光電檢測技術1

1、1 光電檢測系統(tǒng)的典型配置如下圖所示光電檢測系統(tǒng)的典型配置如下圖所示。信號處理裝置光電探測器光 源信息載體 輻射度學輻射度學研究研究整個整個電磁輻射的傳播和量度。輻射度學電磁輻射的傳播和量度。輻射度學單位是純粹物理量的單位；單位是純粹物理量的單位；第第1 1章章 光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識1.1 1.1 輻射度學和光度學基本概念輻射度學和光度學基本概念 它包括它包括輻射源、信息載體、光電探測器以及信息處理輻射源、信息載體、光電探測器以及信息處理裝置裝置。大多數(shù)情況下探測器前要加光學系統(tǒng)。大多數(shù)情況下探測器前要加光學系統(tǒng)。 光度學相對輻射度學而言采用的是另一套單位制，光度學

2、相對輻射度學而言采用的是另一套單位制，但是各物理量的定義及其物理意義和輻射度學是一致的。但是各物理量的定義及其物理意義和輻射度學是一致的。 為了便于區(qū)分，輻射度學和光度學各量分別加腳標為了便于區(qū)分，輻射度學和光度學各量分別加腳標“e”和和“v”。 光度學光度學所討論的只是所討論的只是可見光波可見光波的傳播和量度，因此的傳播和量度，因此光度學的單位必須考慮人眼的光度學的單位必須考慮人眼的響應響應，包含了生理因素包含了生理因素。 重點介紹常用的重點介紹常用的輻射源和光電探測器輻射源和光電探測器，著重討論它，著重討論它們的們的結構、工作原理和性能及用途結構、工作原理和性能及用途。21.1.1. 輻射

3、度學基本物理量輻射度學基本物理量 對輻射源來說，其對輻射源來說，其輻功率定義為輻功率定義為單位時間內(nèi)向所有方單位時間內(nèi)向所有方向發(fā)射的能量，對于電磁波的傳播來說，輻功率的定義是向發(fā)射的能量，對于電磁波的傳播來說，輻功率的定義是單位時間通過某一截面的輻射能。單位為單位時間通過某一截面的輻射能。單位為W(瓦瓦特特)。e1、輻功率、輻功率(輻通量輻通量)4eeIddIee2、輻強度、輻強度Ie 3、輻、輻射射亮度亮度(或稱輻射度或稱輻射度)Le 對于小面積的面輻射源，以輻亮度對于小面積的面輻射源，以輻亮度Le來表示其表面不來表示其表面不同位置在不同方向上的輻射特性。同位置在不同方向上的輻射特性。輻射

4、通量輻射通量 輻強度的單位為輻強度的單位為W/sr（瓦球面度）。對于均勻輻（瓦球面度）。對于均勻輻射的點光源，若輻通量為射的點光源，若輻通量為 , 則其輻強度為則其輻強度為e3式中式中 是面輻射源正對是面輻射源正對dA的有效面積。輻亮的有效面積。輻亮度度Le就是該面源在某方向上單位投影面積輻射到單就是該面源在某方向上單位投影面積輻射到單位立體角的輻通量。位立體角的輻通量。單位為單位為W(m2sr)。cosdS 一小平面輻射源的面積為一小平面輻射源的面積為dS，與，與dS的法線夾角的法線夾角 的方向上有的方向上有一面元一面元dA。若。若dA所對應的立體角所對應的立體角 內(nèi)的輻通量為內(nèi)的輻通量為

5、，則面源在此，則面源在此方向上的輻亮度為方向上的輻亮度為 ded2coseedLdSddLdSdMeee4、輻出度、輻出度Me單位為單位為Wm2。如圖所示如圖所示:輻射出射度輻射出射度4 其余物理量其余物理量，如，如 、 等意義與等意義與 相仿。相仿。 eLeIeM 如果如果輻亮度輻亮度和和輻強度輻強度與輻射方向有關，可用帶下標的與輻射方向有關，可用帶下標的 和和 表示；如果僅僅考慮在波長表示；如果僅僅考慮在波長 附近的輻射情況，則附近的輻射情況，則可用可用 和和 表示。例如表示。例如 稱為光譜輻強度，表示在波長稱為光譜輻強度，表示在波長附近每單位波長間隔的輻強度。輻強度與光譜輻強度的關附近每

6、單位波長間隔的輻強度。輻強度與光譜輻強度的關系如下式系如下式 eLeIeIeLeIdIIeoedAdEee 表示每單位受照面接受的輻通量表示每單位受照面接受的輻通量:5、輻照度、輻照度Ee輻照度的單位輻照度的單位為為W/m2。5人眼是最常用的人眼是最常用的可見光可見光接受器。對不同波長的電磁接受器。對不同波長的電磁輻射有不同的靈敏度，不同人的眼睛，其靈敏度也有差異。輻射有不同的靈敏度，不同人的眼睛，其靈敏度也有差異。 人眼對于波長為人眼對于波長為555nm的的綠色光最敏感綠色光最敏感，取其視見函，取其視見函數(shù)值為數(shù)值為1。 為了從數(shù)量上描述人眼對各種波長輻射能的相對敏為了從數(shù)量上描述人眼對各種

7、波長輻射能的相對敏感度，引入感度，引入視見函數(shù)視見函數(shù) 。V 國際照明委員會從國際照明委員會從許多人的大量觀察結果許多人的大量觀察結果中取其平均值，得出視中取其平均值，得出視見函數(shù)見函數(shù) - 的曲線如的曲線如下圖所示，下圖所示，V 在在380780nm的區(qū)域里，的區(qū)域里，各種波長對應的的視見函數(shù)各種波長對應的的視見函數(shù)值值見書上表見書上表1-1。從表列數(shù)值可見，波長為。從表列數(shù)值可見，波長為740nm的紅光，的紅光，其功率必需大到波長為其功率必需大到波長為555nm的綠光的的綠光的4103 倍，才能引起倍，才能引起相同強度的視覺感受。相同強度的視覺感受。其它波長其它波長, , 而在可見光譜以外

8、的波段而在可見光譜以外的波段 1V0V 1.1.2. 光度學基本物理量光度學基本物理量圖中虛線是暗視覺視見函數(shù)圖中虛線是暗視覺視見函數(shù)?實線是明視覺視見函數(shù)實線是明視覺視見函數(shù)?6 “坎德拉坎德拉是指光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源是指光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為發(fā)出頻率為5401012Hz的單色輻射，且在此方向上的輻的單色輻射，且在此方向上的輻強度為強度為(1/683)W/sr”式中式中 為輻通量，單位為為輻通量，單位為w；光通量；光通量 的單位為的單位為lm，稱為流明；比例系數(shù)：稱為流明；比例系數(shù)：C=683lm/W。ev 為了從數(shù)量上描述電磁輻射對視覺的刺激強度，引入為

9、了從數(shù)量上描述電磁輻射對視覺的刺激強度，引入一個新的物理量，稱為光通量一個新的物理量，稱為光通量 ，也稱為光功率也稱為光功率。v 從定義可見，輻通量為從定義可見，輻通量為1W，波長等于，波長等于555nm的綠光的的綠光的光通量光通量(即視覺感受即視覺感受)為為683 lm，即，即1lm的光通量相當輻通量的光通量相當輻通量為為 (對對555nm)。對其它波長，。對其它波長，1lm光通量所相當?shù)耐吖馔克喈數(shù)耐咛財?shù)都大于特數(shù)都大于 。W68316831 發(fā)光強度的單位應是發(fā)光強度的單位應是lm/sr，(流明每球面度流明每球面度)，但是，但是國際單位制規(guī)定國際單位制規(guī)定發(fā)光強度發(fā)光強度為七個基本量

10、之一。為七個基本量之一。 ddIvv 其它光度學單位從發(fā)光強度單位其它光度學單位從發(fā)光強度單位cd導出。例如導出。例如1lm是發(fā)是發(fā)光強度為光強度為1cd的點光源在的點光源在1sr的立體角內(nèi)的光通量。的立體角內(nèi)的光通量?？驳吕驳吕?cd)為基為基本單位本單位v1.光通量光通量evCV光通量的定義為光通量的定義為vI2.發(fā)光強度發(fā)光強度點光源的發(fā)光強度定義為點光源的發(fā)光強度定義為 在國際單位制中是以長度、質(zhì)量、時間、電流、在國際單位制中是以長度、質(zhì)量、時間、電流、熱力學溫度、物質(zhì)的量、發(fā)光強度這熱力學溫度、物質(zhì)的量、發(fā)光強度這7個量為基本量個量為基本量. 7 同學們注意一下：書上表同學們注意一

11、下：書上表1-2列出主要輻射度學量和列出主要輻射度學量和相應的光度學量及其單位。相應的光度學量及其單位。 ddSdLvvcos3.亮度亮度 單位為單位為cd/m2 (坎德拉每平方米坎德拉每平方米) 定義為面光源從單位面積上輻射的光通量定義為面光源從單位面積上輻射的光通量dLdSdMvvv4.光出射度光出射度 入射到單位面積上的光通量稱為照度入射到單位面積上的光通量稱為照度: dAdEvv5.照度照度單位為單位為lx。面光源的亮度定義為面光源的亮度定義為 單位為單位為lm/m2(流明每平方米流明每平方米)。也稱為面也稱為面發(fā)光度發(fā)光度 8IddI42rdAcosIdcos2rIdAdE1.1.3

12、.其他基本概念其他基本概念1. 點源點源d從強度為從強度為的點源輻射到立體角的點源輻射到立體角 的通量為的通量為點源沿各方向均勻輻射，則總通量為點源沿各方向均勻輻射，則總通量為 當點源照射一個小面元當點源照射一個小面元dA時，若面元時，若面元dA的法線與的法線與dA到點源連線到點源連線r的夾角為的夾角為 ，則照到，則照到dA上的通量為上的通量為根據(jù)照度的定義，得該面元上的照度為根據(jù)照度的定義，得該面元上的照度為這就是照度與距離這就是照度與距離r之間的平方反之間的平方反比定律。僅當光源極小或極遠時，比定律。僅當光源極小或極遠時，平方反比定律才能成立，這時才平方反比定律才能成立，這時才能把輻射源看

13、作點源能把輻射源看作點源。9ddrdrddrsinsin2所以此面源的總輻通量為所以此面源的總輻通量為 LdSddLds2o0sincos 根據(jù)輻出度的定義，可得根據(jù)輻出度的定義，可得朗伯源的朗伯源的輻出度輻出度與與輻亮度輻亮度的關系的關系 LdSM 一個面積為一個面積為dS的的朗伯源朗伯源，在立體角，在立體角 內(nèi)輻射的通量為內(nèi)輻射的通量為ddSdLdcos 假設此朗伯源為不透明物質(zhì)，其輻射通量僅僅分布假設此朗伯源為不透明物質(zhì)，其輻射通量僅僅分布在半球空間內(nèi)在半球空間內(nèi) 一個理想化的擴展源，為一個理想化的擴展源，為朗伯源朗伯源。特點特點:朗伯源的朗伯源的亮度不隨方向而改變。亮度不隨方向而改變。

14、2.擴展源擴展源10EdSdiisKdddSLdssKELs3.漫反射面漫反射面 用用MgO或或BaSO4粉末壓制成的表面、無光白紙等，都粉末壓制成的表面、無光白紙等，都可以把入射光向各方向均勻地散射出去。稱為可以把入射光向各方向均勻地散射出去。稱為漫反射表面漫反射表面或散射面或散射面。 假設投射到表面積假設投射到表面積dS的漫反射表面上的照度為的漫反射表面上的照度為E，則，則該面所接受的該面所接受的光通量光通量為為設設該表面的漫反射系數(shù)為該表面的漫反射系數(shù)為K，則該表面散射的光通量為，則該表面散射的光通量為 因為漫反射面把入射光沿所有方向散射出去，所因為漫反射面把入射光沿所有方向散射出去，所

15、以可當作朗伯反射面處理，于是有以可當作朗伯反射面處理，于是有式中式中Ls稱為該表面的視亮度稱為該表面的視亮度。從上面結果可得從上面結果可得:11 當漫射系數(shù)當漫射系數(shù)K 1時，在白光照射下，朗伯反射體看起來時，在白光照射下，朗伯反射體看起來仍是白色。乳白玻璃可以把入射光向空間各方向散射，而不仍是白色。乳白玻璃可以把入射光向空間各方向散射，而不是僅僅向半球空間散射，所以其視亮度為是僅僅向半球空間散射，所以其視亮度為: 2KELs4.定向輻射體定向輻射體 從成像光學儀器發(fā)出的光束，一般都集中在一定的從成像光學儀器發(fā)出的光束，一般都集中在一定的立體角內(nèi)，其輻射有一定的方向性。為了與立體角內(nèi)，其輻射有

16、一定的方向性。為了與余弦輻射體余弦輻射體相區(qū)別相區(qū)別，稱它為定向輻射體。，稱它為定向輻射體。最典型的定向輻射源是激光器。最典型的定向輻射源是激光器。朗伯反射體特點朗伯反射體特點:把入射光向各方向均勻地散射出去把入射光向各方向均勻地散射出去121.2 半導體基礎知識半導體基礎知識 固體中由于原子數(shù)量巨大且緊密排列，形成固體中由于原子數(shù)量巨大且緊密排列，形成“能帶能帶”。1.2.1.固體的能帶結構固體的能帶結構1.電子的共有化運動電子的共有化運動 在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。

17、每個電子按能級分布每個電子按能級分布。 固體中大量原子緊密結合在一起，而且原子間距固體中大量原子緊密結合在一起，而且原子間距很小，原子的各個殼層之間有不同程度的交疊很小，原子的各個殼層之間有不同程度的交疊。 最外面的電子殼層交疊最多，內(nèi)層交疊較少，如最外面的電子殼層交疊最多，內(nèi)層交疊較少，如下圖所示。下圖所示。13晶體中電子的這種運動稱為電子的共有化晶體中電子的這種運動稱為電子的共有化。右圖為電子右圖為電子共有化運動共有化運動示意圖示意圖 殼層的交疊殼層的交疊使外層的電子不再局限于某個原子，它使外層的電子不再局限于某個原子，它可能轉移到相鄰原子的相似殼層上去，可能轉移到相鄰原子的相似殼層上去，

18、例如例如電子可以從電子可以從某個原子的某個原子的2P殼層殼層轉移到相鄰原子的轉移到相鄰原子的2P殼層殼層，也可能從，也可能從相鄰原子運動到更遠的原子的相近殼層上去。相鄰原子運動到更遠的原子的相近殼層上去。這樣電子有可能在整個晶體中運動。這樣電子有可能在整個晶體中運動。 外層電子的共有化較為顯著，而內(nèi)殼層因交疊少共外層電子的共有化較為顯著，而內(nèi)殼層因交疊少共有化不十分顯著有化不十分顯著。電子的共有化運動只能在原子中相似。電子的共有化運動只能在原子中相似的殼層間進行，如的殼層間進行，如3S殼層上的電子只能在所有原子的殼層上的電子只能在所有原子的3S殼層上做共有化運動。殼層上做共有化運動。14 電子

19、的共有化電子的共有化使本來處于同一能級的電子能量發(fā)生微使本來處于同一能級的電子能量發(fā)生微小的差異。一個電子能級因受小的差異。一個電子能級因受N個原子核的作用而分裂成個原子核的作用而分裂成N個新的靠得很近的能級。這個新的靠得很近的能級。這N個新能級之間能量差異極小，個新能級之間能量差異極小，而而N值很大，于是這值很大，于是這N個能級幾乎連成一片而個能級幾乎連成一片而形成具有一定形成具有一定寬度的能帶寬度的能帶。 原子中每一電子能級在固體中都分裂成能帶。原子中每一電子能級在固體中都分裂成能帶。這些允這些允許被電子占據(jù)的能帶稱為允帶許被電子占據(jù)的能帶稱為允帶。允帶之間的范圍是不允許允帶之間的范圍是不

20、允許被電子占據(jù)的，這一范圍稱為禁帶被電子占據(jù)的，這一范圍稱為禁帶。被電子占滿的允帶稱被電子占滿的允帶稱為滿帶為滿帶。原子中最外層電子稱為價電子，這一殼層分裂所原子中最外層電子稱為價電子，這一殼層分裂所成的能帶稱為價帶成的能帶稱為價帶。比價帶能量更高的允許帶稱為導帶比價帶能量更高的允許帶稱為導帶；沒有電子進入的能帶稱為空帶沒有電子進入的能帶稱為空帶。3.能帶的結構能帶的結構能帶能帶是描述是描述晶體中電子晶體中電子能量狀態(tài)的能量狀態(tài)的重要方法重要方法2.能帶的形成能帶的形成15 半導體材料多為共價鍵半導體材料多為共價鍵。例如，鍺。例如，鍺(Ge)或硅或硅(Si)原子外層原子外層有有4個價電子，它們

21、與相鄰原子組成共價鍵后形成原子外層個價電子，它們與相鄰原子組成共價鍵后形成原子外層有有8個電子的穩(wěn)定結構。個電子的穩(wěn)定結構。4. N型半導體和型半導體和P型半導體型半導體 電子從價帶躍遷到導帶后，導帶中的電子稱為自由電子從價帶躍遷到導帶后，導帶中的電子稱為自由電子電子。自由電子不附著于任何原子上，有可能在晶體中。自由電子不附著于任何原子上，有可能在晶體中游動，在外加電場作用下形成電流。游動，在外加電場作用下形成電流。 由于由于共價鍵共價鍵上電子所受束縛力較小，可能受到激發(fā)而上電子所受束縛力較小，可能受到激發(fā)而躍過禁帶，占據(jù)價帶上面的能帶。這種現(xiàn)象稱為躍過禁帶，占據(jù)價帶上面的能帶。這種現(xiàn)象稱為電

22、子的躍電子的躍遷遷。 價帶中電子躍遷到導帶后，價帶中出現(xiàn)電子的空缺價帶中電子躍遷到導帶后，價帶中出現(xiàn)電子的空缺稱為自由空穴稱為自由空穴。在外電場作用下，附近電子可以去填補。在外電場作用下，附近電子可以去填補空缺，猶如自由空穴發(fā)生定向移動，也能形成電流?？杖?，猶如自由空穴發(fā)生定向移動，也能形成電流。 常溫下半導體有導電性常溫下半導體有導電性。與半導體導電性能有關與半導體導電性能有關的能帶是導帶和價帶。的能帶是導帶和價帶。16 不含雜質(zhì)的半導體稱為純凈半導體，下圖所示為純不含雜質(zhì)的半導體稱為純凈半導體，下圖所示為純凈半導體的能帶結構。凈半導體的能帶結構。EcEv導帶導帶價帶價帶禁帶禁帶 在純凈半導

23、體中，電子獲取在純凈半導體中，電子獲取熱能熱能后從價帶躍遷到導后從價帶躍遷到導帶，導帶中出現(xiàn)自由電子，價帶中出現(xiàn)自由空穴，形成帶，導帶中出現(xiàn)自由電子，價帶中出現(xiàn)自由空穴，形成電子電子空穴空穴對。對。導電的自由電子和自由空穴統(tǒng)稱為載流導電的自由電子和自由空穴統(tǒng)稱為載流子子。 沒有雜質(zhì)和缺陷的的半導體稱為本征半導體，本征沒有雜質(zhì)和缺陷的的半導體稱為本征半導體，本征半導體導電性能的好壞與材料的半導體導電性能的好壞與材料的禁帶寬度禁帶寬度有關。有關。 在半導體中摻入少量雜質(zhì)就形成摻雜半導體在半導體中摻入少量雜質(zhì)就形成摻雜半導體,也稱為也稱為非本征半導體非本征半導體。17 易釋放電子的原子稱為施主易釋放

24、電子的原子稱為施主。施主束縛電子的能量狀態(tài)。施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為稱為施主能級施主能級Ed，位于禁帶中比較靠近導帶的位置，位于禁帶中比較靠近導帶的位置，如下圖如下圖所示所示。施主能級施主能級Ed和導帶底和導帶底Ec間的能量差為間的能量差為Ed，它稱為施，它稱為施主電離能。主電離能。這種由施主能級激發(fā)到導帶中去的電子來導電的這種由施主能級激發(fā)到導帶中去的電子來導電的半導體稱為半導體稱為N型半導體。型半導體。 容易獲取電子的原子稱為受主容易獲取電子的原子稱為受主。受主獲取電子的能量狀。受主獲取電子的能量狀態(tài)用態(tài)用受主能級受主能級Ea表示。也處于禁帶之中，位于價帶頂表示。也處于禁帶之中，位于價帶

25、頂Ev附附近。近。Ea與與Ev 之能量差之能量差Ea，稱為受主電離能，稱為受主電離能。這種由受主。這種由受主控制材料導電性的半導體稱為控制材料導電性的半導體稱為P型半導體。在型半導體。在P型半導體中，型半導體中，自由空穴濃度高于自由電子濃度。自由空穴濃度高于自由電子濃度。 EcEvEdEcEvEaEdEa18 在一定溫度下，若沒有外界作用，半導體中的載流子在一定溫度下，若沒有外界作用，半導體中的載流子是由是由熱激發(fā)產(chǎn)生的熱激發(fā)產(chǎn)生的。電子如果從不斷熱振動的晶體中獲得。電子如果從不斷熱振動的晶體中獲得一定的能量，就能從價帶躍遷到導帶，形成自由電子，同一定的能量，就能從價帶躍遷到導帶，形成自由電子

26、，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。 在熱激發(fā)的同時在熱激發(fā)的同時，也有電子從，也有電子從導帶躍遷到價帶并向導帶躍遷到價帶并向晶格放出能量晶格放出能量，這就是電子與空穴的復合。，這就是電子與空穴的復合。1.2.2.熱平衡下的載流子濃度熱平衡下的載流子濃度 半導體的電學性質(zhì)與材料的載流子濃度有關。改變載半導體的電學性質(zhì)與材料的載流子濃度有關。改變載流子濃度就可以改變半導體的電學性質(zhì)。流子濃度就可以改變半導體的電學性質(zhì)。所以所以熱平衡狀態(tài)時的載流子濃度是一穩(wěn)定值熱平衡狀態(tài)時的載流子濃度是一穩(wěn)定值。 當溫度改變后，原來的平衡狀態(tài)遭到破壞而建立起當溫度改變后，原來的平衡狀態(tài)遭到破壞而建

27、立起新的平衡狀態(tài)，即達到另一個穩(wěn)定值。新的平衡狀態(tài)，即達到另一個穩(wěn)定值。 在一定溫度下激發(fā)和復合兩種過程形成平衡，稱為在一定溫度下激發(fā)和復合兩種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)，這時的載流子濃度即為某一穩(wěn)定值。，這時的載流子濃度即為某一穩(wěn)定值。載流子濃度就是指單位體積內(nèi)的載流子濃度就是指單位體積內(nèi)的載流子載流子數(shù)量的多少。數(shù)量的多少。19 受光照時，價帶中的電子吸收光子躍遷到導帶。于是受光照時，價帶中的電子吸收光子躍遷到導帶。于是導帶電子濃度增加導帶電子濃度增加n ,價帶空穴濃度增加價帶空穴濃度增加p 。這些。這些非平衡非平衡載流子稱為光生載流子載流子稱為光生載流子。本征半導體吸收光子能

28、量的過程。本征半導體吸收光子能量的過程稱為本征吸收。本征吸收只決定于半導體本身的性質(zhì)。稱為本征吸收。本征吸收只決定于半導體本身的性質(zhì)。要要產(chǎn)生本征吸收，光子能量必須產(chǎn)生本征吸收，光子能量必須大于大于材料的禁帶寬度材料的禁帶寬度ggEchEhv或 通過光激發(fā)方式而使半導體器件載流子濃度超過熱平通過光激發(fā)方式而使半導體器件載流子濃度超過熱平衡時的濃度。超出的這部分載流子稱為衡時的濃度。超出的這部分載流子稱為非平衡載流子或過非平衡載流子或過剩載流子剩載流子。半導體材料吸收光能產(chǎn)生非平衡載流子是光電半導體材料吸收光能產(chǎn)生非平衡載流子是光電檢測器件的工作基礎。檢測器件的工作基礎。1.2.3.半導體中的非

29、平衡載流子半導體中的非平衡載流子1 半導體材料的光吸收效應半導體材料的光吸收效應(1)本征吸收本征吸收 在一定溫度條件下，無光照時本征半導體材料中的在一定溫度條件下，無光照時本征半導體材料中的電子和空穴濃度分別為電子和空穴濃度分別為n0和和p0 ，是一確定值。，是一確定值。 因此，本征吸收在長波方向必然存在一個因此，本征吸收在長波方向必然存在一個界限界限0 ，稱為長波限稱為長波限。本征吸收的長波限為。本征吸收的長波限為(m)E1.24Ehcgg020EcEvEcEvEdEcEvEa(2)雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 摻雜半導體在光照時，中性施主的束縛電子可以吸收摻雜半導體在光照時，中性施主的束縛電子可以吸

30、收光子而躍遷到導帶；中性受主的束縛空穴亦可以吸收光子光子而躍遷到導帶；中性受主的束縛空穴亦可以吸收光子而躍遷到價帶。而躍遷到價帶。這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。施主釋放束縛電施主釋放束縛電子到導帶，受主釋放束縛空穴到價帶，它們所需能量即為子到導帶，受主釋放束縛空穴到價帶，它們所需能量即為電離能電離能Ed,和和Ea。顯然，雜質(zhì)吸收的最低光子能量等。顯然，雜質(zhì)吸收的最低光子能量等于雜質(zhì)的電離能于雜質(zhì)的電離能Ed,(或或Ea)。即雜質(zhì)吸收光的長波限即雜質(zhì)吸收光的長波限E24.1 雜質(zhì)的電離能雜質(zhì)的電離能Ed(或或Ea)一般比禁帶寬度一般比禁帶寬度Eg小得多，小得多，所以雜質(zhì)吸收的光譜可

31、以延伸到本征吸收的長波限入所以雜質(zhì)吸收的光譜可以延伸到本征吸收的長波限入0 以外。以外。212.非平衡載流子濃度非平衡載流子濃度 光照射半導體材料時，載流子濃度一直在增加；如果光照射半導體材料時，載流子濃度一直在增加；如果停止光照，光生載流子就不再產(chǎn)生，而載流子濃度因停止光照，光生載流子就不再產(chǎn)生，而載流子濃度因電子電子與空穴復合與空穴復合而逐漸減小，最后恢復到熱平衡時的濃度值。而逐漸減小，最后恢復到熱平衡時的濃度值。 直接復合直接復合是指半導體材料中的自由電子直接由導帶是指半導體材料中的自由電子直接由導帶回到價帶與自由空穴復合，釋放出多余的能量?；氐絻r帶與自由空穴復合，釋放出多余的能量。 間

32、接復合間接復合是自由電子和自由空穴通過禁帶中的是自由電子和自由空穴通過禁帶中的復合復合中心中心進行復合。進行復合。 載流子復合過程一般有直接復合和間接復合兩種載流子復合過程一般有直接復合和間接復合兩種。 如果材料中含有極少的如果材料中含有極少的缺陷、錯位或雜質(zhì)缺陷、錯位或雜質(zhì)，它們中的，它們中的價鍵未被填滿的原子起著施主或受主的作用，在禁帶中形價鍵未被填滿的原子起著施主或受主的作用，在禁帶中形成能級；成能級； 雜質(zhì)也能在禁帶中形成能級起施主或受主的作用雜質(zhì)也能在禁帶中形成能級起施主或受主的作用，禁禁帶中的這些能級就是復合中心帶中的這些能級就是復合中心。自由電子可先與復合中心。自由電子可先與復合

33、中心復合而使復合中心帶電，再由庫侖力的作用而與空穴復合；復合而使復合中心帶電，再由庫侖力的作用而與空穴復合；自由空穴也可經(jīng)類似過程進行復合。自由空穴也可經(jīng)類似過程進行復合。間接復合往往在復合間接復合往往在復合過程中起主要作用。過程中起主要作用。 若光由照射到停止，光生載流子濃度會因復合而逐漸若光由照射到停止，光生載流子濃度會因復合而逐漸減小，最后逐漸回到平衡狀態(tài)。復合有先有后，光生載流減小，最后逐漸回到平衡狀態(tài)。復合有先有后，光生載流子停留在自由狀態(tài)的時間是不等的，有的長些，有的短些。子停留在自由狀態(tài)的時間是不等的，有的長些，有的短些。 光生載流子的平均生存時間稱為光生載流子的壽命光生載流子的

34、平均生存時間稱為光生載流子的壽命 。221.2.4.載流子的擴散與漂移載流子的擴散與漂移1.擴散擴散 當材料的局部位置受到光照時，將產(chǎn)生局部位置的當材料的局部位置受到光照時，將產(chǎn)生局部位置的光生載流子。這時電子將從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)光生載流子。這時電子將從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，這種現(xiàn)象稱為載流子擴散。域運動，這種現(xiàn)象稱為載流子擴散。 擴散有一定方向，可以形成電流。在擴散過程中，流擴散有一定方向，可以形成電流。在擴散過程中，流過單位面積的電流稱為擴散電流密度，它正比于光生載流過單位面積的電流稱為擴散電流密度，它正比于光生載流子的濃度梯度，即子的濃度梯度，即dxdnqDJnnDdx

35、dpqDJppD 式中，式中，JnD、JpD分別為電子擴散電流密度和空穴擴散分別為電子擴散電流密度和空穴擴散電流密度。電流密度。Dn、Dp分別是電子和空穴的擴散系數(shù)；分別是電子和空穴的擴散系數(shù)； 和和 是指在是指在x方向上的電子和空穴的濃度梯度。方向上的電子和空穴的濃度梯度。dxdndxdp注意注意:由于載流子擴散取載流子濃度減少方向，所以空穴形成由于載流子擴散取載流子濃度減少方向，所以空穴形成的電流是負的。因電子的電荷是負值，擴散方向的負號與電的電流是負的。因電子的電荷是負值，擴散方向的負號與電荷的負號相乘，使電子形成的電流是正值。荷的負號相乘，使電子形成的電流是正值。232.漂移漂移 半導

36、體受外電場作用時，其中的電子向正極運動，半導體受外電場作用時，其中的電子向正極運動，空穴向負極運動，這種定向運動稱為載流子漂移空穴向負極運動，這種定向運動稱為載流子漂移。根據(jù)歐姆定律根據(jù)歐姆定律:xxEJ J的大小應與載流子濃度和載流子沿電場的漂移速度的大小應與載流子濃度和載流子沿電場的漂移速度成正比。對于成正比。對于N 型半導體有型半導體有xxqnvJ 式中式中 q 是電子的電荷；是電子的電荷； 為電子沿為電子沿x方向的速度。方向的速度。 與與電場強度成線性關系：電場強度成線性關系： xvxvxnxEv式中，式中， 為電子遷移率，單位是為電子遷移率，單位是cms-1Vcm-1。n聯(lián)立式以上三

37、式解得聯(lián)立式以上三式解得:nnq同樣，對于同樣，對于P 型材料也有型材料也有:ppq24dxdpqDEpqJJJdxdnqDEnqJJJpppEpDpnnnEnDn總電流密度為總電流密度為:pnJJJ 在電場作用下在電場作用下,漂移所產(chǎn)生的電子和空穴電流密漂移所產(chǎn)生的電子和空穴電流密度分別為度分別為:xppExnnEEpqJEnqJ 特別是當擴散和漂移共存時特別是當擴散和漂移共存時,總的電子和空穴電流密總的電子和空穴電流密度矢量分別為度矢量分別為:1.3基本定律基本定律1.黑體輻射定律黑體輻射定律 如果一物體，在任何溫度下對任何波長的入射輻射如果一物體，在任何溫度下對任何波長的入射輻射能的吸收

38、比都等于能的吸收比都等于1，那么這物體稱為絕對黑體。，那么這物體稱為絕對黑體。絕對黑體的吸收比絕對黑體的吸收比B (,T)=1，反射比，反射比B（,T）=025重要結論重要結論:物體的光譜發(fā)射率總等于其光譜吸收比。物體的光譜發(fā)射率總等于其光譜吸收比。 18601860年，基爾霍夫發(fā)現(xiàn)物體的年，基爾霍夫發(fā)現(xiàn)物體的輻射出射度輻射出射度與物體的吸與物體的吸收比之間有內(nèi)在聯(lián)系。收比之間有內(nèi)在聯(lián)系。2.2.基爾霍夫定律基爾霍夫定律 基爾霍夫定律基爾霍夫定律:任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比，任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比，等于同一溫度時絕對黑體的單色輻出度。等于同一溫度時絕對黑體的單色輻出度。

39、定義定義:物體的光譜發(fā)射率物體的光譜發(fā)射率 如果有一物體，對各種波長的吸收比雖小于如果有一物體，對各種波長的吸收比雖小于1但近似但近似地為一常數(shù)地為一常數(shù) ，那這物體稱為，那這物體稱為灰體灰體，稱為灰體的黑度。一稱為灰體的黑度。一般金屬材料大都可以近似地看成灰體；般金屬材料大都可以近似地看成灰體；結論說明結論說明:強吸收體必然是強發(fā)射體強吸收體必然是強發(fā)射體。( , )( , )( , )eeBMTMTT ( , )( , )( , )( , )eeBMTTTMT 26 在短波區(qū)或溫度不高的情況下，在短波區(qū)或溫度不高的情況下， c2，則可，則可將此式簡化成將此式簡化成T3.普朗克輻射公式普朗克

40、輻射公式 德國物理學家普朗克根據(jù)光的量子理論，推導出黑體德國物理學家普朗克根據(jù)光的量子理論，推導出黑體光譜輻射出射度與波長、絕對溫度之間關系的著名公式光譜輻射出射度與波長、絕對溫度之間關系的著名公式:)mK(21043879. 1k/hc2c)2Wm(161074. 32hc21c式中式中c為光速為光速, k和和h分別為玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)。分別為玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)。215( ,)(1)eBcTcMTe251( ,)cTeBMTce 這是公認的物體間熱力傳導基本法則，雖然有物理這是公認的物體間熱力傳導基本法則，雖然有物理學家懷疑此律在兩個物體極度接近時不能成立，學家懷疑此律在兩個物體

41、極度接近時不能成立，而普朗而普朗克也對此定律在微距物體間是否仍成立，持保留態(tài)度克也對此定律在微距物體間是否仍成立，持保留態(tài)度。但始終無法證明和提出實證。但始終無法證明和提出實證。 此發(fā)現(xiàn)讓人們對基本物理有了進一步的了解，同時此發(fā)現(xiàn)讓人們對基本物理有了進一步的了解，同時對改良計算機數(shù)據(jù)儲存用的硬盤的記錄頭以及發(fā)展儲聚對改良計算機數(shù)據(jù)儲存用的硬盤的記錄頭以及發(fā)展儲聚能源的新設計應用上十分重要。能源的新設計應用上十分重要。 27 黑體光譜輻射出射度與波長和溫度的關系黑體光譜輻射出射度與波長和溫度的關系曲線曲線。 舉一常見的例子舉一常見的例子:如低溫度的火爐所發(fā)出的輻射能如低溫度的火爐所發(fā)出的輻射能較

42、多地分布在波長較長的較多地分布在波長較長的紅光紅光中，而高溫度的自熾燈所中，而高溫度的自熾燈所發(fā)出的輻射能較多地分布在波長較短的發(fā)出的輻射能較多地分布在波長較短的綠光綠光與與藍光藍光中中. 針對這些曲線有兩個問題針對這些曲線有兩個問題:1.曲線下的面積等于曲線下的面積等于?2.在每一曲線上有一最大值在每一曲線上有一最大值,最大值的溫度和波長之間最大值的溫度和波長之間有什么關系有什么關系? 圖中圖中:每一條曲線每一條曲線反映了在一定溫度反映了在一定溫度下下,絕對黑體的單色絕對黑體的單色輻出度按波長的分輻出度按波長的分布情況布情況.284. 斯蒂芬斯蒂芬(Stefan)玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 每

43、一條曲線下的面積等于每一條曲線下的面積等于絕對黑體在一定溫度下的絕對黑體在一定溫度下的輻射出射度輻射出射度MeB(T), 即即 由圖可見，由圖可見，MeB(T)隨溫隨溫度而迅速地增加，經(jīng)實驗確度而迅速地增加，經(jīng)實驗確定定MeB(T)和絕對溫度和絕對溫度T的關系的關系為為其中其中 =5.6710-8Wm-2K-4 . 斯蒂芬斯蒂芬玻耳茲曼定律，只能適用于絕對黑玻耳茲曼定律，只能適用于絕對黑體，體，稱為斯蒂芬恒量。稱為斯蒂芬恒量。 快速思考快速思考1:每條曲線下每條曲線下的面積等于的面積等于?0( )( , )deBeBMTMT4( )eBMTT295. 維恩維恩 (Wien )位移定律位移定律

44、式中式中 B=2.89710-3mK。 維恩位移定律：當絕對黑體的溫度增高時，單維恩位移定律：當絕對黑體的溫度增高時，單色輻出度的最大值向短波方向移動色輻出度的最大值向短波方向移動。由圖可見，在每一曲由圖可見，在每一曲線上，線上，MeB (,T)有一有一最大值最大值，即最大的單，即最大的單色輻出度。相應于這色輻出度。相應于這最大值的波長用最大值的波長用m表表示，絕對溫度示，絕對溫度T愈高，愈高，m值愈小，兩者的關值愈小，兩者的關系經(jīng)確定為系經(jīng)確定為:快速思考快速思考2:在每一曲線上有在每一曲線上有一一最大值最大值,最大值的溫度和波最大值的溫度和波長之間有什么關系長之間有什么關系?mTB301.

45、3.2 1.3.2 光電效應光電效應 1.光電導效應光電導效應 光電導效應是光電導探測器光電轉換的基礎光電導效應是光電導探測器光電轉換的基礎。當半導體材料受到光照時，吸收光子使其中的載流子濃度的當半導體材料受到光照時，吸收光子使其中的載流子濃度的增大，材料的電導率增大，這種現(xiàn)象稱為增大，材料的電導率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導效應光電導效應。光電效應光電效應內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應外光電效應外光電效應光電導效應光電導效應光生伏特效應光生伏特效應右圖為光電導右圖為光電導效應原理圖效應原理圖什么是光電效應什么是光電效應?光電效應分類光電效應分類:入射光的光子與物質(zhì)中的電子相入射光的光子與物質(zhì)中的電子相互作

46、用并產(chǎn)生載流子的效應互作用并產(chǎn)生載流子的效應311 1）結電場的形成）結電場的形成 N型半導體和型半導體和P型半導體接觸時型半導體接觸時，在這兩種材料的，在這兩種材料的交界處就形成了交界處就形成了PN結。結?？昭〝U散后空穴擴散后，在，在P區(qū)留下不可區(qū)留下不可移動的帶負電的離子。移動的帶負電的離子。電子擴散后電子擴散后，在，在N區(qū)留下了不可區(qū)留下了不可移動的帶正電的移動的帶正電的離子離子。這些正負離子在結區(qū)附近形成。這些正負離子在結區(qū)附近形成由由N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)區(qū)的的內(nèi)建電場內(nèi)建電場。在內(nèi)建電場作用下載流子。在內(nèi)建電場作用下載流子出現(xiàn)漂移運動，與擴散相反。最后擴散和漂移達到動出現(xiàn)漂移運動，與擴

47、散相反。最后擴散和漂移達到動態(tài)平衡。態(tài)平衡。2.2.光伏效應光伏效應 當光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的當光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光伏效應又叫光光伏效應又叫光生伏特效應生伏特效應NP 當光照當光照PN結時結時,半導體對光子的本征和非本征吸收半導體對光子的本征和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子都將產(chǎn)生光生載流子,但由于但由于P和和N區(qū)的多數(shù)載流子都被區(qū)的多數(shù)載流子都被勢壘阻擋而不能穿過勢壘阻擋而不能穿過PN結。因此結。因此,僅少數(shù)載流子可引起僅少數(shù)載流子可引起光伏效應光伏效應.什么是光伏效應什么是光伏效應?32 在在N型基

48、片的表面形成一層薄薄的型基片的表面形成一層薄薄的P型層，型層，P型層上做型層上做一小的電極，一小的電極，N型底面為另一電極。型底面為另一電極。光投向光投向P區(qū)時區(qū)時，在近，在近表面層內(nèi)激發(fā)出表面層內(nèi)激發(fā)出電子電子-空穴空穴對對.其中電子將擴散到其中電子將擴散到PN結區(qū)結區(qū)并被結電場拉到并被結電場拉到N區(qū)；同時空穴進入?yún)^(qū)；同時空穴進入P區(qū)。區(qū)。2 2）光生伏特效應）光生伏特效應PN結結光伏器光伏器件的結件的結構圖構圖 為了使為了使P型層內(nèi)產(chǎn)生的電子能全部被拉到型層內(nèi)產(chǎn)生的電子能全部被拉到N區(qū)，區(qū)，P層層的厚度應小于電子的擴散長度的厚度應小于電子的擴散長度。這樣，光子也可能穿透。這樣，光子也可能穿

49、透P區(qū)到達區(qū)到達N區(qū)，在那里激發(fā)出區(qū)，在那里激發(fā)出電子電子-空穴對空穴對;這些光生載流這些光生載流子被結電場分離后，空穴流入子被結電場分離后，空穴流入P區(qū)，電子流入?yún)^(qū)，電子流入N區(qū)，在區(qū)，在結區(qū)兩邊產(chǎn)生勢壘。結區(qū)兩邊產(chǎn)生勢壘。這就是光生伏特效應這就是光生伏特效應。注注:并非所產(chǎn)生的所有并非所產(chǎn)生的所有光生載流子都可以產(chǎn)光生載流子都可以產(chǎn)生光伏效應生光伏效應。如如P區(qū)電區(qū)電子在其壽命內(nèi)的擴散子在其壽命內(nèi)的擴散長度要大于長度要大于PN結寬度結寬度,方可產(chǎn)生光伏效應方可產(chǎn)生光伏效應33 即愛因斯坦即愛因斯坦光電效應方程光電效應方程或或光電發(fā)射第一定律光電發(fā)射第一定律。它表明：電子的動能隨入射光子頻率

50、的增加而增加它表明：電子的動能隨入射光子頻率的增加而增加, ,而而與入射光的強度無關。與入射光的強度無關。 3.3.光電發(fā)射效應（外光電效應光電發(fā)射效應（外光電效應） 在光子的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面在光子的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應，也叫光電子發(fā)射外光電效應，也叫光電子發(fā)射效應效應。向外發(fā)射的電子叫。向外發(fā)射的電子叫光電子光電子。02021Amvhv 電子吸收入射光子的能量，當吸取的能量大于電子吸收入射光子的能量，當吸取的能量大于逸出功逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。光子能量超過

51、射。光子能量超過逸出功逸出功A0的部分表現(xiàn)為逸出電子的部分表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定理的動能。根據(jù)能量守恒定理電子逸出表面必須電子逸出表面必須獲得的最小能量，獲得的最小能量，即為逸出功即為逸出功A01）光電發(fā)射定律）光電發(fā)射定律對于一束光的照射對于一束光的照射,有光電發(fā)射第二定律有光電發(fā)射第二定律: Ip=Sg 理解光子理解光子-電子電子-光電子光電子的關系的關系340Ahv hA02 2）物質(zhì)的逸出功和紅限頻率）物質(zhì)的逸出功和紅限頻率 所以電子欲逸出金屬表面必須克服原子核的靜電引所以電子欲逸出金屬表面必須克服原子核的靜電引力和偶電層的勢壘作用力。力和偶電層的勢壘作用力。020mv2

52、1從愛因斯坦光電從愛因斯坦光電方程知方程知: :當光電子當光電子的速度等于零時的速度等于零時 由此可見由此可見: :能否能否產(chǎn)生產(chǎn)生光電子，取決于光電子，取決于光子的能量是否大于光子的能量是否大于電子逸出功電子逸出功A0 。說。說明每個物體都有一個明每個物體都有一個對應的光頻閾值，稱對應的光頻閾值，稱為紅限頻率或長波限為紅限頻率或長波限。光電發(fā)射過程的光電發(fā)射過程的3個步驟個步驟? 金屬中的自由電子，在常溫下雖然有部分克服了原金屬中的自由電子，在常溫下雖然有部分克服了原子核的庫侖引力而能逸出表面，但是由于逸出表面的電子核的庫侖引力而能逸出表面，但是由于逸出表面的電子子對金屬的感應作用對金屬的感

53、應作用，使金屬中的電荷重新分布，在表，使金屬中的電荷重新分布，在表面下出現(xiàn)與電子等量的正電荷。面下出現(xiàn)與電子等量的正電荷。 逸出電子受到這種正電荷的靜電作用，動能減小，以逸出電子受到這種正電荷的靜電作用，動能減小，以致不能遠離金屬，只能出現(xiàn)在靠近金屬表面的地方，于是致不能遠離金屬，只能出現(xiàn)在靠近金屬表面的地方，于是在金屬表面上下形成在金屬表面上下形成偶電層偶電層。注意什么是。注意什么是偶電層偶電層?吸收光后體內(nèi)電子被激發(fā)吸收光后體內(nèi)電子被激發(fā);體內(nèi)被激發(fā)電子向表面運動體內(nèi)被激發(fā)電子向表面運動,因碰撞損失部分能量因碰撞損失部分能量;電子克服表面勢壘逃出金屬表面電子克服表面勢壘逃出金屬表面.快速思

54、考快速思考:畫出偶電層示意圖畫出偶電層示意圖?35EcEv真空能級真空能級?3 3）半導體材料的閾值波長）半導體材料的閾值波長AgEAE0 對于半導體，能夠有效吸收光子的電子大多是處在對于半導體，能夠有效吸收光子的電子大多是處在價帶頂附近價帶頂附近，所以光電子發(fā)射的逸出功為，所以光電子發(fā)射的逸出功為式中式中，Eg 是半導體禁帶寬度是半導體禁帶寬度, , EA 稱為電子親和勢稱為電子親和勢? 因此，半導體材料光電發(fā)射的能量閾值為因此，半導體材料光電發(fā)射的能量閾值為:Eth=Eg+EA0maxmaxAhcEhcth或)(/24. 1/24. 10maxmaxmAEth或所以長波限為所以長波限為:

55、:可見可見,對于可見光區(qū)對于可見光區(qū)(0.40.7 m)的光子其能量為的光子其能量為3.11.8eV,波長波長大于大于0.7 m的紅外光的光子能量更小的紅外光的光子能量更小.因此用于紅外光電子發(fā)射因此用于紅外光電子發(fā)射的半導體材料其能量閾值一定小于的半導體材料其能量閾值一定小于1.8eV.361.4 1.4 光電探測器的噪聲和特性參數(shù)光電探測器的噪聲和特性參數(shù)熱電探測器熱電探測器熱電偶和熱電堆熱電偶和熱電堆熱電輻射計和熱敏電阻熱電輻射計和熱敏電阻熱釋電探測器熱釋電探測器高萊管高萊管光輻射探測器光輻射探測器光電探測器光電探測器熱電探測器熱電探測器光電探測器光電探測器固體光電器件固體光電器件真空光

56、電器件真空光電器件 光輻射探測器是一種由入射光輻射引起可度量物光輻射探測器是一種由入射光輻射引起可度量物理效應的器件理效應的器件,種類較多種類較多.按工作原理和結構分為按工作原理和結構分為:37固體光電器件固體光電器件光敏電阻光敏電阻光電池光電池光電二極管光電二極管光電三極管光電三極管特殊光電二極管特殊光電二極管光纖傳感器光纖傳感器位置傳感器位置傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件自掃描光電二極管列陣自掃描光電二極管列陣真空光電器件真空光電器件光電管光電管光電倍增管光電倍增管真空攝像管真空攝像管變像管變像管像增強器像增強器38 噪聲電流的均方值噪聲電流的均方值 代表了單位電阻上所產(chǎn)生的功代表了單位電

57、阻上所產(chǎn)生的功率，它是確定的可測得的正值率，它是確定的可測得的正值? 2niTdtt iTiI0)(1平均1.4.1.光電探測器中的噪聲光電探測器中的噪聲 從示波器看到，在一定波長的光照下光電探測器輸從示波器看到，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的出的光電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機的起伏。起伏。圖中的直流圖中的直流信號值信號值dtitiTtiiTn2022)(1)(平均這種隨機的、瞬間幅度不能預知的起伏，稱為噪聲。這種隨機的、瞬間幅度不能預知的起伏，稱為噪聲。 一般用均方噪聲電流來表示噪聲值的大小一般用均方噪聲電流來表示噪聲值的大?。?9

58、 把噪聲這個隨機時間函數(shù)進行把噪聲這個隨機時間函數(shù)進行頻譜分析頻譜分析，就得到噪聲功率隨頻，就得到噪聲功率隨頻率變化關系，即率變化關系，即噪聲功率譜噪聲功率譜S(f)。S(f)數(shù)值定義為頻率數(shù)值定義為頻率f的噪聲在的噪聲在1 電阻上所產(chǎn)生的功率，即電阻上所產(chǎn)生的功率，即S(f)= 。)(2fin 功率譜大小與頻率無關的稱白噪聲；功率譜大小與頻率無關的稱白噪聲； 功率譜與功率譜與f 近似成反比的稱為近似成反比的稱為1/f 噪聲噪聲根據(jù)功率譜與頻率的關系，常見噪聲分為兩種：根據(jù)功率譜與頻率的關系，常見噪聲分為兩種：(1) 光子噪聲光子噪聲 包括：信號輻射產(chǎn)生的噪聲和背景輻射包括：信號輻射產(chǎn)生的噪聲

59、和背景輻射產(chǎn)生的噪聲產(chǎn)生的噪聲。(2)探測器噪聲探測器噪聲 包括：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生包括：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復合噪復合噪聲、聲、1f噪聲和溫度噪聲。噪聲和溫度噪聲。(3)信號放大及處理電路噪聲信號放大及處理電路噪聲一般光電檢測系一般光電檢測系統(tǒng)的噪聲包括：統(tǒng)的噪聲包括：40 載流子熱運動速度取決于溫度，在溫度一定時，熱載流子熱運動速度取決于溫度，在溫度一定時，熱噪聲只與電阻和通帶有關，噪聲只與電阻和通帶有關，故熱噪聲屬于白噪聲故熱噪聲屬于白噪聲。fRkTvRfkTinn4422在常溫下適合在常溫下適合于于 頻 率 小 于頻 率 小 于10101212Hz的系統(tǒng)的系統(tǒng) 因載流子熱運動引

60、起的電流起伏或電壓起伏稱為熱噪因載流子熱運動引起的電流起伏或電壓起伏稱為熱噪聲。聲。熱噪聲均方電流和熱噪聲均方電壓分別為熱噪聲均方電流和熱噪聲均方電壓分別為式中式中 k k 是玻爾茲曼常數(shù)；是玻爾茲曼常數(shù)； T T 是溫度是溫度(K)(K)； R R 是器件電阻值；是器件電阻值； f f 為所取的通帶寬度為所取的通帶寬度( (頻率范圍頻率范圍) )。 1.1.熱噪聲熱噪聲41 散粒噪聲也是與頻率無關、與帶寬有關的白噪聲。散粒噪聲也是與頻率無關、與帶寬有關的白噪聲。 2.散粒噪聲散粒噪聲由于光子隨機起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲。由于光子隨機起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲。式中，式中，q為電子電荷；