第一章 光電技術(shù)基礎(chǔ)

1、光光 電電 技技 術(shù)術(shù) 主講 馬錫英 教授 64 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) (Optoelectronics technology) 參考資料：參考資料： 1. 光電技術(shù)概論光電技術(shù)概論作者作者:安毓英等，安毓英等，電子工業(yè)出電子工業(yè)出 版社；版社； 2. 作者作者:江文杰施建華江文杰施建華，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社， 2009； 3. 光電子技術(shù)基礎(chǔ)教程光電子技術(shù)基礎(chǔ)教程 作者作者:郭培源郭培源 梁麗梁麗北北 京航空航天大學(xué)。京航空航天大學(xué)。 課程性質(zhì)：專業(yè)必修課程性質(zhì)：專業(yè)必修 課程考核課程考核 平時(shí)成績(jī)：平時(shí)成績(jī)：30 期末考試：期末考試：70% 致謝致謝 承蒙參考書(shū)目、論文為課件提供了理論承蒙參考書(shū)目、

2、論文為課件提供了理論 承蒙許多網(wǎng)站提供了各種資料承蒙許多網(wǎng)站提供了各種資料 聲明聲明 此課件僅僅用于課堂教學(xué)，不得用于其他此課件僅僅用于課堂教學(xué)，不得用于其他 商業(yè)用途商業(yè)用途 基本內(nèi)容基本內(nèi)容 第第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)章光電技術(shù)基礎(chǔ) 第第2章光電導(dǎo)器件章光電導(dǎo)器件 第第3章光生伏特器件章光生伏特器件 第第4章光電發(fā)射器件章光電發(fā)射器件 第第5章熱輻射探測(cè)器件章熱輻射探測(cè)器件 第第6章發(fā)光器件與光電耦合器件章發(fā)光器件與光電耦合器件 第第7章光電信息變換章光電信息變換 第第8章圖像信息的光電變換章圖像信息的光電變換 第第9章光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)章光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口技術(shù) 第第

3、10章章 光電信息變換技術(shù)的典型應(yīng)用光電信息變換技術(shù)的典型應(yīng)用 第第11章章 光電技術(shù)的新發(fā)展光電技術(shù)的新發(fā)展 典型的光電器件：典型的光電器件： 1. 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（GaAs/GaAlAs異質(zhì)結(jié)激光異質(zhì)結(jié)激光 器）；器）； 2. PN結(jié)發(fā)光二極管；結(jié)發(fā)光二極管； 3. 光電探測(cè)器光電探測(cè)器（光敏電阻，（光敏電阻，紅外探測(cè)器、紅外探測(cè)器、pn結(jié)光結(jié)光 伏探測(cè)器伏探測(cè)器）；）； 4. 光電池（非晶硅太陽(yáng)能電池光電池（非晶硅太陽(yáng)能電池-硅光電池）硅光電池） 5. 光電成像系統(tǒng)（光電成像系統(tǒng)（CCD電荷耦合器件：數(shù)碼電荷耦合器件：數(shù)碼 攝像，攝像，CMOS攝像器件，紅外焦平面陣列）；攝像

4、器件，紅外焦平面陣列）； 6. 顯示器：電致發(fā)光顯示技術(shù)（顯示器：電致發(fā)光顯示技術(shù)（LED），液晶），液晶 顯示；顯示； 7. 光纖通信；光纖通信； 8. 激光雷達(dá)；激光雷達(dá)； 9.光纖傳感器等光纖傳感器等 緒緒論論(Introduction) 光電技術(shù)光電技術(shù)是由光學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門是由光學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門 嶄新的技術(shù)。嶄新的技術(shù)。 主要內(nèi)容是利用光電結(jié)合的原理和方法，實(shí)現(xiàn)主要內(nèi)容是利用光電結(jié)合的原理和方法，實(shí)現(xiàn)信息信息的獲取、的獲取、 發(fā)送、探測(cè)、傳輸、變換、存儲(chǔ)、處理和重現(xiàn)等。發(fā)送、探測(cè)、傳輸、變換、存儲(chǔ)、處理和重現(xiàn)等。 21世紀(jì)的信息網(wǎng)絡(luò)是以世紀(jì)的信息網(wǎng)

5、絡(luò)是以IP（或（或IP/ATM）協(xié)議控制下）協(xié)議控制下 的密集波分復(fù)用（的密集波分復(fù)用（DWDM）為基礎(chǔ)的）為基礎(chǔ)的光核心網(wǎng)光核心網(wǎng)，包括有包括有 線（光纖或線（光纖或HFC）、無(wú)線等不同接入類型、不同業(yè)務(wù)規(guī)）、無(wú)線等不同接入類型、不同業(yè)務(wù)規(guī) 模的各種接入網(wǎng)所形成的一個(gè)靈活、大容量的綜合網(wǎng)。其模的各種接入網(wǎng)所形成的一個(gè)靈活、大容量的綜合網(wǎng)。其 中全光通信網(wǎng)（中全光通信網(wǎng)（AON）是主體，）是主體，全光網(wǎng)中的傳輸和交換全光網(wǎng)中的傳輸和交換 容量均達(dá)到容量均達(dá)到Tb/s量級(jí)，將比現(xiàn)有傳輸速率提高量級(jí)，將比現(xiàn)有傳輸速率提高100倍以上。倍以上。 光纖通信及其相應(yīng)的光電子材料、器件、系統(tǒng)設(shè)備在內(nèi)的光纖

6、通信及其相應(yīng)的光電子材料、器件、系統(tǒng)設(shè)備在內(nèi)的 市場(chǎng)在今后市場(chǎng)在今后15-20年內(nèi)仍會(huì)以高的速率持續(xù)增長(zhǎng)。年內(nèi)仍會(huì)以高的速率持續(xù)增長(zhǎng)。 產(chǎn)品主要有連接器附件和元件、耦合器、衰減器、隔離器、產(chǎn)品主要有連接器附件和元件、耦合器、衰減器、隔離器、 波分復(fù)用器等。波分復(fù)用器等。 光電子產(chǎn)業(yè)光電子產(chǎn)業(yè) 1. 信息光電子產(chǎn)業(yè) 由于具有相干性好、單色性好、高亮度等 獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，激光在工業(yè)和醫(yī)療方面的應(yīng)用前 景非?？捎^，可用來(lái)切割、焊接、打孔、熱 處理、劃片、光刻以及用來(lái)進(jìn)行手術(shù)、鎮(zhèn)痛、 理療等治療。 激光加工設(shè)備還將繼續(xù)沿高功率、高質(zhì)量、 高可靠、低成本的方向發(fā)展。 2. 2. 能量光電子產(chǎn)業(yè)能量光電子產(chǎn)業(yè)

7、光電子材料和元器件是光電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì) 光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著決定性的作用。 4. 4. 光子學(xué)及光通信器件光子學(xué)及光通信器件 主要包括光子的產(chǎn)生、探測(cè)、控制和處理， 因此，必須有相應(yīng)的光子學(xué)器件，光子學(xué)器件的 時(shí)間響應(yīng)和單道超大容量要比電子學(xué)器件高得多， 這對(duì)信息技術(shù)的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。 3. 3. 光電子材料和元器件產(chǎn)業(yè)光電子材料和元器件產(chǎn)業(yè) 5.光存儲(chǔ)器件光存儲(chǔ)器件 20世紀(jì)末期興起的光存儲(chǔ)，特別是光盤存儲(chǔ)技術(shù)將 對(duì)信息的存取產(chǎn)生重大影響。數(shù)字光盤存儲(chǔ)技術(shù)正向 更高存儲(chǔ)密度和更高存儲(chǔ)速度方向發(fā)展。 角度、波長(zhǎng)、空間與移動(dòng)復(fù)用的全息存儲(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)和 作為緩沖海量信息存儲(chǔ)。 三維存儲(chǔ)技術(shù)，

8、如光子引發(fā)的電子俘獲三維存儲(chǔ)光盤 和光盤燒孔存儲(chǔ)等高密度存儲(chǔ)等。 5.光傳感器件光傳感器件光電傳感器件在光信號(hào)的電學(xué)處理方面已 經(jīng)在通信、工業(yè)過(guò)程控制、光電信號(hào)處理以及光計(jì)算領(lǐng)域 發(fā)揮巨大的作用，其蘊(yùn)涵的市場(chǎng)份額是極為巨大的。 6. 6. 光顯示器件光顯示器件 信息的顯示體現(xiàn)了真正的人機(jī)互動(dòng) 關(guān)系。在光子與光電子材料與器件產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域占有極為 重要的地位。在這一領(lǐng)域可發(fā)展液晶顯示(LCD)、等 離子體顯示(PDP)，電致發(fā)光顯示（EL）、YAG激光 顯示等產(chǎn)業(yè)化工程。 7.光能量轉(zhuǎn)換器件光能量轉(zhuǎn)換器件 8. 光學(xué)圖像器件光學(xué)圖像器件 功能器件 RS光應(yīng)用 光的特征和 應(yīng)用技術(shù) 光纖通信系統(tǒng) 光智能

9、系統(tǒng) 功能器件 激光、發(fā)光器件 光接收器件 太陽(yáng)能電池 光開(kāi)關(guān) 光調(diào)制器 液晶器件 集成光路 量子效應(yīng)器件 新功能 超大容量 信息高速公路 光纖傳輸 相干光傳輸 量子光傳輸 光交換 多媒體 傳真、電話、可視電話 廣播、有線電勢(shì) 光盤、CD 激光打印機(jī) 超高速 光傳感 激光測(cè)量 電場(chǎng)、磁場(chǎng)測(cè)量 激光雷達(dá) 激光陀螺儀 高清晰度圖像系統(tǒng) 壁掛式大型電視 立體顯示器 高清晰度攝像機(jī) 光電子計(jì)算機(jī) 超高速運(yùn)算(psfs) 2維并行處理 光互連 光醫(yī)療應(yīng)用 激光手術(shù)刀 牙科醫(yī)療 癌細(xì)胞檢查 X射線CT SR應(yīng)用 照 明 室 內(nèi) 采 光 照 明 、 色 彩 設(shè) 計(jì) 海 洋 開(kāi) 發(fā) 光加工 切割、焊接、開(kāi)口

10、SR應(yīng)用微細(xì)加工 新材料研制 高能量密度 激光切割 激光核聚變 高密度等離子體 激光槍 SR應(yīng)用測(cè)量 光譜測(cè)量 物理性質(zhì)測(cè)量 表面、界面測(cè)量 太陽(yáng)能發(fā)電 屋頂發(fā)電 大規(guī)模集中發(fā)電 太陽(yáng)能汽車 宇宙發(fā)電 綠色能源 相干性 高亮度 超并行性 第第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)章光電技術(shù)基礎(chǔ) 光電器件構(gòu)成：光電器件構(gòu)成： 1.光輻射源光輻射源（光源）（光源）:外部產(chǎn)生（探測(cè)器）外部產(chǎn)生（探測(cè)器） 和內(nèi)部產(chǎn)生（發(fā)光）兩種；和內(nèi)部產(chǎn)生（發(fā)光）兩種； 2. 光電轉(zhuǎn)換部分：光轉(zhuǎn)換為電，或電轉(zhuǎn)光電轉(zhuǎn)換部分：光轉(zhuǎn)換為電，或電轉(zhuǎn) 換為光；換為光； 光輻射源光輻射源: 可見(jiàn)光可見(jiàn)光: 太陽(yáng)太陽(yáng), 白熾燈白熾燈, 日光燈日光燈,

11、激光器激光器, 發(fā)發(fā) 光二極管光二極管, 熒光燈熒光燈, 水銀燈水銀燈, 鈉等鈉等 紅外線紅外線: 紅外激光器紅外激光器, 太陽(yáng)太陽(yáng), 有機(jī)體即無(wú)有機(jī)體即無(wú) 機(jī)體機(jī)體 紫外線紫外線: 紫外燈紫外燈, X射線射線, 放射性金屬放射性金屬: 射線射線 光探測(cè)器光探測(cè)器: 光電效應(yīng)光電效應(yīng), 光電倍增管光電倍增管, 可見(jiàn)光功率計(jì)可見(jiàn)光功率計(jì), 光通量計(jì)光通量計(jì) 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器 紫外探測(cè)器紫外探測(cè)器 熒光光譜儀熒光光譜儀 納曼光譜儀納曼光譜儀 紅外光譜儀紅外光譜儀 單色儀單色儀 本章主要介紹光輻射的本章主要介紹光輻射的基本概念和原理基本概念和原理，以，以 及在光電子技術(shù)中應(yīng)用比較普遍的典型及在光

12、電子技術(shù)中應(yīng)用比較普遍的典型光光輻輻 射源。射源。 由麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化由麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化 的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，這樣就產(chǎn)的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，這樣就產(chǎn) 生了電磁波。生了電磁波。 B B E E B B E E B B 電視臺(tái)電視臺(tái)聲光聲光電電電磁波發(fā)射電磁波發(fā)射 E E w 沿給定方向傳播的電磁波，沿給定方向傳播的電磁波，E和和H分別在分別在 各自平面內(nèi)振動(dòng)，這種特性稱為偏振。各自平面內(nèi)振動(dòng)，這種特性稱為偏振。 k k E E H H EH 00 1 c 1 v w 空間各點(diǎn)空間各點(diǎn)E和和H都作周期性變化，而且都作

13、周期性變化，而且 相位相同，即同時(shí)達(dá)到最大，同時(shí)減到最小。相位相同，即同時(shí)達(dá)到最大，同時(shí)減到最小。 w一般按輻射波長(zhǎng)及人眼的生理視覺(jué)效應(yīng)將光一般按輻射波長(zhǎng)及人眼的生理視覺(jué)效應(yīng)將光 輻射分成三部分：輻射分成三部分：紫外輻射、可見(jiàn)光和紅外輻紫外輻射、可見(jiàn)光和紅外輻 射。射。一般在可見(jiàn)到紫外波段波長(zhǎng)用一般在可見(jiàn)到紫外波段波長(zhǎng)用nm、在紅、在紅 外波段波長(zhǎng)用外波段波長(zhǎng)用 m表示。波數(shù)單位習(xí)慣用表示。波數(shù)單位習(xí)慣用cm-1。 w紫外輻射：紫外輻射：紫外輻射比紫光波長(zhǎng)更短，人眼看不見(jiàn)，紫外輻射比紫光波長(zhǎng)更短，人眼看不見(jiàn)， 波長(zhǎng)范圍是波長(zhǎng)范圍是1390nm。又分為近紫外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)。又分為近紫外、遠(yuǎn)紫外和

14、極遠(yuǎn) 紫外。極遠(yuǎn)紫外在空氣中幾乎會(huì)被完全吸收，只能在紫外。極遠(yuǎn)紫外在空氣中幾乎會(huì)被完全吸收，只能在 真空中傳播，又稱為真空中傳播，又稱為真空紫外輻射。真空紫外輻射。 w在進(jìn)行太陽(yáng)紫外輻射的研究中，常分為在進(jìn)行太陽(yáng)紫外輻射的研究中，常分為A波段波段(近紫近紫 外外)、B波段和波段和C波段（遠(yuǎn)紫外）。波段（遠(yuǎn)紫外）。 (1)在輻射度單位體系在輻射度單位體系 (2)光度單位體系光度單位體系 光度單位體系光度單位體系: 反映反映視覺(jué)亮暗特性視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，的光輻射計(jì)量單位， 被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度， 其基本單位是其基本單位是坎德拉坎德拉

15、。光度學(xué)只適用于可見(jiàn)光度學(xué)只適用于可見(jiàn) 光波段。光波段。 下面重點(diǎn)介紹下面重點(diǎn)介紹輻射度單位體系中的物理量輻射度單位體系中的物理量。 光度單位體系中的物理量可對(duì)比理解。光度單位體系中的物理量可對(duì)比理解。 e e dQ dt w 輻射通量：輻射通量：輻射通量輻射通量 e又稱為輻射功率。為又稱為輻射功率。為 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的輻射能量，即單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的輻射能量，即 w單位：瓦特（單位：瓦特（W）或焦耳）或焦耳 秒（秒（J s）。）。 e e d M dS e e d I d w輻射強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源在給輻射強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源在給 定方向上發(fā)射的在定方向上發(fā)射的在 單位立體角內(nèi)單位立體角內(nèi)的輻射通量，用的輻

16、射通量，用Ie表示，即表示，即 w單位：瓦特單位：瓦特 球面度球面度-1（W sr-1）。）。 4 e e I S d dS d 圖2 輻射亮度示意圖 w如果一個(gè)各向同性均勻介質(zhì)中的如果一個(gè)各向同性均勻介質(zhì)中的點(diǎn)輻射體點(diǎn)輻射體 向向所有方向所有方向發(fā)射的總輻射通量是發(fā)射的總輻射通量是 e，則該點(diǎn)，則該點(diǎn) 輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度Ie是常量，有是常量，有 2 co (1) scos ee e dId L dSddS S d dS d 圖2 輻射亮度示意圖 w是給定方向和輻射源 面元法線間的夾角。 w單位：瓦特/球面度 米2（W/srm2）。 0 c s(2)o ee

17、dIdI 0 0 e ee dI LL dS wIe0是面元是面元dS沿其法線方向的輻射強(qiáng)度，又稱沿其法線方向的輻射強(qiáng)度，又稱 為為余弦輻射體或朗伯體余弦輻射體或朗伯體。(1)式代入式代入(2)式得到式得到 余弦輻射體的輻射亮度為余弦輻射體的輻射亮度為 0 e ee d ML dS e e d E dA w輻射照度：在輻射接收面上的輻照度輻射照度：在輻射接收面上的輻照度Ee定定 義為照射在面元義為照射在面元dA上的輻射通量與該面元的上的輻射通量與該面元的 面積之比。即面積之比。即 w單位：（單位：（W/m2）。）。 輻輻出度出度Me為出射強(qiáng)度，輻照度為出射強(qiáng)度，輻照度Ee為物體接受為物體接受

18、的強(qiáng)度，注意區(qū)別。的強(qiáng)度，注意區(qū)別。 反射體接受輻射后，一部分反射，一部分吸收，則反反射體接受輻射后，一部分反射，一部分吸收，則反 射出射度為：射出射度為： d EM e )( 輻照量輻照量He： 在一定時(shí)間內(nèi)照射到物體某一面元的在一定時(shí)間內(nèi)照射到物體某一面元的 輻照度。輻照度。 單位：?jiǎn)挝唬篔/m2 曝光量曝光量Hv :物體表面在一定時(shí)間內(nèi)接收到的光照度物體表面在一定時(shí)間內(nèi)接收到的光照度 Ev . t ee dtEH 0 tEH vv (7) 輻射效率與發(fā)光效率輻射效率與發(fā)光效率 光源所發(fā)射的總通量光源所發(fā)射的總通量 e與外界提供給光源與外界提供給光源 的功率的功率P之比，稱為光源的輻射效率

19、；之比，稱為光源的輻射效率； e= /P 100% 無(wú)量綱無(wú)量綱 光源發(fā)射的總通量光源發(fā)射的總通量 e與提供的功率與提供的功率P之比，稱之比，稱 為發(fā)光效率；為發(fā)光效率； v= /P 100% 單位：流明每瓦（單位：流明每瓦（lmW-1） 2. 光源的光譜輻射參量光源的光譜輻射參量 光源發(fā)射的光能是按波長(zhǎng)進(jìn)行分布的。在單光源發(fā)射的光能是按波長(zhǎng)進(jìn)行分布的。在單 位波長(zhǎng)內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密位波長(zhǎng)內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密 度度 在可見(jiàn)光區(qū)單位波長(zhǎng)發(fā)射的光度量為光譜光在可見(jiàn)光區(qū)單位波長(zhǎng)發(fā)射的光度量為光譜光 度量度量 d dx X e e d dx X v v 光源在波長(zhǎng)光源在波長(zhǎng)1

20、 1、2 2區(qū)間內(nèi)發(fā)射的輻通量區(qū)間內(nèi)發(fā)射的輻通量 2 1 de e 量子流速率：量子流速率： 光源發(fā)射的輻射功率是每秒發(fā)射光子光源發(fā)射的輻射功率是每秒發(fā)射光子 能量的總和。能量的總和。 若若+d+d區(qū)間的輻射通量為等區(qū)間的輻射通量為等 d d e e, , 除以該波長(zhǎng)的光子能量除以該波長(zhǎng)的光子能量h h , , 為光源在為光源在處的光處的光 子總量，稱為子總量，稱為光譜量子流速率光譜量子流速率dN h ed h ed dN 在在12 光譜量子流速率光譜量子流速率N 2 1 dN e 在可見(jiàn)光區(qū)，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)為在可見(jiàn)光區(qū)，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)為 78. 0 38. 0 d hc N

21、e eeeeee QIMLE、 、 、 vvvvvv QIMLE、 、 、 w光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻 射計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以射計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以 用與輻度學(xué)的基本物理量用與輻度學(xué)的基本物理量 w對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的 來(lái)表示，其定來(lái)表示，其定 義完全一一對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表義完全一一對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。所示。 光度學(xué)的基本單位為坎德拉，也是國(guó)際單位制光度學(xué)的基本單位為坎德拉，也是國(guó)際單位制 （SI）七個(gè)基本單位之一。）七個(gè)基本單位之一。定義為：一個(gè)光源發(fā)出頻定義為：一個(gè)光源發(fā)出頻 率為率為5401012Hz的

22、單色（黃色）輻射，若在給定方的單色（黃色）輻射，若在給定方 向上的輻射強(qiáng)度為向上的輻射強(qiáng)度為1/683 W/sr, 則該光源在該方向上則該光源在該方向上 的發(fā)光強(qiáng)度為的發(fā)光強(qiáng)度為1 cd. w熱輻射具有熱輻射具有連續(xù)的輻射譜連續(xù)的輻射譜，波長(zhǎng)自，波長(zhǎng)自遠(yuǎn)紅外區(qū)到遠(yuǎn)紅外區(qū)到 紫外區(qū)紫外區(qū)，并且輻射能按波長(zhǎng)的分布主要決定于，并且輻射能按波長(zhǎng)的分布主要決定于 物體的物體的溫度溫度。本節(jié)介紹熱輻射的一些基本定律。本節(jié)介紹熱輻射的一些基本定律。 )(T w吸收比：吸收比：被物體吸收的能量與入射的能量之比被物體吸收的能量與入射的能量之比 稱為該物體的稱為該物體的吸收比吸收比。在波長(zhǎng)。在波長(zhǎng) 到到 +d 范

23、圍內(nèi)范圍內(nèi) 的吸收比稱為的吸收比稱為單色吸收比單色吸收比，用，用 表示。表示。 w若若物體在任何溫度下，對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射能物體在任何溫度下，對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射能 的吸收比都等于的吸收比都等于1，即，即 ，則稱該，則稱該 物體為物體為絕對(duì)黑體（簡(jiǎn)稱黑體）絕對(duì)黑體（簡(jiǎn)稱黑體）。 )(T ( )( )1TT 1)(T 12 12 ( )( ) ( ) ( )( ) vv v b vv MTMT MT TT bv M 式中式中 為黑體的單色輻射出射度。為黑體的單色輻射出射度。 2 /5 2 ( )(3) (1) B v b hck T hc MT e 2 1 2Chc 2 / B Chc k w式中式中

24、h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，為真空中的光速，kB為波為波 爾茲曼常數(shù)。爾茲曼常數(shù)。 w令令 2 1 /5 1 ( )(W/cmm) 1 v b CT C MT e 122 1 (3.7418320.000020) 10W cmC 第一輻射常數(shù) 4 2 (1.4387860.000045) 10 m KC 第二輻射常數(shù) 則則(3)式可改寫為式可改寫為 w單色輻射出射度隨溫度的升高而增大。單色輻射出射度隨溫度的升高而增大。 w單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短向短 波方向移動(dòng)。波方向移動(dòng)。 T C e TC 2/ 1 2 4 1 2 ( ) v

25、 b C MTT C Km107 . 7 5 T TCTC ee / 22 1 w5.維恩公式維恩公式 w當(dāng)很小時(shí)，當(dāng)很小時(shí)， ，可得到適合于，可得到適合于 短波長(zhǎng)區(qū)的維恩公式短波長(zhǎng)區(qū)的維恩公式 2 /5 1 ( ) CT v b MTCe Km2698T m 2897.9(m K) mT 4 ( ) vb MTT )KsJ/m(10670. 5 428 w7.斯忒藩斯忒藩-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 w其中其中 為斯忒藩為斯忒藩-玻爾玻爾 w8.色溫色溫 w為了表示一個(gè)熱輻射光源所發(fā)出光的為了表示一個(gè)熱輻射光源所發(fā)出光的光色光色 性質(zhì)，常用到性質(zhì)，常用到色溫度色溫度這個(gè)量，單位為這個(gè)量，單位為

26、K。 色溫度是指在規(guī)定色溫度是指在規(guī)定兩兩 波長(zhǎng)處具有與熱輻射波長(zhǎng)處具有與熱輻射 光源的輻射比率相同光源的輻射比率相同 的黑體的溫度。的黑體的溫度。 w色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。 w由于色溫度是按規(guī)定的兩波長(zhǎng)處的輻射比由于色溫度是按規(guī)定的兩波長(zhǎng)處的輻射比 率來(lái)比較的，所以色溫度相同的熱輻射光率來(lái)比較的，所以色溫度相同的熱輻射光 源的源的連續(xù)譜連續(xù)譜也可能不相似，也可能不相似， w若規(guī)定的波長(zhǎng)不同，色溫度往往也不相同。若規(guī)定的波長(zhǎng)不同，色溫度往往也不相同。 w至于非熱輻射光源，色溫度只能給出這個(gè)至于非熱輻射光源，色溫度只能給出這個(gè) 光源光色的大概情況，一般來(lái)

27、說(shuō)，光源光色的大概情況，一般來(lái)說(shuō)，色溫高色溫高 代表藍(lán)、綠光成分多些，色溫低則表示橙、代表藍(lán)、綠光成分多些，色溫低則表示橙、 紅光的成分多些。紅光的成分多些。 用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察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)波者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波 長(zhǎng)長(zhǎng)=0.555m處的光譜輻射亮度處的光譜輻射亮度Le,m小于其它波長(zhǎng)小于其它波長(zhǎng) 的光譜輻亮度的光譜輻亮度Le,。把波長(zhǎng)。把波長(zhǎng)=0.555m的光譜輻射的光譜輻射 亮度亮度L Le e,m被其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度被其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度Le,除得的商，除得的商， 定義為正常人眼

28、的定義為正常人眼的V()，即，即 e, m e, )( L L V 明視覺(jué)光譜光視效率明視覺(jué)光譜光視效率 w通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在波波 長(zhǎng)長(zhǎng)555nm處，處，L 有最大值，其數(shù)值為有最大值，其數(shù)值為 Lm=683 lm/W。單色光視效率是。單色光視效率是L 用用Lm 歸一化的結(jié)果，其定義為歸一化的結(jié)果，其定義為 e, m e, )( L L V 400500600700800 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 VV 波 長(zhǎng)(nm) 光視 效 率 對(duì)于正常人眼的圓柱細(xì)胞，以微弱的各種單 色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長(zhǎng)為 507

29、nm處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長(zhǎng) 的光譜輻射亮度 Le,。把 Le，507nm 與Le,的比值 e, nm507, e )( L L V V(）也是一個(gè)無(wú)量綱的相對(duì)值，它與波長(zhǎng)的 關(guān)系如上圖中的虛線所示。 1.4.2暗視覺(jué)光譜光視效率 e v e v K 對(duì)發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，總光通 量v為 d )( nm780 nm380 e,mv VK 式中式中,V是輻射體的光視效率。是輻射體的光視效率。 VK VK K m 0 , e nm780 nm380 , em d d )( 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖所示，圖中 的曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的相對(duì)光譜輻射 分 、光譜光視效率V

30、（）和光譜光視效 率與相對(duì)光譜輻射分布之積 ，積分 r , e X r V e, )X( r e X , )d( 780nm nm380 e, VX rr V e, )X( 為曲線所圍的面積Al，而積分 d 0 e, r X面積A2。因此，可得標(biāo)準(zhǔn)鎢絲 燈的光視效能Kw為 1 .17 2 1 mW A A KKlm/W 已知某種輻射體的光視 效能K和輻射量Xe，就 能夠計(jì)算出該輻射體的 光度量Xv，該式是輻射 體的輻射量和光度量的 轉(zhuǎn)換關(guān)系式。 解解 He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，可激光器輸出的光為光譜輻射通量，可 以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為 v,=K,ee,=

31、KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm) 三、三、 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)半導(dǎo)體的光電性質(zhì) 1. 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 (1) 本征吸收本征吸收 光照下，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后從價(jià)光照下，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后從價(jià) 帶躍遷到導(dǎo)帶，帶躍遷到導(dǎo)帶， 產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子的這空穴對(duì)。電子的這 種帶與帶間躍遷的吸收過(guò)程。種帶與帶間躍遷的吸收過(guò)程。 本征吸收發(fā)生的必要條件：光子能量本征吸收發(fā)生的必要條件：光子能量h 大于等于大于等于 禁帶寬度禁帶寬度Eg, 即即 h h 0=Eg 本征吸收限：當(dāng)光子頻率小于本征吸收限：當(dāng)光子頻率小于 0(波長(zhǎng)大于波長(zhǎng)大于 0)

32、時(shí)，時(shí)， 吸收系數(shù)迅速下降，對(duì)應(yīng)的頻率吸收系數(shù)迅速下降，對(duì)應(yīng)的頻率 0或波長(zhǎng)或波長(zhǎng) 0為本征為本征 吸收限。吸收限。 h Eg )( 24. 1 m EE hc gg L 只有波長(zhǎng)小于只有波長(zhǎng)小于 L的輻射才能產(chǎn)生本征吸收的輻射才能產(chǎn)生本征吸收 直接躍遷直接躍遷：躍遷過(guò)程中，價(jià)帶中的電子垂直躍遷：躍遷過(guò)程中，價(jià)帶中的電子垂直躍遷 到具有相同波矢到具有相同波矢k的導(dǎo)帶上。的導(dǎo)帶上。 直接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體：在本征吸收過(guò)程中，產(chǎn)生電子：在本征吸收過(guò)程中，產(chǎn)生電子 的直接躍遷過(guò)程的直接躍遷過(guò)程 間接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值不具導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值不具 有相同的有相同的

33、k的半導(dǎo)體。在本征吸收過(guò)程中，產(chǎn)生的半導(dǎo)體。在本征吸收過(guò)程中，產(chǎn)生 電子的間接躍遷過(guò)程電子的間接躍遷過(guò)程 （2）雜質(zhì)吸收）雜質(zhì)吸收 在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子（施主或受主原在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子（施主或受主原 子），在半導(dǎo)體的帶隙中引入雜質(zhì)能級(jí)，束縛子），在半導(dǎo)體的帶隙中引入雜質(zhì)能級(jí)，束縛 在雜質(zhì)能級(jí)上的電子吸收光能發(fā)生躍遷引起的在雜質(zhì)能級(jí)上的電子吸收光能發(fā)生躍遷引起的 光吸收。光吸收。 SiSi、GeGe而言，施主通常是而言，施主通常是 V V族元素。電離能較小，族元素。電離能較小， 在在SiSi中約中約0.040.040.05eV0.05eV， GeGe中約中約0.01eV0.01eV。 施主

34、雜質(zhì)：在半導(dǎo)體中產(chǎn)生導(dǎo)電電子，其摻雜的施主雜質(zhì)：在半導(dǎo)體中產(chǎn)生導(dǎo)電電子，其摻雜的 半導(dǎo)體稱為半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 施主雜質(zhì)電離能電離能ED： 受主雜質(zhì)：能夠接受電子而產(chǎn)受主雜質(zhì)：能夠接受電子而產(chǎn) 生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì)。生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì)。 p型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： 依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。 受主雜質(zhì)電離能電離能EA： 如果光子的能量小于禁帶寬度如果光子的能量小于禁帶寬度Eg或小于或小于 雜質(zhì)電離能（雜質(zhì)電離能（ED或或EA）時(shí)，電子不能躍遷到）時(shí)，電子不能躍遷到 導(dǎo)帶稱為自由電子。但可以與價(jià)帶上的空穴導(dǎo)帶稱為自由電子。但可以與價(jià)帶上的空穴 形成一個(gè)束縛較弱的形成一個(gè)

35、束縛較弱的電子電子-空穴對(duì)空穴對(duì)，這種電子，這種電子 -空穴對(duì)稱為空穴對(duì)稱為激子激子。激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體。激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體 的導(dǎo)電特性。的導(dǎo)電特性。 （3） 激子吸收激子吸收 雜質(zhì)吸收限：雜質(zhì)吸收限： )( 24. 1 m ED L )( 24. 1 m EA L 雜質(zhì)吸收限波長(zhǎng)總是大于本征吸收的波長(zhǎng)限。雜質(zhì)吸收限波長(zhǎng)總是大于本征吸收的波長(zhǎng)限。 （4） 自由載流子吸收自由載流子吸收 當(dāng)入射光子頻率較小，不能引起導(dǎo)帶當(dāng)入射光子頻率較小，不能引起導(dǎo)帶-價(jià)帶間價(jià)帶間 的躍遷，但的躍遷，但導(dǎo)帶上的電子（空穴）在其所在的導(dǎo)導(dǎo)帶上的電子（空穴）在其所在的導(dǎo) 帶（價(jià)帶）內(nèi)的能級(jí)上躍遷發(fā)生的帶（價(jià)帶

36、）內(nèi)的能級(jí)上躍遷發(fā)生的光吸收光吸收，通常，通常 稱為稱為帶內(nèi)躍遷帶內(nèi)躍遷。由于帶內(nèi)能級(jí)間隔很小，所以其。由于帶內(nèi)能級(jí)間隔很小，所以其 吸收譜基本上為連續(xù)譜。吸收譜基本上為連續(xù)譜。 （5）晶格吸收）晶格吸收-又稱為聲子吸收又稱為聲子吸收 晶格原子對(duì)遠(yuǎn)紅外普去的光子能量的吸收，晶格原子對(duì)遠(yuǎn)紅外普去的光子能量的吸收， 轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)的動(dòng)能，宏觀上引起物體溫度轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)的動(dòng)能，宏觀上引起物體溫度 的升高。的升高。 1. 光電導(dǎo)效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)可分為光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)本征光電導(dǎo)效應(yīng)與效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)雜質(zhì)光電導(dǎo) 效應(yīng)兩種效應(yīng)兩種. . 本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸

37、收光子能量?jī)r(jià)帶中的電子吸收光子能量 躍入導(dǎo)帶躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子， 價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體 的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這在光的作用下由本征吸收引起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)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。種種 2 i nnp E n n E p p 載流子濃度載流子濃度 載流子的運(yùn)動(dòng)速度載流子的運(yùn)動(dòng)速度 導(dǎo)電能力的導(dǎo)電能力的 強(qiáng)弱（強(qiáng)弱（） 1 在截面為在截面為S, 長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為l的材料上流過(guò)電

38、流的材料上流過(guò)電流I， 則界面上的則界面上的電流密度電流密度為為 J=I/S= E 設(shè)導(dǎo)體的內(nèi)的設(shè)導(dǎo)體的內(nèi)的電子數(shù)密度電子數(shù)密度為為n, 電子的漂移速度電子的漂移速度vd, 則電流強(qiáng)度為則電流強(qiáng)度為 則電流密度為則電流密度為 dvnqJ SvnqI d1 電場(chǎng)不很強(qiáng)時(shí)電場(chǎng)不很強(qiáng)時(shí)( (Ep, =nq n; 對(duì)對(duì)p型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體， p n, =nq p; 對(duì)本征半導(dǎo)體，對(duì)本征半導(dǎo)體， p =n, =niq( n+ p) l光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波 長(zhǎng)長(zhǎng)滿足如下條件：滿足如下條件： () () 1.24 () () 1.24 () c g i m

39、 EeV E eV 本征 雜質(zhì) 式中式中Eg是禁帶寬度是禁帶寬度, Ei是雜質(zhì)能帶寬度。是雜質(zhì)能帶寬度。 l n和和 p 又稱之為又稱之為光生載流子光生載流子。顯然。顯然, n和和 p將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個(gè)量將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個(gè)量 G,我們我們 稱之為稱之為光電導(dǎo)光電導(dǎo)。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體 就分別稱為就分別稱為本征和雜質(zhì)光電導(dǎo)本征和雜質(zhì)光電導(dǎo)。 l A pne l A G pn )( GVi A=bxd 2 , d d hcl qg S e g 在弱輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為材料有在弱輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為材料有 關(guān)性質(zhì)的常數(shù)，與光

40、電導(dǎo)材料兩電極間的長(zhǎng)度關(guān)性質(zhì)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長(zhǎng)度l l的平方成的平方成 反比。反比。 （1）在弱輻射作用下，光生載流子濃度光生載流子濃度ny y等于光等于光 生空穴濃度生空穴濃度p，n=p，光電導(dǎo)靈敏度為可得，光電導(dǎo)靈敏度為可得 , 2 1 , 2 1 3 d 2 1 d ee f lKh bd qg 強(qiáng)輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅強(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。線性的。 （2）在強(qiáng)輻射的作用下在強(qiáng)輻射的作用下 光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體

41、PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光 能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。 當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體當(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)，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(chǎng)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng) 的作用下分開(kāi)，的作用下分開(kāi)，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。 一塊一塊P型半導(dǎo)體和一塊型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在其型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在其 交接面處形成交接面處形成PN結(jié)。結(jié)。 PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件，結(jié)是各種半導(dǎo)體器件， 如結(jié)型晶體管、集成電路如結(jié)型晶體管、集成電路 的心臟。的

42、心臟。 pn結(jié)附近電離的受主、施主結(jié)附近電離的受主、施主 所帶電荷稱為空間電荷（不所帶電荷稱為空間電荷（不 可移動(dòng)）。所在的區(qū)域?yàn)榭湛梢苿?dòng)）。所在的區(qū)域?yàn)榭?間電荷區(qū)間電荷區(qū) 熱平衡下，多數(shù)載流子的擴(kuò)散作用于少數(shù)載流子由熱平衡下，多數(shù)載流子的擴(kuò)散作用于少數(shù)載流子由 于內(nèi)電場(chǎng)的漂移作用相抵消，沒(méi)有凈電流通過(guò)于內(nèi)電場(chǎng)的漂移作用相抵消，沒(méi)有凈電流通過(guò) pn結(jié)。稱為結(jié)。稱為零偏狀態(tài)。零偏狀態(tài)。 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng) 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) P N 空穴空穴電子電子 擴(kuò)散擴(kuò)散 漂移漂移 如果如果pn結(jié)正向電壓偏結(jié)正向電壓偏 置（置（p正，正，n負(fù)），則負(fù)），則 有較大正有較大正向電流向電流流過(guò)流過(guò) pn結(jié)。結(jié)

43、。 若若pn結(jié)反向電壓偏置，結(jié)反向電壓偏置， 則有一很小的電流流則有一很小的電流流 過(guò)過(guò)pn結(jié)。該電流在反結(jié)。該電流在反 向擊穿前幾乎不變，向擊穿前幾乎不變， 稱為反向飽和電流。稱為反向飽和電流。 pn結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 為為： ) 1( / kTeu sod eii Id是暗電流，是暗電流，iso是反向飽和電流是反向飽和電流 零偏條件下如果零偏條件下如果照射光的波長(zhǎng)照射光的波長(zhǎng) 滿足條件：滿足條件： )( 24.1 eVE i 無(wú)論光照無(wú)論光照n區(qū)或區(qū)或p區(qū)，都會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。區(qū)，都會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。 當(dāng)內(nèi)建電場(chǎng)的方向?yàn)殡娏鞯恼较驎r(shí)，當(dāng)內(nèi)建電場(chǎng)的方向?yàn)殡娏鞯恼较驎r(shí)，PN結(jié)結(jié) 兩端

44、接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL，若入射輻射通量，若入射輻射通量 為為e,作用于作用于PN結(jié)上，在負(fù)載電阻結(jié)上，在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生的兩端產(chǎn)生 壓降壓降U，流過(guò)負(fù)載電阻的電流應(yīng)為，流過(guò)負(fù)載電阻的電流應(yīng)為 ) 1( KT qU s eIII 式中， I為光生電流，Is為暗電流。 h e qI d , e )1 ( , e )1 (e h q II d sc 當(dāng)當(dāng)U=0（PN結(jié)被短路）時(shí)，輸出電流結(jié)被短路）時(shí)，輸出電流ISC即即 短路電流，并有短路電流，并有 當(dāng)當(dāng)I=0時(shí)（時(shí)（PN結(jié)開(kāi)路），結(jié)開(kāi)路），PN結(jié)兩端的開(kāi)路電壓結(jié)兩端的開(kāi)路電壓UOC為為 ) 1ln( OC D I I q

45、 KT U 特殊特殊： 光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為 I=I+Is 光電二極管的暗電流光電二極管的暗電流ID一般遠(yuǎn)小于光電流一般遠(yuǎn)小于光電流I，常將其忽略。，常將其忽略。 光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系 , )1 ( e d e h q I 當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均 勻照射，在曝光區(qū)由于本征吸收，產(chǎn)生高密度的電子與勻照射，在曝光區(qū)由于本征吸收，產(chǎn)生高密度的電子與 空穴載流子，遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成空穴載流子，遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，

46、形成濃度差濃度差。 由于載流子遷移率的差由于載流子遷移率的差 別產(chǎn)生受照面與遮光面別產(chǎn)生受照面與遮光面 之間的伏特現(xiàn)象稱為之間的伏特現(xiàn)象稱為丹丹 培效應(yīng)。培效應(yīng)。 丹培效應(yīng)產(chǎn)生的光生電壓丹培效應(yīng)產(chǎn)生的光生電壓 pn pn pn pn D pn n q KT U 00 0 1ln n0、p0為熱平衡載流子的濃度；為熱平衡載流子的濃度；n0為半導(dǎo)體表面處的光為半導(dǎo)體表面處的光 生載流子濃度；生載流子濃度；n=1400cm2/(Vs), ,p=500cm2/(Vs)，顯，顯 然，然，np。 半導(dǎo)體的迎光面帶正電，背光面帶負(fù)電，產(chǎn)生光生伏特半導(dǎo)體的迎光面帶正電，背光面帶負(fù)電，產(chǎn)生光生伏特 電壓。這種由

47、于雙極性載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速率不同而產(chǎn)生電壓。這種由于雙極性載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速率不同而產(chǎn)生 的光生伏特現(xiàn)象稱為的光生伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)丹培效應(yīng)。 在半導(dǎo)體上外加磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向與光照方向垂直，在半導(dǎo)體上外加磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向與光照方向垂直， 當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生丹培效應(yīng)丹培效應(yīng)時(shí)，由于電子和空穴在磁時(shí)，由于電子和空穴在磁 場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到洛倫茲力作用，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到洛倫茲力作用，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?？昭ㄏ虬雽?dǎo)體的上方偏轉(zhuǎn)，電子偏向下方。 結(jié)果結(jié)果: :在垂直于光照方向與在垂直于光照方向與 磁場(chǎng)方向的半導(dǎo)體上下表面磁場(chǎng)方

48、向的半導(dǎo)體上下表面 上產(chǎn)生伏特電壓，稱為上產(chǎn)生伏特電壓，稱為光磁光磁 電場(chǎng)。電場(chǎng)。這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體 的光磁電效應(yīng)。的光磁電效應(yīng)。 光磁電場(chǎng)為光磁電場(chǎng)為 pn dpn Z pn ppqBD E 00 0 )( p0，pd分別為分別為x=0，x=d處處n型半導(dǎo)體在光輻射作型半導(dǎo)體在光輻射作 用下激發(fā)出的少數(shù)載流子（空穴）的濃度；用下激發(fā)出的少數(shù)載流子（空穴）的濃度；D為雙為雙 極性載流子的擴(kuò)散系數(shù)，在數(shù)值上等于極性載流子的擴(kuò)散系數(shù)，在數(shù)值上等于 pn pn pDnD pnDD D )( 其中，其中，Dn與與Dp分別為電子與空穴的擴(kuò)散系數(shù)。分別為電子與空穴的擴(kuò)散系數(shù)。 當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí)，光子把動(dòng)當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí)，光子把動(dòng) 量傳遞給自由載流子。自由載流子沿光線傳播方向做相對(duì)量傳遞給自由載流子。自由載流子沿光線傳播方向做相對(duì) 于晶格的運(yùn)動(dòng)。在開(kāi)路的情況下，半導(dǎo)體樣品中于晶格的運(yùn)動(dòng)