光電子器件的基本特性

光輻射的度量光電探測器的響應(yīng)特性光電子器件的探測率光吸收1.1光電器件的基本特性光輻射的度量

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.適用于整個電磁譜區(qū).另一種是主觀的計量方法,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,引起的視覺感受強度不同.為了區(qū)分輻射度和光度學(xué)量，在光度學(xué)量后面加分角標(biāo)Φ.光通量：從數(shù)量上描述電磁輻射對視覺的刺激強度；單位時間內(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Φ表示，

Φ的計量單位為流(明)（lm）。(1)輻（射）通量和光通量顯然，輻（射）通量對時間的積分稱為輻（射）能，而光通量對時間的積分稱為光能。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P表示，其計量單位為瓦（W）。

對點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之比定義為點光源在該方向的輻(射)強度Ie，即

輻(射)強度的計量單位為瓦（特）每球面度[W／sr]。

點光源在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的輻通量為

各向同性的點光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為

(2)輻(射)強度和發(fā)光強度對可見光定義發(fā)光強度為對各向同性的點光源向所有方向發(fā)射的總光通量為

一般點光源是各向異性的，其發(fā)光強度分布隨方向而異。

發(fā)光強度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎[cd]。1979年第十六屆國際計量大會通過決議，將坎德拉定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強度定義為一個坎德拉[cd]。對發(fā)光強度為1cd的點光源，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)光強度為1cd的點光源在整個球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。

光源表面某一點處的面元在給定方向上的輻強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的計量單位為瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2）]。

(3)輻(射)亮度和亮度

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

Lv的計量單位是坎德拉每平方米[cd／m2]。

輻照度Ee是照射到物體(或接收器)表面某一點處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，即Ee的計量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。

(4)輻照度與照度

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Ev的計量單位是勒（克司）[lx]。

光照度光學(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，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

人眼的視覺靈敏度555nm→1550nm→0.995580nm→0.870640nm→0.175

人眼的光譜光視效率V（λ)圖譜輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系：式中，Cm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。對于給定色溫的光源，K為一定值，稱為光源的視覺效能。例:已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計算其發(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)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。斯忒藩-波爾茲曼定律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)

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，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。

維恩位移定律1).光譜響應(yīng)率2.光電探測器的響應(yīng)特性光譜靈敏度符號為Rλ指的是光電器件對單色輻射通量的反應(yīng)。即在單色(波長為λ的一個很小的范圍內(nèi))輻射功率在dP作用下產(chǎn)生的信號電壓(電流)光譜響應(yīng)率隨波長分布的曲線稱為光譜響應(yīng)曲線。2).響應(yīng)率(積分響應(yīng)率)指的是光電器件對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)。即，器件輸出信號與輸入功率之比。響應(yīng)率反映了器件的靈敏程度，又稱為靈敏度或積分靈敏度。響應(yīng)率是光輻射度量學(xué)的響應(yīng)率光度響應(yīng)率光度響應(yīng)率與輻射響應(yīng)率之間的關(guān)系為：

其中，K為視覺效能

3).光釀譜響應(yīng)率漁與響應(yīng)率歷的關(guān)系定義：桿光源功行率譜密摩度：單滋位波長爐范圍內(nèi)傻的輻射除功率定義：鵲歸一化靜光源功哲率譜密菊度：單鋸位波長因范圍內(nèi)銹的輻射煙功率響應(yīng)率裹：光度響應(yīng)蹤蝶率：α稱為聾器件同潤光源的哄光譜匹史配系數(shù)著，它反斃映了器殲件響應(yīng)組波長范奪圍同光蒼源光譜瞇的吻合議程度。垃可以用板光譜響?yīng)q應(yīng)曲線擔(dān)所圍面遠(yuǎn)積形象推的表示菠為：光源固定千，面積A覆1不變，軌吻合程度原越大，面枕積A2越培大。見圖檔1-41).技最小探馬測功率到(噪聲儲等效功中率N詠EP)女：當(dāng)探測器呀輸出信號純電流Is唱（或電壓到Vs）等只于噪聲的減均方根電慈流（或電瞧壓）時，跪所對應(yīng)的療入射輻通溜量Φe稱為等效噪聲及功率NEP，即信噪比訪等于1時稻所需要的掀最小輸入木光信號的伐功率，稱下為最小探深測功率3光電軍子器件的魔探測率用NE幼P描述雜探測器借探測能江力的一丘個不方頑便之處炒是數(shù)值靜越小，同表示探康測器的矛探測能汁力卻越雁強，相春對缺乏棚直觀性秒。為此閱一般引居入NE嶺P的倒至數(shù)——探測率D來表示眼探測器杰的探測成能力由于探測耐率與探測灘器面積以堅及測量系攏統(tǒng)的帶寬繞有關(guān)，對話于比較不拐同類型、疑不同工作膝狀態(tài)探測拌器的探測寶性能存在剪不便，為診此，更常倒用的是采規(guī)用比探測穩(wěn)率D*即用單獎位測量檢系統(tǒng)帶叔寬和單拍位探測吉器面積紡的噪聲犬電流來宋衡量探較測器的慨探測能如力。4.光吸框收1).黃光吸收耐模型：交光強的邪減少量剖與入射征光強和閉厚度成賴正比樣品吸收誤的光強度漲:當(dāng)d=1燭／α?xí)r，毯約有64蛛％的光被營吸收，d當(dāng)稱為吸收慣厚度。本征吸收城:(半導(dǎo)緣瑞體光電器奔件最主要榜的光吸收早)在不考讓慮熱激市發(fā)和雜連質(zhì)的作淹用時，銅半導(dǎo)體專中的電士子基本詠上處于禁價帶中簡，導(dǎo)帶搶中的電脾子很少冬。當(dāng)光述入射到罵半導(dǎo)體撫表面時蝴，原子查外層價欺電子吸露收足夠騾的光子巡壽能量，符越過禁鼠帶，進(jìn)割入導(dǎo)帶專，成為扯可以自棒由運動笑的自由潔電子。同時，惱在價帶饅中留下賤一個自由空穴炎，產(chǎn)生電初子-空穴對。如圖1-9所示，半縱導(dǎo)體價帶電壩子吸收禍光子能梅量躍遷入導(dǎo)底帶，產(chǎn)顆生電子任空穴對的現(xiàn)脹象稱為本征吸繞收。2)半導(dǎo)到體對光的登吸收顯然，湊發(fā)生本快征吸收和的條件困是光子胡能量必臂須大于蔑半導(dǎo)體塞的禁帶叢寬度Eg，才能柿使價帶EV上的電子夠吸收足夠轉(zhuǎn)的能量躍傾入到導(dǎo)帶油底能級EC之上，即由此，可熊以得到發(fā)粥生本征吸罵收的光波長波限（32穗）（33）只有波長作短于的入軍射輻射才倚能使器件芳產(chǎn)生本征亭吸收，改涌變本征半鼻導(dǎo)體的導(dǎo)逝電特性。雜質(zhì)吸收吃:N型半導(dǎo)知體中未跡電離的排雜質(zhì)原化子（施校主原子涂）吸收涂光子能竭量hv。若hv大于等于甜施主電離碗能ΔED，雜質(zhì)原賣子的外層因電子將從躍雜質(zhì)能級殿（施主能側(cè)級）躍入縫導(dǎo)帶，成端為自由電怖子。同樣，P型半導(dǎo)體廚中，價帶疏上的電子晝吸收了能事量hv大于ΔEA（受主電掃離能）的技光子后，咱價電子躍迅入受主能黎級，價帶攀上留下空無穴。相當(dāng)貴于受主能伴級上的空蟲穴吸收光亮子能量躍特入價帶。這兩種拖雜質(zhì)半桃導(dǎo)體吸毯收足夠刑能量的代光子，葉產(chǎn)生電客離的過污程稱為雜質(zhì)吸收。顯然，方雜質(zhì)吸閘收的長乘波限由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，昂雜質(zhì)吸收蒙的長波長錯總要長于穗本征吸收蔽的長波長拌。雜質(zhì)吸驅(qū)收會改變歸半導(dǎo)體的比導(dǎo)電特性瞎，也會引啦起光電效巾應(yīng)。激子吸論收當(dāng)入射躲到本征夾半導(dǎo)體堆上的光篇子能量hv小于Eg，或入射篩到雜質(zhì)半艷導(dǎo)體上的怎光子能量hv小于雜質(zhì)繞電離能（友ΔED或ΔEA）時，電零子不產(chǎn)生治能帶間的捎躍遷成為隊自由載流擺子，仍受驗原來束縛閃電荷的約櫻束而處于穿受激狀態(tài)黃。這種處沸于受激狀例態(tài)的電子晃稱為激子。吸收梢光子能顧量產(chǎn)生匙激子的?，F(xiàn)象稱少為激子吸收。顯然拾，激子吵吸收不聞會改變湖半導(dǎo)體壺的導(dǎo)電貢特性。自由載流監(jiān)子吸收對于一般倆半導(dǎo)體材海料，當(dāng)入劑射光子的揮頻率不夠左高時，不雹足以引起或電子產(chǎn)生集能帶間的怨躍遷或形袍成激子時芒，仍然存建在著吸收嚷，而且其脂強度隨波粱長增大而抗增強。這臘是由自由胖載流子在屠同一能帶階內(nèi)的能級蜘間的躍遷應(yīng)所引起的租，稱為自由載流蟻子吸收。自由橡載