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)間的積分稱為輻（射）能，而光通量對(duì)時(shí)間的積分稱為光能。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)CCD2

輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對(duì)光輻射進(jìn)行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見(jiàn)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(biāo)定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)。因此,掌握了它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對(duì)用不同度量參數(shù)標(biāo)定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進(jìn)行比較。輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)0.555μm處的光譜輻射亮度Le,λm小于其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度Le,λ。把波長(zhǎng)=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λm被其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的明視覺(jué)光譜光視效率V（λ），即

人眼的視覺(jué)靈敏度555nm→1550nm→0.995580nm→0.870640nm→0.175

人眼的光譜光視效率V（λ)圖譜輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系：式中，Cm為人眼的明視覺(jué)最靈敏波長(zhǎng)的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。V（λ)為人眼的光譜光視效率。對(duì)于給定色溫的光源，K為一定值，稱為光源的視覺(jué)效能。例:已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)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（21）可以計(jì)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)黑體發(fā)射的總輻射出射度

（24）式中，σ是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q定

黑體發(fā)射的總輻射出射度Me,s與T的四次方成正比。斯忒藩-波爾茲曼定律峰值光譜輻射出射度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm與絕對(duì)溫度T的關(guān)系為(μm)

可見(jiàn)，峰值光譜輻出度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值光譜輻射出射度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向位移，這就是維恩位移定律。

維恩位移定律1).光譜響應(yīng)率2.光電探測(cè)器的響應(yīng)特性光譜靈敏度符號(hào)為Rλ指的是光電器件對(duì)單色輻射通量的反應(yīng)。即在單色(波長(zhǎng)為λ的一個(gè)很小的范圍內(nèi))輻射功率在dP作用下產(chǎn)生的信號(hào)電壓(電流)光譜響應(yīng)率隨波長(zhǎng)分布的曲線稱為光譜響應(yīng)曲線。2).響應(yīng)率(積分響應(yīng)率)指的是光電器件對(duì)連續(xù)輻射通量的反應(yīng)。即，器件輸出信號(hào)與輸入功率之比。響應(yīng)率反映了器件的靈敏程度，又稱為靈敏度或積分靈敏度。響應(yīng)率是光輻射度量學(xué)的響應(yīng)率光度響應(yīng)率光度響應(yīng)率與輻射響應(yīng)率之間的關(guān)系為：

其中，K為視覺(jué)效能

3).光釀譜響應(yīng)率漁與響應(yīng)率歷的關(guān)系定義：桿光源功行率譜密摩度：?jiǎn)巫涛徊ㄩL(zhǎng)爐范圍內(nèi)傻的輻射除功率定義：鵲歸一化靜光源功哲率譜密菊度：?jiǎn)武徫徊ㄩL(zhǎng)因范圍內(nèi)銹的輻射煙功率響應(yīng)率裹：光度響應(yīng)蹤蝶率：α稱為聾器件同潤(rùn)光源的哄光譜匹史配系數(shù)著，它反斃映了器殲件響應(yīng)組波長(zhǎng)范奪圍同光蒼源光譜瞇的吻合議程度。垃可以用板光譜響?yīng)q應(yīng)曲線擔(dān)所圍面遠(yuǎn)積形象推的表示菠為：光源固定千，面積A覆1不變，軌吻合程度原越大，面枕積A2越培大。見(jiàn)圖檔1-41).技最小探馬測(cè)功率到(噪聲儲(chǔ)等效功中率N詠EP)女：當(dāng)探測(cè)器呀輸出信號(hào)純電流Is唱（或電壓到Vs）等只于噪聲的減均方根電慈流（或電瞧壓）時(shí)，跪所對(duì)應(yīng)的療入射輻通溜量Φe稱為等效噪聲及功率NEP，即信噪比訪等于1時(shí)稻所需要的掀最小輸入木光信號(hào)的伐功率，稱下為最小探深測(cè)功率3光電軍子器件的魔探測(cè)率用NE幼P描述雜探測(cè)器借探測(cè)能江力的一丘個(gè)不方頑便之處炒是數(shù)值靜越小，同表示探康測(cè)器的矛探測(cè)能汁力卻越雁強(qiáng)，相春對(duì)缺乏棚直觀性秒。為此閱一般引居入NE嶺P的倒至數(shù)——探測(cè)率D來(lái)表示眼探測(cè)器杰的探測(cè)成能力由于探測(cè)耐率與探測(cè)灘器面積以堅(jiān)及測(cè)量系攏統(tǒng)的帶寬繞有關(guān)，對(duì)話于比較不拐同類型、疑不同工作膝狀態(tài)探測(cè)拌器的探測(cè)寶性能存在剪不便，為診此，更常倒用的是采規(guī)用比探測(cè)穩(wěn)率D*即用單獎(jiǎng)位測(cè)量檢系統(tǒng)帶叔寬和單拍位探測(cè)吉器面積紡的噪聲犬電流來(lái)宋衡量探較測(cè)器的慨探測(cè)能如力。4.光吸框收1).黃光吸收耐模型：交光強(qiáng)的邪減少量剖與入射征光強(qiáng)和閉厚度成賴正比樣品吸收誤的光強(qiáng)度漲:當(dāng)d=1燭／α?xí)r，毯約有64蛛％的光被營(yíng)吸收，d當(dāng)稱為吸收慣厚度。本征吸收城:(半導(dǎo)緣瑞體光電器奔件最主要榜的光吸收早)在不考讓?xiě)]熱激市發(fā)和雜連質(zhì)的作淹用時(shí)，銅半導(dǎo)體專中的電士子基本詠上處于禁價(jià)帶中簡(jiǎn)，導(dǎo)帶搶中的電脾子很少冬。當(dāng)光述入射到罵半導(dǎo)體撫表面時(shí)蝴，原子查外層價(jià)欺電子吸露收足夠騾的光子巡壽能量，符越過(guò)禁鼠帶，進(jìn)割入導(dǎo)帶專，成為扯可以自棒由運(yùn)動(dòng)笑的自由潔電子。同時(shí)，惱在價(jià)帶饅中留下賤一個(gè)自由空穴炎，產(chǎn)生電初子-空穴對(duì)。如圖1-9所示，半縱導(dǎo)體價(jià)帶電壩子吸收禍光子能梅量躍遷入導(dǎo)底帶，產(chǎn)顆生電子任空穴對(duì)的現(xiàn)脹象稱為本征吸繞收。2)半導(dǎo)到體對(duì)光的登吸收顯然，湊發(fā)生本快征吸收和的條件困是光子胡能量必臂須大于蔑半導(dǎo)體塞的禁帶叢寬度Eg，才能柿使價(jià)帶EV上的電子夠吸收足夠轉(zhuǎn)的能量躍傾入到導(dǎo)帶油底能級(jí)EC之上，即由此，可熊以得到發(fā)粥生本征吸罵收的光波長(zhǎng)波限（32穗）（33）只有波長(zhǎng)作短于的入軍射輻射才倚能使器件芳產(chǎn)生本征亭吸收，改涌變本征半鼻導(dǎo)體的導(dǎo)逝電特性。雜質(zhì)吸收吃:N型半導(dǎo)知體中未跡電離的排雜質(zhì)原化子（施校主原子涂）吸收涂光子能竭量hv。若hv大于等于甜施主電離碗能ΔED，雜質(zhì)原賣(mài)子的外層因電子將從躍雜質(zhì)能級(jí)殿（施主能側(cè)級(jí)）躍入縫導(dǎo)帶，成端為自由電怖子。同樣，P型半導(dǎo)體廚中，價(jià)帶疏上的電子晝吸收了能事量hv大于ΔEA（受主電掃離能）的技光子后，咱價(jià)電子躍迅入受主能黎級(jí)，價(jià)帶攀上留下空無(wú)穴。相當(dāng)貴于受主能伴級(jí)上的空蟲(chóng)穴吸收光亮子能量躍特入價(jià)帶。這兩種拖雜質(zhì)半桃導(dǎo)體吸毯收足夠刑能量的代光子，葉產(chǎn)生電客離的過(guò)污程稱為雜質(zhì)吸收。顯然，方雜質(zhì)吸閘收的長(zhǎng)乘波限由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，昂雜質(zhì)吸收蒙的長(zhǎng)波長(zhǎng)錯(cuò)總要長(zhǎng)于穗本征吸收蔽的長(zhǎng)波長(zhǎng)拌。雜質(zhì)吸驅(qū)收會(huì)改變歸半導(dǎo)體的比導(dǎo)電特性瞎，也會(huì)引啦起光電效巾應(yīng)。激子吸論收當(dāng)入射躲到本征夾半導(dǎo)體堆上的光篇子能量hv小于Eg，或入射篩到雜質(zhì)半艷導(dǎo)體上的怎光子能量hv小于雜質(zhì)繞電離能（友ΔED或ΔEA）時(shí)，電零子不產(chǎn)生治能帶間的捎躍遷成為隊(duì)自由載流擺子，仍受驗(yàn)原來(lái)束縛閃電荷的約櫻束而處于穿受激狀態(tài)黃。這種處沸于受激狀例態(tài)的電子晃稱為激子。吸收梢光子能顧量產(chǎn)生匙激子的?，F(xiàn)象稱少為激子吸收。顯然拾，激子吵吸收不聞會(huì)改變湖半導(dǎo)體壺的導(dǎo)電貢特性。自由載流監(jiān)子吸收對(duì)于一般倆半導(dǎo)體材海料，當(dāng)入劑射光子的揮頻率不夠左高時(shí)，不雹足以引起或電子產(chǎn)生集能帶間的怨躍遷或形袍成激子時(shí)芒，仍然存建在著吸收嚷，而且其脂強(qiáng)度隨波粱長(zhǎng)增大而抗增強(qiáng)。這臘是由自由胖載流子在屠同一能帶階內(nèi)的能級(jí)蜘間的躍遷應(yīng)所引起的租，稱為自由載流蟻?zhàn)游?。自由橡載