(1.1)--2光电检测技术.ppt

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1、第第二二章章光电光电检测检测器件工作原理及特性器件工作原理及特性光电检测技术光电检测技术制作团队制作团队光源光源传输传输转运转运探测探测成像成像显示显示光光电电检检测测系系统统2.1 2.1 光的基本性质光的基本性质2.2 2.2 辐射与光度学量辐射与光度学量2.3 2.3 半导体基础知识半导体基础知识2.4 2.4 光电效应光电效应主要内容主要内容2.1 2.1 光的基本性质光的基本性质1、光的粒子性牛顿根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波2、光的波动性3、光量子说190

2、0年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性2.2 2.2 辐射与光度学量辐射与光度学量1 1、辐射度单位体系：、辐射度单位体系：辐射度学是对光学辐射进行定量评价辐射度学是对光学辐射进行定量评价的一门实验科学。的一门实验科学。是通过电磁光谱来处理辐射能的测量是通过电磁光谱来处理辐射能的测量 光辐射光辐射的计量的计量方法方法,对对光能进行定量研究光能进行定量研究评价光电探测系统的性能，与辐射量和光度量有密切关系。评价光电探测系统的性能，与辐射量和光度量有密切关系。2 2、光度学单位体系：、光度学单位

3、体系：光度学是研究光度测量的科学。在光度光度学是研究光度测量的科学。在光度学中根据人眼的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生学中根据人眼的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。的视觉效应。适合于可见光区，包含人眼特性，参数角标为适合于可见光区，包含人眼特性，参数角标为“”1、辐射的基本物理量辐射能Qe：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的 能量。单位：焦耳【J】辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦【】辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：【W/Sr】2、辐射度的基本物理量辐射照度

4、Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2 辐射出射度e：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2辐射亮度e：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：W/m2Sr光谱辐射通量e（）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量3、基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q焦耳J辐射能密度 w焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射功率 瓦特W辐射强度瓦特球面度Wsr-1辐射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度瓦特平方米Wm-2辐射亮度辐射亮度LeLeSddSd 辐射亮度示意图单位：W/m2.Sr辐射源表面的方向与亮

5、度有关，当辐射强辐射源表面的方向与亮度有关，当辐射强度方向度方向dIdIe e与面元与面元dsds的法线方向相同时，的法线方向相同时，dIdIe e最大，相应亮度最大最大，相应亮度最大定义：面辐射源面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。可以表示面辐射源沿不同方向的辐射能力差异。显然：一般辐射体的辐射亮度显然：一般辐射体的辐射亮度与空间方向有关与空间方向有关。特殊辐射体：特殊辐射体：辐射体的辐射强度辐射体的辐射强度IeIe在空间上的分布满足在空间上的分布满足为面源ds法线方向的辐射强度、辐射亮度黑体为典型的余弦辐射体，其辐射亮度与方向角（，）无关，各个方向上都是均匀的。可以求出辐射亮度为Le0的余

6、弦辐射体上某一面元ds向周围半空间的辐射通量为半球面积分定义：单色辐射度量是该辐射度量在波长处的单位波长间隔内的大小，是辐射度量随波长的变化率。单色辐射度量单色辐射度量 辐射源所辐射的能量往往由很多波长的单色辐射组成。为研究光源对各种波长的辐射贡献，特别提出单色辐射度量。辐射通量e单色e()辐射出射度Me单色Me()辐射强度Ie单色Ie()辐射亮度Le单色Le()辐射照度Ee单色Ee()例：一个处于均匀介质中的各向同性的点辐射源的总辐射通量为e，则各个方向的Ie为多少？由得所以Me与与Ee区别：定义出发点不同。区别：定义出发点不同。辐射出射度辐射出射度M Me e ：辐射体在单位面积内向半球面

7、空间所辐射的通量或功率称为辐射出射度（也称辐射本领）。用来量量度物体辐射能力度物体辐射能力的物理量。单位：W/m2辐射照度辐射照度E Ee e：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2由知（W/m2）例：一个辐射强度为Ie=1W/Sr的点光源，它的总辐射通量为多少？若用一半径为R的球面将其包围，则球面上的辐射照度为多少？4、光度量的基本单位发光强度I：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）【cd】，它是国际单位制中七个基本单位之一。光通量：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明【lm】。光照度E：单位面积所接受

8、的入射光的量，单位：勒克斯【lx】，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。5、光度量的物理量光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下标为，Q，I，L，M，E。光度量只在可见光区（nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx

9、在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx2.3 2.3 半导体基础半导体基础1.导体、半导体和绝缘体2.半导体的特性3.半导体的能带结构4.本征半导体与杂质半导体5.平衡和非平衡载流子6.载流子的输运过程7.半导体的光吸收8.PN结1、导体、半导体和绝缘体自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。的半导体。电阻率电阻率1010-6-6 1010-3-3欧姆欧姆 厘米范围内厘米范围内导体导体电阻率电阻率1

10、0101212欧姆欧姆 厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体2、半导体的特性半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。感。根据这一特性，热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净净SiSi在室温下电导率为在室温下电导率为5*105*10-6-6/(/(欧姆欧姆 厘米厘米)。掺入硅原子。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为数百万分之一的杂质时，电导率为2/(2/(欧姆欧姆 厘

11、米厘米)半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。3、半导体的能带结构4、本征和杂质半导体本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。5、平衡和非平衡载流子处于热平衡状态的半导体，在

12、一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非

13、平衡载流子，导致半导体电导率增加。其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。非平衡载流子的产生6、载流子的输运过程扩散漂移复合7、半导体对光的吸收物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发8、PN结将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元2.4 2.4 光电效应光电效应光照射到

14、物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应1、光电效应定义外光电效应：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象1、光电效应分类光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体接触上时，会在 PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流END