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輻射度學(xué)的基本物理量 輻射通量 e 單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射 傳播或接受的輻射能量Q 又稱輻射功率Pe 是輻射能的時間變化率 單位 瓦 定義式 輻射強(qiáng)度 e 點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量 單位W Sr 輻射亮度Le 面輻射源單位投影面積定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度 單位 W m2 Sr 輻射出射度 e 擴(kuò)展輻射源單位輻射面所輻射的通量 也稱輻射本領(lǐng) 單位 W m2 輻射照度Ee 單位受照面上接受的輻射通量 單位 W m2 光度學(xué)的基本物理量 光通量 v 單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射 傳播或接受的光能量 又稱光功率Pv 是光能的時間變化率 單位 流明 lm 發(fā)光強(qiáng)度 v 點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的光通量 單位cd 光亮度Lv 輻射表面定向發(fā)射的光強(qiáng)度 單位 cd m2 光出射度 v 面光源單位面積所輻射的光通量 也稱發(fā)光本領(lǐng) 單位 lm m2 光照度Ev 投射在單位面積上的光通量 單位 lx 1 兩者的相同點 光度量和輻射度量的定義 定義方程是一一對應(yīng)的 輻射度量和光度量都是波長的函數(shù) 2 兩者的不同點 符號不同 輻射度量下標(biāo)為e 例如Qe e Ie Me Ee 光度量下標(biāo)為v Qv v Iv Lv Mv Ev 單位不同 略 研究范圍不同 光度量只在可見光區(qū) nm 才有意義 晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外50 500lx陰天室內(nèi)5 50lx月光 滿月 2500lx日光燈5000lx電視機(jī)熒光屏100lx閱讀書刊時所需的照度50 60lx在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0 2lx黑夜0 001lx 其它基本概念 見P5 1 點源2 擴(kuò)展源 朗伯源 余弦輻射體 3 漫反射面 散射面 4 定向輻射體 激光 導(dǎo)體 半導(dǎo)體和絕緣體半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 見P8本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體平衡和非平衡載流子載流子的輸運(yùn)過程半導(dǎo)體的光吸收效應(yīng) 返回 1 自然存在的各種物質(zhì) 分為氣體 液體 固體 2 固體按導(dǎo)電能力可分為 導(dǎo)體 絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體 3 電阻率10 6 10 3歐姆 厘米范圍內(nèi) 導(dǎo)體電阻率1012歐姆 厘米以上 絕緣體電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間 半導(dǎo)體 1 半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的 而且對溫度變化非常敏感 根據(jù)這一特性 可制成熱電探測器件 2 導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化 純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5 10 6 歐姆 厘米 摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時 電導(dǎo)率為2 歐姆 厘米 3 半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光 電 磁等作用的影響 1 本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體 2 在絕對零度時 幾乎不導(dǎo)電 3 在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì) 可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì) 4 摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì) 5 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子 同時向?qū)峁╇娮?使半導(dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體 見P106 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負(fù)電的受主離子 同時向價帶提供空穴 使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體 見P10 處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體 在一定溫度下 載流子濃度一定 這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度 稱為平衡載流子濃度 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對的 有條件的 如果對半導(dǎo)體施加外界作用 破壞了熱平衡的條件 這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài) 這種處于非熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度 稱為非平衡載流子濃度 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體 其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度 比它們多出一部分 比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子 2 平衡載流子濃度 3 非平衡載流子濃度 1 非平衡載流子 非平衡載流子的產(chǎn)生 光注入 其它方法 用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子 當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時 光子就能把價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去 產(chǎn)生電子 空穴對 使導(dǎo)帶比平衡時多出一部分電子 價帶比平衡時多出一部分空穴 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度 光注入產(chǎn)生非平衡載流子 導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加 電注入 高能粒子輻照等 擴(kuò)散 漂移 復(fù)合 1 物體受光照射 一部分光被物體反射 一部分光被物體吸收 其余的光透過物體 2 吸收包括 本征吸收 雜質(zhì)吸收 自由載流子吸收 激子吸收 晶體吸收3 本征吸收 由于光子作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶4 只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時 才能發(fā)生本征激發(fā) 見P12 1 絕對黑體的概念 見P142 基爾霍夫定律3 譜朗克輻射公式4 斯忒藩 玻耳茲曼定律5 維恩位移定律 光電效應(yīng) 1 光電效應(yīng)的定義 光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子 或?qū)щ娐拾l(fā)生變化 或產(chǎn)生光電動勢等 這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng) 光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng) 2 光電效應(yīng)的分類 3 外光電效應(yīng)的定義 物體受光照后向外發(fā)射電子 多發(fā)生于金屬和金屬氧化物 又叫光電發(fā)射效應(yīng) 4 內(nèi)光電效應(yīng)的定義 物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會逸出物體外部 多發(fā)生在半導(dǎo)體 5 光熱效應(yīng)的定義 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng) 半導(dǎo)體受光照后 內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子 使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象 光生伏特效應(yīng) 光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬 半導(dǎo)體接觸上時 會在PN結(jié)或金屬 半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng) 當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射PN結(jié)時 由于內(nèi)建場的作用 不加外電場 光生電子拉向n區(qū) 光生空穴拉向p區(qū) 相當(dāng)于PN結(jié)上加一個正電壓 半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢 光生電壓 如將PN結(jié)短路 則會出現(xiàn)電流 光生電流 光熱效應(yīng) 材料受光照射后 光子能量與晶格相互作用 振動加劇 溫度升高 材料的性質(zhì)發(fā)生變化 熱釋電效應(yīng) 介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化 引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象 輻射熱計效應(yīng) 入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象 溫差電效應(yīng) 由兩種材料制成的結(jié)點出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢 回路中產(chǎn)生電流 1 光電檢測器件的分類2 光電檢測器件中的噪聲3 光電檢測器的特性參數(shù) 光電檢測器件的類型 光電檢測器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件 光電檢測器件分為兩大類 光子 光電子 檢測器件熱電檢測器件 光電檢測器件 光子 光電子 器件 熱電器件 真空器件 固體器件 光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)管 光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光纖傳感器電荷耦合器件CCD 熱電偶 熱電堆熱輻射計 熱敏電阻熱釋電探測器 光電檢測器件的特點 1 4 1 光電探測器中的噪聲從示波器中可以看到 在一定波長的光照下光電探測器輸出的光電信號并不是平直的 而是在平均值上下隨機(jī)的起伏 見下圖所示 圖中的直流信號值這種隨機(jī)的 瞬間的幅度不能預(yù)知的起伏 稱為噪聲 一般用均方噪聲電流來表示噪聲值的大小 噪聲電流的均方值代表了單位電阻上所產(chǎn)生的功率 它是確定的可測得的正值 把噪聲這個隨機(jī)時間函數(shù)進(jìn)行頻譜分析 就得到噪聲功率隨頻率變化關(guān)系 即噪聲功率譜S f S f 數(shù)值定義為頻率f的噪聲在1 電阻上所產(chǎn)生的功率 即S f 左下圖所示 根據(jù)功率譜與頻率的關(guān)系 常見噪聲分為兩種 功率譜大小與頻率無關(guān)的稱白噪聲 功率譜與f近似成反比的稱為l f噪聲 一般光電檢測系統(tǒng)的噪聲包括右上圖所示三種 1 光子噪聲包括 信號輻射產(chǎn)生的噪聲和背景輻射產(chǎn)生的噪聲 2 探測器噪聲包括 熱噪聲 散粒噪聲 產(chǎn)生 復(fù)合噪聲 1 f噪聲和溫度噪聲 3 信號放大及處理電路噪聲 噪聲在實際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的 由于噪聲總是與有用信號混在一起 因而影響對信號特別是微弱信號的正確探測 一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制 所以在精密測量 通信 自動控制等領(lǐng)域 減小和消除噪聲是十分重要的問題 光電探測器常見的噪聲 5種 熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生 復(fù)合噪聲1 f噪聲溫度噪聲 1 熱噪聲 或稱約翰遜噪聲 即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動造成的噪聲 導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動 相當(dāng)于微電脈沖 盡管其平均值為零 但瞬時電流擾動在導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生一個均方根電壓 稱為熱噪聲電壓 熱噪聲存在于任何電阻中 熱噪聲與溫度成正比 與頻率無關(guān) 熱噪聲又稱為白噪聲 因載流子熱運(yùn)動引起的電流起伏或電壓起伏稱為熱噪聲 熱噪聲均方電流和熱噪聲均方電壓分別由下式?jīng)Q定式中k是玻爾茲曼常數(shù) T是溫度 K R是器件電阻值 f為所取的通帶寬度 頻率范圍 載流子熱運(yùn)動速度取決于溫度 所以熱噪聲功率與溫度有關(guān) 在溫度一定時 熱噪聲只與電阻和通帶有關(guān) 故熱噪聲又稱白噪聲 2 散粒噪聲隨機(jī)起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲 也叫散彈噪聲 入射到光輻射探測器表面的光子是隨機(jī)起伏的 光電子從光電陰極表面的逸出的是隨機(jī)的 PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子也是隨機(jī)的 它們都是一種散粒噪聲源 散粒噪聲電流的表達(dá)式為式中 q為電子電荷 I為器件輸出平均電流 f為所取的帶寬 散粒噪聲也是與頻率無關(guān) 與帶寬有關(guān)的白噪聲 散粒噪聲是光電探測器的固有特性 對大多數(shù)光電探測器的研究表明 散粒噪聲具有支配地位 例如光伏器件的PN結(jié)勢壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因 3 產(chǎn)生 復(fù)合噪聲 半導(dǎo)體受光照 載流子不斷產(chǎn)生 復(fù)合 在平衡狀態(tài)時 在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的 載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏 產(chǎn)生 復(fù)合噪聲電流均方值式中 I為器件輸出總的平均電流 N0為總的自由載流子數(shù) 為載流子壽命 f為測量噪聲的頻率 4 1 f噪聲 閃爍噪聲或低頻噪聲 這種噪聲的功率譜近似與頻率成反比 故稱1 f噪聲 其噪聲電流的均方值近似為式中 接近于2 在0 8 1 5之間 c是比例常數(shù) c值由實驗測得 在半導(dǎo)體器件中1 f噪聲與器件表面狀態(tài)有關(guān) 多數(shù)器件的1 f噪聲在300Hz以上時已衰減到很低水平 所以頻率再高時可忽略不計 頻率越低噪聲越大 5 溫度噪聲由于器件本身溫度變化引起的噪聲稱為溫度噪聲 溫度噪聲電流的均方值為式中 Gt為器件的熱導(dǎo) Ct Gt是器件的熱時間常數(shù) Ct是器件的熱容 T是溫度 K 在低頻時 1 上式可簡化為低頻時溫度噪聲也具有白噪聲的性質(zhì) 上述各種噪聲源的功率譜分布可用下圖表示 由圖可見 在頻率很低時 l f噪聲起主導(dǎo)作用 當(dāng)頻率達(dá)到中間頻率范圍時 產(chǎn)生 復(fù)合噪聲比較顯著 當(dāng)頻率較高時 只有白噪聲占主導(dǎo)地位 其它噪聲影響很小了 五種噪聲都與 f有關(guān) f是等效噪聲帶寬 簡稱為帶寬 若光電系統(tǒng)中的放大器或網(wǎng)絡(luò)的功率增益為A f 功率增益的最大值為Am 下圖所示 則噪聲帶寬為 1 4 2 光電探測器的特性參數(shù)1 響應(yīng)率探測器的輸出信號電壓Vs或電流Is與入射的輻射通量之比 稱為電壓響應(yīng)率或電流響應(yīng)率SvSv的單位為v w SI的單位為A W 2 光譜響應(yīng)率探測器在波長為的單色光照射下 輸出的電壓Vs 或電流Is 與入射的單色輻射通量 之比稱為光譜響應(yīng)率 即Sv 或SI 隨波長的變化關(guān)系稱為探測器的光譜響應(yīng)曲線 響應(yīng)率與光譜響應(yīng)率的區(qū)別是什么 3 等效噪聲功率 NEP 如果投射到探測器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓 或電流 正好等于探測器本身的噪聲電壓 或電流 則這個輻射功率就叫做 噪聲等效功率 通常用符號 NEP 表示式中稱為信噪比 噪聲等效功率是信噪比為1的探測器探測到的最小輻射功率 其值愈小 探測器所能探測到的輻射功率愈小 探測器愈靈敏 4 探測率與比探測率 D與D 等效噪聲功率NEP與人們的習(xí)慣不一致 所以 通常用NEP的倒數(shù) 即探測率D作為探測器探測最小光信號能力的指標(biāo) 探測率D的表達(dá)式為對于探測器 D越大越好 比探測率又稱歸一化探測率 也叫探測靈敏度 實質(zhì)上就是當(dāng)探測器的敏感元件面積為單位面積 A0 lcm2 放大器的帶寬 f 1Hz時 單位功率的輻射所獲得的信號電壓與噪聲電壓之比 通常用符號D 表示 D 越小越好 5 時間常數(shù)時間常數(shù)表示探測器的輸出信號隨射入的輻射變化的速率 通常用時間常數(shù) 響應(yīng)時間 來衡量探測器的惰性 如
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