光电检测技术1

1、1 光电检测系统的典型配置如下图所示光电检测系统的典型配置如下图所示。信号处理装置光电探测器光 源信息载体 辐射度学辐射度学研究研究整个整个电磁辐射的传播和量度。辐射度学电磁辐射的传播和量度。辐射度学单位是纯粹物理量的单位；单位是纯粹物理量的单位；第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识1.1 1.1 辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念 它包括它包括辐射源、信息载体、光电探测器以及信息处理辐射源、信息载体、光电探测器以及信息处理装置装置。大多数情况下探测器前要加光学系统。大多数情况下探测器前要加光学系统。 光度学相对辐射度学而言采用的是另一套单位制，光度学

2、相对辐射度学而言采用的是另一套单位制，但是各物理量的定义及其物理意义和辐射度学是一致的。但是各物理量的定义及其物理意义和辐射度学是一致的。 为了便于区分，辐射度学和光度学各量分别加脚标为了便于区分，辐射度学和光度学各量分别加脚标“e”和和“v”。 光度学光度学所讨论的只是所讨论的只是可见光波可见光波的传播和量度，因此的传播和量度，因此光度学的单位必须考虑人眼的光度学的单位必须考虑人眼的响应响应，包含了生理因素包含了生理因素。 重点介绍常用的重点介绍常用的辐射源和光电探测器辐射源和光电探测器，着重讨论它，着重讨论它们的们的结构、工作原理和性能及用途结构、工作原理和性能及用途。21.1.1. 辐射

3、度学基本物理量辐射度学基本物理量 对辐射源来说，其对辐射源来说，其辐功率定义为辐功率定义为单位时间内向所有方单位时间内向所有方向发射的能量，对于电磁波的传播来说，辐功率的定义是向发射的能量，对于电磁波的传播来说，辐功率的定义是单位时间通过某一截面的辐射能。单位为单位时间通过某一截面的辐射能。单位为W(瓦瓦特特)。e1、辐功率、辐功率(辐通量辐通量)4eeIddIee2、辐强度、辐强度Ie 3、辐、辐射射亮度亮度(或称辐射度或称辐射度)Le 对于小面积的面辐射源，以辐亮度对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不来表示其表面不同位置在不同方向上的辐射特性。同位置在不同方向上的辐射特性。辐射

4、通量辐射通量 辐强度的单位为辐强度的单位为W/sr（瓦球面度）。对于均匀辐（瓦球面度）。对于均匀辐射的点光源，若辐通量为射的点光源，若辐通量为 , 则其辐强度为则其辐强度为e3式中式中 是面辐射源正对是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮的有效面积。辐亮度度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单位立体角的辐通量。位立体角的辐通量。单位为单位为W(m2sr)。cosdS 一小平面辐射源的面积为一小平面辐射源的面积为dS，与，与dS的法线夹角的法线夹角 的方向上有的方向上有一面元一面元dA。若。若dA所对应的立体角所对应的立体角 内的辐通量为内的辐通量为

5、，则面源在此，则面源在此方向上的辐亮度为方向上的辐亮度为 ded2coseedLdSddLdSdMeee4、辐出度、辐出度Me单位为单位为Wm2。如图所示如图所示:辐射出射度辐射出射度4 其余物理量其余物理量，如，如 、 等意义与等意义与 相仿。相仿。 eLeIeM 如果如果辐亮度辐亮度和和辐强度辐强度与辐射方向有关，可用带下标的与辐射方向有关，可用带下标的 和和 表示；如果仅仅考虑在波长表示；如果仅仅考虑在波长 附近的辐射情况，则附近的辐射情况，则可用可用 和和 表示。例如表示。例如 称为光谱辐强度，表示在波长称为光谱辐强度，表示在波长附近每单位波长间隔的辐强度。辐强度与光谱辐强度的关附近每

6、单位波长间隔的辐强度。辐强度与光谱辐强度的关系如下式系如下式 eLeIeIeLeIdIIeoedAdEee 表示每单位受照面接受的辐通量表示每单位受照面接受的辐通量:5、辐照度、辐照度Ee辐照度的单位辐照度的单位为为W/m2。5人眼是最常用的人眼是最常用的可见光可见光接受器。对不同波长的电磁接受器。对不同波长的电磁辐射有不同的灵敏度，不同人的眼睛，其灵敏度也有差异。辐射有不同的灵敏度，不同人的眼睛，其灵敏度也有差异。 人眼对于波长为人眼对于波长为555nm的的绿色光最敏感绿色光最敏感，取其视见函，取其视见函数值为数值为1。 为了从数量上描述人眼对各种波长辐射能的相对敏为了从数量上描述人眼对各种

7、波长辐射能的相对敏感度，引入感度，引入视见函数视见函数 。V 国际照明委员会从国际照明委员会从许多人的大量观察结果许多人的大量观察结果中取其平均值，得出视中取其平均值，得出视见函数见函数 - 的曲线如的曲线如下图所示，下图所示，V 在在380780nm的区域里，的区域里，各种波长对应的的视见函数各种波长对应的的视见函数值值见书上表见书上表1-1。从表列数值可见，波长为。从表列数值可见，波长为740nm的红光，的红光，其功率必需大到波长为其功率必需大到波长为555nm的绿光的的绿光的4103 倍，才能引起倍，才能引起相同强度的视觉感受。相同强度的视觉感受。其它波长其它波长, , 而在可见光谱以外

8、的波段而在可见光谱以外的波段 1V0V 1.1.2. 光度学基本物理量光度学基本物理量图中虚线是暗视觉视见函数图中虚线是暗视觉视见函数?实线是明视觉视见函数实线是明视觉视见函数?6 “坎德拉坎德拉是指光源在给定方向上的发光强度，该光源是指光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为发出频率为5401012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐的单色辐射，且在此方向上的辐强度为强度为(1/683)W/sr”式中式中 为辐通量，单位为为辐通量，单位为w；光通量；光通量 的单位为的单位为lm，称为流明；比例系数：称为流明；比例系数：C=683lm/W。ev 为了从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度，引入为

9、了从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度，引入一个新的物理量，称为光通量一个新的物理量，称为光通量 ，也称为光功率也称为光功率。v 从定义可见，辐通量为从定义可见，辐通量为1W，波长等于，波长等于555nm的绿光的的绿光的光通量光通量(即视觉感受即视觉感受)为为683 lm，即，即1lm的光通量相当辐通量的光通量相当辐通量为为 (对对555nm)。对其它波长，。对其它波长，1lm光通量所相当的瓦光通量所相当的瓦特数都大于特数都大于 。W68316831 发光强度的单位应是发光强度的单位应是lm/sr，(流明每球面度流明每球面度)，但是，但是国际单位制规定国际单位制规定发光强度发光强度为七个基本量

10、之一。为七个基本量之一。 ddIvv 其它光度学单位从发光强度单位其它光度学单位从发光强度单位cd导出。例如导出。例如1lm是发是发光强度为光强度为1cd的点光源在的点光源在1sr的立体角内的光通量。的立体角内的光通量。坎德拉坎德拉(cd)为基为基本单位本单位v1.光通量光通量evCV光通量的定义为光通量的定义为vI2.发光强度发光强度点光源的发光强度定义为点光源的发光强度定义为 在国际单位制中是以长度、质量、时间、电流、在国际单位制中是以长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度这热力学温度、物质的量、发光强度这7个量为基本量个量为基本量. 7 同学们注意一下：书上表同学们注意一

11、下：书上表1-2列出主要辐射度学量和列出主要辐射度学量和相应的光度学量及其单位。相应的光度学量及其单位。 ddSdLvvcos3.亮度亮度 单位为单位为cd/m2 (坎德拉每平方米坎德拉每平方米) 定义为面光源从单位面积上辐射的光通量定义为面光源从单位面积上辐射的光通量dLdSdMvvv4.光出射度光出射度 入射到单位面积上的光通量称为照度入射到单位面积上的光通量称为照度: dAdEvv5.照度照度单位为单位为lx。面光源的亮度定义为面光源的亮度定义为 单位为单位为lm/m2(流明每平方米流明每平方米)。也称为面也称为面发光度发光度 8IddI42rdAcosIdcos2rIdAdE1.1.3

12、.其他基本概念其他基本概念1. 点源点源d从强度为从强度为的点源辐射到立体角的点源辐射到立体角 的通量为的通量为点源沿各方向均匀辐射，则总通量为点源沿各方向均匀辐射，则总通量为 当点源照射一个小面元当点源照射一个小面元dA时，若面元时，若面元dA的法线与的法线与dA到点源连线到点源连线r的夹角为的夹角为 ，则照到，则照到dA上的通量为上的通量为根据照度的定义，得该面元上的照度为根据照度的定义，得该面元上的照度为这就是照度与距离这就是照度与距离r之间的平方反之间的平方反比定律。仅当光源极小或极远时，比定律。仅当光源极小或极远时，平方反比定律才能成立，这时才平方反比定律才能成立，这时才能把辐射源看

13、作点源能把辐射源看作点源。9ddrdrddrsinsin2所以此面源的总辐通量为所以此面源的总辐通量为 LdSddLds2o0sincos 根据辐出度的定义，可得根据辐出度的定义，可得朗伯源的朗伯源的辐出度辐出度与与辐亮度辐亮度的关系的关系 LdSM 一个面积为一个面积为dS的的朗伯源朗伯源，在立体角，在立体角 内辐射的通量为内辐射的通量为ddSdLdcos 假设此朗伯源为不透明物质，其辐射通量仅仅分布假设此朗伯源为不透明物质，其辐射通量仅仅分布在半球空间内在半球空间内 一个理想化的扩展源，为一个理想化的扩展源，为朗伯源朗伯源。特点特点:朗伯源的朗伯源的亮度不随方向而改变。亮度不随方向而改变。

14、2.扩展源扩展源10EdSdiisKdddSLdssKELs3.漫反射面漫反射面 用用MgO或或BaSO4粉末压制成的表面、无光白纸等，都粉末压制成的表面、无光白纸等，都可以把入射光向各方向均匀地散射出去。称为可以把入射光向各方向均匀地散射出去。称为漫反射表面漫反射表面或散射面或散射面。 假设投射到表面积假设投射到表面积dS的漫反射表面上的照度为的漫反射表面上的照度为E，则，则该面所接受的该面所接受的光通量光通量为为设设该表面的漫反射系数为该表面的漫反射系数为K，则该表面散射的光通量为，则该表面散射的光通量为 因为漫反射面把入射光沿所有方向散射出去，所因为漫反射面把入射光沿所有方向散射出去，所

15、以可当作朗伯反射面处理，于是有以可当作朗伯反射面处理，于是有式中式中Ls称为该表面的视亮度称为该表面的视亮度。从上面结果可得从上面结果可得:11 当漫射系数当漫射系数K 1时，在白光照射下，朗伯反射体看起来时，在白光照射下，朗伯反射体看起来仍是白色。乳白玻璃可以把入射光向空间各方向散射，而不仍是白色。乳白玻璃可以把入射光向空间各方向散射，而不是仅仅向半球空间散射，所以其视亮度为是仅仅向半球空间散射，所以其视亮度为: 2KELs4.定向辐射体定向辐射体 从成像光学仪器发出的光束，一般都集中在一定的从成像光学仪器发出的光束，一般都集中在一定的立体角内，其辐射有一定的方向性。为了与立体角内，其辐射有

16、一定的方向性。为了与余弦辐射体余弦辐射体相区别相区别，称它为定向辐射体。，称它为定向辐射体。最典型的定向辐射源是激光器。最典型的定向辐射源是激光器。朗伯反射体特点朗伯反射体特点:把入射光向各方向均匀地散射出去把入射光向各方向均匀地散射出去121.2 半导体基础知识半导体基础知识 固体中由于原子数量巨大且紧密排列，形成固体中由于原子数量巨大且紧密排列，形成“能带能带”。1.2.1.固体的能带结构固体的能带结构1.电子的共有化运动电子的共有化运动 在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。排列，每一壳层容纳一定数量的电子。

17、每个电子按能级分布每个电子按能级分布。 固体中大量原子紧密结合在一起，而且原子间距固体中大量原子紧密结合在一起，而且原子间距很小，原子的各个壳层之间有不同程度的交叠很小，原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。 最外面的电子壳层交叠最多，内层交叠较少，如最外面的电子壳层交叠最多，内层交叠较少，如下图所示。下图所示。13晶体中电子的这种运动称为电子的共有化晶体中电子的这种运动称为电子的共有化。右图为电子右图为电子共有化运动共有化运动示意图示意图 壳层的交叠壳层的交叠使外层的电子不再局限于某个原子，它使外层的电子不再局限于某个原子，它可能转移到相邻原子的相似壳层上去，可能转移到相邻原子的相似壳层上去，

18、例如例如电子可以从电子可以从某个原子的某个原子的2P壳层壳层转移到相邻原子的转移到相邻原子的2P壳层壳层，也可能从，也可能从相邻原子运动到更远的原子的相近壳层上去。相邻原子运动到更远的原子的相近壳层上去。这样电子有可能在整个晶体中运动。这样电子有可能在整个晶体中运动。 外层电子的共有化较为显著，而内壳层因交叠少共外层电子的共有化较为显著，而内壳层因交叠少共有化不十分显著有化不十分显著。电子的共有化运动只能在原子中相似。电子的共有化运动只能在原子中相似的壳层间进行，如的壳层间进行，如3S壳层上的电子只能在所有原子的壳层上的电子只能在所有原子的3S壳层上做共有化运动。壳层上做共有化运动。14 电子

19、的共有化电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微使本来处于同一能级的电子能量发生微小的差异。一个电子能级因受小的差异。一个电子能级因受N个原子核的作用而分裂成个原子核的作用而分裂成N个新的靠得很近的能级。这个新的靠得很近的能级。这N个新能级之间能量差异极小，个新能级之间能量差异极小，而而N值很大，于是这值很大，于是这N个能级几乎连成一片而个能级几乎连成一片而形成具有一定形成具有一定宽度的能带宽度的能带。 原子中每一电子能级在固体中都分裂成能带。原子中每一电子能级在固体中都分裂成能带。这些允这些允许被电子占据的能带称为允带许被电子占据的能带称为允带。允带之间的范围是不允许允带之间的范围是不

20、允许被电子占据的，这一范围称为禁带被电子占据的，这一范围称为禁带。被电子占满的允带称被电子占满的允带称为满带为满带。原子中最外层电子称为价电子，这一壳层分裂所原子中最外层电子称为价电子，这一壳层分裂所成的能带称为价带成的能带称为价带。比价带能量更高的允许带称为导带比价带能量更高的允许带称为导带；没有电子进入的能带称为空带没有电子进入的能带称为空带。3.能带的结构能带的结构能带能带是描述是描述晶体中电子晶体中电子能量状态的能量状态的重要方法重要方法2.能带的形成能带的形成15 半导体材料多为共价键半导体材料多为共价键。例如，锗。例如，锗(Ge)或硅或硅(Si)原子外层原子外层有有4个价电子，它们

21、与相邻原子组成共价键后形成原子外层个价电子，它们与相邻原子组成共价键后形成原子外层有有8个电子的稳定结构。个电子的稳定结构。4. N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体 电子从价带跃迁到导带后，导带中的电子称为自由电子从价带跃迁到导带后，导带中的电子称为自由电子电子。自由电子不附着于任何原子上，有可能在晶体中。自由电子不附着于任何原子上，有可能在晶体中游动，在外加电场作用下形成电流。游动，在外加电场作用下形成电流。 由于由于共价键共价键上电子所受束缚力较小，可能受到激发而上电子所受束缚力较小，可能受到激发而跃过禁带，占据价带上面的能带。这种现象称为跃过禁带，占据价带上面的能带。这种现象称为电

22、子的跃电子的跃迁迁。 价带中电子跃迁到导带后，价带中出现电子的空缺价带中电子跃迁到导带后，价带中出现电子的空缺称为自由空穴称为自由空穴。在外电场作用下，附近电子可以去填补。在外电场作用下，附近电子可以去填补空缺，犹如自由空穴发生定向移动，也能形成电流。空缺，犹如自由空穴发生定向移动，也能形成电流。 常温下半导体有导电性常温下半导体有导电性。与半导体导电性能有关与半导体导电性能有关的能带是导带和价带。的能带是导带和价带。16 不含杂质的半导体称为纯净半导体，下图所示为纯不含杂质的半导体称为纯净半导体，下图所示为纯净半导体的能带结构。净半导体的能带结构。EcEv导带导带价带价带禁带禁带 在纯净半导

23、体中，电子获取在纯净半导体中，电子获取热能热能后从价带跃迁到导后从价带跃迁到导带，导带中出现自由电子，价带中出现自由空穴，形成带，导带中出现自由电子，价带中出现自由空穴，形成电子电子空穴空穴对。对。导电的自由电子和自由空穴统称为载流导电的自由电子和自由空穴统称为载流子子。 没有杂质和缺陷的的半导体称为本征半导体，本征没有杂质和缺陷的的半导体称为本征半导体，本征半导体导电性能的好坏与材料的半导体导电性能的好坏与材料的禁带宽度禁带宽度有关。有关。 在半导体中掺入少量杂质就形成掺杂半导体在半导体中掺入少量杂质就形成掺杂半导体,也称为也称为非本征半导体非本征半导体。17 易释放电子的原子称为施主易释放

24、电子的原子称为施主。施主束缚电子的能量状态。施主束缚电子的能量状态称为称为施主能级施主能级Ed，位于禁带中比较靠近导带的位置，位于禁带中比较靠近导带的位置，如下图如下图所示所示。施主能级施主能级Ed和导带底和导带底Ec间的能量差为间的能量差为Ed，它称为施，它称为施主电离能。主电离能。这种由施主能级激发到导带中去的电子来导电的这种由施主能级激发到导带中去的电子来导电的半导体称为半导体称为N型半导体。型半导体。 容易获取电子的原子称为受主容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状。受主获取电子的能量状态用态用受主能级受主能级Ea表示。也处于禁带之中，位于价带顶表示。也处于禁带之中，位于价带

25、顶Ev附附近。近。Ea与与Ev 之能量差之能量差Ea，称为受主电离能，称为受主电离能。这种由受主。这种由受主控制材料导电性的半导体称为控制材料导电性的半导体称为P型半导体。在型半导体。在P型半导体中，型半导体中，自由空穴浓度高于自由电子浓度。自由空穴浓度高于自由电子浓度。 EcEvEdEcEvEaEdEa18 在一定温度下，若没有外界作用，半导体中的载流子在一定温度下，若没有外界作用，半导体中的载流子是由是由热激发产生的热激发产生的。电子如果从不断热振动的晶体中获得。电子如果从不断热振动的晶体中获得一定的能量，就能从价带跃迁到导带，形成自由电子，同一定的能量，就能从价带跃迁到导带，形成自由电子

26、，同时在价带中出现自由空穴。时在价带中出现自由空穴。 在热激发的同时在热激发的同时，也有电子从，也有电子从导带跃迁到价带并向导带跃迁到价带并向晶格放出能量晶格放出能量，这就是电子与空穴的复合。，这就是电子与空穴的复合。1.2.2.热平衡下的载流子浓度热平衡下的载流子浓度 半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关。改变载半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关。改变载流子浓度就可以改变半导体的电学性质。流子浓度就可以改变半导体的电学性质。所以所以热平衡状态时的载流子浓度是一稳定值热平衡状态时的载流子浓度是一稳定值。 当温度改变后，原来的平衡状态遭到破坏而建立起当温度改变后，原来的平衡状态遭到破坏而建

27、立起新的平衡状态，即达到另一个稳定值。新的平衡状态，即达到另一个稳定值。 在一定温度下激发和复合两种过程形成平衡，称为在一定温度下激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态热平衡状态，这时的载流子浓度即为某一稳定值。，这时的载流子浓度即为某一稳定值。载流子浓度就是指单位体积内的载流子浓度就是指单位体积内的载流子载流子数量的多少。数量的多少。19 受光照时，价带中的电子吸收光子跃迁到导带。于是受光照时，价带中的电子吸收光子跃迁到导带。于是导带电子浓度增加导带电子浓度增加n ,价带空穴浓度增加价带空穴浓度增加p 。这些。这些非平衡非平衡载流子称为光生载流子载流子称为光生载流子。本征半导体吸收光子能

28、量的过程。本征半导体吸收光子能量的过程称为本征吸收。本征吸收只决定于半导体本身的性质。称为本征吸收。本征吸收只决定于半导体本身的性质。要要产生本征吸收，光子能量必须产生本征吸收，光子能量必须大于大于材料的禁带宽度材料的禁带宽度ggEchEhv或 通过光激发方式而使半导体器件载流子浓度超过热平通过光激发方式而使半导体器件载流子浓度超过热平衡时的浓度。超出的这部分载流子称为衡时的浓度。超出的这部分载流子称为非平衡载流子或过非平衡载流子或过剩载流子剩载流子。半导体材料吸收光能产生非平衡载流子是光电半导体材料吸收光能产生非平衡载流子是光电检测器件的工作基础。检测器件的工作基础。1.2.3.半导体中的非

29、平衡载流子半导体中的非平衡载流子1 半导体材料的光吸收效应半导体材料的光吸收效应(1)本征吸收本征吸收 在一定温度条件下，无光照时本征半导体材料中的在一定温度条件下，无光照时本征半导体材料中的电子和空穴浓度分别为电子和空穴浓度分别为n0和和p0 ，是一确定值。，是一确定值。 因此，本征吸收在长波方向必然存在一个因此，本征吸收在长波方向必然存在一个界限界限0 ，称为长波限称为长波限。本征吸收的长波限为。本征吸收的长波限为(m)E1.24Ehcgg020EcEvEcEvEdEcEvEa(2)杂质吸收杂质吸收 掺杂半导体在光照时，中性施主的束缚电子可以吸收掺杂半导体在光照时，中性施主的束缚电子可以吸

30、收光子而跃迁到导带；中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子光子而跃迁到导带；中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带。而跃迁到价带。这种吸收称为杂质吸收。这种吸收称为杂质吸收。施主释放束缚电施主释放束缚电子到导带，受主释放束缚空穴到价带，它们所需能量即为子到导带，受主释放束缚空穴到价带，它们所需能量即为电离能电离能Ed,和和Ea。显然，杂质吸收的最低光子能量等。显然，杂质吸收的最低光子能量等于杂质的电离能于杂质的电离能Ed,(或或Ea)。即杂质吸收光的长波限即杂质吸收光的长波限E24.1 杂质的电离能杂质的电离能Ed(或或Ea)一般比禁带宽度一般比禁带宽度Eg小得多，小得多，所以杂质吸收的光谱可

31、以延伸到本征吸收的长波限入所以杂质吸收的光谱可以延伸到本征吸收的长波限入0 以外。以外。212.非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度 光照射半导体材料时，载流子浓度一直在增加；如果光照射半导体材料时，载流子浓度一直在增加；如果停止光照，光生载流子就不再产生，而载流子浓度因停止光照，光生载流子就不再产生，而载流子浓度因电子电子与空穴复合与空穴复合而逐渐减小，最后恢复到热平衡时的浓度值。而逐渐减小，最后恢复到热平衡时的浓度值。 直接复合直接复合是指半导体材料中的自由电子直接由导带是指半导体材料中的自由电子直接由导带回到价带与自由空穴复合，释放出多余的能量。回到价带与自由空穴复合，释放出多余的能量。 间

32、接复合间接复合是自由电子和自由空穴通过禁带中的是自由电子和自由空穴通过禁带中的复合复合中心中心进行复合。进行复合。 载流子复合过程一般有直接复合和间接复合两种载流子复合过程一般有直接复合和间接复合两种。 如果材料中含有极少的如果材料中含有极少的缺陷、错位或杂质缺陷、错位或杂质，它们中的，它们中的价键未被填满的原子起着施主或受主的作用，在禁带中形价键未被填满的原子起着施主或受主的作用，在禁带中形成能级；成能级； 杂质也能在禁带中形成能级起施主或受主的作用杂质也能在禁带中形成能级起施主或受主的作用，禁禁带中的这些能级就是复合中心带中的这些能级就是复合中心。自由电子可先与复合中心。自由电子可先与复合

33、中心复合而使复合中心带电，再由库仑力的作用而与空穴复合；复合而使复合中心带电，再由库仑力的作用而与空穴复合；自由空穴也可经类似过程进行复合。自由空穴也可经类似过程进行复合。间接复合往往在复合间接复合往往在复合过程中起主要作用。过程中起主要作用。 若光由照射到停止，光生载流子浓度会因复合而逐渐若光由照射到停止，光生载流子浓度会因复合而逐渐减小，最后逐渐回到平衡状态。复合有先有后，光生载流减小，最后逐渐回到平衡状态。复合有先有后，光生载流子停留在自由状态的时间是不等的，有的长些，有的短些。子停留在自由状态的时间是不等的，有的长些，有的短些。 光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命光生载流子的

34、平均生存时间称为光生载流子的寿命 。221.2.4.载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移1.扩散扩散 当材料的局部位置受到光照时，将产生局部位置的当材料的局部位置受到光照时，将产生局部位置的光生载流子。这时电子将从浓度高的区域向浓度低的区光生载流子。这时电子将从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种现象称为载流子扩散。域运动，这种现象称为载流子扩散。 扩散有一定方向，可以形成电流。在扩散过程中，流扩散有一定方向，可以形成电流。在扩散过程中，流过单位面积的电流称为扩散电流密度，它正比于光生载流过单位面积的电流称为扩散电流密度，它正比于光生载流子的浓度梯度，即子的浓度梯度，即dxdnqDJnnDdx

35、dpqDJppD 式中，式中，JnD、JpD分别为电子扩散电流密度和空穴扩散分别为电子扩散电流密度和空穴扩散电流密度。电流密度。Dn、Dp分别是电子和空穴的扩散系数；分别是电子和空穴的扩散系数； 和和 是指在是指在x方向上的电子和空穴的浓度梯度。方向上的电子和空穴的浓度梯度。dxdndxdp注意注意:由于载流子扩散取载流子浓度减少方向，所以空穴形成由于载流子扩散取载流子浓度减少方向，所以空穴形成的电流是负的。因电子的电荷是负值，扩散方向的负号与电的电流是负的。因电子的电荷是负值，扩散方向的负号与电荷的负号相乘，使电子形成的电流是正值。荷的负号相乘，使电子形成的电流是正值。232.漂移漂移 半导

36、体受外电场作用时，其中的电子向正极运动，半导体受外电场作用时，其中的电子向正极运动，空穴向负极运动，这种定向运动称为载流子漂移空穴向负极运动，这种定向运动称为载流子漂移。根据欧姆定律根据欧姆定律:xxEJ J的大小应与载流子浓度和载流子沿电场的漂移速度的大小应与载流子浓度和载流子沿电场的漂移速度成正比。对于成正比。对于N 型半导体有型半导体有xxqnvJ 式中式中 q 是电子的电荷；是电子的电荷； 为电子沿为电子沿x方向的速度。方向的速度。 与与电场强度成线性关系：电场强度成线性关系： xvxvxnxEv式中，式中， 为电子迁移率，单位是为电子迁移率，单位是cms-1Vcm-1。n联立式以上三

37、式解得联立式以上三式解得:nnq同样，对于同样，对于P 型材料也有型材料也有:ppq24dxdpqDEpqJJJdxdnqDEnqJJJpppEpDpnnnEnDn总电流密度为总电流密度为:pnJJJ 在电场作用下在电场作用下,漂移所产生的电子和空穴电流密漂移所产生的电子和空穴电流密度分别为度分别为:xppExnnEEpqJEnqJ 特别是当扩散和漂移共存时特别是当扩散和漂移共存时,总的电子和空穴电流密总的电子和空穴电流密度矢量分别为度矢量分别为:1.3基本定律基本定律1.黑体辐射定律黑体辐射定律 如果一物体，在任何温度下对任何波长的入射辐射如果一物体，在任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收

38、比都等于能的吸收比都等于1，那么这物体称为绝对黑体。，那么这物体称为绝对黑体。绝对黑体的吸收比绝对黑体的吸收比B (,T)=1，反射比，反射比B（,T）=025重要结论重要结论:物体的光谱发射率总等于其光谱吸收比。物体的光谱发射率总等于其光谱吸收比。 18601860年，基尔霍夫发现物体的年，基尔霍夫发现物体的辐射出射度辐射出射度与物体的吸与物体的吸收比之间有内在联系。收比之间有内在联系。2.2.基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫定律基尔霍夫定律:任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度时绝对黑体的单色辐出度。等于同一温度时绝对黑体的单色辐出度。

39、定义定义:物体的光谱发射率物体的光谱发射率 如果有一物体，对各种波长的吸收比虽小于如果有一物体，对各种波长的吸收比虽小于1但近似但近似地为一常数地为一常数 ，那这物体称为，那这物体称为灰体灰体，称为灰体的黑度。一称为灰体的黑度。一般金属材料大都可以近似地看成灰体；般金属材料大都可以近似地看成灰体；结论说明结论说明:强吸收体必然是强发射体强吸收体必然是强发射体。( , )( , )( , )eeBMTMTT ( , )( , )( , )( , )eeBMTTTMT 26 在短波区或温度不高的情况下，在短波区或温度不高的情况下， c2，则可，则可将此式简化成将此式简化成T3.普朗克辐射公式普朗克

40、辐射公式 德国物理学家普朗克根据光的量子理论，推导出黑体德国物理学家普朗克根据光的量子理论，推导出黑体光谱辐射出射度与波长、绝对温度之间关系的著名公式光谱辐射出射度与波长、绝对温度之间关系的著名公式:)mK(21043879. 1k/hc2c)2Wm(161074. 32hc21c式中式中c为光速为光速, k和和h分别为玻尔兹曼常数和普朗克常数。分别为玻尔兹曼常数和普朗克常数。215( ,)(1)eBcTcMTe251( ,)cTeBMTce 这是公认的物体间热力传导基本法则，虽然有物理这是公认的物体间热力传导基本法则，虽然有物理学家怀疑此律在两个物体极度接近时不能成立，学家怀疑此律在两个物体

41、极度接近时不能成立，而普朗而普朗克也对此定律在微距物体间是否仍成立，持保留态度克也对此定律在微距物体间是否仍成立，持保留态度。但始终无法证明和提出实证。但始终无法证明和提出实证。 此发现让人们对基本物理有了进一步的了解，同时此发现让人们对基本物理有了进一步的了解，同时对改良计算机数据储存用的硬盘的记录头以及发展储聚对改良计算机数据储存用的硬盘的记录头以及发展储聚能源的新设计应用上十分重要。能源的新设计应用上十分重要。 27 黑体光谱辐射出射度与波长和温度的关系黑体光谱辐射出射度与波长和温度的关系曲线曲线。 举一常见的例子举一常见的例子:如低温度的火炉所发出的辐射能如低温度的火炉所发出的辐射能较

42、多地分布在波长较长的较多地分布在波长较长的红光红光中，而高温度的自炽灯所中，而高温度的自炽灯所发出的辐射能较多地分布在波长较短的发出的辐射能较多地分布在波长较短的绿光绿光与与蓝光蓝光中中. 针对这些曲线有两个问题针对这些曲线有两个问题:1.曲线下的面积等于曲线下的面积等于?2.在每一曲线上有一最大值在每一曲线上有一最大值,最大值的温度和波长之间最大值的温度和波长之间有什么关系有什么关系? 图中图中:每一条曲线每一条曲线反映了在一定温度反映了在一定温度下下,绝对黑体的单色绝对黑体的单色辐出度按波长的分辐出度按波长的分布情况布情况.284. 斯蒂芬斯蒂芬(Stefan)玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 每

43、一条曲线下的面积等于每一条曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的绝对黑体在一定温度下的辐射出射度辐射出射度MeB(T), 即即 由图可见，由图可见，MeB(T)随温随温度而迅速地增加，经实验确度而迅速地增加，经实验确定定MeB(T)和绝对温度和绝对温度T的关系的关系为为其中其中 =5.6710-8Wm-2K-4 . 斯蒂芬斯蒂芬玻耳兹曼定律，只能适用于绝对黑玻耳兹曼定律，只能适用于绝对黑体，体，称为斯蒂芬恒量。称为斯蒂芬恒量。 快速思考快速思考1:每条曲线下每条曲线下的面积等于的面积等于?0( )( , )deBeBMTMT4( )eBMTT295. 维恩维恩 (Wien )位移定律位移定律

44、式中式中 B=2.89710-3mK。 维恩位移定律：当绝对黑体的温度增高时，单维恩位移定律：当绝对黑体的温度增高时，单色辐出度的最大值向短波方向移动色辐出度的最大值向短波方向移动。由图可见，在每一曲由图可见，在每一曲线上，线上，MeB (,T)有一有一最大值最大值，即最大的单，即最大的单色辐出度。相应于这色辐出度。相应于这最大值的波长用最大值的波长用m表表示，绝对温度示，绝对温度T愈高，愈高，m值愈小，两者的关值愈小，两者的关系经确定为系经确定为:快速思考快速思考2:在每一曲线上有在每一曲线上有一一最大值最大值,最大值的温度和波最大值的温度和波长之间有什么关系长之间有什么关系?mTB301.

45、3.2 1.3.2 光电效应光电效应 1.光电导效应光电导效应 光电导效应是光电导探测器光电转换的基础光电导效应是光电导探测器光电转换的基础。当半导体材料受到光照时，吸收光子使其中的载流子浓度的当半导体材料受到光照时，吸收光子使其中的载流子浓度的增大，材料的电导率增大，这种现象称为增大，材料的电导率增大，这种现象称为光电导效应光电导效应。光电效应光电效应内光电效应内光电效应外光电效应外光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应右图为光电导右图为光电导效应原理图效应原理图什么是光电效应什么是光电效应?光电效应分类光电效应分类:入射光的光子与物质中的电子相入射光的光子与物质中的电子相互作

46、用并产生载流子的效应互作用并产生载流子的效应311 1）结电场的形成）结电场的形成 N型半导体和型半导体和P型半导体接触时型半导体接触时，在这两种材料的，在这两种材料的交界处就形成了交界处就形成了PN结。结。空穴扩散后空穴扩散后，在，在P区留下不可区留下不可移动的带负电的离子。移动的带负电的离子。电子扩散后电子扩散后，在，在N区留下了不可区留下了不可移动的带正电的移动的带正电的离子离子。这些正负离子在结区附近形成。这些正负离子在结区附近形成由由N区指向区指向P区区的的内建电场内建电场。在内建电场作用下载流子。在内建电场作用下载流子出现漂移运动，与扩散相反。最后扩散和漂移达到动出现漂移运动，与扩

47、散相反。最后扩散和漂移达到动态平衡。态平衡。2.2.光伏效应光伏效应 当光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的当光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象不同部位之间产生电位差的现象。光伏效应又叫光光伏效应又叫光生伏特效应生伏特效应NP 当光照当光照PN结时结时,半导体对光子的本征和非本征吸收半导体对光子的本征和非本征吸收都将产生光生载流子都将产生光生载流子,但由于但由于P和和N区的多数载流子都被区的多数载流子都被势垒阻挡而不能穿过势垒阻挡而不能穿过PN结。因此结。因此,仅少数载流子可引起仅少数载流子可引起光伏效应光伏效应.什么是光伏效应什么是光伏效应?32 在在N型基

48、片的表面形成一层薄薄的型基片的表面形成一层薄薄的P型层，型层，P型层上做型层上做一小的电极，一小的电极，N型底面为另一电极。型底面为另一电极。光投向光投向P区时区时，在近，在近表面层内激发出表面层内激发出电子电子-空穴空穴对对.其中电子将扩散到其中电子将扩散到PN结区结区并被结电场拉到并被结电场拉到N区；同时空穴进入区；同时空穴进入P区。区。2 2）光生伏特效应）光生伏特效应PN结结光伏器光伏器件的结件的结构图构图 为了使为了使P型层内产生的电子能全部被拉到型层内产生的电子能全部被拉到N区，区，P层层的厚度应小于电子的扩散长度的厚度应小于电子的扩散长度。这样，光子也可能穿透。这样，光子也可能穿

49、透P区到达区到达N区，在那里激发出区，在那里激发出电子电子-空穴对空穴对;这些光生载流这些光生载流子被结电场分离后，空穴流入子被结电场分离后，空穴流入P区，电子流入区，电子流入N区，在区，在结区两边产生势垒。结区两边产生势垒。这就是光生伏特效应这就是光生伏特效应。注注:并非所产生的所有并非所产生的所有光生载流子都可以产光生载流子都可以产生光伏效应生光伏效应。如如P区电区电子在其寿命内的扩散子在其寿命内的扩散长度要大于长度要大于PN结宽度结宽度,方可产生光伏效应方可产生光伏效应33 即爱因斯坦即爱因斯坦光电效应方程光电效应方程或或光电发射第一定律光电发射第一定律。它表明：电子的动能随入射光子频率

50、的增加而增加它表明：电子的动能随入射光子频率的增加而增加, ,而而与入射光的强度无关。与入射光的强度无关。 3.3.光电发射效应（外光电效应光电发射效应（外光电效应） 在光子的作用下，物体内的电子逸出物体表面在光子的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电子发射外光电效应，也叫光电子发射效应效应。向外发射的电子叫。向外发射的电子叫光电子光电子。02021Amvhv 电子吸收入射光子的能量，当吸取的能量大于电子吸收入射光子的能量，当吸取的能量大于逸出功逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。光子能量超过

51、射。光子能量超过逸出功逸出功A0的部分表现为逸出电子的部分表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理的动能。根据能量守恒定理电子逸出表面必须电子逸出表面必须获得的最小能量，获得的最小能量，即为逸出功即为逸出功A01）光电发射定律）光电发射定律对于一束光的照射对于一束光的照射,有光电发射第二定律有光电发射第二定律: Ip=Sg 理解光子理解光子-电子电子-光电子光电子的关系的关系340Ahv hA02 2）物质的逸出功和红限频率）物质的逸出功和红限频率 所以电子欲逸出金属表面必须克服原子核的静电引所以电子欲逸出金属表面必须克服原子核的静电引力和偶电层的势垒作用力。力和偶电层的势垒作用力。020mv2

52、1从爱因斯坦光电从爱因斯坦光电方程知方程知: :当光电子当光电子的速度等于零时的速度等于零时 由此可见由此可见: :能否能否产生产生光电子，取决于光电子，取决于光子的能量是否大于光子的能量是否大于电子逸出功电子逸出功A0 。说。说明每个物体都有一个明每个物体都有一个对应的光频阈值，称对应的光频阈值，称为红限频率或长波限为红限频率或长波限。光电发射过程的光电发射过程的3个步骤个步骤? 金属中的自由电子，在常温下虽然有部分克服了原金属中的自由电子，在常温下虽然有部分克服了原子核的库仑引力而能逸出表面，但是由于逸出表面的电子核的库仑引力而能逸出表面，但是由于逸出表面的电子子对金属的感应作用对金属的感

53、应作用，使金属中的电荷重新分布，在表，使金属中的电荷重新分布，在表面下出现与电子等量的正电荷。面下出现与电子等量的正电荷。 逸出电子受到这种正电荷的静电作用，动能减小，以逸出电子受到这种正电荷的静电作用，动能减小，以致不能远离金属，只能出现在靠近金属表面的地方，于是致不能远离金属，只能出现在靠近金属表面的地方，于是在金属表面上下形成在金属表面上下形成偶电层偶电层。注意什么是。注意什么是偶电层偶电层?吸收光后体内电子被激发吸收光后体内电子被激发;体内被激发电子向表面运动体内被激发电子向表面运动,因碰撞损失部分能量因碰撞损失部分能量;电子克服表面势垒逃出金属表面电子克服表面势垒逃出金属表面.快速思

54、考快速思考:画出偶电层示意图画出偶电层示意图?35EcEv真空能级真空能级?3 3）半导体材料的阈值波长）半导体材料的阈值波长AgEAE0 对于半导体，能够有效吸收光子的电子大多是处在对于半导体，能够有效吸收光子的电子大多是处在价带顶附近价带顶附近，所以光电子发射的逸出功为，所以光电子发射的逸出功为式中式中，Eg 是半导体禁带宽度是半导体禁带宽度, , EA 称为电子亲和势称为电子亲和势? 因此，半导体材料光电发射的能量阈值为因此，半导体材料光电发射的能量阈值为:Eth=Eg+EA0maxmaxAhcEhcth或)(/24. 1/24. 10maxmaxmAEth或所以长波限为所以长波限为:

55、:可见可见,对于可见光区对于可见光区(0.40.7 m)的光子其能量为的光子其能量为3.11.8eV,波长波长大于大于0.7 m的红外光的光子能量更小的红外光的光子能量更小.因此用于红外光电子发射因此用于红外光电子发射的半导体材料其能量阈值一定小于的半导体材料其能量阈值一定小于1.8eV.361.4 1.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数热电探测器热电探测器热电偶和热电堆热电偶和热电堆热电辐射计和热敏电阻热电辐射计和热敏电阻热释电探测器热释电探测器高莱管高莱管光辐射探测器光辐射探测器光电探测器光电探测器热电探测器热电探测器光电探测器光电探测器固体光电器件固体光电器件真空光

56、电器件真空光电器件 光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可度量物光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可度量物理效应的器件理效应的器件,种类较多种类较多.按工作原理和结构分为按工作原理和结构分为:37固体光电器件固体光电器件光敏电阻光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管特殊光电二极管特殊光电二极管光纤传感器光纤传感器位置传感器位置传感器电荷耦合器件电荷耦合器件自扫描光电二极管列阵自扫描光电二极管列阵真空光电器件真空光电器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强器像增强器38 噪声电流的均方值噪声电流的均方值 代表了单位电阻上所产生的功代表了单位电

57、阻上所产生的功率，它是确定的可测得的正值率，它是确定的可测得的正值? 2niTdtt iTiI0)(1平均1.4.1.光电探测器中的噪声光电探测器中的噪声 从示波器看到，在一定波长的光照下光电探测器输从示波器看到，在一定波长的光照下光电探测器输出的光电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机的出的光电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机的起伏。起伏。图中的直流图中的直流信号值信号值dtitiTtiiTn2022)(1)(平均这种随机的、瞬间幅度不能预知的起伏，称为噪声。这种随机的、瞬间幅度不能预知的起伏，称为噪声。 一般用均方噪声电流来表示噪声值的大小一般用均方噪声电流来表示噪声值的大小：39

58、 把噪声这个随机时间函数进行把噪声这个随机时间函数进行频谱分析频谱分析，就得到噪声功率随频，就得到噪声功率随频率变化关系，即率变化关系，即噪声功率谱噪声功率谱S(f)。S(f)数值定义为频率数值定义为频率f的噪声在的噪声在1 电阻上所产生的功率，即电阻上所产生的功率，即S(f)= 。)(2fin 功率谱大小与频率无关的称白噪声；功率谱大小与频率无关的称白噪声； 功率谱与功率谱与f 近似成反比的称为近似成反比的称为1/f 噪声噪声根据功率谱与频率的关系，常见噪声分为两种：根据功率谱与频率的关系，常见噪声分为两种：(1) 光子噪声光子噪声 包括：信号辐射产生的噪声和背景辐射包括：信号辐射产生的噪声

59、和背景辐射产生的噪声产生的噪声。(2)探测器噪声探测器噪声 包括：热噪声、散粒噪声、产生包括：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪复合噪声、声、1f噪声和温度噪声。噪声和温度噪声。(3)信号放大及处理电路噪声信号放大及处理电路噪声一般光电检测系一般光电检测系统的噪声包括：统的噪声包括：40 载流子热运动速度取决于温度，在温度一定时，热载流子热运动速度取决于温度，在温度一定时，热噪声只与电阻和通带有关，噪声只与电阻和通带有关，故热噪声属于白噪声故热噪声属于白噪声。fRkTvRfkTinn4422在常温下适合在常温下适合于于 频 率 小 于频 率 小 于10101212Hz的系统的系统 因载流子热运动引

60、起的电流起伏或电压起伏称为热噪因载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称为热噪声。声。热噪声均方电流和热噪声均方电压分别为热噪声均方电流和热噪声均方电压分别为式中式中 k k 是玻尔兹曼常数；是玻尔兹曼常数； T T 是温度是温度(K)(K)； R R 是器件电阻值；是器件电阻值； f f 为所取的通带宽度为所取的通带宽度( (频率范围频率范围) )。 1.1.热噪声热噪声41 散粒噪声也是与频率无关、与带宽有关的白噪声。散粒噪声也是与频率无关、与带宽有关的白噪声。 2.散粒噪声散粒噪声由于光子随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。由于光子随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。式中，式中，q为电子电荷；