《光電傳感器應用技術(shù)》配套教學課件

光電傳感器應用技術(shù)

第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)

光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性。即光是以電磁波方式傳播的粒子。光的本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱為光量子或光子。光子具有動量與能量，并分別表示為p與e，式中h為普朗克常數(shù)（6.626×10-34J·s）；v為光的振動頻率(s-1)；c為光在真空中的傳播速度（3×108m·s-1）。光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時引起的光電效應，而光電效應又充分證明了光的量子性。

圖1-1為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定義（稱為電磁波譜）。電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無線電波（102～1025Hz）的寬闊頻域。光輻射僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長區(qū)域從幾納米到幾毫米，即10-9～10-3m的范圍。在這個范圍內(nèi)，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的視覺感，故稱這部分光為可見光。紅外紫外可見光10156182191210101010101010324f/Hz圖1-1電磁輻射光譜的分布X射線Γ射線近紅外遠紅外電磁波1.1光輻射的度量

1.1.1與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)

1.輻（射）能和光能

以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻（射）能，用符號Qe表示，其計量單位為焦耳（J）。光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對時間的積分，以Qv表示，其計量單位為流明秒（lm·s）。

2.輻（射）通量和光通量輻（射）通量或輻（射）功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能稱為輻（射）通量，以符號Φe表示，其計量單位為瓦（W），即

對可見光，光源表面在無窮小時間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜，光能被無窮短時間間隔dt來除，其商定義為光通量Φv，即

（1-3）若在t時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時間改變，則式（1-3）簡化為

（1-4）

Φv的計量單位為流(明)（lm）。顯然，輻（射）通量對時間的積分稱為輻（射）能，而光通量對時間的積分稱為光能。3.輻(射)出(射)度和光出(射)度

對有限大小面積A的面光源，表面某點處的面元向半球面空間內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，定義為輻(射)出(射)度Me，即

（1-5）

Me的計量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為

（1-6）

對于可見光，面光源A表面某一點處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dΦv、與面元面積dA之比稱為光出(射)度Mv，即

（1-7）

其計量單位為勒(克司)[lx]或[lm/m2]。

對均勻發(fā)射輻射的面光源有

（1-8）由式（1-7），面光源向半球面空間發(fā)射的總光通量為（1-9）4.輻(射)強度和發(fā)光強度對點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之比定義為點光源在該方向的輻(射)強度Ie，即

輻(射)強度的計量單位為瓦（特）每球面度

[W／sr]。

點光源在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的輻通量為

各向同性的點光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為

（1-10）（1-11）（1-12）對可見光，與式（1-9）類似，定義發(fā)光強度為對各向同性的點光源向所有方向發(fā)射的總光通量為

一般點光源是各向異性的，其發(fā)光強度分布隨方向而異。發(fā)光強度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎[cd]。1979年第十六屆國際計量大會通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強度定義為一個坎德拉[cd]。

由式（1-13），對發(fā)光強度為1cd的點光源，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)光強度為1cd的點光源在整個球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。

（1-13）（1-14）5.輻(射)亮度和亮度光源表面某一點處的面元在給定方向上的輻強度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，即

式中，為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計量單位為瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2）]。對可見光，亮度Lv定義為光源表面某一點處的面元在給定方向上的發(fā)光強度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即

Lv的計量單位是坎德拉每平方米[cd／m2]。

（1-15）（1-16）

若Le，Lv與光源發(fā)射輻射的方向無關(guān)，且由式（1-15）、（1-16）表示，這樣的光源稱為余弦輻射體或朗伯輻射體。黑體是一個理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及太陽等是一個近似的余弦輻射體。余弦輻射體表面某面元dS處向半球面空間發(fā)射的通量為

式中，。對上式在半球面空間內(nèi)積分的結(jié)果為

光學系統(tǒng)CCD2由上式得到余弦輻射體的Me與Le、Mv與Lv的關(guān)系為

（1-17）（1-18）6.輻(射)效率與發(fā)光效率

光源所發(fā)射的總輻射通量Φe與外界提供給光源的功率P之比稱為光源的輻(射)效率ηe；光源發(fā)射的總光通量Φv與提供的功率P之比稱為發(fā)光效率ηv。它們分別為

輻效率ηe無量綱，發(fā)光效率ηv的計量單位是流明每瓦[lm·W-1]。

對限定在波長λ1～λ2范圍內(nèi)的輻效率

式中,Φeλ稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡稱為光譜輻射通量。

（1-19）（1-20）（1-21）1.1.2

與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)

從接收器的角度討論輻射度與光度的參數(shù)稱為與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)。接收光源發(fā)射輻射的接收器可以是探測器，也可以是反射輻射的反射器，或兩者兼有。與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)有以下2種。

1.輻照度與照度

輻照度Ee是照射到物體表面某一點處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，即Ee的計量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。（1-22）若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（1-22）簡化為注意，不要把輻照度Ee與輻出度Me混淆起來。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。

被測物光學系統(tǒng)2CCD2光學系統(tǒng)1重疊部分(1-23)本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當做輻射體，則光譜輻出度Mer（λ）（r

代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度Ee（λ）的關(guān)系為式中,ρe（λ）為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。對式（1-24）的波長積分，得到反射體的輻出度

(1-25)

(1-24)

對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元面積dA稱為光照度Ev，即（1-26）Ev的計量單位是勒（克司）[lx]。

對接收光的反射體，同樣有

（1-27）（1-28）式中，ρv（λ）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。

2.輻照量和曝光量

輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號常與所接收的入射輻射能量有關(guān)。照射到物體表面某一面元的輻照度Ee在時間t內(nèi)的積分稱為輻照量He，即

（1-29）輻照量He的計量單位是焦爾每平方米

[J/m2]。

如果面元上的輻照度Ee與時間無關(guān)，式（1-29）可簡化為

（1-30）

與輻照量He對應的光度量是曝光量Hv，它定義為物體表面某一面元接收的光照度Ev在時間t內(nèi)的積分，即Hv的計量單位是勒（克司）秒[lx.s]。

如果面元上的光照度Ev與時間無關(guān)，式（1-31）可簡化為

（1-31）1.2光譜輻射分布與量子流速率

1.2.1光源的光譜輻射分布參量

光源發(fā)射的輻射能在輻射光譜范圍內(nèi)是按波長分布的。光源在單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度Xe,λ，簡稱為光譜輻射量，即

式中，通用符號Xe,λ是波長的函數(shù)，代表所有的光譜輻射量，如光譜輻射通量Φe,λ、光譜輻射出度Me,λ、光譜輻射強度Ie,λ、光譜輻射亮度Le,λ、光譜輻照度Ee,λ等。

（1-32）

同樣，以符號Xv,λ表示光源在可見光區(qū)單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的光度量稱為光度量的光譜密集度，簡稱為光譜光度量，即

式中，Xv,λ代表光譜光通量Φv,λ、光譜光出射度Mv,λ、光譜發(fā)光強度Iv,λ和光譜光照度Ev,λ等。

（1-33）

光源的輻射度參量Xe,λ隨波長λ的分布曲線稱為該光源的絕對光譜輻射分布曲線。

該曲線任一波長λ處的Xe,λ除以峰值波長λmax處的光譜輻射量最大值Xe,λmax的商Xe,λr，稱為光源的相對光譜輻射量，即

（1-34）相對光譜輻射量Xe,λr與波長λ的關(guān)系稱為光源相對光譜輻射分布。

光源在波長λ1～λ2

范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量

（1-35）若積分區(qū)間從λ1=0到λ2→∞

，得到光源發(fā)出的所有波長的總輻射通量

光源在波長λ1

～λ2

之間的輻通量ΔΦe與總輻通量Φe之比稱為該光源的比輻射qe，即

式中，qe沒有量綱。

（1-36）（1-37）1.2.2量子流速率

光源發(fā)射的輻射功率是每秒鐘發(fā)射光子能量的總和。光源在給定波長λ處,由λ到波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量dΦe除以該波長λ的光子能量hv，得到光源在該波長λ處每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)，稱為光譜量子流速率dNe,λ，即

光源在波長λ為0→∞范圍內(nèi)發(fā)射的總量子流速率

（1-38）（1-39）對可見光區(qū)域，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)

量子流速率Ne或Nv的計量單位為輻射元的光子數(shù)每秒[1/s]。

（1-40）1.3物體熱輻射物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。第一種稱為熱輻射。第二種稱為發(fā)光。1.3.1黑體輻射定律1.黑體

能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長的輻射，并且在每一個方向都能最大可能地發(fā)射任意波長輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)為1，發(fā)射系數(shù)也為1。2.普朗克輻射定律

黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射度Me,s,λ（角標“s”表示黑體）由普朗克公式表示為

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；T為絕對溫度；c為真空中的光速。

（1-40）

黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻強度Ie,s,λ分別為（1-41）圖1-2繪出了黑體輻射的相對光譜輻亮度Le,s,λr與波長的等溫關(guān)系曲線。圖中每一條曲線都有一個最大值，最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動。

將式（1-40）對波長λ求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度

（1-42）式中，σ是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q定

由式（1-42），Me,s與T的四次方成正比

3.斯忒藩-波爾茲曼定律4.維恩位移定律將普朗克公式（1-40）對波長λ求微分后令其等于0，則可以得到峰值光譜輻射出射度所對應的波長λm與絕對溫度T的關(guān)系為

(μm)（1-43）

可見，峰值光譜輻出度對應的波長與絕對溫度的乘積是常數(shù)。當溫度升高時，峰值光譜輻射出射度對應的波長向短波方向位移，這就是維恩位移定律。

將式（1-43）代入式（1-40），得到黑體的峰值光譜輻出度W·cm-2·μm-1·K-5

以上三個定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。

例1-1

若可以將人體作為黑體，正常人體溫的為36.5℃，（1）試計算正常人體所發(fā)出的輻射出射度為多少W/m2？（2）正常人體的峰值輻射波長為多少μm？峰值光譜輻射出射度Me,s,λm為多少？（3）人體發(fā)燒到38℃時峰值輻射波長為多少？發(fā)燒時的峰值光譜輻射出射度Me,s,λm又為多少？解

（1）人體正常體的絕對溫度為T=36.5+273=309.5K，根據(jù)斯特藩-波爾茲曼輻射定律，正常人體所發(fā)出的輻射出射度為

（2）由維恩位移定律，正常人體的峰值輻射波長為

(μm)=9.36μm

峰值光譜輻射出射度為

Wcm-2μm-1

=3.72Wcm-2μm-1

（3）人體發(fā)燒到38℃時峰值輻射波長為

發(fā)燒時的峰值光譜輻射出射度為

=3.81Wcm-2μm-1

例1-2將標準鎢絲燈為黑體時，試計算它的峰值輻射波長，峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。解

標準鎢絲燈的溫度為TW=2856K，因此它的峰值輻射波長為

(μm)

峰值光譜輻射出射度為

=1.309×28565×10-15

=248.7Wcm-2μm-1

總輻射出射度為

光學系統(tǒng)CCD2

輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對光輻射進行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見光譜區(qū)）經(jīng)常相互使用，它們之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系；有些光電傳感器件采用光度參數(shù)標定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標定其特性參數(shù)，因此討論它們之間的轉(zhuǎn)換是很重要的。本節(jié)將重點討論它們的轉(zhuǎn)換關(guān)系，掌握了這些轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對用不同度量參數(shù)標定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進行比較。1.4輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系1.4.1人眼的視覺靈敏度用各種單色輻射分別刺激正常人（標準觀察者）眼的錐狀細胞，當刺激程度相同時，發(fā)現(xiàn)波長=0.555μm處的光譜輻射亮度Le,λm小于其它波長的光譜輻亮度Le,λ。把波長=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λm被其它波長的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的明視覺光譜光視效率V（λ），即

（1-54）

如圖1-5所示為人眼的明視覺光譜光視效率V（λ），它為與波長有關(guān)的相對值。對正常人眼的圓柱細胞，以微弱的各種單色輻射刺激時，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長為處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長λ的光譜輻射亮度

Le,λ。把

Le，507nm與Le,λ的比值定義為正常人眼的暗視覺光譜光視效率，即

V`(λ）也是一個無量綱的相對值，它與波長的關(guān)系如圖1-5中的虛線所示。(1-55)

對于正常人眼的圓柱細胞，以微弱的各種單色輻射刺激時，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長為處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長λ的光譜輻射亮度

Le,λ。把

Le，507nm與Le,λ的比值定義為正常人眼的暗視覺光譜光視效率，即1.4.2人眼的光譜光視效能

無論是錐狀細胞還是柱狀細胞，單色輻射對其刺激的程度與Le,λ成正比。

對于明視覺，刺激程度平衡的條件為

（1-56）式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。

對于暗視覺，為

式中，K'm為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為1725lm/W。

引進，K（λ），并令

（1-58）（1-57）（1-59）

式中，K（λ），K`（λ）分別稱為人眼的明視覺和暗視覺光譜光視效能。由式（1-58）、（1-59），在人眼最敏感的波長λ=0.555μm，λ=0.507μm處，分別有V（λm）=1，V`（λm）=1，這時K（λm）=Km，K`（λm

）=Km`。因此，Km，Km`分別稱為正常人眼的明視覺最大光譜光視效能和暗視覺最大光譜光視效能。根據(jù)式（1-58）和（1-59），可以將任何光譜輻射量轉(zhuǎn)換成光譜光度量。CCD2重疊部分例1-3

已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計算其發(fā)出的光通量為多少lm？解

He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，根據(jù)式（1-56）可以計算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ

=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)1.4.3輻射體光視效能

一個熱輻射體發(fā)射的總光通量Φv與總輻射通量Φe之比，稱為該輻射體的光視效能K，即

對發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，由上式及式（1-58）可得總光通量Φv為

(1-60)(1-61)將式（1-35）、（1-61）代入式（1-60），得到（1-62）式中,V是輻射體的光視效率。

標準鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖1-7所示，圖中的曲線分別為標準鎢絲燈的相對光譜輻射分、光譜光視效率V（λ）和光譜光視效率與相對光譜輻射分布之積，積分

為曲線所圍的面積Al，而積分

面積A2。因此，由(1-62)可得標準鎢絲燈的光視效能Kw為lm/W

由式（1-60），已知某種輻射體的光視效能K和輻射量Xe，就能夠計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。

例如，對于色溫為2856K的標準鎢絲燈其光視效能為17lm/W，當標準鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為Φe＝100W時，其光通量為Φv=1710lm。由此可見，色溫越高的輻射體，它的可見光的成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢絲燈的供電電壓降低時，燈絲溫度降低，燈的可見光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計檢測光照度時，照度將顯著下降。1.5半導體對光的吸收

1.5.1物質(zhì)對光吸收的一般規(guī)律

光波入射到物質(zhì)表面上，用透射法測定光通量的衰減時，發(fā)現(xiàn)通過路程dx的光通量變化dΦ與入射的光通量Φ和路程dx的乘積成正比，即

（1-63）式中，α稱為吸收系數(shù)。

如圖1-8所示，利用初始條件x=0時

，解這個微分方程，可以找到通過x路程的光通量為

（1-64）可見，當光在物質(zhì)中傳播時，透過的能量衰減到原來能量的e-1時所透過的路程的倒數(shù)等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)α，即

（1-65）另外，根據(jù)電動力學理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時，其電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律

exp(-ωμxc-1)衰減。

（1-66）乘積的其實數(shù)部分應是輻射通量隨傳播路徑x的變化關(guān)系。即

式中，μ稱為消光系數(shù)。

由此可以得出

（1-67）

半導體的消光系數(shù)μ與入射光的波長無關(guān)，表明它對愈短波長的光吸收愈強。（1-68）

普通玻璃的消光系數(shù)μ也與波長λ無關(guān)，因此，它們對短波長輻射的吸收比長波長強。

當不考慮反射損失時，吸收的光通量應為

1.5.2半導體對光的吸收

在不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時，半導體中的電子基本上處于價帶中，導帶中的電子很少。當光入射到半導體表面時，原子外層價電子吸收足夠的光子能量，越過禁帶，進入導帶，成為可以自由運動的自由電子。同時，在價帶中留下一個自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴對。如圖1-9所示，半導體價帶電子吸收光子能量躍遷入導帶，產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征吸收。

顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導體的禁帶寬度Eg，才能使價帶EV上的電子吸收足夠的能量躍入到導帶底能級EC之上，即由此，可以得到發(fā)生本征吸收的光波長波限

（1-69）（1-70）只有波長短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導體的導電特性。

2.雜質(zhì)吸收N型半導體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ΔED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級（施主能級）躍入導帶，成為自由電子。

同樣，P型半導體中，價帶上的電子吸收了能量hv大于ΔEA（受主電離能）的光子后，價電子躍入受主能級，價帶上留下空穴。相當于受主能級上的空穴吸收光子能量躍入價帶。

這兩種雜質(zhì)半導體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸收。

顯然，雜質(zhì)吸收的長波限

（1-71）（1-72）由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，雜質(zhì)吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質(zhì)吸收會改變半導體的導電特性，也會引起光電效應。

3.激子吸收

當入射到本征半導體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會改變半導體的導電特性。

4.自由載流子吸收

對于一般半導體材料，當入射光子的頻率不夠高時，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時，仍然存在著吸收，而且其強度隨波長增大而增強。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會改變半導體的導電特性。

5.晶格吸收

晶格原子對遠紅外譜區(qū)的光子能量的吸收直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝觿幽艿脑黾?，在宏觀上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應。以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應。其他吸收都程度不同地把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運動的速度加快，而不會改變半導體的導電特性。

1.6

光電效應

光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應分為內(nèi)光電效應與外光電效應兩類。內(nèi)光電效應是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。而被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應。本節(jié)主要討論內(nèi)光電效應與外光電效應的基本原理。

1.6.1內(nèi)光電效應

1.光電導效應

光電導效應可分為本征光電導效應與雜質(zhì)光電導效應兩種，本征半導體或雜質(zhì)半導體價帶中的電子吸收光子能量躍入導帶產(chǎn)生本征吸收，導帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導體的電導率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導體電導率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導效應。

通量為Φe,λ的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導體上，波長λ的單色輻射全部被吸收，則光敏層單位時間所吸收的量子數(shù)密度Ne,λ應為

(1-73)

光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度Ge為

（1-74）

在熱平衡狀態(tài)下，半導體的熱電子產(chǎn)生率Gt與熱電子復合率rt相平衡。光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生率應為熱電子產(chǎn)生率Gt與光電子產(chǎn)生率Ge之和

（1-75）

導帶中的電子與價帶中的空穴的總復合率R應為

（1-76）

式中，Kf為載流子的復合幾率，Δn為導帶中的光生電子濃度，Δp為導帶中的光生空穴濃度，ni與pi分別為熱激發(fā)電子與空穴的濃度。

同樣，熱電子復合率與導帶內(nèi)熱電子濃度ni及價帶內(nèi)空穴濃度pi的乘積成正比。即

（1-77）

在熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應與符合率相等。即

（1-78）

在非平衡狀態(tài)下，載流子的時間變化率應等于載流子的總產(chǎn)生率與總復合率的差。即

（1-79）

下面分為兩種情況討論：（1）在微弱輻射作用下，光生載流子濃度Δn遠小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度Δp遠小于熱激發(fā)空穴的濃度pi，并考慮到本征吸收的特點，Δn=Δp，式（1-79）可簡化為

利用初始條件t=0時，Δn=0，解微分方程得

（1-80）

式中τ=1/Kf(ni+pi)稱為載流子的平均壽命。

由式（1-80）可見，光激發(fā)載流子濃度隨時間按指數(shù)規(guī)律上升，當t>>τ時，載流子濃度Δn達到穩(wěn)態(tài)值Δn0，即達到動態(tài)平衡狀態(tài)

（1-81）

光激發(fā)載流子引起半導體電導率的變化Δσ為

（1-82）

式中，μ為電子遷移率μn與空穴遷移率μp之和。

半導體材料的光電導g為

（1-83）

可以看出，在弱輻射作用下的半導體材料的電導與入射輻射通量Φe,λ成線性關(guān)系。求導可得

由此可得半導體材料在弱輻射作用下的光電導靈敏度Sg

（1-85）

可見，在弱輻射作用下的半導體材料的光電導靈敏度為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，與光電導材料兩電極間的長度l的平方成反比。

（2）在強輻射的作用下，Δn>>ni，Δp>>pi（1-79）式可以簡化為

利用初始條件t=0時，Δn=0，解微分方程得

（1-86）

式中，為強輻射作用下載流子的平均壽命。

強輻射情況下，半導體材料的光電導與入射輻射通量間的關(guān)系為

（1-87）

拋物線關(guān)系。

進行微分得

（1-88）

在強輻射作用的情況下半導體材料的光電導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)，是非線性的。

2.光生伏特效應

光生伏特效應是基于半導體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應。當入射輻射作用在半導體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴與導帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，并分別向如圖1-11所示的方向運動，

形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。

半導體PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如圖1-12所示，當P型與N型半導體形成PN結(jié)時，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子要進行相對的擴散運動，以便平衡它們的費米能級差，擴散運動平衡時，它們具有如圖所示的同一費米能級EF，并在結(jié)區(qū)形成由正負離子組成的空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。當設(shè)定內(nèi)建電場的方向為電壓與電流的正方向時，將PN結(jié)兩端接入適當?shù)呢撦d電阻RL，若入射輻射通量為Φe,λ的輻射作用于PN結(jié)上，則有電流I流過負載電阻，并在負載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過負載電阻的電流應為

（1-89）

式中，IΦ為光生電流，ID為暗電流。當然，從（1-89）式也可以獲得IΦ的另一種定義，當U=0（PN結(jié)被短路）時的輸出電流ISC即短路電流，并有

（1-90）

同樣，當I=0時（PN結(jié)開路），PN結(jié)兩端的開路電壓UOC為

（1-91）

光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為

I=IΦ+ID

（1-92）

光電二極管的暗電流ID一般要遠遠小于光電流IΦ，因此，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系

（1-93）3.丹培（Dember）效應

如圖1-13所示，當半導體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時，在曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下，將產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，而遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。

這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應。

丹培效應產(chǎn)生的光生電壓可由下式計算

式中，n0與p0為熱平衡載流子的濃度；Δn0為半導體表面處的光生載流子濃度；μn與μp分別為電子與空穴的遷移率。μn=1400cm2/(V·s)，而μp=500cm2/(V·s)，顯然，μn>>μp。

半導體的迎光面帶正電，背光面帶負電，產(chǎn)生光生伏特電壓。稱這種由于雙極性載流子擴散運動速率不同而產(chǎn)生的光生伏特現(xiàn)象為丹培效應。

4.光磁電效應

在半導體上外加磁場，磁場的方向與光照方向垂直，當半導體受光照射產(chǎn)生丹培效應時，由于電子和空穴在磁場中的運動必然受到洛倫茲力的作用，使它們的運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，空穴向半導體的上方偏轉(zhuǎn)，電子偏向下方。

結(jié)果在垂直于光照方向與磁場方向的半導體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓，稱為光磁電場。這種現(xiàn)象稱為半導體的光磁電效應。

光磁電場為

（1-95）

式中，Δp0，Δpd分別為x=0，x=d處n型半導體在光輻射作用下激發(fā)出的少數(shù)載流子（空穴）的濃度；D為雙極性載流子的擴散系數(shù)，在數(shù)值上等于

（1-96）

其中，Dn與Dp分別為電子與空穴的擴散系數(shù)。

5.光子牽引效應

當光子與半導體中的自由載流子作用時，光子把動量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光線的傳播方向做相對于晶格的運動。結(jié)果，在開路的情況下，半導體樣品將產(chǎn)生電場，它阻止載流子的運動。這個現(xiàn)象被稱為光子牽引效應。在室溫下，P型鍺光子牽引探測器的光電靈敏度為

1.6.2光電發(fā)射效應

當物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應或稱為外光電效應。外光電效應中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為

（1-99）

表明，具有能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值Eth，則質(zhì)量為m的電子的初始動能便大于0。

光電發(fā)射閾值Eth的概念是建立在材料的能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，對于金屬材料，由于它的能級結(jié)構(gòu)如圖1-15所示，導帶與價帶連在一起，因此，它的光電發(fā)射閾值Eth等于真空能級與費米能級之差

（1-100）式中，為真空能級，一般設(shè)為參考能級為0；費米能級為低于真空能級的負值；因此光電發(fā)射閾值Eth大于0。

對于半導體，情況較為復雜，半導體分為本征半導體與雜質(zhì)半導體，雜質(zhì)半導體中又分為P型與N型雜質(zhì)半導體，其能級結(jié)構(gòu)不同，光電發(fā)射閾值的定義也不同。圖1-16所示為三種半導體的綜合能級結(jié)構(gòu)圖，由能級結(jié)構(gòu)圖可以得到處于導帶中的電子的光電發(fā)射閾值為

即導帶中的電子接收的能量大于電子親合勢為EA的光子后就可以飛出半導體表面。

而對于價帶中的電子，其光電發(fā)射閾值Eth為

（1-102）

光電發(fā)射長波限為

（1-103）

利用具有光電發(fā)射效應的材料也可以制成各種光電探測器件，這些器件統(tǒng)稱為光電發(fā)射器件。

光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點：

1.電發(fā)射器件中的導電電子可以在真空中運動，因此，可以通過電場加速電子運動的動能，或通過電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能高速度地探測極其微弱的光信號，成為像增強器與變相器技術(shù)的基本元件。

2.很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電成像器件方面非常有利。一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導體光電圖像傳感器。

3.光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得整個探測器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造價也昂貴。

4.光電發(fā)射器件的光譜響應范圍一般不如半導體光電器件寬。

習題11、12、13、15第2章光源

通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對光電技術(shù)領(lǐng)域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。

從應用的角度簡單地介紹各類光源的特性、發(fā)光光譜，并重點介紹各種電光源的發(fā)光機理和供電電路是本章的宗旨。

2.1光源的分類

光源的種類很多，分類方式各異?？偨Y(jié)光電傳感器應用技術(shù)領(lǐng)域中所用的光源特征將其分為自然光源與電光源兩大類。

2.1.1自然光源1.太陽

太陽光是最典型和能量最強的自然光源，人類的視覺觀察活動幾乎主要是在太陽的照明下進行的。我們是在地球上研究和利用太陽的輻射，必然受到地球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的影響引起所接收太陽光的時相變化。地球大氣的狀態(tài)變化以及觀察者地理位置、緯度與海拔的不同，都將引起所接收太陽輻射量的差異。

圖2-1表示了太陽在大氣層外和在海平面的光譜輻出度（照度）與波長的關(guān)系曲線。由圖可以看出，在大氣層外的光譜輻照度曲線很接近5900K黑體的光譜輻出度曲線。大氣中的H2O、CO2和O3形成許多吸收峰，使得海平面上的輻照度大為降低。可以看出，大氣在可見光譜范圍內(nèi)為一透明度較高的窗口。

在許多情況下，直接或間接利用太陽作光源時（例如地形、地貌勘測分析，空氣質(zhì)量監(jiān)測等），都必須考慮到天氣變化對測量結(jié)果的影響。2.月亮、星光與天空月亮、星光與天空也是一個重要的自然光源。

如圖2-2所示，月亮、行星的最佳光譜輻射與波長的分布。除此之外，天空也是不可忽略的光源，它由黃道光（約占15％）、銀河光（約占5％）、夜空光（約占40％）、上述各光源的散射光（約占10％）、直射和散射星光（約占30％）、以及銀河系以外輻射（約占1％）構(gòu)成。

表2-1白天和夜間各種條件下自然光源在地面上形成的照度自然條件照度值（Lx）自然條件照度值（Lx）直射日光深黃昏1完全白天光

滿月10-1白天（陰）103弦月10-2很暗的白天102星光10-3黃昏（黎明）10星光（陰天）10-4自然條件光亮度值（cd/m2）自然條件光亮度值（cd/m2）晴朗的白日104日落后1/2小時10-1白天（陰）103相當明亮的月光10-2白天（陰得很重）102無月（晴朗夜空）10-3日落時（陰天）10無月（陰天夜空）10-4日落后1/4小時（晴天）1表2-2各種條件下接近地平線天空的光亮度值

2.2鎢絲燈

為了給圖像傳感器創(chuàng)造良好、穩(wěn)定的成像和測量條件，制造了許多種人工光源，輔助自然光源的各種不足，鎢絲燈光源最古老、最普遍。本節(jié)主要介紹鎢絲燈的發(fā)光特性及特性。鎢絲燈種類很多，將其歸納為兩類—鎢絲白熾燈與鹵鎢燈。2.2.1鎢絲白熾燈1.普通鎢絲白熾燈的結(jié)構(gòu)2.鎢絲白熾燈的特性①發(fā)光光譜

鎢絲白熾燈在電流作用下維持鎢絲的溫度而發(fā)生輻射，屬于熱輻射體。在低溫時，熱輻射體的發(fā)射系數(shù)較小，且隨波長的增長而減少。當溫度升高時，光譜發(fā)射系數(shù)隨波長的變化減少，最后在溫度很高時趨向于1，服從黑體輻射定律。

（2-1）

如圖2-4所示為標準鎢絲燈的相對光譜輻射功率隨波長的分布特性曲線。從圖中可以看出，波長在1.0μm處標準鎢絲燈的光譜輻射出射度值最高，即標準鎢絲燈光譜輻射出射度的波長為1.0μm。

②鎢絲白熾燈的功率、光通量和發(fā)光效率圖2-5為鎢絲白熾燈的功函數(shù)與溫度的關(guān)系曲線。

當鎢絲白熾燈的供電電壓變化時，對白熾燈的電流、光通量、燈的功率損耗、燈的壽命等都有很大影響。如果電壓增加，則燈絲溫度上升，光通量增加，發(fā)光效率提高。但是，燈絲溫度太高時，則鎢絲的蒸發(fā)加快、加劇，使燈絲的某些局部迅速變細，從而電阻值增大，局部功耗加大，并很快被燒斷。

表2-3不同溫度下鎢絲在真空中的蒸發(fā)率和壽命的關(guān)系

溫度T（K）蒸發(fā)率rm(g/(cm2?s)直徑為0.1mm鎢絲的壽命τ（h）rm·τ20002200240026002800300015.522.413.841.78.3310.51.04×1077.20×1041.11×1033.86×101.90.1516.1×10-816.1×10-816.1×10-816.1×10-815.8×10-815.7×10-8

通過實驗得到，燈的電壓變化使燈的電流I、發(fā)光效率ηv、光通量φv、壽命τ均發(fā)生變化。它們之間的關(guān)系為(2-2)對于真空白熾燈泡，發(fā)光效率ηv=0.0769，對于充氣燈泡，發(fā)光效率ηv＝0.0714。

④白熾燈的色彩與調(diào)光特性

普通白熾燈可以調(diào)光，沒有限制。調(diào)光使燈絲溫度降低，從而使燈的色溫降低，光效降低，但壽命延長。因此，長壽命是以犧牲光效率為代價的。當要求連續(xù)調(diào)整白熾燈的光照情況下，一般采用功率較低的白熾燈為好。當白熾燈工作在標稱電壓的50%以下時，燈幾乎不發(fā)光。然而，此時的能量損耗依然不小。因此，當調(diào)光到這種程度時應該將它熄滅。

白熾燈的燈絲溫度常在2800K，遠比太陽表層的溫度6000K低得多，因此，它的色溫偏低，顏色偏紅。

2.2.2鹵鎢燈

鹵鎢燈是一種改進的鎢絲白熾燈。鎢絲在高溫下蒸發(fā)使燈泡變黑，如果降低白熾燈的燈絲溫度，則發(fā)光效率降低。在燈泡中充入6價元素氟、氯、溴或碘等鹵族元素，使它們與蒸發(fā)在玻璃殼上的鎢形成鹵化物。當這些鹵化物回到燈絲附近時，遇到高溫便會分解，鎢又回到鎢絲上。這樣，燈絲的溫度可以大大提高，而玻璃殼也不會發(fā)黑。因此，燈絲發(fā)光亮度高、效率高，使鹵鎢燈具有形體小，成本低的特點。

常用的鹵鎢燈有碘鎢燈和溴鎢燈。在光電傳感器技術(shù)中應用最多的鹵鎢燈為溴鎢燈。

圖2-7所示為4種溴鎢燈的外形尺寸圖。

其中（a）與（c）型為低功率的溴鎢儀器燈，（a）型燈為具有矩形燈絲的面光源燈，它基本能滿足測量儀器對光源均勻性的要求。而（c）燈的燈絲很小，近似為“點”光源，用于要求光源發(fā)光面盡量小的測量儀器中。表2-5儀器用國產(chǎn)鹵鎢燈H=37型號規(guī)格光通量(Lm)平均壽命(h)主要尺寸圖號(V)(W)最大直徑D全長L光中心高H燈絲尺寸d·l或A·B開檔d`LYQ5-40540800～10005010.54220+11×35cLYQ6-156152702008.54214～151.1×1.24aLYQ6-20620360～4002008.54211～120.8×2.34aLYQ6-25625500～6005010.545301×34.5cLYQ6-30630510～57010010.542251×36.5aLYQ12-50125012600～14005011.552361.5×1.66.5dLYQ12-7512752025～22505011.552362×36.5dLYQ12-100121002700～30005011.552361.9×3.76.5dLYQ24-150241504050～450005012.554372.3×3.56.5dLYQ24-250242506750～7500501457382.5×5.56.5dLYQ55-5005550013500～15000501557455×86.5b2.3氣體放電燈

氣體放電燈包含汞燈、鈉燈、氙燈和銦燈等。它們是通過高壓使氣體電離放電產(chǎn)生很強的光輻射，而不象鎢絲燈那樣是通過加熱燈絲使其發(fā)光，因而也稱氣體放電燈，它為冷光源。氣體放電燈的共同特點是發(fā)出的光譜為線光譜或帶狀光譜，因為它們的發(fā)光機理屬于等離子體發(fā)光。

2.3.1氣體放電

在紫外線或在宇宙射線作用下，會有少量氣體分子被電離成正、負離子和自由電子，電壓增高后將出現(xiàn)如圖2-8所示的激發(fā)光現(xiàn)象。

在輝光放電時，將產(chǎn)生明暗相間的區(qū)域，各區(qū)域的電勢和光強分布如圖2-9所示，弧光放電發(fā)出的光極其明亮，可用在電影放映和公共場所照明。無論輝光放電或弧光放電，都是氣體的場致發(fā)光現(xiàn)象。在氣體放電過程中，由于電場的作用使帶電粒子動能增加到足以能電離其他氣體分子時，氣體分子吸收帶電粒子的能量，使其電子處于激發(fā)狀態(tài)。這種激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，一般在10-8s以內(nèi)。從激發(fā)態(tài)回到低能態(tài)或基態(tài)，以發(fā)光的形式放出能量。如鈉蒸汽原子輻射出5890×10-10m、5896×10-10m的雙黃光。

2.4金屬蒸氣燈2.4.1水銀蒸氣燈（汞燈）

汞燈是在石英玻璃管內(nèi)充入汞，當燈點燃時，燈中汞被蒸發(fā)，汞蒸氣壓強增至幾個大氣壓，從而產(chǎn)生輝光放電。

如圖2-13（a）所示為高壓汞燈的基本結(jié)構(gòu)圖，它由燈座燈內(nèi)支持架與內(nèi)部發(fā)光室（那里汞蒸氣被兩電極間的電場所激發(fā)），由于汞燈是金屬汞蒸氣在高壓下被激發(fā)產(chǎn)生汞光譜的多條特征譜線。這些譜線的強弱與光譜分布均與汞元素有關(guān)，常將其用作標定光譜儀器的已知光譜光源。2.4.2鈉燈

在鈉-鈣玻璃內(nèi)充入鈉蒸汽，當鎢絲點燃后，只發(fā)射589.0nm、589.6nm的雙黃光，為此可用來校正光譜儀器或作其他用途。此外，還有氫燈、氘燈等光譜定標用燈。這里不再討論，需要這方面內(nèi)容時可查找“光學技術(shù)手冊”。

2.5半導體發(fā)光二極管光源

1907年首次發(fā)現(xiàn)半導體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。進十年來，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點。

2.5.1發(fā)光二極管的發(fā)光機理

發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和

N型半導體組合而成。其發(fā)光機理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。

1.PN結(jié)注入發(fā)光

PN結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖2-15所示。當加正偏壓時，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復合發(fā)光，并主要發(fā)生在p區(qū)。2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光

為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。圖2-16a表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當加上正向電壓時小區(qū)的勢壘降低，兩區(qū)的價帶幾乎相同，空穴就不斷向n區(qū)擴散。

對n區(qū)電子，勢壘仍然較高，不能注入p區(qū)。這樣，禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖2-16b）。例如，禁帶寬EG2=1.32eV的p-GaAs與禁帶寬EG1＝0.7eVp-GaAs與禁帶寬EG1＝0.7eV的n-GaSb組成異質(zhì)結(jié)后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs區(qū)復合發(fā)光。

由于n區(qū)所發(fā)射的光子能量hv比EG2

小得多，它進入p區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。2.5.2發(fā)光強度—電流特性在正向配置電壓的作用下流過發(fā)光二極管PN節(jié)的正向電流If使注入到PN結(jié)內(nèi)的載流子在P區(qū)復合而發(fā)光，其發(fā)光強度IV為式中ηv為發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

圖2-17所示為GaP（紅色）發(fā)光二極管發(fā)光強度與電流密度If的關(guān)系曲線

可以看出，發(fā)光二極管發(fā)光強度基本與流過的電流If成正比。說明可以通過控制電流If對LED發(fā)出的光強IV進行控制。由于發(fā)光二極管的正向伏安特性曲線在發(fā)光區(qū)呈現(xiàn)為I=I0exp（qU/nkT）指數(shù)形式，并且1＜n＜2較小，通?？梢月?，求出發(fā)光強度Iv與發(fā)光二極管兩端電壓U的關(guān)系為：(2-4)

2.5.3發(fā)光光譜和發(fā)光效率

由上面討論可知，LED發(fā)射光譜的峰值波長由材料的禁帶寬度決定。例如GaAs紅外發(fā)光二極管的禁帶寬度在室溫下為1.4eV，發(fā)光峰值波長為0.86～0.9μm。發(fā)綠光的發(fā)光二極管GaP的禁帶寬度為2.26eV，發(fā)光峰值波長為0.55μm。對異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，禁帶寬度由元素的組分量決定，如GaAs1-xPx，最佳組分x＝0.4，發(fā)光峰值波長為0.65～0.66μm。改變組分量x可以改變發(fā)光峰值波長。

(1)光譜(2)發(fā)光效率

發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電功率之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有人把光強度與注入電流之比（cd/A）稱為發(fā)光效率。

發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率兩個參數(shù)決定。內(nèi)部量子效率可表示為（2-5）

復合率又分別取決于載流子的壽命τr和τn，其中復合率為1/τr，無輻射復合率為1/τn。

（2-6）

式中，τr為輻射復合的載流子平均壽命；τn為無輻射復合的載流子平均壽命。只有τn＞＞τr，才能獲得較高內(nèi)部量子效率的光子發(fā)射。

以間接復合為主的半導體材料，一般既存在發(fā)光中心，又存在其他復合中心。通過發(fā)光中心產(chǎn)生輻射復合，通過其他復合中心的復合不產(chǎn)生輻射。因此，要使輻射復合占壓倒優(yōu)勢，必須使發(fā)光中心的濃度遠遠高于雜質(zhì)的濃度。

光子通過半導體，一部分被吸收，一部分在到達界面后因遇到高折射率材料而產(chǎn)生全反射，再被晶體吸收，造成發(fā)射效率降低。將單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)nex與注入到器件的電子-空穴對數(shù)nin之比定義為器件的外部量子效率ηex，即(2-7)

對于GaAs這類直接帶隙的半導體，其內(nèi)部量子效率ηin可接近100％。

提高外部量子效率的措施有三條：①用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（n2=1.55）涂敷在發(fā)光二極管上；②把晶體表面加工成半球形；③用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。

表2-7幾種典型發(fā)光二極管的發(fā)光效率與發(fā)光波長名稱峰值波長(μm）外部量子效率%可見光發(fā)光效率(lm/W)禁帶寬度Eg(eV)數(shù)變值平均值GaAs0.6P0.4

紅光Ga0.65Al0.35As紅光GaP:EnO紅光GaP:N綠光GaP:NN黃光GaP純綠光GaAs0.35P0.65:N紅光GaAs0.15P0.85:N黃光GaAs紅外In0.32Ga0.68P[Te,Zn]0.650.660.790.5680.590.5550.6380.5890.90.50.5120.70.10.660.50.20.20.20.212.30.05～0.15_0.020.20.050.10.380.272.44.20.450.40.950.901.91.91.772.192.12.051.962.11.35（3）時間響應與溫度特性

發(fā)光二極管的時間響應較快，短于1μs，比人眼的時間響應要快得多，但是，用作光信號傳遞時，響應時間又顯得太長。發(fā)光二極管的響應時間取決于注入載流子非發(fā)光復合的壽命和發(fā)光能級上躍遷的幾率。

發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。圖2-18表示GaP（綠色）、GaP（紅色）、GaAsP三種發(fā)光二極管的相對光強度與溫度的關(guān)系曲線。（4）最大工作電流

如圖2-19所示為典型發(fā)紅光的GaP發(fā)光二極管內(nèi)部量子效率ηin的相對值與電流密度J的關(guān)系曲線。

LED的最大工作電流密度應低于最大發(fā)射效率處的電流密度值。LED的最大容許功耗為Pmax，則最大容許的工作電流為（2-8）

式中，rd是發(fā)光二極管的動態(tài)內(nèi)阻；If、Uf為發(fā)光二極管在較小工作電流時的電流和正向壓降。

2.6激光光源

激光是一種新型的光源，與鎢絲燈、氙燈等其他光源相比，具有方向性強、單色性好、相干性好和光亮度高等獨特的優(yōu)點，因而在國防、科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療儀器等方面得到廣泛的應用。

2.6.1激光的產(chǎn)生機理

光的吸收與發(fā)射和原子、分子等粒子的能量狀態(tài)改變相關(guān)連，當粒子從高能級躍遷到低能級時發(fā)出輻射光子。

激光的產(chǎn)生機理一般涉及到受激輻射，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與諧振三個關(guān)鍵問題。

在常溫下大部分電子處于基態(tài)。當原子在E1與E2兩個能級之間產(chǎn)生躍遷時將產(chǎn)生自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收的三個基本過程。1.自發(fā)輻射與受激輻射如圖2-20所示的系統(tǒng)中設(shè)E1為基態(tài)能級，E2為激發(fā)態(tài)能級。

要產(chǎn)生激光，必須使總發(fā)射大于總吸收。因此，產(chǎn)生激光的必要條件之一是受激輻射占主導地位。

2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（分布反轉(zhuǎn)）

從外部給工作物質(zhì)提供能量使載流子的正常分布倒轉(zhuǎn)過來，稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)或稱粒子分布的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)是使受激輻射從次要地位轉(zhuǎn)化為主導地位的必要條件。3.諧振腔

在激光物質(zhì)的兩側(cè)放置相互平行的反光鏡形成光的“共振”現(xiàn)象，通常將能使光產(chǎn)生“共振”的裝置稱為“共振腔”或“諧振腔”。

獲得激光輸出的3個必要條件為：①必須將處于低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去，為此需要泵浦源；②要有大量的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以克服損耗；③有一個諧振腔為出射光子提供正反饋及高的增益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。2.6.3半導體激光器（LD）

半導體激光器是體積最小的激光器件。它具有效率高，工作電壓低，功率損耗小，驅(qū)動與調(diào)整都很方便等特點，非常適合于野外短距離的激光通信，激光測距，激光遙控、遙測、引爆等等。

半導體激光器有電子束激勵的和注入式的兩種。后者應用最為普遍，因此，著重介紹注入式的半導體激光器。

1.砷化鎵半導體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖2-23所示為pn結(jié)型GaAs半導體激光器的結(jié)構(gòu)原理圖，由p-GaAs、n-GaAs和散熱片等部分組成。2.異質(zhì)結(jié)pn結(jié)半導體激光器如圖2-24（a）所示，構(gòu)成單異質(zhì)pn結(jié)型的半導體激光器。

如圖2-24（b）所示結(jié)構(gòu)為砷化鎵雙異質(zhì)結(jié)型半導體激光器。2.7光電傳感器應用系統(tǒng)中光源與照度的匹配

2.7.1光源的選擇

圖像傳感器的應用系統(tǒng)大致可分為圖像傳感、圖像分析和圖像檢測三種類型。不同的應用類型對照明光源的要求也不相同，應該根據(jù)具體的需要選用不同的照明光源。

(1)攝像（圖像傳感）應用系統(tǒng)

攝像是為了真實地記錄景物的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和顏色。根據(jù)色度學的基本常識，景物的顏色與照明光源的光譜功率分布有關(guān)。

直接選用太陽光照明或選用接近太陽光譜的閃燈為照明光源。（3）圖像檢測系統(tǒng)

圖像檢測系統(tǒng)一般有兩種：一種是通過測量被檢測物體的像來測量被檢測物體的某些特征參數(shù)；另一種是通過測量被檢物體的空間頻譜分布確定被檢物體的某些特征參數(shù)。

前者，只要選用白熾燈或鹵鎢燈作為照明光源就可以了；后者，應選用激光照明，因為它能滿足單色性好、相干性好、光束準直精度高等特點。

（2）圖像分析系統(tǒng)

圖像分析系統(tǒng)所用光源必須根據(jù)提取圖像信息的有利因數(shù)采取必要的照明方式，問題的難度和復雜度都很高，其基本思路是從顏色、照明角度、照明方式上想辦法突出被檢測圖像的信息。2.7.2照度匹配

半導體集成圖像傳感器大部分為光積分型的器件（如電荷耦合攝像器件），它的輸出電流不但與光敏面上的照度有關(guān)，也和兩次取樣的間隔時間，即積分時間有關(guān)。若以Io代表它的輸出電流信號，Ev代表光敏面上的照度，t代表兩次取樣的間隔時間，則在正常工作范圍內(nèi)有（2-11）

式中，k為比例常數(shù)；Qv=Evt，稱為曝光量，單位為lx·s。

因為Qv＝Evt，所以可通過適當選擇CCD器件光敏面上照度Ev和兩次采樣間隔時間t來達到Qv＜Qsat。但是，

t一般由驅(qū)動器的轉(zhuǎn)移脈沖周期TSH確定，當采用石英晶體振蕩器為主時鐘設(shè)計驅(qū)動器時，TSH可認為是常數(shù)。

調(diào)節(jié)曝光量通常是通過調(diào)節(jié)CCD光敏面上的光照度來實現(xiàn)的。要求光敏面上任何點的照度應滿足

(2-12)

光敏面的照度也不能太低。如果某些點的照度低于CCD器件的靈敏閾，這些較暗部便無法測出，從而降低畫面亮度的層次或產(chǎn)生測量誤差。最好是把光敏面上的最大照度Emax調(diào)節(jié)為略低于，以充分利用器件的動態(tài)范圍。

發(fā)光特性接近于余弦輻射體的物體經(jīng)光學系統(tǒng)成像，其軸上像點的照度和軸外像點照度可分別用下列兩式表示（2-13）

（2-14）

式中，n'和n分別為光學系統(tǒng)的像方和物方介質(zhì)的折射率；k為光學系統(tǒng)的透過率；L為物體的亮度；U'為像方孔徑角；ω為所考慮點對應的視場角。

對于觀察或測量自然景物，由于景物的亮度不易改變，一般選取U'角取得合適的像面照度。對于觀察無限遠景物，應使用望遠鏡，這時，軸上像點的照度為（2-15）

這種情況下像面照度與相對孔徑D/f的平方成正比，主要靠選擇望遠鏡的相對孔徑來達到像面照度與CCD光敏特性相匹配。用人工照明的觀測目標，可用合理選擇照明光源的功率及照明系統(tǒng)的參數(shù)來調(diào)節(jié)被觀測對像的亮度值L，進行匹配以便合適的觀測光學系統(tǒng)對像面照度的要求。

有些測量系統(tǒng)像面或譜面照度分布不均勻，最大和最小照度之差遠超過CCD器件的響應范圍，這時，單靠調(diào)節(jié)照明和光學系統(tǒng)的參數(shù)不能達到目的。例如。調(diào)節(jié)光源或光學系統(tǒng)孔徑角使像面照度最大值，則暗區(qū)照度過低無法檢測，如調(diào)節(jié)使暗區(qū)照度達可測值，則。

濾光補償法也是常用的一種獲得高清晰信息的方法，在CCD器件光敏面前放置一塊透過率按一定規(guī)律分布的濾光鏡，使高照度區(qū)的照度降下來，達到，而低照度區(qū)的照度不受影響或少受影響。(2-16)

為使整個像面或譜面測量值均在可測范圍之內(nèi)，各點的實際照度E（x，y）可由實測照度E（x，y）和濾光鏡相應點的透過率τ（x，y）求得

實際上，濾光鏡的透過率不要求制作得很準確，準確值可在系統(tǒng)組裝后通過實驗標定。

思考題與習題21、試計算白天自然光源在地球表面形成的光照度的最大變化量。2、試描述夜間有哪些自然光源對地球表面的照度做出貢獻，影響程度如何？3、降壓使用鎢絲燈時，它的使用壽命將如何變化？它發(fā)出的峰值光譜波長如何變化？發(fā)光效率又如何變化？4、試設(shè)計發(fā)光電流If=20mA的穩(wěn)定發(fā)光電路（設(shè)發(fā)光二極管的發(fā)光電壓Uf為1.5V，電源電壓為5V），若要求LED發(fā)光二極管發(fā)出的光穩(wěn)定，應采取怎樣的措施？5、LED光源與LD光源的本質(zhì)區(qū)別是什么？哪個光源相干性好？LED發(fā)光二極管的發(fā)光光譜與半導體禁帶寬度有什么關(guān)系？為什么發(fā)藍光的LED正向電壓要大于發(fā)紅光的LED正向電壓？6、已知某線陣CCD的飽和曝光量為0.06lx.s，線陣CCD的積分時間為0.01s，試計算線陣CCD光敏面上的最高允許照度為多少？7、為什么用LED光源為線陣CCD圖像傳感器測量電路的照明光源時要采用頻率為線陣CCD行頻成整數(shù)倍的脈沖驅(qū)動？第3章光電導器件

某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導效應。利用具有光電導效應的材料（如硅、鍺等本征半導體與雜質(zhì)半導體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導隨入射光度量變化器件，稱為光電導器件或光敏電阻。光敏電阻具有體積小，堅固耐用，價格低廉，光譜響應范圍寬等優(yōu)點。廣泛應用于微弱輻射信號的探測領(lǐng)域。

3.1光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)

3.1.1光敏電阻的基本原理

圖3-1所示為光敏電阻的原理圖與光敏電阻的符號，在均勻的具有光電導效應的半導體材料的兩端加上電極便構(gòu)成光敏電阻。

當光敏電阻的兩端加上適當?shù)钠秒妷篣bb（如圖3-1所示的電路）后，便有電流Ip流過，用檢流計可以檢測到該電流。

3.1.2

光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)

在第1章1.5.1節(jié)討論光電導效應時我們發(fā)現(xiàn)，光敏電阻在微弱輻射作用的情況下光電導靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比，參見（1-85）式；在強輻射作用的情況下光電導靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的二分之三次方成反比，參見（1-88）式；都與兩電極間距離l有關(guān)。