第一章光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)

1、Henan Normal University1第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1.1 1.1 輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念1.2 1.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.3 1.3 基本定律基本定律1.4 1.4 光電探測(cè)器的噪聲和特性參數(shù)光電探測(cè)器的噪聲和特性參數(shù) 2 2第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí) 1.11.1、輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念、輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念 為了定量分析光與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)，分析光電敏感器件的光電特性，以及用光電敏感器件進(jìn)行光譜、光度的度量計(jì)算，常需要對(duì)光輻射給出相應(yīng)

2、的計(jì)量參數(shù)和量綱。光輻射的度量方法有兩種：a）物理（或客觀(guān)）的計(jì)量方法物理（或客觀(guān)）的計(jì)量方法，稱(chēng)為輻射度學(xué)計(jì)量方法或輻射度參數(shù)，它適用于整個(gè)電磁輻射譜區(qū)，對(duì)輻射量進(jìn)行物理的計(jì)量。b）生理（或主觀(guān)）的計(jì)量方法生理（或主觀(guān)）的計(jì)量方法，以人眼所能見(jiàn)到的光對(duì)大腦的刺激程度來(lái)對(duì)光進(jìn)行計(jì)量的方法，稱(chēng)為光度參數(shù)。只適用于可見(jiàn)光譜區(qū)域，是對(duì)光強(qiáng)度的主觀(guān)評(píng)價(jià)。3 3第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí) 1.1.11.1.1、輻射度學(xué)基本物理量、輻射度學(xué)基本物理量 1. 輻射能：把以電磁波形式傳播的能量稱(chēng)為輻射能，用表示，單位為焦耳（J）。eQhveQeQ輻射能既可以表示輻射源發(fā)出

3、的電磁波的能量，也可以表示被輻射表面接收到的電磁波的能量。普朗克常數(shù)光頻輻射功率輻射功率以及由它派生出來(lái)的幾個(gè)輻射度學(xué)中的物理量，屬于基本物理量，它們的量值都可以用專(zhuān)門(mén)的紅外輻射計(jì)在離開(kāi)輻射源一定的距離上進(jìn)行測(cè)量。所以其他輻射量都是由輻射功率（或稱(chēng)輻射通量）定義的。4 4第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2. 輻射功率（輻射通量）輻射功率（輻射通量）e e ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從面元ds輻射出來(lái)的各種波長(zhǎng)（從0）的光能量，稱(chēng)為面積元ds的輻射通量。用e表示，單位瓦特（W）或焦耳秒-1（J s -1 ）dtdQee輻射通量輻射通量e又稱(chēng)為又稱(chēng)為輻射輻射功率功率P，表征發(fā)光表

4、面輻，表征發(fā)光表面輻射能量射能量 的大小。的大小。5 5第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)3. 輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度Ie ：點(diǎn)輻射源在不同方向上的輻射特性，點(diǎn)輻射源在不同方向上的輻射特性，在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量，用Ie表示，單位：瓦特球面度-1（Wsr-1）ddIee立體角：一個(gè)任意形狀椎面所包含的空間， 符號(hào)： 單位：Sr2RA點(diǎn)輻射源：輻射源與觀(guān)測(cè)點(diǎn)之間距離大于輻射源最大尺寸10倍時(shí)，可當(dāng)做點(diǎn)源處理，否則稱(chēng)為擴(kuò)展源（有一定面積）6 6第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí) 單位立體角：以O(shè)為球心、R為半徑作球，若立體角

5、截出的球面部分的面積為R2，則此球面部分所對(duì)應(yīng)的立體角稱(chēng)為一個(gè)單位立體角，或一球面度。 對(duì)于一個(gè)給定頂點(diǎn)O 和一個(gè)隨意方向的微小面積dS ，它們對(duì)應(yīng)的立體角為 其中為dS 與投影面積 dA的夾角，R為O 到dS中心的距離。2cosRdSd7 7第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)球面所對(duì)應(yīng)的立體角：根據(jù)定義全球所對(duì)應(yīng)的立體角(全球所對(duì)應(yīng)的立體角是整個(gè)空間，又稱(chēng)為4空間.)同理，半球所對(duì)應(yīng)的立體角為2空間。2RS4422RR8 8第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)4. 輻射亮度輻射亮度Le ：輻射表面輻射表面在指定方向的輻射強(qiáng)度除以該表面

6、在垂直給定方向平面上的正投影面積，單位：w/(m2sr)dSedIcosdScoseedILdS由輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度。擴(kuò)展源擴(kuò)展源9 9第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)5. 輻出度輻出度Me ：面輻射源的單位面積上輻射的輻通量w/m2dLdSdMeee擴(kuò)展源總的輻射通量，等于輻射出射度對(duì)輻射表面積的積分： A為擴(kuò)展源面積dAMA1010第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)6. 輻照度輻照度Ee ：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)所接受到的輻射通量。eddAeedEdA單位：瓦米-2（W m-2）上述單位下標(biāo)e表示輻射度學(xué)物理量，在實(shí)際計(jì)算或者測(cè)量過(guò)

7、程中，往往要考慮方向和波長(zhǎng)，所以在實(shí)際使用時(shí)，需要加下標(biāo) 或者 來(lái)加以區(qū)分。1111第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.2. 1.1.2. 光度學(xué)基本物理量光度學(xué)基本物理量 視見(jiàn)函數(shù)的曲線(xiàn)如下圖所示，圖中虛線(xiàn)是暗視覺(jué)視見(jiàn)函數(shù)，實(shí)線(xiàn)是明視覺(jué)視見(jiàn)函數(shù)。人眼對(duì)于波長(zhǎng)為555nm的綠色光最敏感，取其視見(jiàn)函數(shù)值為1。其它的波長(zhǎng)小于1，而在可見(jiàn)光譜以外的波段等于0。 光譜視覺(jué)敏感度光譜視覺(jué)敏感度 人眼在可見(jiàn)光譜范圍的視覺(jué)人眼在可見(jiàn)光譜范圍的視覺(jué)敏感度隨波長(zhǎng)而變化，峰值為敏感度隨波長(zhǎng)而變化，峰值為555 555 nmnm（綠色）光通量就是以人眼視（綠色）光通量就是以人眼視

8、覺(jué)曲線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的能量。覺(jué)曲線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的能量。1212第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1. 光通量光通量v表示人眼對(duì)光輻射通量所引起的視覺(jué)強(qiáng)度值，單位：流明(lm)780,380( )vmeKVd 正比于輻射通正比于輻射通量和視覺(jué)函數(shù)量和視覺(jué)函數(shù)mK 輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)；683 lm/W, e 輻射通量，單位：W。( )V 人眼光譜光視效率，對(duì)不可見(jiàn)光。 ( )0V當(dāng)波長(zhǎng) 時(shí)， 555nm( )1VveCV 1313第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)常見(jiàn)某些光源常見(jiàn)某些光源的光通量的光通量1w（=555nm）=683 lm1w

9、 （=490nm ）=0.2*683=137 lm輻射功率比重對(duì)比光譜視覺(jué)敏感度800Na波長(zhǎng)波長(zhǎng) (nm) 400500600700555 nm490 nm589 nm相對(duì)視覺(jué)靈敏度相對(duì)視覺(jué)靈敏度 00,20,40,60,81,01、自行車(chē)頭燈3W，30 lm2、白熾燈75W，900 lm3、熒光燈 58W ， 5200 lm發(fā)光效率不同1414第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2. 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度Iv點(diǎn)光源在單位立體角中發(fā)出的光通量。 在一半徑為r 的球心 O 處放一光源，它向球表面 ABCD 所包圍面積 S 上發(fā)出 v 的光通量。面積 S 在球心形成的立體

10、角為：2sr 則這一方向的發(fā)光強(qiáng)度為：vI 發(fā)光強(qiáng)度的單位：坎德拉（Candela），符號(hào)cd。立體角的單位：球面度，符號(hào)sr。國(guó)際單位制之一111lmcdsrddIvv1515第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)3. 亮度亮度Lv發(fā)光表面在指定方向的發(fā)光強(qiáng)度除以該表面在垂直給定方向平面上的正投影面積。從平面反射到眼球中的光量來(lái)度量的發(fā)光強(qiáng)度。單位：cd/m2 一般白紙大約吸收入射光量的一般白紙大約吸收入射光量的20%，反射光量為，反射光量為80%；黑紙只反；黑紙只反射入射光量的射入射光量的3%。所以，白紙和黑紙?jiān)诹炼壬喜町惡艽?。所以，白紙和黑紙?jiān)诹炼壬喜町惡艽?。?/p>

11、同物體對(duì)光有不同的反射系數(shù)或吸收系數(shù)。 cosdILdAdSedIcosdS1616第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)4. 光出射度光出射度Mv也稱(chēng)為面發(fā)光度。其定義為面光源從單位面積上輻射的光通量 單位為 lmm2 (流明每平方米)。1717第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)4. 光照度光照度Ev被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量稱(chēng)為該點(diǎn)的照度2111mlmlx 單位：勒克斯（lx）dEdAddA夏天中午陽(yáng)光下 109 lx閱讀書(shū)刊所需照度 50-60 lx家用攝像機(jī) 1400 lx晴天室內(nèi) 1001000 lx月夜 0.02

12、0.3 lx黑夜 0.001-0.02 lxu被光均勻照射的物體，在被光均勻照射的物體，在1m2面積上得到的光通量是面積上得到的光通量是1lm時(shí)，它的照度是時(shí)，它的照度是1lx。 為了充分利用光源，常在光源上附加一個(gè)反射裝置，使得某些方向能夠得到比為了充分利用光源，常在光源上附加一個(gè)反射裝置，使得某些方向能夠得到比較多的光通量，以增加這一被照面上的照度。較多的光通量，以增加這一被照面上的照度。1818第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí) 光度量只在光譜的光度量只在光譜的(380nm-780nm)(380nm-780nm)才有意義。才有意義。輻射度量輻射度量符號(hào)符號(hào)單

13、位單位光度量光度量符符號(hào)號(hào)單位單位輻射能輻射能QeJ光量光量Qlm.s輻射通量輻射通量 eW光通量光通量lm（流明流明）輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度IeW/sr發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度Icd（坎德拉坎德拉）=lm/sr輻射照度輻射照度EeW/m2光照度光照度Elx(勒克斯勒克斯)=lm/m2輻射出射度輻射出射度MeW/m2光出射度光出射度Mlm/m2輻射亮度輻射亮度LeW/sr.m2光亮度光亮度Lcd/m21919第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)輻射度物理量輻射度物理量光度量物理量光度量物理量物理量名稱(chēng)符號(hào)定義或定義式單位物理量名稱(chēng)符號(hào)定義或定義式單位輻射能輻射通量輻射出射度輻射強(qiáng)

14、度輻射亮度輻射照度QeeMeIeLeEe edQe/dtMe=dedSIe=de/dLe=dIe/(dScos)Ee=de/dAJWW/m2W/srW/m2srW/m2光量光通量光出射度發(fā)光強(qiáng)度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=v dtv=Iv dMv=dv/dS基本量基本量Lv=dIv/(dScos)Ev=dv/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lx2020第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1. 輻射量與光度量的換算關(guān)系： X光度量；Xe輻射量；Km：683lm/w；視見(jiàn)函數(shù)V()查表2. 光視效能: ,對(duì)于相同的輻射能量，光視效率V不同。3.

15、 “光視效率的最大值在=555nm處”為實(shí)驗(yàn)證明，絕大部分人眼符合此規(guī)律，略有小差異（尤其在可見(jiàn)光波段兩端）。4. 光度量為輻射量對(duì)人眼視覺(jué)的刺激值，是主觀(guān)的，不管輻射量大小，以看到為準(zhǔn)。光譜光視效能是評(píng)定該刺激值的參數(shù)。emX)(VKX輻射度量與光度量的關(guān)系輻射度量與光度量的關(guān)系vmeKK V2121第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.3 其它基本概念其它基本概念1. 點(diǎn)源點(diǎn)源 從強(qiáng)度為的點(diǎn)源輻射到立體角 的通量為 若點(diǎn)源沿各方向均勻輻射，則總通量為 當(dāng)點(diǎn)源照射一個(gè)小面元dA時(shí)，若面元dA的法線(xiàn)與dA到點(diǎn)源連線(xiàn)r的夾角為 ，則照到dA上的通量為 根據(jù)照度的

16、定義，得該面元上的照度為 這就是照度與距離r之間的平方反比定律平方反比定律。僅當(dāng)光源極小或極遠(yuǎn)時(shí)，平方反比定律才能成立，這時(shí)才能把輻射源看作點(diǎn)源。IddI42rdAcosIdcos2rIdAdEd2222第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2.擴(kuò)展源擴(kuò)展源 一個(gè)理想化的擴(kuò)展源，稱(chēng)之為朗伯源。朗伯源的亮度不隨方向而改變。 一個(gè)面積為dS的朗伯源，在立體角 內(nèi)輻射的通量為 假設(shè)此朗伯源為不透明物質(zhì)，其輻射通量?jī)H僅分布在半球空間內(nèi)ddrdrddrsinsin2所以此面源的總輻通量為 LdSddLdso20sincos根據(jù)輻出度的定義，可得朗伯源的輻出度與輻亮度的關(guān)系LdS

17、MddSdLdcos2323第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)3. 漫反射面漫反射面 可以把入射光向各方向均勻地散射出去的表面稱(chēng)為漫反射表面或散射面。假設(shè)投射到表面積dS的漫反射表面上的照度為E，則該面所接受的光通量為 設(shè)該表面的漫反射系數(shù)為K，則該表面散射的光通量為因?yàn)槁瓷涿姘讶肷涔庋厮蟹较蛏⑸涑鋈?，所以可?dāng)作朗伯反射面處理，于是有式中Ls稱(chēng)為該表面的視亮度。從上面結(jié)果可得: 當(dāng)漫射系數(shù)K l時(shí)，在白光照射下，朗伯反射體看起來(lái)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 EdSdiisKdddSLdssKELs2K

18、ELs2424第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)4. 定向輻射體定向輻射體 從成像光學(xué)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。為了與余弦輻射體相區(qū)別，稱(chēng)它為定向輻射體。最典型的定向輻射源是激光器。 2525第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1 固體的能帶結(jié)構(gòu) 固體能帶理論的主要貢獻(xiàn)在于它成功的解釋了物質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)理，即說(shuō)明了有的物質(zhì)為什么能導(dǎo)電，有的物質(zhì)為什么不導(dǎo)電，雖然同樣有大量的電子存在。能級(jí)（能級(jí)（Enegy LevelEnegy Level）：在孤立原子中，原子核外的電子按

19、）：在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個(gè)。每個(gè)殼層上的電子殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級(jí)分布具有分立的能量值，也就是電子按能級(jí)分布。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在表示能量高低的圖上，用一條條高低不同為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在表示能量高低的圖上，用一條條高低不同的水平線(xiàn)表示電子的能級(jí)，此圖稱(chēng)為電子能級(jí)圖。的水平線(xiàn)表示電子的能級(jí)，此圖稱(chēng)為電子能級(jí)圖。2626第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2727第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2828第第1 1章章 光電檢測(cè)

20、應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2929第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1. 電子的共有化運(yùn)動(dòng)+3030第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)電子共有化運(yùn)動(dòng)電子共有化運(yùn)動(dòng)-晶體中原子能級(jí)上的電子不完全局限在晶體中原子能級(jí)上的電子不完全局限在某一原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，結(jié)某一原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，結(jié)果電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。果電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。電子共有化的原因：電子共有化的原因：電子殼層有一定的交疊，相鄰原子最電子殼層有一定的交疊，相鄰原子最外層交疊最多，內(nèi)殼層交疊較少外層交疊最

21、多，內(nèi)殼層交疊較少。注：電子在各原子中相似殼層間運(yùn)動(dòng)，且注：電子在各原子中相似殼層間運(yùn)動(dòng)，且最外電子殼層共最外電子殼層共有化顯著有化顯著。3131第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2. 能帶的形成 孤立原子的能級(jí)孤立原子的能級(jí)2p2s1sn=1n=2原子間距原子間距電電子子能能量量 能級(jí)分裂能級(jí)分裂2p2s1sn=1n=2電電子子能能量量3232第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)能帶能帶 原子能級(jí)原子能級(jí) 原子軌道原子軌道 禁帶禁帶禁帶禁帶允允帶帶 原子能級(jí)分裂為能帶原子能級(jí)分裂為能帶3333第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光

22、電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)3. 能帶結(jié)構(gòu)c.完全被電子占據(jù)的能帶稱(chēng)“滿(mǎn)帶滿(mǎn)帶”。滿(mǎn)帶中的電子不會(huì)導(dǎo)電滿(mǎn)帶中的電子不會(huì)導(dǎo)電；完全末被占據(jù)的稱(chēng)“空帶空帶”；部分被占據(jù)的稱(chēng)“導(dǎo)帶導(dǎo)帶”。導(dǎo)帶導(dǎo)帶中的電子能夠?qū)щ娭械碾娮幽軌驅(qū)щ?；a.晶體中電子具有的一定能量范圍內(nèi)的許多能級(jí)（彼此相隔很近）形成一條帶，稱(chēng)為能帶能帶。b. 相鄰兩能帶間的能量范圍稱(chēng)為“能隙能隙”或“禁帶禁帶”。晶體中電子不能具有這種能量。d.價(jià)電子所占據(jù)能帶稱(chēng)“價(jià)帶價(jià)帶”。能量比價(jià)帶低的各能帶一般都是滿(mǎn)帶，價(jià)帶可以是滿(mǎn)帶，也可以是導(dǎo)帶。3434第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)EEg禁帶絕緣體價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶EE

23、g禁帶半導(dǎo)體導(dǎo)帶價(jià)帶E導(dǎo)體絕緣體：絕緣體：價(jià)電子剛好填滿(mǎn)整個(gè)價(jià)帶，禁帶很寬，除非很強(qiáng)的電場(chǎng)，否則電子不會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶上去而導(dǎo)電。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：禁帶較窄（一般在2.0eV以下），依靠熱激發(fā)可使電子躍遷到許可帶上去而導(dǎo)電。導(dǎo)體：導(dǎo)體：價(jià)帶未被完全充滿(mǎn)，或能帶產(chǎn)生交迭。3535第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)導(dǎo) 體：體：電阻系數(shù)的范圍約為10-610-3歐姆厘米絕緣體：絕緣體：電阻系數(shù)大于1012歐姆厘米半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。導(dǎo)電性受極微量導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)雜質(zhì)的影響而發(fā)生十

24、分顯著的變化。的影響而發(fā)生十分顯著的變化。 純凈純凈SiSi在室溫下電導(dǎo)率為在室溫下電導(dǎo)率為5 51010-6-6/(/(歐姆歐姆厘米厘米) )。摻入硅原子數(shù)百萬(wàn)分。摻入硅原子數(shù)百萬(wàn)分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為2 /(2 /(歐姆歐姆厘米厘米) )半導(dǎo)體電阻半導(dǎo)體電阻溫度溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對(duì)溫度變化非常敏感。系數(shù)一般是負(fù)的，而且對(duì)溫度變化非常敏感。 根據(jù)這一特性可制成自動(dòng)控制用的熱敏元件（熱敏電阻）。根據(jù)這一特性可制成自動(dòng)控制用的熱敏元件（熱敏電阻）。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光光、電、磁等作用的影響。、電、磁等作用的影響。 沉積在絕緣基板上的硫化鎘層

25、不受光照時(shí)的阻抗可高達(dá)幾十甚至幾百沉積在絕緣基板上的硫化鎘層不受光照時(shí)的阻抗可高達(dá)幾十甚至幾百 兆歐，一旦受兆歐，一旦受光照光照，電阻就會(huì)下降到幾十千歐，甚至更小，電阻就會(huì)下降到幾十千歐，甚至更小3636第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)4. N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體導(dǎo)帶導(dǎo)帶(滿(mǎn)帶滿(mǎn)帶)價(jià)帶價(jià)帶EEg“載流子載流子”導(dǎo)電是導(dǎo)電是半導(dǎo)體所特有的！半導(dǎo)體所特有的！3737第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)能級(jí)離導(dǎo)帶或價(jià)帶較近，在常溫下會(huì)使導(dǎo)帶中出現(xiàn)更多的電子，價(jià)帶

26、中會(huì)出現(xiàn)更多的空穴。如果摻雜濃度較大，則雜質(zhì)能級(jí)會(huì)變成雜質(zhì)能帶，有可能使得雜質(zhì)能帶與導(dǎo)帶或價(jià)帶連接起來(lái)，改變了禁帶寬度。雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)3838第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)摻入五價(jià)元素雜質(zhì)摻入五價(jià)元素雜質(zhì) N型半導(dǎo)體摻入三價(jià)元素雜質(zhì)摻入三價(jià)元素雜質(zhì)P型半導(dǎo)體3939第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)5. 熱平衡下的載流子濃度熱平衡下的載流子濃度在一定溫度下,半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài),半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度n0和空穴濃度p0都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值,這種處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱(chēng)為熱平衡載流子。在熱平衡情況下,電子和空穴的產(chǎn)生率等

27、于復(fù)合率,兩者的濃度維持平衡。 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是n0和p0，可以比他們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來(lái)的這部分載流子稱(chēng)為非平衡載流子。非平衡載流子。 載流子濃度是指單位體積內(nèi)的載流子載流子濃度是指單位體積內(nèi)的載流子4040第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)熱平衡載流子熱平衡載流子1 1、在一定溫度下，若沒(méi)有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由、在一定溫度下，若沒(méi)有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由 電子和空穴是由電子和空穴是由熱激發(fā)熱激發(fā)產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。2 2、電子從不斷熱振動(dòng)的晶體中獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷、電子從不斷熱振動(dòng)的晶體中獲得一定的能量

28、，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。3 3、在熱激發(fā)同時(shí)，電子也從、在熱激發(fā)同時(shí)，電子也從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這就是載流子的復(fù)合。，向晶格放出能量，這就是載流子的復(fù)合。4 4、在一定溫度下，、在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過(guò)程形成平衡激發(fā)和復(fù)合兩種過(guò)程形成平衡，稱(chēng)為熱平，稱(chēng)為熱平衡狀態(tài)，此時(shí)載流子濃度即為某一穩(wěn)定值。衡狀態(tài)，此時(shí)載流子濃度即為某一穩(wěn)定值。 4141第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1.2.3 半導(dǎo)體中的非平衡載

29、流子光注入光注入：用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。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(shí)，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。其它方法：電注入、高能粒子輻照等。光注入產(chǎn)生非平衡載流子，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。導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。產(chǎn)生的非平衡電子濃度等產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。于價(jià)帶非平衡空穴濃度。光光照照npnopo4242第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1.半導(dǎo)體材料的光吸收效應(yīng)物體受光照射后，一部分光被物

30、體反射，一物體受光照射后，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過(guò)物體。部分光被物體吸收，其余的光透過(guò)物體。 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 本征吸收本征吸收由于光子作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶 只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時(shí)，才能發(fā)生本征激發(fā)01.24/()1.24/gggghc EmEhc EE本征吸收的長(zhǎng)波限4343第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)雜質(zhì)吸收 摻雜半導(dǎo)體在光照時(shí)，中性施主的束縛電子可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶；中性受主的束縛空穴亦可以吸收光子而躍遷到價(jià)帶。這種吸收稱(chēng)為雜質(zhì)吸收。施主釋放束縛電子到

31、導(dǎo)帶，受主釋放束縛空穴到價(jià)帶，它們所需能量即為電離能Ed,和Ea。顯然，雜質(zhì)吸收的最低光子能量等于雜質(zhì)的電離能Ed,(或Ea)。即雜質(zhì)吸收光的長(zhǎng)波限 由于雜質(zhì)的電離能Ed(或Ea)一般比禁帶寬度Eg小得多，所以雜質(zhì)吸收的光譜可以延伸到本征吸收的長(zhǎng)波限入0 以外。E24.14444第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2.非平衡載流子濃度光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，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，而載流子濃度因電子與空穴復(fù)合而逐漸減小，最后恢復(fù)到熱平衡時(shí)的濃度值。按復(fù)合機(jī)構(gòu)分按復(fù)合機(jī)構(gòu)分直接復(fù)合：直接復(fù)合： EcEv間接復(fù)合：間接復(fù)合： EcEvEt4

32、545第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn)觀(guān)察，外部激發(fā)條件消失后，非平衡載流子濃度隨實(shí)驗(yàn)觀(guān)察，外部激發(fā)條件消失后，非平衡載流子濃度隨時(shí)間變化按時(shí)間變化按指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律減少。即非平衡載流子在導(dǎo)帶和價(jià)帶減少。即非平衡載流子在導(dǎo)帶和價(jià)帶中有一定的生存時(shí)間。中有一定的生存時(shí)間。平均生存時(shí)間稱(chēng)為非平衡載流子的壽命，用平均生存時(shí)間稱(chēng)為非平衡載流子的壽命，用表示表示 非平衡少數(shù)載流子的影響處于決定的地位，因而非平衡非平衡少數(shù)載流子的影響處于決定的地位，因而非平衡載流子的壽命常稱(chēng)為載流子的壽命常稱(chēng)為少數(shù)載流子壽命少數(shù)載流子壽命。 1/1/就表示單位時(shí)間內(nèi)非

33、平衡載流子的復(fù)合幾率。就表示單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合幾率。4646第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)( )( )d p tk p tdt 0( )()ktp tp e 00( )/( )1/ttd p td p tk單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的濃度的減少為單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的濃度的減少為非平衡載流子的平均生存時(shí)間非平衡載流子的平均生存時(shí)間1/k令令它標(biāo)志著非平衡載流子濃度減少到原來(lái)它標(biāo)志著非平衡載流子濃度減少到原來(lái)1/e1/e所經(jīng)歷的時(shí)間所經(jīng)歷的時(shí)間, ,也就是壽命也就是壽命1/1/就表示單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合幾率。就表示單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合幾率

34、。( )( )d p tp tdt 4747第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)非平衡載流子復(fù)合理論 ：任何半導(dǎo)體在平衡態(tài)總有一定數(shù)目的電子和空穴，任何半導(dǎo)體在平衡態(tài)總有一定數(shù)目的電子和空穴，從微觀(guān)角度來(lái)說(shuō)，是由于半導(dǎo)體內(nèi)部的相互作用這從微觀(guān)角度來(lái)說(shuō)，是由于半導(dǎo)體內(nèi)部的相互作用這些微觀(guān)過(guò)程促使系統(tǒng)由非平衡態(tài)向平衡態(tài)過(guò)渡，引些微觀(guān)過(guò)程促使系統(tǒng)由非平衡態(tài)向平衡態(tài)過(guò)渡，引起非平衡載流子的復(fù)合。復(fù)合過(guò)程是屬于統(tǒng)計(jì)性的起非平衡載流子的復(fù)合。復(fù)合過(guò)程是屬于統(tǒng)計(jì)性的過(guò)程。過(guò)程。半導(dǎo)體中無(wú)時(shí)不存在著載流子產(chǎn)生和復(fù)合兩個(gè)相反半導(dǎo)體中無(wú)時(shí)不存在著載流子產(chǎn)生和復(fù)合兩個(gè)相反的過(guò)程。通常把單

35、位時(shí)間和單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電的過(guò)程。通常把單位時(shí)間和單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子子空穴對(duì)數(shù)稱(chēng)為空穴對(duì)數(shù)稱(chēng)為產(chǎn)生率產(chǎn)生率，而把單位時(shí)間和單位體，而把單位時(shí)間和單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子積內(nèi)復(fù)合掉的電子空穴對(duì)數(shù)稱(chēng)為空穴對(duì)數(shù)稱(chēng)為復(fù)合率復(fù)合率。4848第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1.2.4 載流子的擴(kuò)散與漂移1.1.擴(kuò)散擴(kuò)散 載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，自然結(jié)果。點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，自然結(jié)果。2.2.漂移漂移 載流子在外電場(chǎng)的作用下，電子向正電極方向運(yùn)動(dòng)?？蛰d流子在外電場(chǎng)的作用下，電子向正電極方向運(yùn)動(dòng)?？昭ㄏ蜇?fù)電

36、極方向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移穴向負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移。4949第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)50501.3 基本定律1.3.1 黑體輻射定律1.1.基爾霍夫定律基爾霍夫定律經(jīng)典物理學(xué)的困難 （3）氫原子光譜）氫原子光譜（1）黑體輻射問(wèn)題）黑體輻射問(wèn)題 （2）光電效應(yīng)）光電效應(yīng) 第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)5151黑體：能吸收入射到其上的全部輻射的物體，這種物體就黑體：能吸收入射到其上的全部輻射的物體，這種物體就稱(chēng)為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。稱(chēng)為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。黑體輻射：由這樣的空腔小孔發(fā)出的輻射就稱(chēng)為黑體輻射。黑體輻射：由這樣的空腔小

37、孔發(fā)出的輻射就稱(chēng)為黑體輻射。輻射熱平衡狀態(tài)輻射熱平衡狀態(tài): : 處于某一溫度處于某一溫度 T T 下的腔壁，單位面積所發(fā)下的腔壁，單位面積所發(fā) 射出的輻射能量和它所吸收的輻射能量相射出的輻射能量和它所吸收的輻射能量相 等時(shí)，輻射達(dá)到熱平衡狀態(tài)。等時(shí)，輻射達(dá)到熱平衡狀態(tài)。5252第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)5353實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：熱平衡時(shí)，空腔輻射的能量密度，與輻射的波熱平衡時(shí)，空腔輻射的能量密度，與輻射的波長(zhǎng)的分布曲線(xiàn)，其形狀和位置只與黑體的絕對(duì)溫度長(zhǎng)的分布曲線(xiàn)，其形狀和位置只與黑體的絕對(duì)溫

38、度 T 有關(guān)有關(guān)而與黑體的形狀和材料無(wú)關(guān)。而與黑體的形狀和材料無(wú)關(guān)。第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)5454Wien 公式公式 Wien 公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)還相符合，長(zhǎng)波部公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)還相符合，長(zhǎng)波部分則明顯不一致分則明顯不一致。第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)5555n究竟是什么機(jī)制使空腔的原子產(chǎn)生出所觀(guān)察究竟是什么機(jī)制使空腔的原子產(chǎn)生出所觀(guān)察到的黑體輻射能量分布，對(duì)此問(wèn)題的研究導(dǎo)到的黑體輻射能量分布，對(duì)此問(wèn)題的研究導(dǎo)致了量子物理學(xué)的誕生。致了量子物理學(xué)的誕生。 1900年12月14日Planck 提出： 如果空腔內(nèi)的

39、黑體輻射和腔壁原子處于平衡，如果空腔內(nèi)的黑體輻射和腔壁原子處于平衡，那么輻射的能量分布與腔壁原子的能量分布就應(yīng)那么輻射的能量分布與腔壁原子的能量分布就應(yīng)有一種對(duì)應(yīng)。作為輻射原子的模型，有一種對(duì)應(yīng)。作為輻射原子的模型，Planck 假定：假定：第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)5656該式稱(chēng)為該式稱(chēng)為PlanckPlanck輻射定律輻射定律Planck 線(xiàn)線(xiàn)能量密度能量密度 (104 cm)0510（1 1）原子的性能和諧振子一樣，以給定的頻率）原子的性能和諧振子一樣，以給定的頻率 v v 振蕩；振蕩；（2 2）黑體只能以）黑體只能以 E = hv E = hv 為

40、能量單位不連續(xù)的發(fā)射和吸收輻射能量，為能量單位不連續(xù)的發(fā)射和吸收輻射能量， 而不是象經(jīng)典理論所要求的那樣可以連續(xù)的發(fā)射和吸收輻射能量。而不是象經(jīng)典理論所要求的那樣可以連續(xù)的發(fā)射和吸收輻射能量。 dkThChd 1)/exp(18331918年諾貝諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)學(xué)獎(jiǎng)第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)57571.基爾霍夫定律 1860年，基爾霍夫發(fā)現(xiàn)物體的輻射出射度與物體的吸收比之間有內(nèi)在聯(lián)系。T,MT,T,MB11 即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(shí)絕對(duì)黑體的單色輻出度，這就是基爾霍夫定律。),(),(TaTT)(,MT)(,MBe物體的光譜發(fā)射

41、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。也就是強(qiáng)吸收體強(qiáng)吸收體必然是強(qiáng)發(fā)射體必然是強(qiáng)發(fā)射體。物體的光譜發(fā)射率5858第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2.普朗克輻射公式) 1(),(/512TCebecTM)(1043879. 1/)(1074. 322221621mKkhccWmhcc在短波區(qū)或溫度不高的情況下TcebecTM/512),(59黑體輻射光譜分布的特點(diǎn)黑體輻射光譜分布的特點(diǎn)Mbb ，曲線(xiàn)連續(xù)變化，每條曲線(xiàn)只有一個(gè)最大值。M bb= T4，隨著溫度的增加，全輻出度迅速增大（曲線(xiàn)下面積增大）。每條曲線(xiàn)互不相交。mT =b， T m 。黑

42、體輻射只與黑體的絕對(duì)溫度有關(guān)。第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)6060第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)3. 斯蒂芬(Stefan)玻耳茲曼定律 d0e），（TMBTMB式中 =5.6710-8Wm-2K-44. 維恩位移定律bTm44442115TTccMb常數(shù) b=2898.80.4mK61第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)利用維恩位移定律可以計(jì)算出人體、太陽(yáng)等輻射源的輻射峰值波長(zhǎng)。人體太陽(yáng)m 4 . 9 ,310kmT太陽(yáng)輻射50%以上的能量在可見(jiàn)和紫外區(qū)。人體輻射的能量幾乎全部在紅外區(qū)。近似為黑

43、體m 48. 0 , k0006mT人體 （370 ）3 10k m 9.4 m太陽(yáng) 6000k m 0.5 m沸水鍋爐 （1000） 373k m 8.0 m噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 800k m 3.6 m6262第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí) 為把黑體輻射定律推廣到實(shí)際物體的輻射中，引入一個(gè)叫發(fā)射率的量，來(lái)表征實(shí)際物體的輻射與黑體輻射的接近程度。物體發(fā)射率 的定義：(T) (T)bbMM表示：該物體在溫度T 時(shí)的輻射出射度與同一溫度黑體的相應(yīng)輻射出射之比。 越大，物體的輻射特性與黑體越接近。6363第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)

44、1.3.2 光電效應(yīng)光電效應(yīng)的定義光電效應(yīng)的定義因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱(chēng)為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。 本世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一愛(ài)因斯坦以他在1905年發(fā)表的相對(duì)論而聞名于世，而他在1925年獲得諾貝爾獎(jiǎng)是由于他對(duì)發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。 6464第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)（1879-1955） 實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：微弱紫光能從金屬表面打出電子，而很強(qiáng)的微弱紫光能從金屬表面打出電子，而很強(qiáng)的紅光卻不能從金屬表面打出電子。紅光卻不能從金屬表面打出電子。 按照光量子假說(shuō)，光是由光量子組成的，光的能量是不連續(xù)的，每個(gè)光量子的能量要達(dá)到一定數(shù)值才能克服電子的逸出功，從金屬表面

45、打出電子來(lái)。微弱的紫光雖然數(shù)目比較少，但是每個(gè)光量子的能量卻足夠大，所以能從金屬表面打出電子來(lái)；很強(qiáng)的紅光，光量子的數(shù)目雖然很多，但每個(gè)光量子的能量不夠大，不足以克服電子的逸出動(dòng)，所以不能打出電子來(lái)。19251925年因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦 6565第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)內(nèi)光電電效應(yīng)應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)：電導(dǎo)率發(fā)生變化 光伏效應(yīng)：產(chǎn)生光電勢(shì)外光電電效應(yīng)應(yīng) 光電發(fā)射效應(yīng)：當(dāng)光照射到物體上使物體向真 空中發(fā)射電子6666第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電電導(dǎo)導(dǎo)效應(yīng)應(yīng)的定義的定義1、光照變

46、化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱(chēng)光電導(dǎo)效應(yīng)。2、當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。 1.光電導(dǎo)效應(yīng)6767第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)光電電流流 1、半導(dǎo)體無(wú)光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)。 2、有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過(guò)的電流有暗電流與亮電流之分。 3、亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱(chēng)為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。 6868第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2.PN結(jié)光伏效應(yīng)1）結(jié)電場(chǎng)的形成濃度差使載

47、流子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)的形成濃度差濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散 多子的擴(kuò)散和少子的漂多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 6969第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)pnpn0Up-n結(jié)結(jié)在在p-n結(jié)處形成一定的電結(jié)處形成一定的電勢(shì)差勢(shì)差U0，這個(gè)電位差叫做這個(gè)電位差叫做接觸電位差，通常也稱(chēng)接觸電位差，通常也稱(chēng)為內(nèi)建電勢(shì)。一般硅為內(nèi)建電勢(shì)。一般硅PN結(jié)的接觸電位差為結(jié)的接觸電位差為0

48、.5-0.8V，鍺，鍺PN結(jié)的接觸電結(jié)的接觸電位差為位差為0.1-0.3V7070第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2）光生伏特效應(yīng)光生伏效應(yīng)的定義光照變化引起均勻或不均勻半導(dǎo)體材料中光生電子和空穴分開(kāi)而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象稱(chēng)光生伏效應(yīng)。在不均勻半導(dǎo)體中，主要由勢(shì)壘效應(yīng)產(chǎn)生的光生伏效應(yīng)。在均勻半導(dǎo)體中，無(wú)法形成勢(shì)壘效應(yīng)，主要由光生載流子濃度梯度產(chǎn)生的光生伏效應(yīng)。7171第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光生載流子濃度梯度產(chǎn)生的光生伏效應(yīng)1、當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)，樣品對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征

49、吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。2、光生載流子形成梯度擴(kuò)散（少子擴(kuò)散）。3、形成與內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電動(dòng)勢(shì)。7272第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)由勢(shì)壘效應(yīng)產(chǎn)生的光生伏效應(yīng)1、N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)，EFN與EFP有一定差值。2、當(dāng)N型與P型兩者緊密接觸時(shí)，電子要從費(fèi)米能級(jí)高的一方向費(fèi)米能級(jí)低的一方流動(dòng)，空穴流動(dòng)的方向相反。3、 產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，方向?yàn)閺腘區(qū)指向P區(qū)。7373第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)4、在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，EFN將連同整個(gè)N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整個(gè)P區(qū)能帶一起上移，直至將費(fèi)米能級(jí)拉平為EFN=EFP，載流

50、子停止流動(dòng)為止。5. 光照時(shí), P區(qū)光生電子(少子)向結(jié)區(qū)擴(kuò)散, N區(qū)光生空穴(少子)向結(jié)區(qū)擴(kuò)散, PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)將P區(qū)光生電子拉向N區(qū), 將N區(qū)光生空穴拉向P區(qū), 形成與內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電動(dòng)勢(shì)。7474第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)3.光電發(fā)射效應(yīng)1）光電發(fā)射定律 金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量hv足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱(chēng)為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。 光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)愛(ài)因斯坦定律02021Amvhv斯托列托夫定律飽和光電流與被陰極所吸收的光通量

51、成正比gpSI7575第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電發(fā)射的基本過(guò)程光電發(fā)射的基本過(guò)程 1 1、光射入物體后，物體中的電子吸、光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)?？漳芗?jí)的激發(fā)態(tài)。 2 2、受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向、受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中免不了要同其它電子或表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。 3 3、達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠、達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛的能量足

52、以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。7676第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)好發(fā)光材料的應(yīng)該是：好發(fā)光材料的應(yīng)該是：（1 1）對(duì)光的吸收系數(shù)大，以便體內(nèi)有較多的電子受到激發(fā)。）對(duì)光的吸收系數(shù)大，以便體內(nèi)有較多的電子受到激發(fā)。（2 2）受激電子最好是發(fā)生在表面附近，這樣向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)）受激電子最好是發(fā)生在表面附近，這樣向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中損失的能量少。程中損失的能量少。（3 3）材料的逸出功要小，使到達(dá)真空界面的電子能夠比較）材料的逸出功要小，使到達(dá)真空界面的電子能夠比較容易地逸出。容易地逸出。（4 4）另外，作為光

53、電陰極，其材料還要有一定的電導(dǎo)率，）另外，作為光電陰極，其材料還要有一定的電導(dǎo)率，以便能夠通過(guò)外電源來(lái)補(bǔ)充因光電發(fā)射所失去的電子。以便能夠通過(guò)外電源來(lái)補(bǔ)充因光電發(fā)射所失去的電子。7777第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2）物質(zhì)的逸出功和紅限頻率 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(shì)壘作用力。 光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的電子逸出功A0 。這說(shuō)明每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱(chēng)為紅限頻率或長(zhǎng)波限。 光線(xiàn)頻率低于紅限頻率，其能量就不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射； 入射光頻率如

54、果高于紅限頻率，即使光線(xiàn)微弱，也會(huì)有光電子射出。 7878第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)3）半導(dǎo)體材料的閾值波長(zhǎng)光電子發(fā)射的逸出功為AgEEA0Eg是半導(dǎo)體禁帶寬度，EA稱(chēng)為電子親和勢(shì)。即半導(dǎo)體材料光電發(fā)射的能量閾值為 Eth=Eg十EA0maxmaxAhcEhcth或半導(dǎo)體材料的閾值波長(zhǎng))(/24. 1/24. 10maxmaxmAEth或7979第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1.4 光電探測(cè)器的噪聲和特性參數(shù)光電檢測(cè)器件光電檢測(cè)器件光子器件光子器件熱電器件熱電器件真空器件真空器件固體器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變

55、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(jì)/熱敏電阻熱釋電檢測(cè)器8080第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)市場(chǎng)上探測(cè)器給市場(chǎng)上探測(cè)器給出的主要指標(biāo)出的主要指標(biāo)8181第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)8282第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)1.4.1 光電探測(cè)器中的噪聲n在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)

56、質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。01( )TIii t dtTl用均方噪聲來(lái)表示噪聲值大小用均方噪聲來(lái)表示噪聲值大小2201=( ) ( )( )T2nii ti ti tdtT8383第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)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 ) = 2ni一般光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲包括右上圖所示三種：(1)光子噪聲包括：信號(hào)輻射產(chǎn)生的噪聲和背景輻射產(chǎn)生的噪聲。(2)探測(cè)器噪聲包括：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、1f噪聲和溫度噪聲。(3)信號(hào)放大及處理電路噪聲。8484第第1 1章

57、章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的極其有害的。由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。除噪聲是十分重要的問(wèn)題。8585第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知

58、識(shí)1、熱噪聲n或稱(chēng)約翰遜噪聲，即載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪或稱(chēng)約翰遜噪聲，即載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。聲。n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)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(dòng)動(dòng)( (相當(dāng)于微電脈沖相當(dāng)于微電脈沖) )，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱(chēng)為熱噪流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱(chēng)為熱噪聲電壓。聲電壓。n熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比溫度成正比，與，與頻率無(wú)關(guān)頻率無(wú)關(guān)，熱噪聲又稱(chēng)為，熱噪聲又稱(chēng)為白噪聲白噪聲fRkTvRfkTinn44228

59、686第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)2、散粒噪聲n散粒噪聲：入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電散粒噪聲：入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PNPN結(jié)中通過(guò)結(jié)區(qū)的載結(jié)中通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的，產(chǎn)生載流子流的隨機(jī)漲落。流子數(shù)也是隨機(jī)的，產(chǎn)生載流子流的隨機(jī)漲落。n散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)。n散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位散粒噪聲具有支配地位。n

60、例如光伏器件的例如光伏器件的PNPN結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。fqIin228787第第1 1章章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲n半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生- -復(fù)合。復(fù)合。n在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的n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。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。n載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。)2(1 42022fNfIin8888第第1