光輻射的量物體的熱輻射半導(dǎo)體對光的吸收光電效應(yīng)光電探測器的特性參量-光電檢測基礎(chǔ)知識課件

光電檢測的最基本理論:光是電磁波,具有波粒二象性。光的本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱為光量子或光子。光子具有動(dòng)量p與能量E=hv。式中,h為普朗克常數(shù)（6.626×10-34J·s）；v為光的振動(dòng)頻率(s-1)；c為光在真空中的傳播速度（3×108m·s-1）。光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時(shí)引起的光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)又充分證明了光的量子性。

光輻射：第1頁/共62頁光電檢測的最基本理論:光是電磁波,具有波粒二象性。光輻射1

圖1為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定義（稱為電磁波譜）。電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無線電波（102～1025Hz）的寬闊頻域。光輻射僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長區(qū)域從幾納米到幾毫米，即10-9～10-3m的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的視覺感，故稱這部分光為可見光。紅外紫外可見光10156182191210101010101010324f/Hz圖1電磁輻射光譜的分布X射線Γ射線近紅外遠(yuǎn)紅外電磁波第2頁/共62頁圖1為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定2光輻射的度量

光輻射的度量方法有兩種:一種是客觀的度量方法,研究各種電磁輻射的傳播和量度,稱為輻射度學(xué)參量.適用于整個(gè)電磁譜區(qū).另一種是主觀的計(jì)量方法,以人眼見到的光對大腦的刺激程度來對光進(jìn)行計(jì)量的方法,稱為光度學(xué)參量.適用于可見光譜區(qū).

人眼對不同波長的輻射能有不同的靈敏度,不同波長的可見光即使輻射功率相同,引起的視覺感受強(qiáng)度不同.

為了區(qū)分,輻射度和光度學(xué)量分別加角標(biāo)”e”和“v”表示.第3頁/共62頁光輻射的度量光輻射的度量方法有兩種:一種是客觀的度3光通量：從數(shù)量上描述電磁輻射對視覺的刺激強(qiáng)度；單位時(shí)間內(nèi)，人眼所感受到的光能。與輻射波長及人眼的視見函數(shù)有關(guān)。

以符號Φv表示，

Φv的計(jì)量單位為流(明)（lm）。(1)輻（射）通量和光通量輻（射）通量：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能。又稱輻（射）功率。以符號Φe表示，其計(jì)量單位為瓦（W）。

顯然，輻（射）通量對時(shí)間的積分稱為輻（射）能，而光通量對時(shí)間的積分稱為光能。第4頁/共62頁光通量：從數(shù)量上描述電磁輻射對視覺的刺激強(qiáng)度；單位時(shí)間內(nèi)，人4(2)輻(射)出(射)度和光出(射)度

（1）Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為（2）

對有限大小面積A的面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，定義為輻(射)出(射)度Me，即第5頁/共62頁(2)輻(射)出(射)度和光出(射)度（1）Me的計(jì)量單位5

對于可見光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dΦv、與面元面積dA之比稱為光出(射)度Mv，即

（3）其計(jì)量單位為勒(克司)[lx]或[lm/m2]。

對均勻發(fā)射輻射的面光源有

（4）由式（3），面光源向半球面空間發(fā)射的總光通量為（5）第6頁/共62頁對于可見光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空6(3)輻(射)強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度

對點(diǎn)光源在給定方向的立體角元dΩ內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe，與該方向立體角元dΩ之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即

輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度

[W／sr]。

點(diǎn)光源在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的輻通量為

各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為

（6）（7）（8）第7頁/共62頁(3)輻(射)強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度（6）（7）（8）第7頁/共7對可見光定義發(fā)光強(qiáng)度為對各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為

一般點(diǎn)光源是各向異性的，其發(fā)光強(qiáng)度分布隨方向而異。

（9）（10）第8頁/共62頁對可見光定義發(fā)光強(qiáng)度為（9）（10）第8頁/共62頁8

發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎[cd]。1979年第十六屆國際計(jì)量大會(huì)通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉[cd]。

由式（9），對發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源，向給定方向1球面度(sr)內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（lm）。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。第9頁/共62頁發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎[cd9(4)輻(射)亮度和亮度

光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，即

式中，θ為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2）]。（11）第10頁/共62頁(4)輻(射)亮度和亮度（11）第10頁/共62頁10

對可見光，亮度Lv定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即

Lv的計(jì)量單位是坎德拉每平方米[cd／m2]。（12）第11頁/共62頁對可見光，亮度Lv定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向11(5)輻照度與照度

輻照度Ee是照射到物體(或接收器)表面某一點(diǎn)處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，即Ee的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。（13）第12頁/共62頁(5)輻照度與照度（13）第12頁/共62頁12若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（13）簡化為注意，不要把輻照度Ee與輻出度Me混淆起來。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。

被測物光學(xué)系統(tǒng)2CCD2光學(xué)系統(tǒng)1重疊部分(14)第13頁/共62頁若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（13）簡化為被測物13本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則光譜輻出度Mer（λ）（r

代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度Ee（λ）的關(guān)系為式中,ρe（λ）為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。對式（15）的波長積分，得到反射體的輻出度

(16)

(15)第14頁/共62頁本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反14

對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元面積dA稱為光照度Ev，即（17）Ev的計(jì)量單位是勒（克司）[lx]。

對接收光的反射體，同樣有

（18）（19）式中，ρv（λ）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。

第15頁/共62頁對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元15輻射度量和光度量的對照表輻射度量符號單位光度量符號單位輻射能光能輻射通量或輻射功率光通量輻射照度光照度輻射出度光出射度輻射強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度輻射亮度光亮度光譜光視效率第16頁/共62頁輻射度量和光度量的對照表輻射度量符號單位光度量符號單位輻射能16光學(xué)系統(tǒng)CCD2

輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對光輻射進(jìn)行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見光譜區(qū)）經(jīng)常相互使用，它們之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系；有些光電傳感器件采用光度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)。因此,掌握了它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對用不同度量參數(shù)標(biāo)定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進(jìn)行比較。輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系第17頁/共62頁光學(xué)系統(tǒng)CCD2輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對光輻17用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波長0.555μm處的光譜輻射亮度Le,λm小于其它波長的光譜輻亮度Le,λ。把波長=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λm被其它波長的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的明視覺光譜光視效率V（λ），即

（20）

人眼的視覺靈敏度第18頁/共62頁用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺18如圖所示為人眼的光譜光視效率V（λ)。它為與波長有關(guān)的相對值。

第19頁/共62頁如圖所示為人眼的光譜光視效率V（λ)。第19頁/共62頁19

輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系：（21）式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。

V（λ)為人眼的光譜光視效率。第20頁/共62頁輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系：（21）式中，Km為人眼的明視20例:已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？解

He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，根據(jù)式（21）可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ

=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)第21頁/共62頁例:已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的212.物體熱輻射

物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。

熱輻射:輻射是溫度的函數(shù)，發(fā)射連續(xù)光譜。如，太陽，鎢絲白熾燈等，為熱輻射體。

發(fā)光：靠外部能量激發(fā)的輻射，主要為線光譜或帶光譜。如，電致發(fā)光，光致發(fā)光，化學(xué)發(fā)光等。

(1)黑體

黑體:能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長的輻射，并且在每一個(gè)方向都能最大可能地發(fā)射任意波長輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)為1，發(fā)射系數(shù)也為1。

第22頁/共62頁2.物體熱輻射物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。第2222(2)普朗克輻射定律

黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射度Me,s,λ（角標(biāo)“s”表示黑體）由普朗克公式表示為

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；T為絕對溫度；c為真空中的光速。

（22）第23頁/共62頁(2)普朗克輻射定律黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射23

黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻強(qiáng)度Ie,s,λ分別為（23）第24頁/共62頁黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻24

圖1-2繪出了不同溫度下，黑體輻射的相對光譜輻亮度Le,s,λr與波長的關(guān)系曲線。圖中每一條曲線都有一個(gè)最大值，最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動(dòng)。

第25頁/共62頁圖1-2繪出了不同溫度下，黑體輻射的相對光譜輻亮度25

將式（22）對波長λ求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度

（24）式中，σ是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q定

黑體發(fā)射的總輻射出射度Me,s與T的四次方成正比。(3)斯忒藩-波爾茲曼定律第26頁/共62頁將式（22）對波長λ求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度26

將普朗克公式（22）對波長λ求微分后令其等于0，則可以得到峰值光譜輻射出射度所對應(yīng)的波長λm與絕對溫度T的關(guān)系為

(μm)

（25）

可見，峰值光譜輻出度對應(yīng)的波長與絕對溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值光譜輻射出射度對應(yīng)的波長向短波方向位移，這就是維恩位移定律。

(4)維恩位移定律第27頁/共62頁將普朗克公式（22）對波長λ求微分后令其等于0，則可27（5）輻射體的溫度表示

絕大多數(shù)輻射體是非黑體：灰體（發(fā)射率小于1）和選擇性輻射體（光譜發(fā)射率是波長的函數(shù)）。

熱輻射體可用三種溫度來標(biāo)測：輻射溫度，色溫和亮溫度。輻射溫度Te：當(dāng)熱輻射體的總輻射通量與黑體的總輻射通量相等時(shí),以黑體的溫度標(biāo)度熱輻射體的溫度，即為輻射溫度。色溫Tf：當(dāng)熱輻射體在可見區(qū)發(fā)射的光譜輻射分布與黑體的相同時(shí)，以黑體的溫度標(biāo)度熱輻射體的溫度，稱為熱輻射體的色溫。亮溫度Tv：當(dāng)熱輻射體在可見區(qū)某一波長的輻亮度與黑體的相等時(shí)，以黑體的溫度標(biāo)度熱輻射體的溫度，稱為亮溫度。

三種溫度標(biāo)測中，色溫與實(shí)際溫度的偏差最小，亮溫度次之，輻射溫度偏差最大。因此，通常測量色溫來代表熾熱物體的溫度。第28頁/共62頁（5）輻射體的溫度表示絕大多數(shù)輻射體是非黑體：灰體283.半導(dǎo)體對光的吸收

本征吸收:

在不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時(shí)，半導(dǎo)體中的電子基本上處于價(jià)帶中，導(dǎo)帶中的電子很少。當(dāng)光入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，原子外層價(jià)電子吸收足夠的光子能量，越過禁帶，進(jìn)入導(dǎo)帶，成為可以自由運(yùn)動(dòng)的自由電子。同時(shí)，在價(jià)帶中留下一個(gè)自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴對。如圖1-9所示，半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征吸收。

第29頁/共62頁3.半導(dǎo)體對光的吸收本征吸收:第29頁/共62頁29顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，才能使價(jià)帶EV上的電子吸收足夠的能量躍入到導(dǎo)帶底能級EC之上，即由此，可以得到發(fā)生本征吸收的光波長波限

（32）（33）只有波長短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

第30頁/共62頁顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度E30雜質(zhì)吸收:

N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ΔED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級（施主能級）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。

同樣，P型半導(dǎo)體中，價(jià)帶上的電子吸收了能量hv大于ΔEA（受主電離能）的光子后，價(jià)電子躍入受主能級，價(jià)帶上留下空穴。相當(dāng)于受主能級上的空穴吸收光子能量躍入價(jià)帶。

第31頁/共62頁雜質(zhì)吸收:N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（31這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸收。

顯然，雜質(zhì)吸收的長波限

（34）（35）由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，雜質(zhì)吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質(zhì)吸收會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會(huì)引起光電效應(yīng)。

第32頁/共62頁這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸32

激子吸收

當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時(shí)，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

第33頁/共62頁激子吸收當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于E33自由載流子吸收

對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高時(shí)，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時(shí)，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長增大而增強(qiáng)。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

第34頁/共62頁自由載流子吸收對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率34晶格吸收

晶格原子對遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子能量的吸收直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)動(dòng)能的增加，在宏觀上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應(yīng)。其他吸收都程度不同地把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運(yùn)動(dòng)的速度加快，而不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

第35頁/共62頁晶格吸收晶格原子對遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子能量的吸收直接轉(zhuǎn)354.

光電效應(yīng)

光電效應(yīng)分兩類:內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng):被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。

內(nèi)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)

和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng):被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象。本節(jié)主要討論內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)的基本原理。

第36頁/共62頁4.光電效應(yīng)光電效應(yīng)分兩類:內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)36(1)內(nèi)光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)包括:本征光電導(dǎo)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng).

本征光電導(dǎo)效應(yīng):在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：

雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng):在光的作用下由雜質(zhì)吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象。條件：或

第37頁/共62頁(1)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)包括:本征37

能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光電導(dǎo)體。

通量為Φe,λ的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導(dǎo)體上，波長λ的單色輻射全部被吸收。自由載流子的濃度發(fā)生變化，引起材料電導(dǎo)率的增加。

當(dāng)外加偏置電路時(shí)，其兩端的電壓或流過的電流相應(yīng)變化，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)參量，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。第38頁/共62頁能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光電導(dǎo)體。當(dāng)外38（1）在微弱輻射作用下（光生載流子濃度Δn遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度Δp遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃度pi）：光電導(dǎo)材料的電導(dǎo)g與入射輻射通量Φe,λ的關(guān)系：

半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)g與入射輻射通量成線性關(guān)系。光電導(dǎo)靈敏度為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長度的平方成反比。（37）

（36）

第39頁/共62頁（1）在微弱輻射作用下（光生載流子濃度Δn遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃39(2)強(qiáng)輻射情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量間的關(guān)系為

（38）

拋物線關(guān)系。

進(jìn)行微分得

（39）

在強(qiáng)輻射作用下,半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性的。

第40頁/共62頁(2)強(qiáng)輻射情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量間40光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時(shí)，價(jià)帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，并分別向如圖1-11所示的方向運(yùn)動(dòng)，

形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。

第41頁/共62頁光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的41

半導(dǎo)體PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如圖1-12所示，當(dāng)P型與N型半導(dǎo)體形成PN結(jié)時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子要進(jìn)行相對的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，以便平衡它們的費(fèi)米能級差，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，它們具有如圖所示的同一費(fèi)米能級EF，并在結(jié)區(qū)形成由正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。第42頁/共62頁半導(dǎo)體PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如圖1-12所示，當(dāng)P型與N型半42

當(dāng)設(shè)定內(nèi)建電場的方向?yàn)殡妷号c電流的正方向時(shí)，將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL，若入射輻射通量為Φe,λ的輻射作用于PN結(jié)上，則有電流I流過負(fù)載電阻，并在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過負(fù)載電阻的電流應(yīng)為

（40）

式中，IΦ為光生電流，ID為暗電流。第43頁/共62頁當(dāng)設(shè)定內(nèi)建電場的方向?yàn)殡妷号c電流的正方向時(shí)，將PN結(jié)43

從（39）式也可以獲得IΦ的另一種定義，當(dāng)U=0（PN結(jié)被短路）時(shí)的輸出電流ISC即短路電流，并有

（41）

同樣，當(dāng)I=0時(shí)（PN結(jié)開路），PN結(jié)兩端的開路電壓UOC為

（42）

第44頁/共62頁從（39）式也可以獲得IΦ的另一種定義，當(dāng)U=0（PN44

光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為

I=IΦ+ID

（43）

光電二極管的暗電流ID一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光電流IΦ，因此，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系

（44）第45頁/共62頁光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為I=IΦ+45

丹培（Dember）效應(yīng)

如圖1-13所示，當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時(shí)，在曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下，將產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，而遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。

這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。

第46頁/共62頁丹培（Dember）效應(yīng)如圖1-13所示，當(dāng)半導(dǎo)46光磁電效應(yīng)

在半導(dǎo)體上外加磁場，磁場的方向與光照方向垂直，當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生丹培效應(yīng)時(shí)，由于電子和空穴在磁場中的運(yùn)動(dòng)必然受到洛倫茲力的作用，使它們的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，空穴向半導(dǎo)體的上方偏轉(zhuǎn)，電子偏向下方。

結(jié)果在垂直于光照方向與磁場方向的半導(dǎo)體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓，稱為光磁電場。這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的光磁電效應(yīng)。

第47頁/共62頁光磁電效應(yīng)在半導(dǎo)體上外加磁場，磁場的方向與光照方向47(2)光電發(fā)射效應(yīng)

當(dāng)物體中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為

（45）

表明，具有能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值Eth，則質(zhì)量為m的電子的初始動(dòng)能便大于0。

第48頁/共62頁(2)光電發(fā)射效應(yīng)當(dāng)物體中的電子吸收足夠高的光子能48

光電發(fā)射閾值Eth的概念是建立在材料的能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，對于金屬材料，由于它的能級結(jié)構(gòu)如圖1-15所示，導(dǎo)帶與價(jià)帶連在一起，因此，它的光電發(fā)射閾值Eth等于真空能級與費(fèi)米能級之差

（46）

一般設(shè)真空能級為參考能級為0；費(fèi)米能級為低于真空能級的負(fù)值；因此光電發(fā)射閾值Eth大于0。

第49頁/共62頁光電發(fā)射閾值Eth的概念是建立在材料的能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的49

對于半導(dǎo)體，其能級結(jié)構(gòu)不同，光電發(fā)射閾值的定義也不同。圖1-16所示為三種半導(dǎo)體的綜合能級結(jié)構(gòu)圖，由能級結(jié)構(gòu)圖可以得到處于導(dǎo)帶中的電子的光電發(fā)射閾值為

導(dǎo)帶中的電子接收的能量大于電子親合勢為EA的光子后就可以飛出半導(dǎo)體表面。

第50頁/共62頁對于半導(dǎo)體，其能級結(jié)構(gòu)不同，光電發(fā)射閾值的定義也不同。50

對于價(jià)帶中的電子，其光電發(fā)射閾值Eth為

（47）

光電發(fā)射長波限為

（48）

利用具有光電發(fā)射效應(yīng)的材料也可以制成各種光電探測器件，這些器件統(tǒng)稱為光電發(fā)射器件。

第51頁/共62頁對于價(jià)帶中的電子，其光電發(fā)射閾值Eth為（47）光電51光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點(diǎn)：

1.光電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運(yùn)動(dòng)，因此，可以通過電場加速電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，或通過電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能高速度地探測極其微弱的光信號，成為像增強(qiáng)器與變相器技術(shù)的基本元件。

2.很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電成像器件方面非常有利。一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器。

3.光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得整個(gè)探測器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造價(jià)也昂貴。

4.光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍一般不如半導(dǎo)體光電器件寬。

第52頁/共62頁光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點(diǎn)：第52頁/共62521)光電探測器的分類A.利用各種光子效應(yīng)的光子探測器B.利用溫度效應(yīng)的熱探測器5.光電探測器的特性參量

第53頁/共62頁1)光電探測器的分類A.利用各種光子效應(yīng)的光子探測器B.利53光電發(fā)射探測器:利用外光電效應(yīng),包括真空光電管,充氣光電管和光電倍增管.光電導(dǎo)探測器:利用光電導(dǎo)效應(yīng),包括光敏電阻等.光伏探測器:利用光生伏特效應(yīng),包括光電二極管,光電三極管,硅光電池,等.5.光電探測器的特性參量

1)光子探測器:特點(diǎn)：是一種選擇性探測器,即光子的波長要短于長波限.另一方面,波長短于長波限的入射輻射,當(dāng)功率一定時(shí),波長愈短,光子數(shù)就愈少,因此,理論上光子探測器的響應(yīng)率應(yīng)與波長成正比.第54頁/共62頁光電發(fā)射探測器:利用外光電效應(yīng),包括真空光電管,充氣光電管和542)熱探測器:

特點(diǎn):利用光熱效應(yīng),物質(zhì)吸收吸收光能使晶格振動(dòng)能增加,引起溫度上升,從而導(dǎo)致材料與溫度有關(guān)的某些物理性質(zhì)變化.熱效應(yīng)與入射輻射的光子的性質(zhì)無關(guān),即光電信號取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成份無關(guān),即對光輻射的響應(yīng)無波長選擇性.熱敏電阻測輻射溫差熱電偶和熱電堆熱釋電探測器熱探測器,等.第55頁/共62頁2)熱探測器:特點(diǎn):利用光熱效應(yīng),物質(zhì)吸收吸收光能使55

對于光輻射探測器的應(yīng)用,人們較關(guān)注的性能：①探測器的響應(yīng)度大小:即探測器的輸出信號值定量地表示多大的光輻射量。②對某種探測器，需要多大的輻射度量才能使探測器產(chǎn)生可區(qū)別于噪聲的信號量，即與噪聲相當(dāng)?shù)妮椛涔β蚀笮?。③探測器的光譜響應(yīng)范圍，響應(yīng)速度，線性動(dòng)態(tài)范圍等。與光輻射測量有關(guān)的還有表面響應(yīng)度的均勻性、視場角響應(yīng)特性、偏振響應(yīng)特性等。第56頁/共62頁對于光輻射探測器的應(yīng)用,人們較關(guān)注的性能：第56頁/共6562)探測器的性能參數(shù)響應(yīng)率:探測器的輸出信號電壓Vs或電流Is與入射的輻通量Φe之比，即

Sv=Vs/Φe或SI=Is/Φe光譜響應(yīng)率：光電探測器的輸出電壓或電流與入射到探測器上單色輻射通量(光通量)之比，即

Sv(λ)=Vs(λ)/Φe(λ)或SI(λ)=Is(λ)/Φe(λ)

積分響應(yīng)度不僅與探測器的光譜響應(yīng)度有關(guān)，也與入射輻射的光譜特性有關(guān)，因而，說明積分響應(yīng)度時(shí)通常要求指出測量所用的光源特性。第57頁/共62頁2)探測器的性能參數(shù)響應(yīng)率:探測器的輸出信號電壓Vs或電流I57噪聲等效功率NEP：

當(dāng)探測器輸出信號電流Is（或電壓Vs）等于噪聲的均方根電流（或電壓）時(shí)，所對應(yīng)的入射輻通量Φe稱為等效噪聲功率NEP，即信噪比等于1時(shí)所需要的最小輸入光信號的功率

用NEP描述探測器探測能力的一個(gè)不方便之處是數(shù)值越小，表示探測器的探測能力卻越強(qiáng)，相對缺乏直觀性。為此一般引入NEP的倒數(shù)——探測率D來表示探測器的探測能力

第58頁/共62頁噪聲等效功率NEP：用NEP描述探測器探測能力的一個(gè)58由于探測率與探測器面積以及測量系統(tǒng)的帶寬有關(guān)，對于比較不同類型、不同工作狀態(tài)探測器的探測性能存在不便，為此，更常用的是采用比探測率D*即用單位測量系統(tǒng)帶寬和單位探測器面積的噪聲電流來衡量探測器的探測能力。

第59頁/共62頁由于探測率與探測器面積以及測量系統(tǒng)的帶寬有關(guān)，對于比較不同類59時(shí)間響應(yīng):(a)入射光脈沖方波(b)時(shí)間常數(shù)τ:定義為當(dāng)探測器的輸出上升到穩(wěn)定值都63%所需要的時(shí)間(上升時(shí)間),或下降到穩(wěn)定值地37%所需要的時(shí)間(下降時(shí)間).(c)截止響應(yīng)頻率fc:幅頻特性下降到最大值的0.707時(shí)的調(diào)制頻率.光電探測器的頻率響應(yīng)曲線第60頁/共62頁時(shí)間響應(yīng):(a)入射光脈沖方波光電探測器的頻率響應(yīng)曲線第6060

線性:指探測器的輸出光電流或電壓與入射光的輻通量成比例的程度和范圍.與工作狀態(tài)有關(guān).光電探測器的合理選擇:

在設(shè)計(jì)光電檢測系統(tǒng)時(shí),要根據(jù)測量要求比較各種探測器的主要特性參數(shù)，選定最佳器件：根據(jù)待測光信號的大小，確定探測器能輸出多大的電信號，即探測器的動(dòng)態(tài)范圍；探測器的光譜響應(yīng)范圍是否與待測光信號的相對光譜功率分布一致，即探測器和光源的匹配；需要知道探測器的等效噪聲功率，知道所產(chǎn)生電信號的信噪比；當(dāng)測量調(diào)制或脈沖信號時(shí),要考慮探測器的響應(yīng)時(shí)間或頻率響應(yīng)范圍；測量光信號的幅值變化時(shí)，探測器輸出信號的線性程度。

此外，穩(wěn)定性、測量精測量方式等。第61頁/共62頁線性:指探測器的輸出光電流或電壓與入射光的輻通量成比例的程61感謝您的欣賞！第62頁/共62頁感謝您的欣賞！第62頁/共62頁62

光電檢測的最基本理論:光是電磁波,具有波粒二象性。光的本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱為光量子或光子。光子具有動(dòng)量p與能量E=hv。式中,h為普朗克常數(shù)（6.626×10-34J·s）；v為光的振動(dòng)頻率(s-1)；c為光在真空中的傳播速度（3×108m·s-1）。光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時(shí)引起的光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)又充分證明了光的量子性。

光輻射：第1頁/共62頁光電檢測的最基本理論:光是電磁波,具有波粒二象性。光輻射63

圖1為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定義（稱為電磁波譜）。電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無線電波（102～1025Hz）的寬闊頻域。光輻射僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長區(qū)域從幾納米到幾毫米，即10-9～10-3m的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的視覺感，故稱這部分光為可見光。紅外紫外可見光10156182191210101010101010324f/Hz圖1電磁輻射光譜的分布X射線Γ射線近紅外遠(yuǎn)紅外電磁波第2頁/共62頁圖1為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定64光輻射的度量

光輻射的度量方法有兩種:一種是客觀的度量方法,研究各種電磁輻射的傳播和量度,稱為輻射度學(xué)參量.適用于整個(gè)電磁譜區(qū).另一種是主觀的計(jì)量方法,以人眼見到的光對大腦的刺激程度來對光進(jìn)行計(jì)量的方法,稱為光度學(xué)參量.適用于可見光譜區(qū).

人眼對不同波長的輻射能有不同的靈敏度,不同波長的可見光即使輻射功率相同,引起的視覺感受強(qiáng)度不同.

為了區(qū)分,輻射度和光度學(xué)量分別加角標(biāo)”e”和“v”表示.第3頁/共62頁光輻射的度量光輻射的度量方法有兩種:一種是客觀的度65光通量：從數(shù)量上描述電磁輻射對視覺的刺激強(qiáng)度；單位時(shí)間內(nèi)，人眼所感受到的光能。與輻射波長及人眼的視見函數(shù)有關(guān)。

以符號Φv表示，

Φv的計(jì)量單位為流(明)（lm）。(1)輻（射）通量和光通量輻（射）通量：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能。又稱輻（射）功率。以符號Φe表示，其計(jì)量單位為瓦（W）。

顯然，輻（射）通量對時(shí)間的積分稱為輻（射）能，而光通量對時(shí)間的積分稱為光能。第4頁/共62頁光通量：從數(shù)量上描述電磁輻射對視覺的刺激強(qiáng)度；單位時(shí)間內(nèi)，人66(2)輻(射)出(射)度和光出(射)度

（1）Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為（2）

對有限大小面積A的面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，定義為輻(射)出(射)度Me，即第5頁/共62頁(2)輻(射)出(射)度和光出(射)度（1）Me的計(jì)量單位67

對于可見光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dΦv、與面元面積dA之比稱為光出(射)度Mv，即

（3）其計(jì)量單位為勒(克司)[lx]或[lm/m2]。

對均勻發(fā)射輻射的面光源有

（4）由式（3），面光源向半球面空間發(fā)射的總光通量為（5）第6頁/共62頁對于可見光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空68(3)輻(射)強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度

對點(diǎn)光源在給定方向的立體角元dΩ內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe，與該方向立體角元dΩ之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即

輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度

[W／sr]。

點(diǎn)光源在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的輻通量為

各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為

（6）（7）（8）第7頁/共62頁(3)輻(射)強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度（6）（7）（8）第7頁/共69對可見光定義發(fā)光強(qiáng)度為對各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為

一般點(diǎn)光源是各向異性的，其發(fā)光強(qiáng)度分布隨方向而異。

（9）（10）第8頁/共62頁對可見光定義發(fā)光強(qiáng)度為（9）（10）第8頁/共62頁70

發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎[cd]。1979年第十六屆國際計(jì)量大會(huì)通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉[cd]。

由式（9），對發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源，向給定方向1球面度(sr)內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（lm）。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。第9頁/共62頁發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎[cd71(4)輻(射)亮度和亮度

光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，即

式中，θ為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2）]。（11）第10頁/共62頁(4)輻(射)亮度和亮度（11）第10頁/共62頁72

對可見光，亮度Lv定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即

Lv的計(jì)量單位是坎德拉每平方米[cd／m2]。（12）第11頁/共62頁對可見光，亮度Lv定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向73(5)輻照度與照度

輻照度Ee是照射到物體(或接收器)表面某一點(diǎn)處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，即Ee的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。（13）第12頁/共62頁(5)輻照度與照度（13）第12頁/共62頁74若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（13）簡化為注意，不要把輻照度Ee與輻出度Me混淆起來。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。

被測物光學(xué)系統(tǒng)2CCD2光學(xué)系統(tǒng)1重疊部分(14)第13頁/共62頁若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（13）簡化為被測物75本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則光譜輻出度Mer（λ）（r

代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度Ee（λ）的關(guān)系為式中,ρe（λ）為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。對式（15）的波長積分，得到反射體的輻出度

(16)

(15)第14頁/共62頁本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反76

對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元面積dA稱為光照度Ev，即（17）Ev的計(jì)量單位是勒（克司）[lx]。

對接收光的反射體，同樣有

（18）（19）式中，ρv（λ）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。

第15頁/共62頁對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元77輻射度量和光度量的對照表輻射度量符號單位光度量符號單位輻射能光能輻射通量或輻射功率光通量輻射照度光照度輻射出度光出射度輻射強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度輻射亮度光亮度光譜光視效率第16頁/共62頁輻射度量和光度量的對照表輻射度量符號單位光度量符號單位輻射能78光學(xué)系統(tǒng)CCD2

輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對光輻射進(jìn)行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見光譜區(qū)）經(jīng)常相互使用，它們之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系；有些光電傳感器件采用光度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)。因此,掌握了它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對用不同度量參數(shù)標(biāo)定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進(jìn)行比較。輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系第17頁/共62頁光學(xué)系統(tǒng)CCD2輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對光輻79用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波長0.555μm處的光譜輻射亮度Le,λm小于其它波長的光譜輻亮度Le,λ。把波長=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λm被其它波長的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的明視覺光譜光視效率V（λ），即

（20）

人眼的視覺靈敏度第18頁/共62頁用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺80如圖所示為人眼的光譜光視效率V（λ)。它為與波長有關(guān)的相對值。

第19頁/共62頁如圖所示為人眼的光譜光視效率V（λ)。第19頁/共62頁81

輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系：（21）式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。

V（λ)為人眼的光譜光視效率。第20頁/共62頁輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系：（21）式中，Km為人眼的明視82例:已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？解

He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，根據(jù)式（21）可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ

=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)第21頁/共62頁例:已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的832.物體熱輻射

物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。

熱輻射:輻射是溫度的函數(shù)，發(fā)射連續(xù)光譜。如，太陽，鎢絲白熾燈等，為熱輻射體。

發(fā)光：靠外部能量激發(fā)的輻射，主要為線光譜或帶光譜。如，電致發(fā)光，光致發(fā)光，化學(xué)發(fā)光等。

(1)黑體

黑體:能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長的輻射，并且在每一個(gè)方向都能最大可能地發(fā)射任意波長輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)為1，發(fā)射系數(shù)也為1。

第22頁/共62頁2.物體熱輻射物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。第2284(2)普朗克輻射定律

黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射度Me,s,λ（角標(biāo)“s”表示黑體）由普朗克公式表示為

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；T為絕對溫度；c為真空中的光速。

（22）第23頁/共62頁(2)普朗克輻射定律黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射85

黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻強(qiáng)度Ie,s,λ分別為（23）第24頁/共62頁黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻86

圖1-2繪出了不同溫度下，黑體輻射的相對光譜輻亮度Le,s,λr與波長的關(guān)系曲線。圖中每一條曲線都有一個(gè)最大值，最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動(dòng)。

第25頁/共62頁圖1-2繪出了不同溫度下，黑體輻射的相對光譜輻亮度87

將式（22）對波長λ求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度

（24）式中，σ是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q定

黑體發(fā)射的總輻射出射度Me,s與T的四次方成正比。(3)斯忒藩-波爾茲曼定律第26頁/共62頁將式（22）對波長λ求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度88

將普朗克公式（22）對波長λ求微分后令其等于0，則可以得到峰值光譜輻射出射度所對應(yīng)的波長λm與絕對溫度T的關(guān)系為

(μm)

（25）

可見，峰值光譜輻出度對應(yīng)的波長與絕對溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值光譜輻射出射度對應(yīng)的波長向短波方向位移，這就是維恩位移定律。

(4)維恩位移定律第27頁/共62頁將普朗克公式（22）對波長λ求微分后令其等于0，則可89（5）輻射體的溫度表示

絕大多數(shù)輻射體是非黑體：灰體（發(fā)射率小于1）和選擇性輻射體（光譜發(fā)射率是波長的函數(shù)）。

熱輻射體可用三種溫度來標(biāo)測：輻射溫度，色溫和亮溫度。輻射溫度Te：當(dāng)熱輻射體的總輻射通量與黑體的總輻射通量相等時(shí),以黑體的溫度標(biāo)度熱輻射體的溫度，即為輻射溫度。色溫Tf：當(dāng)熱輻射體在可見區(qū)發(fā)射的光譜輻射分布與黑體的相同時(shí)，以黑體的溫度標(biāo)度熱輻射體的溫度，稱為熱輻射體的色溫。亮溫度Tv：當(dāng)熱輻射體在可見區(qū)某一波長的輻亮度與黑體的相等時(shí)，以黑體的溫度標(biāo)度熱輻射體的溫度，稱為亮溫度。

三種溫度標(biāo)測中，色溫與實(shí)際溫度的偏差最小，亮溫度次之，輻射溫度偏差最大。因此，通常測量色溫來代表熾熱物體的溫度。第28頁/共62頁（5）輻射體的溫度表示絕大多數(shù)輻射體是非黑體：灰體903.半導(dǎo)體對光的吸收

本征吸收:

在不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時(shí)，半導(dǎo)體中的電子基本上處于價(jià)帶中，導(dǎo)帶中的電子很少。當(dāng)光入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，原子外層價(jià)電子吸收足夠的光子能量，越過禁帶，進(jìn)入導(dǎo)帶，成為可以自由運(yùn)動(dòng)的自由電子。同時(shí)，在價(jià)帶中留下一個(gè)自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴對。如圖1-9所示，半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征吸收。

第29頁/共62頁3.半導(dǎo)體對光的吸收本征吸收:第29頁/共62頁91顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，才能使價(jià)帶EV上的電子吸收足夠的能量躍入到導(dǎo)帶底能級EC之上，即由此，可以得到發(fā)生本征吸收的光波長波限

（32）（33）只有波長短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

第30頁/共62頁顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度E92雜質(zhì)吸收:

N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ΔED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級（施主能級）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。

同樣，P型半導(dǎo)體中，價(jià)帶上的電子吸收了能量hv大于ΔEA（受主電離能）的光子后，價(jià)電子躍入受主能級，價(jià)帶上留下空穴。相當(dāng)于受主能級上的空穴吸收光子能量躍入價(jià)帶。

第31頁/共62頁雜質(zhì)吸收:N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（93這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸收。

顯然，雜質(zhì)吸收的長波限

（34）（35）由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，雜質(zhì)吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質(zhì)吸收會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會(huì)引起光電效應(yīng)。

第32頁/共62頁這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸94

激子吸收

當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時(shí)，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

第33頁/共62頁激子吸收當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于E95自由載流子吸收

對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高時(shí)，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時(shí)，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長增大而增強(qiáng)。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

第34頁/共62頁自由載流子吸收對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率96晶格吸收

晶格原子對遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子能量的吸收直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)動(dòng)能的增加，在宏觀上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應(yīng)。其他吸收都程度不同地把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運(yùn)動(dòng)的速度加快，而不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

第35頁/共62頁晶格吸收晶格原子對遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子能量的吸收直接轉(zhuǎn)974.

光電效應(yīng)

光電效應(yīng)分兩類:內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng):被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。

內(nèi)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)

和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng):被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象。本節(jié)主要討論內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)的基本原理。

第36頁/共62頁4.光電效應(yīng)光電效應(yīng)分兩類:內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)98(1)內(nèi)光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)包括:本征光電導(dǎo)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng).

本征光電導(dǎo)效應(yīng):在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：

雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng):在光的作用下由雜質(zhì)吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象。條件：或

第37頁/共62頁(1)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)包括:本征99

能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光電導(dǎo)體。

通量為Φe,λ的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導(dǎo)體上，波長λ的單色輻射全部被吸收。自由載流子的濃度發(fā)生變化，引起材料電導(dǎo)率的增加。

當(dāng)外加偏置電路時(shí)，其兩端的電壓或流過的電流相應(yīng)變化，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)參量，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。第38頁/共62頁能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光電導(dǎo)體。當(dāng)外100（1）在微弱輻射作用下（光生載流子濃度Δn遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度Δp遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃度pi）：光電導(dǎo)材料的電導(dǎo)g與入射輻射通量Φe,λ的關(guān)系：

半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)g與入射輻射通量成線性關(guān)系。光電導(dǎo)靈敏度為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長度的平方成反比。（37）

（36）

第39頁/共62頁（1）在微弱輻射作用下（光生載流子濃度Δn遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃101(2)強(qiáng)輻射情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量間的關(guān)系為

（38）

拋物線關(guān)系。

進(jìn)行微分得

（39）

在強(qiáng)輻射作用下,半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性的。

第40頁/共62頁(2)強(qiáng)輻射情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量間102光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時(shí)，價(jià)帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，并分別向如圖1-11所示的方向運(yùn)動(dòng)，

形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。

第41頁/共62頁光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的103

半導(dǎo)體PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如圖1-12所示，當(dāng)P型與N型半導(dǎo)體形成PN結(jié)時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子要進(jìn)行相對的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，以便平衡它們的費(fèi)米能級差，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，它們具有如圖所示的同一費(fèi)米能級EF，并在結(jié)區(qū)形成由正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。第42頁/共62頁半導(dǎo)體PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如圖1-12所示，當(dāng)P型與N型半104

當(dāng)設(shè)定內(nèi)建電場的方向?yàn)殡妷号c電流的正方向時(shí)，將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL，若入射輻射通量為Φe,λ的輻射作用于PN結(jié)上，則有電流I流過負(fù)載電阻，并在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過負(fù)載電阻的電流應(yīng)為

（40）

式中，IΦ為光生電流，ID為暗電流。第43頁/共62頁當(dāng)設(shè)定內(nèi)建電場的方向?yàn)殡妷号c電流的正方向時(shí)，將PN結(jié)105

從（39）式也可以獲得IΦ的另一種定義，當(dāng)U=0（PN結(jié)被短路）時(shí)的輸出電流ISC即短路電流，并有

（41）

同樣，當(dāng)I=0時(shí)（PN結(jié)開路），PN結(jié)兩端的開路電壓UOC為

（42）

第44頁/共62頁從（39）式也可以獲得IΦ的另一種定義，當(dāng)U=0（PN106

光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為

I=IΦ+ID

（43）

光電二極管的暗電流ID一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光電流IΦ，因此，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系

（44）第45頁/共62頁光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為I=IΦ+107

丹培（Dember）效應(yīng)

如圖1-13所示，當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時(shí)，在曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下，將產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，而遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。

這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。

第46頁/共62頁丹培（Dember）效應(yīng)如圖1-13所示，當(dāng)半導(dǎo)108光磁電效應(yīng)

在半導(dǎo)體上外加磁場，磁場的方向與光照方向垂直，當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生丹培效應(yīng)時(shí)，由于電子和空穴在磁場中的運(yùn)動(dòng)必然受到洛倫茲力的作用，使它們的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，空穴向半導(dǎo)體的上方偏轉(zhuǎn)，電子偏向下方。

結(jié)果在垂直于光照方向與磁場方向的半導(dǎo)體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓，稱為光磁電場。這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的光磁電效應(yīng)。

第47頁/共62頁光磁電效應(yīng)在半導(dǎo)體上外加磁場，磁場的方向與光照方向109(2)光電發(fā)射效應(yīng)

當(dāng)物體中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為

（45）

表明，具有能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值Eth，則質(zhì)量為m的電子的初始動(dòng)能便大于0。

第48頁/共62頁(2)光電發(fā)射效應(yīng)當(dāng)物體中的電子吸收足夠高的光子能110

光電發(fā)射閾值Eth的概念是建立在材料的能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，對于金屬材料，由于它的能級結(jié)構(gòu)如圖1-15所示，導(dǎo)帶與價(jià)帶連在一起，因此，它的光電發(fā)射閾值Eth等于真空能級與費(fèi)米能級之差

（46）

一般設(shè)真空能級為參考能級為0；費(fèi)米能級為低于真空能級的負(fù)值；因此光電發(fā)射閾值Eth大于0。

第49頁/共62頁光電發(fā)射閾值Eth的概念是建立在材料的能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的111

對于半導(dǎo)體，其能級結(jié)構(gòu)不同，光電發(fā)射閾值的定義也不同。圖1-16所示為三種半導(dǎo)體的綜合能級結(jié)構(gòu)圖，由能級結(jié)構(gòu)圖可以得到處于導(dǎo)帶中的