光電子器件的基本特性

光輻射的度量光電探測(cè)器的響應(yīng)特性光電子器件的探測(cè)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(chēng)為輻射度學(xué)參量.適用于整個(gè)電磁譜區(qū).另一種是主觀的計(jì)量方法,以人眼見(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)為光度學(xué)參量.適用于可見(jiàn)光譜區(qū).人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射能有不同的靈敏度,不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光即使輻射功率相同,引起的視覺(jué)感受強(qiáng)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(duì)視覺(jué)的刺激強(qiáng)度；單位時(shí)間內(nèi)，人眼所感受到的光能。與輻射波長(zhǎng)及人眼的視見(jiàn)函數(shù)有關(guān)。

以符號(hào)Φ表示，

Φ的計(jì)量單位為流(明)（lm）。(1)輻（射）通量和光通量顯然，輻（射）通量對(duì)時(shí)間的積分稱(chēng)為輻（射）能，而光通量對(duì)時(shí)間的積分稱(chēng)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(shuō)，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能。又稱(chēng)輻（射）功率。以符號(hào)P表示，其計(jì)量單位為瓦（W）。

對(duì)點(diǎn)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(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即

輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度[W／sr]。

點(diǎn)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(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為

(2)輻(射)強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度對(duì)可見(jiàn)光定義發(fā)光強(qiáng)度為對(duì)各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為

一般點(diǎn)光源是各向異性的，其發(fā)光強(qiáng)度分布隨方向而異。

發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡(jiǎn)稱(chēng)為坎[cd]。1979年第十六屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)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(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉[cd]。對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)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(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。

光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱(chēng)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(jì)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(duì)可見(jiàn)光，亮度Lv定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)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(jì)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(diǎn)處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，即Ee的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。

(4)輻照度與照度

對(duì)可見(jiàn)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(chēng)為光照度Ev，即Ev的計(jì)量單位是勒（克司）[lx]。

光照度光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)CCD2輻射度參參數(shù)與光光度參數(shù)數(shù)是從不同同角度對(duì)對(duì)光輻射射進(jìn)行度度量的參參數(shù)，這這些參數(shù)數(shù)在一定定光譜范范圍內(nèi)（（可見(jiàn)光光譜區(qū)））經(jīng)常相相互使用用，它們們之間存存在著一一定的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換關(guān)系系；有些些光電傳傳感器件件采用光光度參數(shù)數(shù)標(biāo)定其其特性參參數(shù)，而而另一些些器件采采用輻射射度參數(shù)數(shù)標(biāo)定其其特性參參數(shù)。因此,掌掌握了它它們之間間的轉(zhuǎn)換換關(guān)系，，就可以以對(duì)用不不同度量量參數(shù)標(biāo)標(biāo)定的光光電器件件靈敏度度等特性性參數(shù)進(jìn)進(jìn)行比較較。輻射度參參數(shù)與光光度參數(shù)數(shù)的關(guān)系系用各種單單色輻射射分別刺刺激正常常人（標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)觀察察者）眼眼的錐狀狀細(xì)胞，，當(dāng)刺激激程度相相同時(shí)，，發(fā)現(xiàn)波波長(zhǎng)0.555μm處處的光譜譜輻射亮亮度Le,λm小于其它它波長(zhǎng)的的光譜輻輻亮度Le,λ。把波長(zhǎng)長(zhǎng)=0.555μm的的光譜輻輻射亮度度Le,λm被其它波波長(zhǎng)的光光譜輻亮亮度Le,λ除得的商商，定義義為正常常人眼的的明視覺(jué)覺(jué)光譜光視視效率V（λ），，即人眼的視視覺(jué)靈敏敏度555nm→1550nm→0.995580nm→0.870640nm→0.175人眼的光譜光視視效率V（λ)圖圖譜輻射度參參數(shù)與光光度參數(shù)數(shù)的關(guān)系系：式中，Cm為人眼的的明視覺(jué)覺(jué)最靈敏敏波長(zhǎng)的的光度參參量對(duì)輻輻射度參參量的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換常數(shù)數(shù)，其值值為683lm/W。V（λ)為為人眼的的光譜光光視效率率。對(duì)于給定定色溫的的光源，，K為一一定值，，稱(chēng)為光光源的視視覺(jué)效能能。例:已知某He-Ne激光器的的輸出功功率為3mW，試計(jì)算算其發(fā)出出的光通通量為多多少lm？解He-Ne激光器輸輸出的光光為光譜譜輻射通通量，根根據(jù)式（（21）可以計(jì)計(jì)算出它它發(fā)出的的光通量量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)黑體發(fā)射射的總輻輻射出射射度（24））式中，σ是斯特藩藩-波爾茲曼曼常數(shù)，，它由下下式?jīng)Q定定黑體發(fā)射射的總輻輻射出射射度Me,s與T的四次方方成正比比。斯忒藩-波爾茲茲曼定律律峰值光譜譜輻射出出射度所所對(duì)應(yīng)的的波長(zhǎng)λm與絕對(duì)溫溫度T的關(guān)系為為(μm)可見(jiàn)，峰峰值光譜譜輻出度度對(duì)應(yīng)的的波長(zhǎng)與與絕對(duì)溫溫度的乘乘積是常常數(shù)。當(dāng)溫度升升高時(shí)，，峰值光光譜輻射射出射度度對(duì)應(yīng)的的波長(zhǎng)向向短波方方向位移移，這就就是維恩恩位移定定律。維恩位移移定律1).光光譜響應(yīng)應(yīng)率2.光電電探測(cè)器器的響應(yīng)應(yīng)特性光譜靈敏敏度符號(hào)號(hào)為Rλ指的是光光電器件件對(duì)單色輻輻射通量量的反應(yīng)應(yīng)。即在在單色(波長(zhǎng)為為λ的一一個(gè)很小小的范圍圍內(nèi))輻輻射功率率在dP作用下下產(chǎn)生的的信號(hào)電電壓(電電流)光譜響應(yīng)應(yīng)率隨波波長(zhǎng)分布布的曲線線稱(chēng)為光光譜響應(yīng)應(yīng)曲線。。2).響響應(yīng)率(積分響響應(yīng)率)指的是光光電器件件對(duì)連續(xù)續(xù)輻射通通量的反反應(yīng)。即即，器件件輸出信信號(hào)與輸輸入功率率之比。。響應(yīng)率反反映了器器件的靈靈敏程度度，又稱(chēng)稱(chēng)為靈敏敏度或積積分靈敏敏度。響應(yīng)率是是光輻射射度量學(xué)學(xué)的響應(yīng)應(yīng)率光度響應(yīng)應(yīng)率光度響應(yīng)應(yīng)率與輻輻射響應(yīng)應(yīng)率之間間的關(guān)系系為：其中，K為視覺(jué)覺(jué)效能3).光光譜響應(yīng)應(yīng)率與響響應(yīng)率的的關(guān)系定義：光光源功率率譜密度度：?jiǎn)挝晃徊ㄩL(zhǎng)范范圍內(nèi)的的輻射功功率定義：歸歸一化光光源功率率譜密度度：?jiǎn)挝晃徊ㄩL(zhǎng)范范圍內(nèi)的的輻射功功率響應(yīng)率：：光度響應(yīng)應(yīng)率：α稱(chēng)為器器件同光光源的光光譜匹配配系數(shù)，，它反映映了器件件響應(yīng)波波長(zhǎng)范圍圍同光源源光譜的的吻合程程度?？煽梢杂霉夤庾V響應(yīng)應(yīng)曲線所所圍面積積形象的的表示為為：光源固定定，面積積A1不不變，吻吻合程度度越大，，面積A2越大大。見(jiàn)圖圖1-41).最最小探測(cè)測(cè)功率(噪聲等等效功率率NEP)：：當(dāng)探測(cè)器器輸出信信號(hào)電流流Is（（或電壓壓Vs））等于噪噪聲的均均方根電電流（或或電壓））時(shí)，所所對(duì)應(yīng)的的入射輻輻通量Φe稱(chēng)為等效噪聲聲功率NEP，即信噪比比等于1時(shí)所需需要的最最小輸入入光信號(hào)號(hào)的功率率，稱(chēng)為為最小探探測(cè)功率率3光電電子器件件的探測(cè)測(cè)率用NEP描述探探測(cè)器探探測(cè)能力力的一個(gè)個(gè)不方便便之處是是數(shù)值越越小，表表示探測(cè)測(cè)器的探探測(cè)能力力卻越強(qiáng)強(qiáng)，相對(duì)對(duì)缺乏直直觀性。。為此一一般引入入NEP的倒數(shù)數(shù)——探測(cè)率D來(lái)表示探探測(cè)器的的探測(cè)能能力由于探測(cè)測(cè)率與探探測(cè)器面面積以及及測(cè)量系系統(tǒng)的帶帶寬有關(guān)關(guān)，對(duì)于于比較不不同類(lèi)型型、不同同工作狀狀態(tài)探測(cè)測(cè)器的探探測(cè)性能能存在不不便，為為此，更更常用的的是采用用比探測(cè)測(cè)率D*即用單位位測(cè)量系系統(tǒng)帶寬寬和單位位探測(cè)器器面積的的噪聲電電流來(lái)衡衡量探測(cè)測(cè)器的探探測(cè)能力力。4.光吸吸收1).光光吸收模模型：光光強(qiáng)的減減少量與與入射光光強(qiáng)和厚厚度成正正比樣品吸收收的光強(qiáng)強(qiáng)度:當(dāng)d=1／α?xí)r時(shí)，約有有64％％的光被被吸收，，d稱(chēng)為為吸收厚厚度。本征吸收收:(半半導(dǎo)體光光電器件件最主要要的光吸吸收)在不考慮慮熱激發(fā)發(fā)和雜質(zhì)質(zhì)的作用用時(shí)，半半導(dǎo)體中中的電子子基本上上處于價(jià)價(jià)帶中，，導(dǎo)帶中中的電子子很少。。當(dāng)光入入射到半半導(dǎo)體表表面時(shí)，，原子外外層價(jià)電電子吸收收足夠的的光子能能量，越越過(guò)禁帶帶，進(jìn)入入導(dǎo)帶，，成為可可以自由由運(yùn)動(dòng)的的自由電電子。同時(shí)，在在價(jià)帶中中留下一一個(gè)自由空穴穴，產(chǎn)生生電子-空穴對(duì)。如圖圖1-9所示，半半導(dǎo)體價(jià)帶電子子吸收光光子能量量躍遷入導(dǎo)帶帶，產(chǎn)生生電子空空穴對(duì)的現(xiàn)象象稱(chēng)為本征吸收收。2)半導(dǎo)導(dǎo)體對(duì)光光的吸收收顯然然，，發(fā)發(fā)生生本本征征吸吸收收的的條條件件是是光光子子能能量量必必須須大大于于半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的禁禁帶帶寬寬度度Eg，才才能能使使價(jià)價(jià)帶帶EV上的的電電子子吸吸收收足足夠夠的的能能量量躍躍入入到到導(dǎo)導(dǎo)帶帶底底能能級(jí)級(jí)EC之上上，，即即由此此，，可可以以得得到到發(fā)發(fā)生生本本征征吸吸收收的的光光波波長(zhǎng)波波限限（32））（33））只有有波波長(zhǎng)長(zhǎng)短短于于的的入入射射輻輻射射才才能能使使器器件件產(chǎn)產(chǎn)生生本本征征吸吸收收，，改改變變本本征征半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的導(dǎo)導(dǎo)電電特特性性。雜質(zhì)質(zhì)吸吸收收:N型半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中未未電電離離的的雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子（（施施主主原原子子））吸吸收收光光子子能能量量hv。若若hv大于于等等于于施施主主電電離離能能ΔΔED，雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子的的外外層層電電子子將將從從雜雜質(zhì)質(zhì)能能級(jí)級(jí)（（施施主主能能級(jí)級(jí)））躍躍入入導(dǎo)導(dǎo)帶帶，，成成為為自自由由電電子子。。同樣樣，，P型半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中，，價(jià)價(jià)帶帶上上的的電電子子吸吸收收了了能能量量hv大于于ΔΔEA（受受主主電電離離能能））的的光光子子后后，，價(jià)價(jià)電電子子躍躍入入受受主主能能級(jí)級(jí)，，價(jià)價(jià)帶帶上上留留下下空空穴穴。。相相當(dāng)當(dāng)于于受受主主能能級(jí)級(jí)上上的的空空穴穴吸吸收收光光子子能能量量躍躍入入價(jià)價(jià)帶帶。。這兩兩種種雜雜質(zhì)質(zhì)半半導(dǎo)導(dǎo)體體吸吸收收足足夠夠能能量量的的光光子子，，產(chǎn)產(chǎn)生生電電離離的的過(guò)過(guò)程程稱(chēng)稱(chēng)為為雜質(zhì)質(zhì)吸吸收收。顯然然，，雜雜質(zhì)質(zhì)吸吸收收的的長(zhǎng)長(zhǎng)波波限限由于于Eg>ΔΔED或ΔΔEA，因因此此，，雜雜質(zhì)質(zhì)吸吸收收的的長(zhǎng)長(zhǎng)波波長(zhǎng)長(zhǎng)總總要要長(zhǎng)長(zhǎng)于于本本征征吸吸收收的的長(zhǎng)長(zhǎng)波波長(zhǎng)長(zhǎng)。。雜雜質(zhì)質(zhì)吸吸收收會(huì)會(huì)改改變變半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的導(dǎo)導(dǎo)電電特特性性，，也也會(huì)會(huì)引引起起光光電電效效應(yīng)應(yīng)。。激子子吸吸收收當(dāng)入入射射到到本本征征半半導(dǎo)導(dǎo)體體上上的的光光子子能能量量hv小于于Eg，或或入入射射到到雜雜質(zhì)質(zhì)半半導(dǎo)導(dǎo)體體上上的的光光子子能能量量hv小于于雜雜質(zhì)質(zhì)電電離離能能（（ΔΔED或ΔΔEA）時(shí)時(shí)，，電電子子不不產(chǎn)產(chǎn)生生能能帶帶間間的的躍躍遷遷成成為為自自由由載載流流子子，，仍仍受受原原來(lái)來(lái)束束縛縛電電荷荷的的約約束束而而處處于于受受激激狀狀態(tài)態(tài)。。這這種種處處于于受受激激狀狀態(tài)態(tài)的的電電子子稱(chēng)稱(chēng)為為激子子。吸吸收收光光子子能能量量產(chǎn)產(chǎn)生生激激子子的的現(xiàn)現(xiàn)象象稱(chēng)稱(chēng)為為激子子吸吸收收。顯顯然然，，激激子子吸吸收收不不會(huì)會(huì)改改變變半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的導(dǎo)導(dǎo)電電特特性性。。自由由載載流流子子吸吸收收對(duì)于于一一般般半半導(dǎo)導(dǎo)體體材材料料，，當(dāng)當(dāng)入入射射光光子子的的頻頻率率不不夠夠高高時(shí)時(shí)，，不不足足以以引引起起電電子子產(chǎn)產(chǎn)生生能能帶帶間間的的躍躍遷遷或或形形成成激激子子時(shí)時(shí)，，仍仍然然存存在在著著吸吸收收，，而而且且其其強(qiáng)強(qiáng)度度隨隨波波長(zhǎng)長(zhǎng)增增大大而而增增強(qiáng)強(qiáng)。。這這是是由由自自由由載載流流子子在在同同一一能能帶帶內(nèi)內(nèi)的的能能級(jí)級(jí)間間的的躍躍遷遷所所引引起起的的，，稱(chēng)稱(chēng)為為自由由載載流流子子吸吸