基本特性 3 了解光电二极管和光电三极管的应用
本单元重点与难点内容	重点: 光电二极管的基本特性难点：光电二极管和光电三极管性能差异
教学内容	2.3光电二极管光电二极管与光电池的主要区别： 1、结面积大小不同，光电二极管的结面积远比光电池小。 2、光电二极管的内建场强，结区较宽，结电容很小，所以频率特性比较好。由于势垒，光电流比光电池小，一般在微安量级。光照特性是输出的饱和光电流与光照度之间的关系。光谱特性主要取决于所采用的材料的禁带宽度，同时也与结构工艺有着密切的关系。 pin硅光电二极管：可获得较大的输出电流、较高的灵敏度和较好的频率响应特性，频率带宽可达10GHz，用于快速探测的场合。由于I层比PN结款得多，光生电子—空穴比PN结的光生电子—空穴，因此输出的光生电流较大灵敏度有所提高 pin光电二极管由于结电容小，载流子渡越耗尽层时间短，时间特性好，频带宽度可达10GHz。雪崩型光电二极管利用了高反压下二极管耗尽层产生载流子的雪崩倍增效应来获得很高的光电流增益，其增益可达102-104，电流达毫安级，因此其灵敏度高，且响应速度快，可达100GHz，适用于探测弱光信号和快速变化的信号。雪崩二极管是目前响应最快的一种光电二极管，噪声大是这种二极管目前的一个主要缺点。外国APD5-3R硅雪崩光电二极管结电容3pF，响应时间小于0.5ns频率响应可达105MHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。 2.4 光电三极管光电三极管不受光照时，相当于一般的三极管基极开路的状态，这时集电结处于反向偏压，因此集电结电流较小，这时的集电极电流称为光电三极管的暗电流。在光电三极管中，集电结是光电转换部分，而集电极、基极和发射极又构成了一个有放大作用的晶体管，相当于一个基极-集电极的光电二极管加上一个普通的晶体放大管。光电三极管有电流放大作用，他的灵敏度比光电二极管高。输出电流也比光电二极管打，在弱光时，电流增长缓慢。在强光时，将出现饱和现象，光电三极管不利于弱光测量，多用来做光电开关元件或光电逻辑元件。光电流放大系数随温度升高而变大，光电三极管的光电流和暗电流随温度的升高都比光电二极管快。频率特性比光电二极管的要差。
课程思政	光电二极管应用于先进设备开展爱国主义教育、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授提问：光电三极管的电流为什么比光电二极管要大？
作业与思考题设置	比较光电二极管和光电三极管结构和特性。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	第三章光电阴极与光电倍增管 3.1 光电发射过程 3.2 负电子亲和势光电阴极	课次	第5讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握光电发射效应和负电子亲和势光电阴极原理 2 熟悉光电发射过程中的能量效率和长波阈值
本单元重点与难点内容	重点：光电发射效应难点: 负电子亲和势光电阴极原理
教学内容	光电阴极是根据外光电效应制成的光电发射材料。真空光电器件利用光电阴极在光辐射作用下向真空中发射光电子的效应来探测光信号，是一种真空型的光电器件。 3.1 光电发射过程当光照射某种物质时，若入射的光子能量足够大时，使电子移除物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。光电子的最大动能E与入射光的频率v成正比，而与入射光的强度无关。半导体光电发射的电子效率远高于金属光电发射的量子效率。被激发电子在向表面运动的过程中，因散射要损失掉一部分能量。对于非简并半导体，它的自由电子很少，光电子受到的电子散射可以忽略不计，而造成光电子能量损失的主要原因是晶格散射、光电子与价键中电子的碰撞，这种碰撞电离产生了二次电子-空穴对。当光电子与价带上的电子发生碰撞电离时，便产生二次电子-空穴对，它将损失较多的能量。适当选择Eg以避免二次电子-空穴对的产生。到达表面的光电子能否逸出还取决于它的能量是大于还是小于表面势垒。当hv≧EA+Eg时，电子吸收光子能量后才能克服禁带跃入倒带并逸出。所以EA+Eg称为光电发射的阀值，这个最小能量对应的波长称为阀值波长或长波限。把电子从体内导带底逸出真空能级所需的最低能量称为有效电子亲和势EAeff，以区别于表面电子亲和势。通过改变表面的状态，可获得有效电子亲和势为负值得光电阴极，这就是通常所说的负电子亲和势NEA（negative election affinity）光电阴极。 3.2 负电子亲和势光电阴极光电阴极中真空能级与体内导带底EC之间能量差即有效电子亲和势EAeff均大于0，即都为正值。要扩展探测器长波方向的光谱响应，必须减小EAeff，当EAeff等于或者小于零时，阀值波长最大。在P型GaAs表面上蒸积单分子层，然后交替蒸O和Cs，形成Cs2O层。一般EAeff﹥0的半导体光电发射中因为散射要损失一部分能量，电子停留在导带高能态的时间非常短，由于EAeff﹥0，有一个表面势垒阻挡，这部分电子没有能量逸出。对于NEA光电阴极，即使被激电子在10-14-10-12s内落到了导带底，只要他们还没有被复合掉之前扩散到表面，就可以逸出。 NEA阴极对掺杂的特殊工艺要求：1.纯净的无油超高真空系统。2.纯净的GaAs单晶。3.净化表面。4.激活工艺。
课程思政	NEA光电阴极先进技术开展爱国主义教育、科学态度和素养教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授讨论：为什么NEA性能比一般光电阴极要好？介绍NEA研究前沿。
作业与思考题设置	作业：负电子亲和势光电阴极工作原理。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	3.3 真空光电管 3.4 光电倍增管	课次	第6讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握真空光电管和光电倍增管工作原理 2 熟悉真空光电管和光电倍增管的结构和应用
本单元重点与难点内容	重点：真空光电管和光电倍增管工作原理难点：真空光电管和光电倍增管结构
教学内容	3.3 真空光电管光电管与光电倍增管是根据外光电效应原理工作的光电探测器，属于非成像的真空光电器件。真空光电管的原理：当入射光照射到光电阴极上时，根据外光电效应，光电子就从光电阴极发射电子到真空中去，在电场的作用下，演技加正电压，光电子在两电极间做加速运动，光电子被具有较高电位的阳极所吸收，在阳极回路中可以测出光电流的数值i，i取决于光照和光照灵敏度。光照特性：光电流i与光照E之间呈良好的线性，光照太强时，线性发生偏离，光照越强非线性也越严重。光谱响应特性：主要取决于光电阴极的类型、厚度和光窗材料。伏安特性：在50-100V之间光电流I达到饱和。频率特性：光电转换过程有惰性，该惰性由光电发射时间、电子在极间的渡越时间。极间电容及负载电阻所决定噪声特性：主要是1.热噪声，根源在于载流子的无规则热运动。2.散粒噪声，散粒噪声好像散粒无规则的落在靶上所呈现的起伏，每一瞬间到达的值是多少，没一点有多少，这些散粒是完全独立的、随机的，由粒子随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。 3.4 光电倍增管优点：放大倍数很高，一般可达106-109，灵敏度很高，光电特性线性好。光电阴极主要根据所探测的光谱范围来选取。电子光学输入系统指光电阴极至第一倍增极区域。尽可能多的电子打到第一倍增极区域，能有效的收集光电子，可以大大提高信噪比。光电阴极各部分的光电子达到第一倍增的时间最好一致。当具有足够能量的电子轰击任何物体时，该物体有电子发射出来，这种现象称为二次电子发射，这个物体就叫二次电子发射体。电子倍增系统的结构根据工作原理可分为两类：聚焦型、非聚焦型。阳极用来收集最后一级倍增极发射出来的二次电子，并通过引线输出倍增了的电流信号。光电倍增的阳极信号电流IA与阴极信号电流IK的比值称为放大倍数。影响线性范围上限的因素：1.光电倍增极最后几级增极疲惫，二次电子发射系数减少。2.空间电荷效应。3.光电阴极疲乏。
课程思政	光电倍增管用于探测中微子的故事开展爱国主义教育、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授讨论：光电倍增管有哪些实际应用？介绍科研中高灵敏度光电倍增管。
作业与思考题设置	查找光电倍增的应用资料，了解光电倍增的应用。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	第四章微光像增强器 4.1像管的基本原理和结构 4.2像管的主要特性分析 4.3红外变像管 4.4第一代微光像增强器	课次	第7讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握像管的基本原理和结构 2 熟悉红外变像管原理和构造 3 了解微光像增强器的应用
本单元重点与难点内容	重点：微光像增强器的工作原理难点：微光像增强器的工作原理
教学内容	光电成像器件按器件结构可分为：像管、真空摄像管、固体成像器件。像管包括变相管和增强器。红外变像管和像增强能用于夜视条件下的光电成像，属于夜视器件。 4.1 像管的基本原理和结构起到光谱转换、增强亮度和成像作用。主要结构：光电阴极、电子光学系统和荧光屏、光电阴极在微光或红外线入射下，发生光电效应，发射电子，电子流强度正比于光照度，将不可见的或微弱的辐射图像转换成电子图像。电子光学系统像管中电子光学系统的任务有：1.加速光电子；2.使光电子成像在像面上。电子光学系统称为电子透镜。电子透镜分为静电透镜和磁透镜两类。荧光屏将电子动能转换成光能。荧光屏发光材料特性有光谱特性和发光效率。 4.2 像管主要特性分析像管的增益特性，输出亮度的大小，在入射照度一定时，由亮度增益所决定。像管的传像特性指像管传递图像时，对图像几何形状和亮度分布的影响。像管的时间响应特性主要由荧光屏所决定。荧光屏的惰性时间有荧光粉的类型和激发电子流密度所决定。 4.3 红外变像管采用红外阴极（S－1，Ag－O—Cs））的像管。有玻璃管型和金属型两种。玻璃管型红外变像管：轴外相差大，边缘像质差，阴极外壳局部充电影响图像稳定性、图像对比和亮度受到限制。金属型红外变像管：球面阴极，套帽电极，屏蔽系统，圆弧形电极。只能做成主动式结构 4.4 第一代微光像增强器 Sb-Cs阴极和Sb-K-Na-Cs阴极出现第一代微光管由三个单管串联而成，一般单级像增强管的亮度增益还满足不了需要，往往需要多级串联。第一代微光管的结构特点：1.多碱阴极，用光纤板做输入窗及输出窗。2.系统的像散很小。3.光纤面板可以做成平凹形，有利于像质的提高。第一代微光管工作于被动观察，其缺点是怕强光，有晕光现象。
课程思政	微光像增强器研究开展科学态度和素养、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授
作业与思考题设置	查找第一代微光像增强器的应用年代，指出其优缺点。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	4.5微通道板 4.6第二代微光像增强器 4.7第三代微光像增强器 4.8第四代微光像增强器	课次	第8讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握微通道板的工作原理和基本结构 2 了解微光像增强器的应用
本单元重点与难点内容	重点：微通道板的工作原理和基本结构难点：微通道板的工作原理和基本结构
教学内容	4.5 微通道板微通道板像增强器属于第二代微光夜视器件，相比于第一代，它倍增效果好，像管体积小。切片加工制成的微通道板简称MCP，微通道板的增益特性增益为MCP输出的电流与输入电流的比。管壁充电：区域形成等位区，对电子不在有加速作用，是输出电流出现饱和现象的原因。通道饱和现象会降低图像对比，但能提供强光保护。 MCP的噪声有空间固定图案噪声、暗电流噪声、涨落噪声和离子反馈。暗电流噪声:暗电流来自于热发射、场致发射等。离子反馈的害处：1.时间上落后于输出信号。对信号造成干扰。2.损坏阴极。3.加速通道输出饱和。 4.6 第二代微光像增强管第二代微光像增强管采用了微通道板作为电子倍增器，主要分为近贴式MCP像增强器和静电聚焦式MCP像增强器。近贴式MCP像增强器通常称为第二代近贴管。轴上轴外像质均匀，图像无畸变，放大率为1 ，不倒像。静电聚焦式MCP像增强器，MCP与屏之间是近贴聚焦。成倒像，又叫倒像管。第二代增强器的优点：质量小，体积小。改变微通道的电压，就能调节像增强器的增益。缺点是噪声大，使输出信噪比降低。 4.7 第三代微光像增强器配合第二代近贴的结构，和负电子亲和势NEA光电阴极，以及MCP技术，出现的第三代增强器。在NES中达到了既变像又增强。采用了双近贴结构，阴极与MCP之间、MCP与荧光屏之间都是近贴结构。性能：扩展了长波阈，响应非常均匀。光谱灵敏度和积分灵敏度大大提高。 NEA阴极像增强器可以大大提高夜视仪器的作用距离，提高分辨率复杂体的能力，适用于夜间应用。但由于NEA阴极制作复杂，成本高。 4.8 第四代微光像增强器用来防止有害物质损害光电阴极的常用方法是在MCP的入口设置阻挡层，这样就会降低像增强器的信噪比和鉴别率。利用单块非镀膜MCP制造出了长寿命像增强器。与通常的MCP不同，这种MCP是体电导材料。采用体电导MCP，并使光电阴极与MCP间采用自动脉冲门控电源，提高了像增强器的信噪比。
课程思政	多代微光像增强器发展开展爱国主义教育、科学态度和素养、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授课堂讨论：第一代到第四代像增强器的特点。
作业与思考题设置	作业：简述MCP工作原理。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	第五章摄像管 5.1摄像管的工作方式 5.2摄像管的性能指标与评定 5.3氧化铅光电导视像管	课次	第9讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 熟悉摄像管的工作方式和结构 2 了解摄像管的特征参数和性能评定
本单元重点与难点内容	重点：摄像管的工作方式和结构难点：摄像管的工作方式和结构
教学内容	5.1 摄像管的工作方式为了使摄像器件把活动的光学图像转换为电信号，可以把整个图像分割成N个有一定大小的小像点，也称为像素。把N个亮度信号转变为电信号的方法称为扫描或寻址。在电视的研究发展过程中主要问题是图像的传送、灵敏度的提高和像质的改善，这些都与电视系统的核心部件摄像管相关。为了完成摄像任务，摄像管必须具有写入、储存、阅读和抹除等过程。着主要由三部分组成：光电转换部分、电荷存储部分和信号阅读部分。 5.2 摄像管的性能指标与评定摄像管的灵敏度指摄像管把光信号转换为电信号的能力，是摄像管的一个重要的性能指标。摄像管的灵敏度定义：摄像管输出的信号电流与入射在光明面上的光通量（或照度）之比。分辨率表征了摄像管的分辨本领，是描述一切成像器件空间特性的重要指标。摄像管的惰性是指输出的信号变化相对于输出亮度的变化有一个滞后。由于惰性的存在，光灭之后摄像管的信号是逐渐变小的，光开后信号是逐渐变大的，所以惰性反映了一个摄像管的瞬态特性，它包括信号电流的衰减特性和上升特性，即衰减惰性和上升惰性。惰性的来源主要有以下几个方面：靶的响应惰性，电荷转移惰性，阅读惰性和帧周期的影响。灰度指按照一定标准划分的亮度等级。 5.3氧化铅光电导视管光电导视管（视像管）没有移像部分，具有体积小、结构简单、信号质量好等优点。视像管的结构有光学系统、靶、电子枪、聚焦、扫描系统等组成。氧化铅视像管的特性: 暗电流小:由于PIN结加有几十伏的反向偏置电压使靶处于反向偏置状态，少子浓度低，漂移电流小。灵敏度高：本征电阻率高，本征层较厚，光生载流子几乎全部都能构成信号电流，灵敏度高。光电特性好：当靶压达到40V-50V时达到饱和区，表明产生的光生载流子全部都能到达两极，收集效率高，几乎等于1. 惰性小：惰性有光电惰性、电荷惰性和放电惰性分辨率较好：具有很高的分辨率
课程思政	氧化铅视像管研究开发开展法治教育、道德教育、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授课堂提问：氧化铅视像管有什么优点和缺点？
作业与思考题设置	试比较现在视频摄像系统与早期摄像系统。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	第六章CCD和CMOS成像器件 6.1电荷耦合器件的基本原理 6.2电荷耦合器件的基本结构 6.3 CCD的主要特性 6.4电荷耦合成像器件	课次	第10讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握CCD的基本结构和工作原理 2 熟悉CCD的特性和成像器件
本单元重点与难点内容	重点：CCD的基本结构和工作原理难点：CCD的工作原理
教学内容	CCD：Charge Coupled Device，中文为 “电荷耦合器件”。 CCD称为固体成象器件。固体成象器件不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图像的转换，再用电子束按顺序进行扫描获得视频信号。 6.1 电荷耦合器件的基本原理 CCD是由许多电容组成。MOS电容即金属-氧化物-半导体构成的电容，常称为MOS电容或MOS结构。 CCD势阱的深度和储存能力都由表面势所决定的。电荷耦合原理：CCD工作在深耗尽层，可以用电注入或光注入的方法像势阱注入电荷，以获得自由电子或自由空穴，此势阱中所包含的自由电荷通常称为电荷包在提取信号时需要将电荷包有规则的传送出去，这个过程叫做CCD的电荷转移，它是靠各个栅极在时钟电压作用下以电荷耦合的方式实现的。 6.2 电荷耦合器件基本结构 CCD主要由三部分组成，信号输入部分、电荷转移部分和信号输出部分。输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式：电注入和光注入。信号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。信号电荷转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。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。最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置。这种电路简单，但是噪声较大，很少采用。 6.3 CCD的主要特性转移率η，电荷包的原电量Q0和转移到下一个电荷包的电量Q1之比。偏置电荷技术，肥零技术。表面势阱的变化来储存和转换信号电荷。时钟频率过低，深耗尽状态向平衡态过渡，热生载流子就会混入到信息电荷包中去了，损耗比就必然增大，减小了输出信号幅值，降低的信噪比 6.4 电荷耦合成像器件常用类型有三种：帧/场转移(FT),行间转移（IT）、帧行间转移（FIT）。分辨率：行间转移具有更高的水平分辨率和MTF。响应率：总响应率两者基本上是一致的。拖影问题：行间转换结构拖影效应不严重。帧转换结构需要多次转换，拖影严重。噪声问题：两种结构的热噪声基本上相同
课程思政	从CCD的发明开展科学态度和素养、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授分组讨论：CCD栅极加上低电压有什么作用？这是什么工作模式？
作业与思考题设置	调研CCD目前的应用领域。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	6.5彩色CCD成像器件 6.6 CMOS型成像器件的结构与原理 6.7 CMOS彩色成像器件 6.8 CMOS与CCD图像器件的比较	课次	第11讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握彩色CCD成像器件的工作原理 2 掌握CMOS与CCD成像器件的异同点 3 了解CMOS型成像器件性能
本单元重点与难点内容	重点： CMOS成像器件的原理难点： CMOS与CCD成像器件的异同点
教学内容	6.5 彩色CCD成像器件彩色摄像器件采用行间转移型彩色面阵CCD。常使用的补色滤光片结构 Bayer滤光片结构 2002年2月，美国Foveon公司发布多层感色CCD技术。在Foveon公司发表X3技术之前，一般CCD的结构是类似以蜂窝状的滤色版，下面垫上感光器，藉以判定入射的光线是RGB三原色的哪一种。 2003年中期，SONY发布4色感应CCD。传统的CCD为三原色矩阵，新的SONY CCD将浅绿色加入。新一代的CCD不仅在省电及功率上做文章，对色彩的表现也有了更多的提高。SONY公司一改以往三色CCD的传统，创新推出一个具备"新颜色"的四色过滤CCD，命名为ICX456。新增的E这个颜色是Emerald(应该翻译成祖母绿吧)。不同于以往三个原色RGB，E这个颜色加强了对自然风景的解色能力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。应用的效果有点类似喷墨打印机加装淡蓝和洋红这两种淡色，以期能够增强混色能力与效果，此外配合新色阶的CCD，SONY也开发了新的图像处理器，不仅有效的减少了30%的功率消耗，更加快了处理速度和绿色色阶分析能力。 6.6 CMOS型成像器件的像素构造 CMOS固体摄像器件是早期开发的一类器件根据像素上电路的复杂程度不同，CMOS成像器件结构有两类：无源像素和有源像素结构形式。二极管在复位后出现的逆向偏置电压得状态，发挥等价晶体管的作用，随着信号电荷的储存变化电压。放大晶体管将该电压放大输出到列信号线。 6.7 CMOS型成像器件的彩色像素彩色分离光电二极管 Bayer滤光法结构 6.8 CMOS与CCD图像器件的比较构造与动作方式的差异 CCD图像传感器，入射光产生的信号电荷不经过放大，直接输送出电路，在输出电路放大信号电压输出。COMS图像传感器是通过使各像素具有放大功能的电路将光电转换的信号电荷放大。 CCD图像传感器容易受漏光噪声的影响，CMOS不易在信号传达的路径中受到噪声的影响。电源：CCD图像传感器需要三个电源，CMOS图像传感器只需要一个。
课程思政	COMS集成电路制作工艺开展爱国主义教育、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授课堂提问：CMOS为什么成本低于CCD？
作业与思考题设置	试比较CMOS与CCD的特点和应用领域。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	第七章致冷型红外成像器件 7.1 SPRITE红外探测器 7.2 红外焦平面阵列结构和工作原理 7.3 IRFPA的性能参数	课次	第12讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握红外焦平面阵列结构和工作原理 2了解红外成像器件制作与应用
本单元重点与难点内容	重点：红外焦平面阵列结构和工作原理难点：红外焦平面阵列工作原理
教学内容	红外探测器件有两种主要的形式：需要致冷型的光（量）子型红外探测器件，非致冷型的量热型红外探测器件 7.1 SPRITE红外探测器 8-14μm波长大气第三个透过窗口根据本征光电效应工作原理，适合于8-14μm的波段的半导体材料，其禁带宽度为0.09eV-0.15eV，碲镉汞简写为MCT或CMT，是最常用的长波红外和中波红外的探测材料。 SPRITE探测器的工作原理：这种器件利用红外图像扫描速度等于光生载流子双极漂流速度这一原理，实现了在探测器内进行了信号延迟、叠加，从而简化了信息处理电路。 7.2 红外焦平面阵列的结构和工作原理与SPRITE探测器相比，阵列型红外成像器件由阵列元组成，并处于红外成像系统的焦平面上，常称为红外焦平面阵列（IRFPA）。可见光CCD的探测器和多路传输器都是用硅材料制作的，IRFPA一般是用窄禁带半导体做探测器。 IRFPA由于使用了窄禁带半导体材料，需要等到最低的电子噪声，为了尽可能达到光子噪声限，必须对IRFPA进行低温冷却。 IRFPA的特点是高背景本底和低对比度。 7.3 光伏型红外探测器的电压响应率根据光生伏特效应的原理，光生电动势US和光电流IS之间的关系可由PN结的基本特性求得。光伏探测器的电压响应率等于电子电荷量、量子效率和外加电压U=0是的动态电阻R0三者之积与一个入射光子能量之比。光子探测器的极限探测频率受到背景辐射的限制。要探测的目标受背景包围，照射到探测器上的辐射是由目标的辐射和背景的辐射组成。 7.4 红外成像器件与材料的制备材料制备技术：液相外延、金属有机物化学气相淀积、分子束外延衬底的选择与制备:衬底是外延的基础，其作用类似于晶体生长的耔晶，因此，衬底的好坏直接决定外延层的质量。面阵探测器要求有较高的量子效率、高的探测频率、好的频率特性、光伏型探测器的基本部分是一个PN结。
课程思政	红外探测器在军事上的重要应用开展爱国主义教育、科学态度和素养、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授分组讨论：影响红外探测器响应率的因素有哪些？
作业与思考题设置	SPRITE红外探测器在实际中的应用。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等	需要提高学生分组讨论的积极性。
备注

分课时教案

知识单元名称	第八章微测辐射热计红外成像器件 8.1热探测器的基本原理 8.2微测辐射热计的工作原理 8.3微测辐射热计的结构	课次	第13讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握热探测器和微测辐射热计工作原理 2 了解微测辐射热计的应用
本单元重点与难点内容	重点：热探测器和微测辐射热计工作原理和结构难点：热探测器和微测辐射热计工作原理
教学内容	利用辐射产生热，热产生电或磁的效应，通过电或磁的度量来探测辐射的大小，利用这种原理制成的器件有热电阻、热电偶、热释电、热释磁探测器等。 8.1 热探测器的基本原理温升ΔT（t）随入射功率的幅值P0和元件的吸收系数的增加而增加，随传热系数H、调制频率ω、热容的增大而减小。典型的热探测器的热时间常数在几毫秒的范围内，比光子探测器的响应时间要长得多。热探测器的温度噪声限制热探测器的噪声主要是温度噪声，还有介质损耗噪声、热噪声、放大器噪声等。每一时刻热交换具有随机性、起伏性，从而引起温度的起伏。这种由于与周围环境交换而引起材料温度起伏，称为温度噪声。探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器光敏元被悬挂在支架上并真空封装时，总的热导将取决于辐射热导。 8.2 微测辐射热计的工作原理每个测热辐射计由于一个厚度为T的热敏电阻薄层构成，整个单元面积为AC，前表面积为A，填充因子Ff，Ff=A/AC每个辐射计的整个表面积为2A，表面接受光辐射。测辐射热计敏感单元是一个热敏电阻传感器。为了测量吸收红外辐射以后的热效应，传感器采用随温度T而电阻R变化的材料。用来度量电阻R随温度T变化的参数是电阻温度系数TCR。半导体材料其迁移载流子浓度随温度增加而增加，同样载流子的运动也是随着温度而变化，产生一个很高的负的与温度有关的α。很多半导体材料都可以选为为测辐射热计的TCR材料，，如使用非晶SI、Ge和Pt等薄膜可作为TCR材料。薄膜由溅射和PECVD（等离子增强化学气相沉积）方法生成。PECVD生成的非晶硅膜，TCR值是溅射生成的硅膜的2倍。非晶硅膜热敏材料已经获得了广泛的应用。 8.3 微测辐射热计的结构制造微测辐射热计阵列的基本技术称为微型机械技术，是一种以Si材料为基础，通过选择刻蚀结构微观隔热结构技术。微机械制成的微辐射计可以分成两个大的设计类别，“一层”微辐射计包括一个Si衬底等高的微电桥，通过一个Si底上的刻蚀槽进行隔热。“两层”微辐射计包括一个高于原始Si表面的微桥，这样位于下方的Si是无损的，目前，微测辐射热计主要是由’两层’结构组成。为测辐射热计两维阵列电子读出电路中，为测辐射热计的电阻变化可以转换成电压或电流信号，可以被红外摄像电路吸收。这通常可以通过外加一个偏置电压V或者电流I，然后测量最终的电压或电流获得。
课程思政	微测辐射热计制作工艺开展爱国主义教育、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授提问：为什么微测辐射热计的光敏元表面需要镀上一层黑色材料？
作业与思考题设置	作业：简述微测辐射热计的工作原理。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	8.4微测辐射热计的响应率 8.5微测辐射热计的噪声 8.6微辐射计信噪比	课次	第14讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握影响热探测器响应率的因素 2 了解微测辐射热计的噪声和信噪比
本单元重点与难点内容	重点：影响热探测器响应率的因素难点：微测辐射热计的噪声来源
教学内容	8.4 微测辐射热计的响应率微测辐射热计的敏感元件温度与热储存器交换热量而发生变化，由偏置电压或电流产生热能量。微测辐射热计两维阵列电子读出电路中，电阻变化可以转换成电压或电流信号，可以被红外摄像电路吸收。这可以通过外加一个偏置电压或电流，最终的电压或电流获得。在微测辐射热计上外加偏产生温度增量，这是由于焦耳拱了损耗P=IV造成的，在典型微测辐射热计的工作过程中可以看到，从偏置得到的焦耳热比从目标辐射的红外信号得到的焦耳热要大得多。因此热能量P需要掌握仔细，必须使用有效方法区分热是由目标入射的红外辐射引起的还是由偏置引起的。对于热平衡零偏置的解显示出微测辐射热计怎样与热存储器相互作用，由此得到微测辐射热计的响应率。加上一个偏压，微测辐射热计总共受热W=P+Q，其中Q为净吸收的红外热功率，P=IV是从偏置电压得来的焦耳热。因为一个偏置使微测辐射热计受热引起其电阻发生变化，所以微测辐射热计的V-I曲线不是一条直线。 8.5 微测辐射热计的噪声影响辐射热计的噪声有辐射计的热噪声、辐射计电阻的变化、辐射计温度的变化和入射红外辐射通量的噪声。由于电荷载流子的热激发，电阻内部的自由载流子的数目及运动状态是随机的，由此构成的电压起伏为电阻的热噪声。一个温度为T的阻抗R产生的电压噪声为“白噪声”，即每单位电子噪声功率是与频率无关的。两种类型的多余噪声：1/f噪声和电报噪声。 1/f噪声的单位带宽的功率近似以1/f变化，这种噪声源代表为一种附加电压源，与Johnson噪声源无关。 8.6 微测辐射热计的信噪比噪声等效功率（NEP）的定义：使产生的信号等于整个噪声的吸收光能的变化量。噪声等效温差（NETD）：使产生的信号等于整个噪声的目标温度该变量。探测率D可能比通常引起的室温传感器最大理论值还要大，原因在于加订了一种近似于直流偏置的状态。在只有热噪声的情况下，可以得到理想的NEP值.
课程思政	微测辐射热计微结构制作开展爱国主义教育、科学素养和创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授分组讨论：为什么微测辐射热计需要加偏压，加偏压后有什么影响
作业与思考题设置	作业：微测辐射热计的热导由哪些部分组成？
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	第九章热释电探测器和成像器件 9.1 热释电探测器的基本原理 9.2 热释电材料和探测器	课次	第15讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握热释电探测器的基本原理 2 了解热释电探测器的基本结构和设计
本单元重点与难点内容	重点：热释电探测器的基本原理和结构难点：热释电探测器的基本原理
教学内容	9.1 热释电探测器的基本原理热释电探测器的优点：热释电探测器具有较大的频率带宽，其工作频率达数十兆赫。热释电探测器的探测率高。热释电探测器可以有大面积均匀的光敏面，且不需要偏压。受环境温度变化的影响较小。在晶体中有一种晶体称为热电晶体，这种晶体拒用自发极化性质。热释电效应是指晶体受辐射照射时，由于温度的改变使自发极化发生变化，晶体中离子间的距离或链角发生变化，从而使偶极距发生变化，极化强度改变，面束缚电荷变化，结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现电压，这种现象称为热释电效应，利用这个电压而测量光辐射或热辐射的能量，这就是热释电探测器。 TE称为居里温度，超过这个温度，铁电体发生退极化，从极化晶体变为非极性晶体。材料工作温度不能高于居里温度，居里温度是热电材料的一个重要的指标，实际中希望居里温度高点好。 9.2 热释电材料和探测器热释电材料热释电系数最大的是铁电晶体材料，及铁电体，它与其他热释电材料的区别在于铁电晶体的自发极化能在外加电场的作用下反转过来，且当温度达到居里温度时，极化立即消失，晶体发生从极化到非极化的相变。 TGS热释电探测器是发展最早、工艺最成熟的热释电探测器，在室温下，其热释电系数大，介电常数小。 TGS属于水溶性晶体，物理化学稳定性差，TGS单晶居里温度较低，为49度，不能承受大的辐射功率，容易产生退极化现象。 SBN他的热电系数及ε值随X增加而减小。T随x增加而升高。这种热释电探测器在大气条件下性能稳定，无需窗口材料，电阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段吸收率很高，故不必涂黑，具有抗声、抗压、抗震等优点。但不够稳定，在室温下容易退化。 LiTaO3在室温下他的热释电系数比TGS小一点，但在低温及高温下都有较好的性能，居里温度高达620度，在室温下其影响率几乎不随温度变化，可以工作在很高的环境温度下，能承受较高的辐射能量，且不退极化；它的物理化学性能稳定，不需要保护窗口，机械强度高、响应快。压电陶瓷热释电探测器，这类材料热释电系数大，但其介电常数较大，其机械强度大，物理化学性质稳定，居里温度高达365度，不易退化。这类探测器容易制造、价格便宜、机械强度高、能承受强辐射功率。热释电探测器的结构形式根据固定方式，热释电探测器结构可设计为有衬底结构和无衬底结构；根据电极位置，可设计为电极结构和边电结构和变电极结构；按有无吸收层，可设计为无吸收层和有吸收层两种结构。热释电探测器的特点无需致冷。响应波段、速度快。灵敏度大探测率高。尺寸大而且均匀。需要交变的入射光，需要高的阻抗、低噪声的潜在放大器与之匹配。
课程思政	热释电成像器件制作工艺开展爱国主义教育、科学态度和素养教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授分组讨论：为什么热释电探测器不能探测没有变化的辐射信号？
作业与思考题设置	调研实际中应用热释电探测器的系统。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等	分组讨论需要一定的引导。
备注

分课时教案

知识单元名称	9.3 混合型热释电成像器件的设计 9.4 单片热释电成像器件	课次	第16讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握热释电探测器的基本原理 2 了解热释电探测器的基本结构和设计
本单元重点与难点内容	重点：热释电探测器的基本原理和结构难点：热释电探测器的基本原理
教学内容	9.3 混合型热释电成像器件的设计热释电成像器件是非致冷的红外成像器件。热释电成像器件与单元探测器相比，有很多新问题，如对于凝视型的成像仪，像元之间灵敏度会产生差别，像元之间产生了非均匀性，会影响系统性能，而对于一个单元探测器，这种效应相对较少发生。混合式结构特点: 1. 热隔离以提高温度响应如果一个探测元的热质（热容c）的减少，那么，热导H也可以相应地减少。通过增加其隔热装置，减小H，热导 2μW/K，可以改进热探测器性能，如温度响应率。 2. 象素间热隔离改进了MTF 由一个像素吸收的热能不仅仅从隔热装置流向衬底，同样流向邻近像素，这就降低了MTF。 MTF的下降来源于像素与像素之间的热导与像素到衬底的热导之比，带有这种设计，所以这种方法改进了MTF。 3. 电极和吸收器表面设计了一个调制的光学腔. 底部的金属层足够厚以进行全反射。顶部的金属层较薄，半透明，与自由空间的阻抗相匹配。在想要的光谱带中将绝缘层的厚度调整到吸收比最好。使用这种设计，7.5-13μm光谱内平均吸收系数超过99%。阵列Nyquist频率处的MTF高达40%。因为热释电探测器只能探测变化或调制的热辐射，所以需要使用斩波器来调制入射的辐射。带有斩波器的探测器工作如下：当斩波器的边缘经过一个像素时，像素被暴露在景物的辐射光下。它的温度开始相应的发生改变，温度持续变化直到使景物重新被遮蔽。在叶片边缘经过的一瞬间，信号被采样。前边缘经过一个像素时，像素温度开始转变为其初始的温度。在景物重新出现的一瞬间，信号被再次采样，因此每次暴露信号被采样两次。 9.4 单片热释电成像器件热释电薄膜材料合成有三个总体目的：当材料沉积在微结构上时能在薄膜上获得好的结晶；能对性能活跃的薄膜材料的热电荷介电性能进行可预测控制；能根据具有热释电薄膜电容的热隔离结构的不同材料来进行复合压力的控制。热释电成像器件的集成电路设计，基片信号的集成电路通常取决于操作的物理传感器的要求。对于热释电探测器，电荷自发产生以影响温度的变化。场效应管常用来探测这种电荷就是在于它的输入阻抗，硅金属氧化物半导体场效应管前置放大器具有吸引力。而双极性场效应管由于输入阻抗低，电荷易泄露，一般不用于热电或压电放大器应用中。
课程思政	热释电成像器件微结构设计制作开展爱国主义教育、科学态度和素养教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授提问：热释电成像器件的集成电路设计的基本要求？
作业与思考题设置	利用热释电探测器设计一个探测系统。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	第十章紫外探测与成像器件 10.1 紫外光的特性 10.2紫外成像器件概述 10.3紫外像增强器	课次	第17讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握紫外成像器件和紫外像增强器的工作原理 2 了解紫外成像器件的材料
本单元重点与难点内容	重点：紫外成像器件和紫外像增强器的工作原理难点：紫外成像器件工作原理
教学内容	10.1 紫外光的特性紫外光分四个波段：极远紫外、远紫外、中紫外和近紫外。夜天光包含有可见光成份、丰富的近红外辐射和紫外光等。在自然界中，太阳是最强烈的紫外光辐射源. 采用紫外波谱工作的好处是：在此波段自然界很少有产生虚假信号的辐射源，因此检测到的大量信号都是人为产生的。这样就减轻了信号处理的负担，减少了必须处理的检测目标数量。紫外检测的难点是得到所需的滤波特征传感器，该传感器必须对无用波长强力衰减，衰减因子达15个数量级，并且必须在10nm内完成从通带(passband)到阻带(stopband)的转换。大气对紫外光的吸收：通常，大气对中紫外辐射产生影响的主要因素有四种：O3的吸收、O2的吸收、瑞利散射、溶胶散射和吸收。 10. 2 紫外成像器件概述有真空型的像增强器和固体成像器件。紫外成像增强器:自80年代以来，成为一种新型的高性能光电探测器，为导弹羽烟紫外辐射的探测提供了一种先进的探测器。与传统的像管结构相比，微通道板(MCP)结构的像增强器有响应速度快、优越的抗磁场干扰能力、结构紧凑、体积小、质量轻等优点，图像读出方便，实现了紫外探测成像，获得了高分辨率、高灵敏度的优点。紫外像增强器的光谱响应主要取决于光电阴极的材料。固体紫外成像器件: 具有高可靠性、高效率、快速响应、长寿命、全固体化、体积小等优点，在宇宙飞船、火箭羽烟探测、大气探测、飞机尾焰探测、火灾等领域内发挥重大作用。 10.3 紫外像增强器紫外像增强器的结构与微光像增强器相似，主要有两种型号，近贴型和倒像管。与微光像增强器相比，差别主要在于光电阴极的不同。 1.输入窗口：阴极输入窗口选用石英玻璃满足日盲型紫外像增强器光谱响应及其它方面要求。 2．紫外阴极:碲化铯阴极是一种正电子亲和势阴极，其禁带宽度为Eg=3.3eV,电子亲和势为EA=0.2eV，发生电子发射的能量为Eg+EA。利用光电发射定律的公式，可得其阈值波长为350nm。为了防止光电子与价键上的电子发生碰撞电子而产生二次电子-空穴对，需要比较大的禁带宽度。
课程思政	紫外探测器在军事上的应用开展爱国主义教育、法治教育、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授
作业与思考题设置	查找紫外成像器应用资料。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	10.4 GaN的性质 10.5 GaN和GaAIN材料的生长技术 10.6器件的制作 10.7紫外成像器件的基本结构	课次	第18讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握GaN的性质和生长技术 2 了解紫外成像器件的基本结构
本单元重点与难点内容	重点：紫外成像器件的基本结构难点：GaN和GaAIN材料的生长技术
教学内容	10.4 GaN的性质与成熟的半导体材料Si相比，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料普遍具有耐高温、低介电常数、耐腐蚀、抗辐射等优良特性，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的器件。在这些材料中，GaN和AlGaN材料的表现尤为突出。AlxGa1-xN化合物材料半导体具有从3.4（x=0）到6.2电子伏特(x=1)的直接带隙宽度，因此它们是最适合用来制作紫外光探测器和可见光盲探测器。它的宽直接带隙使它成为许多探测器应用领域的理想选择。而GaN是一种宽禁带的直接带隙半导体，由此种材料制成的探测器对能量大于3.4eV的光子有很大的响应度，并且使用它作为缓冲层可以在蓝宝石衬底上生长高质量的AlxGa1-xN化合物层，应用前景不可估量。使用AlxGa1-xN材料可以制作多种类型的探测器，比如光电导型、肖特基型光生伏特型、p-n结型和p-i-n型、金属-半导体-金属（MSM）型等。其中，MSM型结构因为制作工艺和结构简单，不需要进行p型沉积，成为制作短波光探测器件极具吸引力的材料。并且，MSM结构容易做成欧姆接触，噪音低而且更加灵敏，工作也服从光生伏特学。 10.5 GaN和GaAIN材料的生长技术分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,缩写MBE)是制备半导体多层超薄单晶薄膜的外延技术，现己扩展到金属、绝缘介质等多种材料体系，成为现代外延生长技术的重要组成部分，对当今微电子、光电子技术的发展起着重要的推动作用。目前，生长GaN类材料的分子束外延技术有两种方法:气源分子束外延(GSMBE)和金属有机分子束外延(MOMBE)。 10.6器件的制作 p-i-n器件受材料性能质量影响较大，对材料制备要求高。金属／半导体接触的欧姆接触质量对器件性能也有重要影响，特别是对p型(A1)GaN，需要沉积高功函数金属，低接触电阻的欧姆接触制备比较困难。肖特基势垒和MSM结构制造相对简单，以真空沉积和光刻工艺为基础的肖特基势垒和欧姆接触制备是关键，不同的表面预处理、沉积条件和退火工艺，对肖特基、欧姆特性有极大的影响，可以根据不同的应用场合及工艺实际情况，对器件结构进行合理的选择。 10.7紫外成像器件的基本结构 GaN基紫外探测器的结构主要有光电导型、光伏型；光伏型中又分p-n结型、p-i-n型、肖特基结型、MSM型、异质结型等。在蓝宝石基底上制造的GaN p-i-n紫外探测器展现了良好的特性。光从p型(p—GaN）侧入射，调整其厚度使光在p型层被完全吸收，或者在p层和i型层两层中被完全吸收。 p、i、n层的厚度选择各有所不同，典型的为0.5～1m厚的n-GaN:Si层；为使p-i-n器件具有高的时间响应速度，其结构设计应尽量使光在耗尽区吸收, p层的厚度要较小。在不是太高的偏压下，随反向偏压的增加，不仅响应率提高，而且响应速度也提高，这是因为随偏压增加，耗尽区加宽，降低了结电容，因而有较小的RC时间常数，小的可达12ns。
课程思政	紫外探测器新材料新技术开展爱国主义教育、创新精神教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授提问：GaN基紫外探测器的结构主要由哪些类型？
作业与思考题设置	调研GaN等新一代材料的研究现状。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	第十一章X射线探测与成像器件 11.1 X射线的特性 11.2 X射线探测与成像器件的分类 11.3 X射线成像器件系统的性能指标 11.4 CsI/MCP反射式X射线光电阴极	课次	第19讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握X射线成像器件工作原理和结构 2 熟悉X射线成像器件系统的性能指标 3 了解X射线成像器件的应用
本单元重点与难点内容	重点： X射线成像器件工作原理和结构难点： X射线成像器件工作原理
教学内容	伦琴在1895年研究真空管高压放电时发现了X射线：波长短，光子能量大，透过能力强。 X射线的本质与可见光、红外光、紫外光以及宇宙射线完全相同，均属于电磁幅射，具有波粒二象性。 11.1 X射线的特性 X射线源有天然和人造两种。星体、放射性同位素等辐射X射线，属于天然X 射线源。人造X射线管阴极灯丝发射的电子打在阳极靶上，阳极靶与灯丝阴极之间加了高电压U，到达靶上的高能电子与靶原子原子核造成多次碰撞，逐步释放能量的同时产生一系列能量为h的光子序列，形成连续X射线谱，同时也会产生特征X射线。物质对X射线吸收和透过的规律可知：被透视的物体因其各处有不同的组分、或同一组分有不同的厚度，或有不同的物理状态，这样，就会对输入的二维均匀分布的X射线辐射强度进行相应的空间调制，进而经探测器，获得一幅与被透视物体各点透过率呈特定关系的人眼可见二维空间图像。 11.2 X射线探测与成像器件的分类 X射线探测与成像器件按X光的转换方式，主要有四种：X射线胶片法、X射线光致荧光屏、像增强器成像、直接数字化成像。 X射线胶片成像法:以X射线胶片为影像载体。这类X射线的胶片依据是X射线致化学反应，通过曝光、显影、定影，形成一负胶片。 X线荧光转换屏（增感屏）由输入窗基底/反光金属膜/X线荧光粉/含铅的透光玻璃等层组成。 X射线影像增强器成像法:利用X射线光电阴极，X射线激发光电子，然后将光电子像增强转换成可见光图像,再通过光学系统将光学图像耦合到电视摄像机上形成可实时观看的视频信号。 11.3 X射线成像器件系统的性能指标可以用多项技术性能指标来评价X射线成像器件和系统的质量特性，例如输出亮度、分辨率、调制传递函数、灵敏度、最高承受电压、系统的稳定性、系统的连续工作时间、图像的采集和图像处理速度、检测效率、图像一次性检测范围（长度×宽度）、图像的动态范围、系统抗干扰性、系统的工作寿命、系统的价格性能比等多项指标。 11.4 CsI/MCP反射式X射线光电阴极 X射线激发二次电子发射是阴极电流的主要来源，占99%以上。作为光电阴极有很多特殊的要求，只有某些材料适合做，如CsI等。 X射线像增强器的X射线阴极一般分为:透射式（入射窗／阴极材料），反射式（阴极材料／MCP）两种。
课程思政	CT技术应用开展道德教育、科学态度和素养教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授提问：利用CT技术做健康检查时对人体有什么不利影响？
作业与思考题设置	了解X射线像增强器的实际应用。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等
备注

分课时教案

知识单元名称	11.5 窗材料/阴极透射式X光阴极 11.6 X射线像增强器 11.7 X射线影像光电二极管 11.8 直接数字X射线影像器件	课次	第20讲
授课类型	理论课■讨论课□实验课□习题课□其他□	学时	2
课程目标与要求	1 掌握X射线像增强器工作原理和结构 2 熟悉X射线影像光电二极管特性 3直接数字X射线影像技术
本单元重点与难点内容	重点： X射线像增强器工作原理和结构难点：直接数字X射线影像技术
教学内容	11.5 窗材料/阴极透射式X光阴极将阴极材料做在窗材料上，就构成了透射式X射线阴极，其工作原理类似反射式阴极。其工作原理与反射式阴极类似，区别点在于：（1）X射线照射透射式X射线阴极时，一次电子所激发的二次电子从阴极后界面逸入真空。（2）X射线阴极后续有加速电场，以提供阴极二次电子从真空界面逸出的能量。（3）透射式阴极通常在靠近基底处是致密层，在致密层上有一层疏松层，以提高二次电子的逸出深度和逸出概率。 11.6 X射线像增强器 11.6.1 X射线像增强器的基本结构由于在许多应用中，往往需要减少X射线的剂量，这就必须将X射线图像增强。鉴于目前的技术水平，还不能将X射线直接放大或成像，因此要采用变换增强的方法。第一代X光像增强器出现于20世纪50年代，它实际就是一个真空光电成像器件。它的原理是通过转化屏把X光图像转化成可见光图像，可见光照在光电阴极上，光电阴极把可见光图像转化成光电子图像，最后通过加速电场加速电子轰击显示荧光屏，把光电子图像转化为高亮度可见光图像。因此该法是将荧光转换屏发光的方法与光电发射方法结合起来。结构需要重点考虑两个问题：一是荧光粉与光电阴极的光谱匹配；二是为防止光电阴极与荧光粉之间的相互作用而选择的隔离膜材料。荧光转换屏的任务是将X射线图像转换为可见光图像，并进而激发光电阴极发射电子，因此要求荧光材料对X射线具有较高的转换效率，同时在光谱特性上又与光电阴极有良好的匹配。最初的荧光粉是（ZnS）Cd，后来，CsI荧光粉材料代替了原来的荧光粉，它的X光转换效率和空间分辨率都明显提高了。X射线增强管的光电阴极多采用Cs3Sb的S- 11阴极。 11.7 X射线影像光电二极管 X射线影像光电二极管阵列成像器件组成：射线接收器，包含有闪烁晶体屏（或等）、大面积非晶硅传感器阵列及读出电路等。利用碘化铯（CsI）的特性，将入射X光子转换成可见光，再由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为电信号，通过外围电路检出及A/D转换，获得数字化图像。每个探测单元包括一个非晶硅光电二极管和起开关作用的场效应管。光电积累时，场效应管关闭，给光电二极管一个外部反向偏置电压，通过闪烁的可见光产生的电荷聚集在二极管上。 11.8 直接数字X射线影像器件动态成像的直接转换探测器的结构利用直接转换平面探测器来获得动态图像，是通过将穿过人体或物体的X–射线直接转换成电信号以产生完全的数字动态和静态图像。该探测器由四部分组成：一个X–射线转换单元、一个探测器元阵列单元、一个高速信号形成单元和一个数字图像转换单元。 X–射线转换单元中，非晶态的硒被用作光电材料，将X–射线转换成电信号。当X–射线照射到一层非晶态硒上时，便产生正负电荷，其数量正比于X–射线的照射量，X–射线的照射量又与光子的传导率有关。接上几千伏的电压，产生的电荷就会沿着电场方向移动并作为光电流被储存起来，而不是通过探测器元阵列散射或消失。
课程思政	X射线探测新材料新技术开展爱国主义教育、科学态度和素养教育。
教学过程设计：教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等	讲授分组讨论：X射线影像光电二极管的使用对于X涉嫌的探测有何影响？
作业与思考题设置	了解直接数字X射线影像器件。
学习效果、学生反馈、反思改进措施等	需要鼓励部分学生讨论积极性。
备注