光電技術基礎

第1章光電技術基礎

光具有波粒二象性，即光是以電磁波方式傳播的粒子（光子）；光子具有動量和能量，分別表示為：P：光子動量E：光子的能量h：普郎克常數(shù)ν：光的振動頻率λ：波長長波區(qū)射線區(qū)光學區(qū)電磁波譜380nm~780nm1.1光輻射的度量★另一類是生理的，叫作光度學量，是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度，即光度量是具有標準人眼視覺特性的人眼所接受到輻射量的度量；它適用于可見光譜區(qū)。在光學中，用來定量地描述輻射能強度的量有兩類:★一類是物理的，叫作輻射度學量，是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；它適用于整個電磁輻射譜區(qū)。1.1.1與光源有關的輻射度參數(shù)和光度參數(shù)1、輻射能和光能

輻射能Qe是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為焦耳

(J)。

光能QV是光通量在可見光范圍內對時間的積分，單位為流明秒

(lm·s)。2、輻射通量和光通量

輻射通量Φe：又稱輻射功率，是輻射能的時間變化率，是單位時間內發(fā)射、傳播或接收的輻射能。單位為瓦(1W=1J/s)。

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

(流明)。

輻射出射度Me：輻射體在單位面積內所輻射的通量，dΦe

是擴展源表面dS在各方向上(通常為半空間立體角)所發(fā)出的總的輻射通量，單位為瓦每平方米

(W/m2)。3、輻射出射度和光出射度

光出射度MV：對可見光，光源表面給定點處單位面積內所發(fā)出的光通量，稱為光源在該點的光出射度。單位為勒克斯(lx)

。4、輻射強度和發(fā)光強度

輻射強度

Ie：從一個點光源發(fā)出的，在單位時間內、給定方向上單位立體角內所輻射出的輻射能，單位為瓦每球面度

(W／sr)。

發(fā)光強度

IV：從一個點光源發(fā)出的，在單位時間內、給定方向上單位立體角內所輻射出的光能，單位為坎德拉(cd)。

各向同性的點光源向所有方向發(fā)射的總輻射通量為：一般點光源是各向異性的，其發(fā)光強度分布隨方向而異?？驳吕璠cd]：其定義是555nm波長（540×1012Hz）的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1／683Wsr-1時，在該方向上的發(fā)光強度為lcd。它是國際單位制中七個基本單位之一。國際單位制中7個基本單位有哪些？熱力學溫度（開爾文）物質的量（摩爾）發(fā)光強度（坎德拉）長度（米）質量（千克）時間（秒）電流（安培）小知識5、輻射亮度和亮度

輻射亮度

Le：由輻射表面定向發(fā)射的的輻射強度，除于該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積，θ為給定方向與面元法線間的夾角。單位為(瓦每球面度平方米)。

光亮度LV：光源表面一點處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。θ為給定方向與面元法線間的夾角。若輻射亮度Le，光亮度LV與光源發(fā)射輻射的方向無關，則這樣的的光源稱為余弦輻射體（或郎伯輻射體）。

黑體是理想的余弦輻射體；粗糙表面的輻射體或反射體及太陽等是近似余弦輻射體。什么是余弦輻射體（或郎伯輻射體）

余弦輻射體的出射度與亮度之間的關系為：6、輻射效率和發(fā)光效率

輻射效率ηe：光源所發(fā)射的總輻射通量與外界提供給光源的功率之比。無量綱。

發(fā)光效率ηV：光源所發(fā)射的總光通量與外界提供給光源的功率之比。單位為流明每瓦。1、輻射照度和照度

輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量，單位為(瓦每平方米)。dS是投射輻射通量的面積元。對于理想的散射面，有

Ee=Me

1.1.2與接收器有關的輻射度參數(shù)和光度參數(shù)

★輻射照度和輻射出射度的單位相同，其區(qū)別僅在于前者是描述輻射接收面所接收的輻射特性，而后者則為描述擴展輻射源向外發(fā)射的輻射特性。

照度EV：被照明物體給定點處單位面積上的入射光通量，稱為該點的光照度。單位為勒克斯（lx）

勒克斯(lx)，它相當于lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。

距離平方反比定律

☆用點光源照明時，被照面的照度E與光源的發(fā)光強度I成正比，而與被照面到光源的距離l的平方成反比。

證明?如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為θ，則：?對于受到光照后成為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比，其中ρ為漫反射率，它小于1，它與表面的性質無關。2、輻照量和曝光量

輻射照量He：將照射到物體表面某一面元的輻射照度Ee在時間t內的積分。單位為(焦耳每平方米)。

曝光量HV：將照射到物體表面某一面元的照度EV在時間t內的積分。單位為(勒克斯秒)。1、關于輻射度量，正確的是（）A、Ee是描述擴展輻射源向外發(fā)射的輻射特性；B、Ie為從一個點光源發(fā)出的，給定方向上單位立體角內所輻射出的輻射能

；C、對于理想的散射面，有Ee=Me

；D、

Φe是輻射能的時間變化率

小測試2、關于光度量，正確的是（）A、輻射通量的單位為勒克斯

B、發(fā)光強度的單位為坎德拉C、光通量的單位為流明D、光照度的單位為坎德拉

3、可見光的波長、頻率和光子的能量范圍（給出計算公式）各是多少?1、光源的光譜輻射分布參量1.2光譜輻射分布與量子流速率光源發(fā)射的輻射能在輻射光譜范圍內是按波長分布的。光源在單位波長范圍內發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度，簡稱光譜輻射量。同理，光譜光度量可表示為：

光源的相對光譜輻射量：絕對光譜輻射分布曲線任一波長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。

絕對光譜輻射分布曲線：光源的輻射度參量Xe,λ隨波長λ的分布曲線。

相對光譜輻射分布：相對光譜輻射量Xe，λr與波長λ的關系。光源在波長λ1～λ2范圍內發(fā)射的輻射通量為：光源在波長0～

∞范圍內發(fā)射的總輻射通量為：光源在波長λ1～λ2范圍內發(fā)射的輻射通量與總輻射通量之比稱為光源的比輻射：光源在給定波長λ處，將λ～λ＋dλ范圍內發(fā)射的輻射通量dΦe，除以該波長λ的光子能量hν，就得到光源在λ處每秒發(fā)射的光子數(shù)，稱為光譜量子流速率dNe,λ:2、量子流速率1.3、物體熱輻射物體通常以兩種形式發(fā)射輻射能：

⑴熱輻射：凡高于絕對零度的物體都具有發(fā)射輻射的能力，其光譜輻射量Xe,λ是波長λ和溫度T的函數(shù)。

熱輻射體：凡能發(fā)射連續(xù)光譜，且輻射是溫度函數(shù)的物體，如：一切動植物體、太陽、鎢絲白熾燈。

熱輻射（或溫度輻射）：物體靠加熱保持一定溫度使內能不變而持續(xù)輻射的輻射形式。鋼鐵加熱過程：在溫度較低（400℃以下）時，它輻射不可見的紅外光；加熱到500℃左右，開始發(fā)射出暗紅色的可見光；隨著加熱溫度的逐漸提高，波長較短的輻射逐步增多；大約在1500℃時發(fā)出白光，其中還有相當多的紫外光。觀察發(fā)現(xiàn)為什么？

⑵發(fā)光：靠外部能量激發(fā)的輻射。發(fā)光光譜是非連續(xù)光譜，且不是溫度的函數(shù)。發(fā)光光譜主要是線光譜或帶光譜。發(fā)光有電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學發(fā)光、熱發(fā)光、摩擦發(fā)光等等。

能夠完全吸收從任何角度入射的任意波長的外來輻射而無任何反射，并且在每一個方向上都能最大限度地發(fā)射任意波長輻射能的的物體。吸收系數(shù)為1

，發(fā)射系數(shù)為1。1.3.1黑體輻射定律1、黑體

黑體表面向半球空間發(fā)射波長為λ的光譜，其輻射出射度Me,s,λ是黑體溫度T和波長λ的函數(shù)。2、普朗克輻射定律

黑體表面向半球空間發(fā)射波長為λ的光譜，其輻射亮度Le,s,λ和輻射強度Ie,s,λ為：

黑體發(fā)射的總輻射出射度為3、斯忒藩－玻爾茲曼定律黑體輻射的總輻射出射度只和溫度有關，并與溫度的四次方成正比。

波長取多少時黑體發(fā)射的輻射出射度Me,s,λ最大？有多大？

溫度越高，波長λm越短，即當溫度升高時，峰值光譜輻射出射度所對應的波長向短波方向移動。4、維恩位移定律例題假設將人體作為黑體，正常人體溫為36.5℃。計算：⑴正常人發(fā)出的輻射出射度；⑵正常人體的峰值輻射波長及峰值光譜輻射出射度；⑶人體發(fā)燒到38℃時的峰值輻射波長及峰值光譜輻射出射度；輻射體按輻射本領可分為黑體和非黑體；非黑體包括灰體

和選擇性輻射體，也有混合輻射體；

對于各種波長的電磁波的吸收系數(shù)為常數(shù)且與波長無關的物體，其吸收系數(shù)介于0與1之間的物體。

凡不服從黑體輻射定律的輻射體。1.3.2、熱輻射體的分類及其溫度表示1、熱輻射體的分類⑴輻射溫度Te:當熱輻射體發(fā)射的總輻射通量與黑體的總輻射通量相等時，以黑體的溫度標度該熱輻射體的溫度。⑵色溫Tf：

當熱輻射體在可見光區(qū)域發(fā)射的光譜輻射分布與某黑體的可見光譜輻射分布相同時，以黑體的溫度來標度該熱輻射體的溫度。2、熱輻射體的溫度表示⑶亮溫度TV：

當熱輻射體在可見光區(qū)某一波長λ0的輻射亮度與黑體在同一波長λ0的輻射亮度相同時，以黑體的溫度來標度該熱輻射體的溫度。1.4、輻射度參數(shù)和光度參數(shù)的關系

明視覺：錐狀細胞只對亮度超過10-3cd/m2的光才敏感，其敏感的光譜范圍為可見光，在555納米處最為敏感，而且能分辨顏色。這種視覺功能稱為明視覺或錐體細胞視覺；

暗視覺：亮度低于10-3cd/m2的時，柱狀細胞起作用。其敏感的光譜范圍為0.33微米~0.73微米，在507納米處最為敏感，不能分辨顏色。這種視覺功能稱為暗視覺或夜間視覺；

人眼對各種波長的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對綠光最靈敏，對紅光靈敏度較差。

視見函數(shù)：國際照明委員會（CIE）根據(jù)對許多人的大量觀察結果，用平均值的方法，確定了人眼對各種波長的光的平均相對靈敏度，稱為“標準光度觀察者”的光譜光視效率V(λ),或稱視見函數(shù)。對于明視覺，刺激程度平衡條件為：其中：Km為555納米處的光度量對輻射度量的轉換常數(shù)。光度參量輻射度參量對于暗視覺，刺激程度平衡條件為：光度參量輻射度參量其中：為507納米處的光度量對輻射度量的轉換常數(shù)。1、已知某激光器的輸出功率為3mW，波長視見函數(shù)為0.24，試計算其發(fā)出的光通量。例題2、Ｈe-Ne激光功率Ｐ＝lmw，波長λ＝633nm，光束的截面積A=1mmxmm,光束的發(fā)散角Ω＝10-3sr，求激光的亮度L。一、能帶理論1.5半導體基礎1、原子中電子的能級★能級：在孤立原子中，原子核外的電子繞原子核運動，它們具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運動狀態(tài)稱為量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級。介于各能級之間的量子態(tài)是不存在的。2、晶體中電子的能帶★能帶：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個原子上，有可能轉移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運動到更遠的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應的能級擴展為能帶?！锝麕В壕w中允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。

★價帶：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電子能級相對應的能帶稱為價帶。

★導帶：價帶以上能量最低的允許帶稱為導帶。

允許帶（導帶）允許帶（價帶）允許帶（滿帶）禁帶禁帶★導帶的底能級表示為Ec（或E-），價帶的頂能級表示為Ev（或E+）

，Ec與Ev之間的能量間隔稱為禁帶Eg。導帶價帶禁帶二、半導體基礎知識?半導體兩端加電壓后:★如果價帶中填滿了電子而沒有空能級，在外電場的作用下，又沒有足夠的能量躍遷到導帶，那么價帶中的電子是不導電的。價帶導帶禁帶(滿帶)★如果價帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導帶中，則價帶中留空位，鄰近能級上的電子在電場作用下可以躍入這些空位，而在這些電子原來的能級上就出現(xiàn)空位。這樣有些電子在原來熱運動上迭加定向運動而形成電流。價帶導帶禁帶★由于導帶中存在大量的空能級，所以在外電場的作用下，導帶電子能夠得到足夠的能量躍遷到空的能級上，形成電流，所以導帶電子是可以導電的。價帶導帶禁帶?價電子的運動狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級上的條件是：能給電子提供足夠能量的外界作用、電子躍入的能級是空的。價帶導帶禁帶N型半導體P型半導體摻雜對半導體導電性能的影響：

半導體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級，價帶中的電子若先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導帶中去，要比電子直接從價帶躍遷到導帶容易得多。因此雖然只有少量雜質，卻會明顯地改變導帶中的電子和價帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導體的電導率。

在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。電子從不斷熱振動的晶體中獲得一定的能量，從價帶躍遷到導帶，形成自由電子，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時，電子也從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這就是載流子的復合。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)，此時的載流子成為熱平衡載流子，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。三、熱平衡載流子★根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費米統(tǒng)計分布規(guī)律?！镌谀硿囟认聼崞胶鈶B(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費米-狄拉克函數(shù)給出，即

熱平衡時半導體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關：一是在能帶中能態(tài)（或能級）的分布，二是這些能態(tài)中每一個能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。f(E)：費米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù)k：波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/KT：絕對溫度EF：費米能級(絕對零度時的電子的最高能級)費米-狄拉克函數(shù)曲線當E=EF時，f(E)=1/2當E<EF時，f(E)>1/2當E>EF時，f(E)<1/2★若(E－EF)>>kT時

隨著E的增加，f(E)迅速減小，所以導帶中的大部分電子的能量是在導帶底EC附近。同樣價帶中空穴的絕大部分都在價帶頂EV附近。

EF為表征電子占據(jù)某能級E的概率的“標尺”，它定性表示導帶中電子或價帶中空穴的多少。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。對于本征半導體

EF≈(EC+EV

)/2

一般，費米能級在禁帶中，(E－EF)比kT

大得多。所以半導體的導帶電子濃度n和價帶空穴濃度p分別為：N－為導帶的有效能級密度N＋為價帶的有效能級密度ni稱為半導體的本征載流子濃度對本征半導體而言n=p

對于一種確定的半導體，不管它是本征半導體還是雜質半導體，也不管摻雜的程度如何，在熱平衡狀態(tài)下，兩種載流子的濃度乘積必定等于一個常數(shù)——本征載流子濃度的平方。a)重摻雜P型

b)輕摻雜P型

c)本征型d)輕摻雜N型

e)重摻雜N型小測試半導體的費米能級圖如下圖所示，以下表述中正確的是（

）A、（1）是本征半導體（2）是N型半導體（3）是P型半導體B、（1）是本征半導體（2）是P型半導體（3）是N型半導體C、（1）是N型半導體（2）是P型半導體（3）是本征半導體D、（1）是P型半導體（2）是N型半導體（3）是本征半導體四、非平衡載流子

半導體在外界條件有變化（如受光照、外電場作用、溫度變化）時，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)。載流子濃度對于熱平衡狀態(tài)時濃度的增量稱為非平衡載流子。1、產(chǎn)生非平衡載流子的方法對于弱光注入

n=n0+Δn≈n0

p=p0+Δp≈Δp此時受影響最大的是少子濃度，可認為一切半導體光電器件對光的響應都是少子行為。例如：一N型硅片，室溫下，n0=5.5×1015cm-3，p0=3.5×104cm-3；弱光注入下，Δn=Δp=1010cm-3，此時非平衡載流子濃度

n=n0+Δn=5.5×1015+1010≈5.5×1015cm-3

p=p0+Δp=3.5×104+1010≈1010cm-3非平衡載流子壽命

τ（1）非平衡載流子從產(chǎn)生到復合之前的平均存在時間。（2）當非平衡載流子的濃度衰減到原來的1/e所需的時間。（3）它表征非平衡載流子的復合的快慢，τ小表示復合快，τ大表示復合慢。2、非平衡載流子的壽命3、載流子的運動

在電場作用下，任何載流子都要作漂移運動。一般情況下，少數(shù)載流子比多數(shù)載流子少得多，因此漂移電流主要是多數(shù)載流子的貢獻。在擴散情況下，只有光照所產(chǎn)生的少數(shù)載流子存在很大的濃度梯度，所以對擴散電流的貢獻主要是少數(shù)載流子。1.6半導體對光的吸收1、物體對光吸收的一般規(guī)律

當光在物質中傳播時，透過的能量衰減到原來能量的e-1時所通過的路程xα的倒數(shù)等于該物質的吸收系數(shù)。2、半導體對光的吸收

由于光子的作用使電子由價帶躍遷到導帶而引起的吸收稱為本征吸收。

物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，其余的光透過物體。半導體材料吸收光子能量轉換成電能是光電器件的工作基礎。⑴本征吸收

產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁帶寬度。即截止波長⑵雜質吸收

雜質能級上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質能級躍遷到導帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收稱為雜質吸收。雜質吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠紅外區(qū)。⑶自由載流子吸收

導帶內的電子或價帶內的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內由低能級遷移到高能級，這種吸收稱為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。⑷激子吸收

價帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價帶，但因能量不夠還不能躍遷到導帶成為自由電子。這時，電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電中性系統(tǒng)，稱為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側。⑸晶格吸收

半導體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝幽?，從而在遠紅外區(qū)形成一個連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。

在這幾種吸收中，只有本證吸收和雜質吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應。其它吸收把輻射能轉換成熱能，使器件溫度升高。1.7光電效應

當光照射到物體上使物體發(fā)射電子、或導電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光電效應。

本世紀最偉大的科學家之一愛因斯坦以他在1905年發(fā)表的相對論而聞名于世，而他在1925年獲得諾貝爾獎是由于他對發(fā)現(xiàn)光電效應的貢獻。外光電效應——物體受到光照后向真空中發(fā)射電子的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應。這種效應多發(fā)生在金屬和金屬氧化物。光電效應分類：內光電效應——物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質內部運動而不會溢出物體外部的現(xiàn)象。這種效應多發(fā)生在半導體內。內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應。1、光電導效應

光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象稱光電導效應。當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。1.7.1、內光電效應

光電導體的靈敏度：在一定光強下光電導的強弱。光電導體的靈敏度與材料性質有關的常數(shù)。（1）在微弱輻射作用下，光電導體的靈敏度與光電導材料兩個電極間距的平方成反比。而且半導體的光電效應與入射輻射通量是線性關系。為了提高光電導體的靈敏度，需要將光敏電阻的形狀制造成蛇形。光電導靈敏度Sg（2）在強輻射作用下，半導體的光電效應與入射輻射通量是非線性關系。當輻射很強時，變?yōu)閽佄锞€關系。指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。

當光照均勻半導體一部分時，由于光生載流子的濃度梯度不同而引起載流子的擴散運動，但電子和空穴的遷移率不同而導致兩種載流子分開，從而出現(xiàn)光生電勢，這種現(xiàn)象稱為丹倍效應。2、光生伏特效應⑴丹倍效應①熱平衡態(tài)下的P-N結在熱平衡條件下，結區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠離結區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關系與結形成前狀態(tài)相同。⑵勢壘效應

N型、P型半導體單獨存在時，EFN與EFP有一定差值。當N型與P型兩者緊密接觸時，電子要從費米能級高的一方向費米能級低的一方流動，空穴流動的方向相反。同時產(chǎn)生內建電場，內建電場方向為從N區(qū)指向P區(qū)。在內建電場作用下，EFN將連同