辐射度量及探测基础知识

1、第三讲第三讲 辐射辐射度量及探测度量及探测基础知识基础知识广学 明德 海纳 厚为1.11.1 辐射度量与光度量及其单位辐射度量与光度量及其单位辐射度量学描述整个电磁波谱范围的电磁辐射，以辐射度量学描述整个电磁波谱范围的电磁辐射，以辐射能量辐射能量或或辐射功率辐射功率为基本量。而光度学描述可见光谱范围的电磁辐射，为基本量。而光度学描述可见光谱范围的电磁辐射，以以光强光强为基本单位。光只是电磁波谱范围内一小段波谱。为基本单位。光只是电磁波谱范围内一小段波谱。一、辐射度量及其单位一、辐射度量及其单位1、辐射能和单位、辐射能和单位辐射能指传播的电磁波的能量，用辐射能指传播的电磁波的能量，用Qe表示，单

2、位为焦耳，表示，单位为焦耳，符号为符号为J。它是辐射度量学的基本量之一。它是辐射度量学的基本量之一.辐射能用于度量脉冲辐射较方便。每个脉冲的能量。辐射能用于度量脉冲辐射较方便。每个脉冲的能量。（一）、复色辐射度量及单位（一）、复色辐射度量及单位2、辐射功率（通量）和单位、辐射功率（通量）和单位辐射功率（通量）定义为单位时间内辐射的电磁波能量，单位辐射功率（通量）定义为单位时间内辐射的电磁波能量，单位为焦耳为焦耳/秒，即瓦特，符号秒，即瓦特，符号w。辐射通量用于度量连续辐射较。辐射通量用于度量连续辐射较方便。数学表示：方便。数学表示：)(WdtdQee3、辐射强度和单位、辐射强度和单位辐射强度是

3、对点光源而言的，它定义为点发光源在给定方向上辐射强度是对点光源而言的，它定义为点发光源在给定方向上单位立体角内的辐射功率，单位单位立体角内的辐射功率，单位W/Sr。数学表示：。数学表示：)W/Sr(),(2dtdQdddIeee式中式中 ， 为球坐标系中的方位角。为球坐标系中的方位角。4、辐射出射度和单位、辐射出射度和单位辐射出射度是对扩展发射源定义的。它定义为单位面积辐射源辐射出射度是对扩展发射源定义的。它定义为单位面积辐射源所辐射的辐射通量。单位为：瓦所辐射的辐射通量。单位为：瓦/米米2（W/M2)。数学表示：。数学表示：)/(),(22MWdtdAQddAdyxMeee5、辐射亮度和单位

4、、辐射亮度和单位辐射亮度也是对扩展光源定义的。它定义为在给定方向上由单位辐射亮度也是对扩展光源定义的。它定义为在给定方向上由单位投影面积辐射源向单位立体角内辐射的通量。单位为瓦投影面积辐射源向单位立体角内辐射的通量。单位为瓦/米米2/球面度，球面度，符号为符号为W/Sr/M2。数学表示：。数学表示：)/(cos),(22SrMWdAddLee6、辐射照度和单位、辐射照度和单位辐射照度对辐射接受体定义，它定义为单位接收面积上所接受辐射照度对辐射接受体定义，它定义为单位接收面积上所接受到的辐射通量，单位为瓦到的辐射通量，单位为瓦/米米2，符号，符号W/M2。数学表示：。数学表示：)/(),(2*m

5、wdAdyxEee 光谱辐射度量光谱辐射度量：光谱辐射度量也叫辐射量：光谱辐射度量也叫辐射量的的光谱密度光谱密度。辐射源所辐射的能量往往由许。辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射度光谱辐射度量是单位波长间隔内的辐射度量。量是单位波长间隔内的辐射度量。 （二）、光谱辐射度量及单位（二）、光谱辐射度量及单位1、单色辐射能和单位、单色辐射能和单位定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射能。单位为定义为

6、某一波长处单位波长间隔内的辐射能。单位为J/M，数学表示：，数学表示：)/()()(MJQQee2、单色辐射通量和单位、单色辐射通量和单位定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射通量，单位为定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射通量，单位为W/M，数学表示：数学表示：)/()()()(mwdtdQeee3、单色辐射强度和单位、单色辐射强度和单位定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射强度，单位为定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射强度，单位为W/Sr/M，数学表示：数学表示：)/()(),(),(MSrWddIIeee4、单色辐射出射度和单位、单色辐射出射度和单位定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射出射

7、度，单位为定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射出射度，单位为W/M3，数学表示：数学表示：)/()(),(),(3MWdAdyxMyxMeee5、单色辐射亮度和单位、单色辐射亮度和单位定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射亮度，单位为定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射亮度，单位为W/Sr/M3，数学表示：数学表示：)/(cos)(),(),(32MSrWdAddLLeee6、单色辐射照度和单位、单色辐射照度和单位定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射照度，单位为定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射照度，单位为W/M3，数学表示：数学表示：)/()(),(),(3*MWdAdyxEyxEeee（三

8、）、光谱辐射度量及积分（复色）辐射度量的关系（三）、光谱辐射度量及积分（复色）辐射度量的关系任一光谱辐射度量任一光谱辐射度量Xe( )与其对应的复色辐射度量与其对应的复色辐射度量Xe之间通过积分之间通过积分关系连接：关系连接：0)(dXXee所谓光度量指描述人眼可见电磁波段范围的电磁辐射的量。可所谓光度量指描述人眼可见电磁波段范围的电磁辐射的量。可见电磁辐射通常称为见电磁辐射通常称为“光光”，所以，把描述可见电磁辐射的量，所以，把描述可见电磁辐射的量称为光度量。光度量采用与辐射度量完全不同的另一套单位。称为光度量。光度量采用与辐射度量完全不同的另一套单位。二、光度量及其单位二、光度量及其单位

9、由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最终是以人眼来评定的终是以人眼来评定的 ，因此照明光源的光学特性必须用，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参数量即光度量来描述。基于人眼视觉的光学参数量即光度量来描述。 光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量相光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量相同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不相同的。同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不相同的。（一）、人眼的视觉特征（一）、人眼的视觉特征人眼就象一个探测器，它对不同波长的电磁辐射具有不同的灵敏人眼就象一个探测器，它对不同波长的电

10、磁辐射具有不同的灵敏度。研究发现人眼对度。研究发现人眼对540*1012Hz或或555nm的电磁辐射最灵敏，即的电磁辐射最灵敏，即人眼对这一波长的单位辐射通量所产生的响应最大。国际照明委人眼对这一波长的单位辐射通量所产生的响应最大。国际照明委员会规定这一最大响应值为员会规定这一最大响应值为683（流明（流明/瓦）瓦）1、光视效能、光视效能人眼对不同波长的单位辐射通量的响应，称为光视效能，用人眼对不同波长的单位辐射通量的响应，称为光视效能，用K( )表示，其最大值为表示，其最大值为Km=683（流明（流明/瓦）瓦）(lm/W)。2、光视效率、光视效率归一化光视效能称为光视效率，记为归一化光视效能

11、称为光视效率，记为V ( )，V ( )= K( )/ Km 如果把能量相等的各种波长的光引向眼睛，则会发现：如果把能量相等的各种波长的光引向眼睛，则会发现：对波长为对波长为555555纳米的黄绿色纳米的黄绿色光看上去最亮，黄光和青光较亮光看上去最亮，黄光和青光较亮，而红光和紫光就很弱。这就是说，人眼对黄绿色光感觉最，而红光和紫光就很弱。这就是说，人眼对黄绿色光感觉最灵敏，对黄、青光还相当灵敏，而对红、紫光就不灵敏。灵敏，对黄、青光还相当灵敏，而对红、紫光就不灵敏。 人眼的这种感觉特性可以用曲线表示出来，如图所示，人眼的这种感觉特性可以用曲线表示出来，如图所示，称为眼睛的光谱相对灵敏度曲线，我

12、们通常把它叫做称为眼睛的光谱相对灵敏度曲线，我们通常把它叫做视见函视见函数曲线数曲线。 图中实线为视线图中实线为视线较亮时测得的，称较亮时测得的，称为为明视觉曲线明视觉曲线。虚。虚线为在视场较暗时线为在视场较暗时测得的，称为测得的，称为暗视暗视觉曲线觉曲线。 所有光度计量均所有光度计量均以明视觉为基础。以明视觉为基础。（二）、光度量及单位（二）、光度量及单位1、复色光度量、复色光度量(1)、光通量、光通量 v它定义为光源单位时间内辐射的光功率，符号为它定义为光源单位时间内辐射的光功率，符号为 v，单位为流明（单位为流明（lm）。基本单位组合表示为）。基本单位组合表示为Cd.Sr，即，即1lm=

13、1Cd.Sr光度学中的基本量选为发光光强，其单位为坎德拉，简称坎，光度学中的基本量选为发光光强，其单位为坎德拉，简称坎，符号为符号为Cd。“坎德拉坎德拉”是国际单位中七个基本单位之一。是国际单位中七个基本单位之一。一一“坎德拉坎德拉”定义为：点发光源向给定方向发出定义为：点发光源向给定方向发出 540*1012Hz或或555nm的电磁辐射，其辐射强度为的电磁辐射，其辐射强度为1/683W/Sr。其它光度量的单位只能是其它光度量的单位只能是“坎坎”和其它基本单位的组合。和其它基本单位的组合。它是光度学的基本量，单位为坎德拉。它是光度学的基本量，单位为坎德拉。(2)、光量、光量Qv它定义为光源辐射

14、的光能量，单位它定义为光源辐射的光能量，单位lm.s(3)、光强度、光强度Iv( , )(4)、光出射度、光出射度Mv定义为面光源单位面积发射的光通量，单位定义为面光源单位面积发射的光通量，单位lm/m2.数学表示：数学表示：dAdMvvddIvv(5)、发光亮度、发光亮度Lv定义为单位投影面积光源向单位立体角内发射的光通量，单位定义为单位投影面积光源向单位立体角内发射的光通量，单位为坎为坎/米米2，记，记Cd/m2，又称尼特，符号，又称尼特，符号nt。数学表示：。数学表示：cos),(dAdILvv(6)、光照度、光照度Ev定义为单位接受面积上所接收的光通量，单位为定义为单位接受面积上所接收

15、的光通量，单位为lm/m2，又称，又称勒克斯（勒克斯（Lux)。数学表示：。数学表示：*),(dAdEvv式中式中*号表示接收有关的量。号表示接收有关的量。2、单色光度量、单色光度量与光谱辐射度量定义类似，同样可以定义单色光度量，与光谱辐射度量定义类似，同样可以定义单色光度量，Qv( )， v( )， Iv( )，Mv( )，Lv( )和和Ev( )六个单色光度量。六个单色光度量。3、单色光度量与复色光度量的联系、单色光度量与复色光度量的联系任一单色光度量任一单色光度量Xv( )与其对应的复色光度量与其对应的复色光度量Xv之间存在关系：之间存在关系：dXXvv)(0光度量与辐射度量之间通过光视

16、效能联系起来。光度量与辐射度量之间通过光视效能联系起来。光视效能光视效能K( )单色辐射度量单色辐射度量Xe( )单色光度量单色光度量Xv( )X复色辐射度量复色辐射度量Xe复色光度量复色光度量XvdXv)(0dXe)(0三、光度量与辐射度量的转换三、光度量与辐射度量的转换 光度量只在光谱的光度量只在光谱的(380-780nm)(380-780nm)才有意义。才有意义。辐射度量辐射度量符号符号单位单位光度量光度量符号符号单位单位辐射能辐射能QeJ光量光量Qlm.s辐射通量辐射通量 eW光通量光通量lm（流明流明）辐射辐射 强度强度IeW/sr发光强度发光强度Icd（坎德拉坎德拉）=lm/sr辐

17、射辐射 照度照度EeW/m2光照度光照度Elx(勒克斯勒克斯)=lm/m2辐射出射度辐射出射度MeW/m2光出射度光出射度Mlm/m2辐射亮度辐射亮度LeW/sr.m2光亮度光亮度Lcd/m2光辐射基本定律和公式光辐射基本定律和公式（1）朗伯定律v 理想的漫射发光或漫反射面，在某方向上的辐射强度同该方向与表面法线夹角呈余弦函数关系，若发光面法线方向的发光强度为I0 ,则与法线夹角为的方向的发光强度为：I = I0 cos（2）布给定律v 被照射面上的照度E同垂直照明时照度E0的关系是： E = E0 cos（3）平方反比定律v 由点光源形成的照度，与该光源在一定方向上的发光强度成正比，而与被照

18、面到点光源的距离平方成反比。即E = I/l2（4）亮度守恒定律）亮度守恒定律v光辐射能在两种介质边界面上没有吸收、反射等损失时，则在两种介质里的亮度满足关系：v在一般成像光学系统中，像面亮度L与物体亮度L有如下关系： L =(n/n)2L 式中n，n物、像空间折射率； 光学系统的透过率222211nLnL光辐射能在同种传输介质中没有损失时，表面2的亮度和表面1的亮度是相等的。（5）普朗克定律）普朗克定律v黑体的光谱辐射出射度同波长、绝对温度T之间的关系式：式中：c-光速；k-玻尔兹曼常数；h-普朗克常数。 1)exp(2),(52TkhchcTMeB（6）斯特芬）斯特芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定

19、律v 黑体辐射全部波长成分的总辐射出射度与黑体的绝对温度的四次方成正比。即： MeB(T)=T4 式中=5.6710-8Wm-2K-4，称为斯特芬玻尔兹曼常数。v 黑体的峰值辐射波长m随辐射体绝对温度T 的变化呈反比关系： m T=2897.8 mK（7）维恩位移定律）维恩位移定律 光辐射源光辐射源按发光机理，光电检测系统中的光源分为：v 热辐射光源：太阳；白炽灯；黑体辐射。v 气体放电光源：汞灯；荧光灯；钠灯；氙灯；金属卤化物灯；氘灯；空心阴极灯。v 固体发光光源：场致发光灯；发光二极管。v 激光器：气体激光器；固体激光器；染料激光器；半导体激光器。光源的基本特性参数光源的基本特性参数（1）

20、辐射效率和发光效率 在给定波长范围内，某光源发出的辐射通量与所消耗的电功率之比称为该光源在此光谱范围内的辐射效率：21)(1dPPeee 某光源发射的光通量与产生这些光通量所消耗的电某光源发射的光通量与产生这些光通量所消耗的电功率之比，就是该光源的发光效率：功率之比，就是该光源的发光效率：dVPKPnmnmemvv)()(780380常用光源的发光效率常用光源的发光效率光源v /lmW-1光源v /lmW-1钨丝灯818高压汞灯3040卤钨灯1430高压钠灯90100普通荧光灯3560球形氙灯3040三基色荧光灯 5590高亮度LED70120金属卤化物灯 6080 物体按导电能力分：物体按导

21、电能力分：导体、绝缘体导体、绝缘体和和半导体半导体。做光电。做光电器件的主要材料为半导体，电阻率在器件的主要材料为半导体，电阻率在106103cm范围之内的物质称为导体；电阻率大于范围之内的物质称为导体；电阻率大于1012cm 以上以上的物质称为绝缘体；介于它们之间的物质称为半导体的物质称为绝缘体；介于它们之间的物质称为半导体第二节、半导体物理基础第二节、半导体物理基础 半导体的电阻温度系数一般是负的。它对温度的半导体的电阻温度系数一般是负的。它对温度的变化非常敏感。变化非常敏感。 半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。十分显著的变

22、化。 半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。外界作用的影响而发生非常重要的变化。 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为来实现的，这种电流的载体称为载流子载流子。导体中的载流子是自由电。导体中的载流子是自由电子，子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体、金属的能带图a) a) 绝缘体绝缘体 b) b) 半导体半导体

23、c) c) 金属金属 半导体两端加电压后半导体两端加电压后:如果价带中填满了电子而没有空能级，在外电场的作用下，如果价带中填满了电子而没有空能级，在外电场的作用下，又没有足够的能量跃迁到导带，那么价带中的电子是不导电又没有足够的能量跃迁到导带，那么价带中的电子是不导电的。的。价带价带导带导带禁带禁带E(满带满带)如果价带中的电子在外界作用下，能够跃迁到导带中，则价带如果价带中的电子在外界作用下，能够跃迁到导带中，则价带中留空位，邻近能级上的电子在电场作用下可以跃入这些空位中留空位，邻近能级上的电子在电场作用下可以跃入这些空位，而在这些电子原来的能级上就出现空位。这样有些电子在原，而在这些电子原

24、来的能级上就出现空位。这样有些电子在原来热运动上迭加定向运动而形成电流。来热运动上迭加定向运动而形成电流。价带价带导带导带禁带禁带E由于导带中存在大量的空能级，所以在外电场的作用下，导带由于导带中存在大量的空能级，所以在外电场的作用下，导带电子能够得到足够的能量跃迁到空的能级上，形成电流，所以电子能够得到足够的能量跃迁到空的能级上，形成电流，所以导带电子是可以导电的。导带电子是可以导电的。价带价带导带导带禁带禁带E 价电子的运动状态发生变化价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条使它跃迁到新的能级上的条件是：件是：能给电子提供足够能量的外界作用、电子跃入的能级是空能给电子提供足够能量

25、的外界作用、电子跃入的能级是空的的。价带价带导带导带禁带禁带E 单晶单晶在一块材料中，原子全部作有规则的在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。周期排列。 多晶多晶只在很小范围内原子作有规则的排列只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。界隔开。 现代固体电子与光电子器件大多由现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料半导体材料制备，半导体制备，半导体材料大多为材料大多为晶体晶体（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列）。晶体分为单晶与多晶：）。晶体分为单晶与多晶： 完

26、全纯净和结构完整的半导体称为完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体本征半导体。 在没有外界作用和绝对零度时，本征半导体的导带中没有电在没有外界作用和绝对零度时，本征半导体的导带中没有电子，价带中没有空穴，它是不导电的。子，价带中没有空穴，它是不导电的。 由于半导体的禁带宽度较小，所以在外界作用下，价电子可由于半导体的禁带宽度较小，所以在外界作用下，价电子可以激发跃迁到导带中，这样本征半导体的导带中有电子，价带中以激发跃迁到导带中，这样本征半导体的导带中有电子，价带中有空穴，本征半导体就有了导电能力。有空穴，本征半导体就有了导电能力。EEgE 晶体总是含有缺陷和杂质的，而杂质原子上的能级和晶晶

27、体总是含有缺陷和杂质的，而杂质原子上的能级和晶体其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶体能带的范围之体其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶体能带的范围之内。内。N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体 在晶格中掺入某个硅原子被磷原子在晶格中掺入某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电的四价原子形成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易被五键上电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自

28、价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。易释放电子的原子称为由电子。易释放电子的原子称为施主施主，施主束缚电子的能量状态称为施主束缚电子的能量状态称为施主能级施主能级ED。 ED位于禁带中，较靠近材料的导带位于禁带中，较靠近材料的导带底底EC 。 ED与与EC间的能量差称为间的能量差称为施主电施主电离能。离能。N N型半导体由施主控制材料导电性型半导体由施主控制材料导电性。EEgEDEP P型半导体型半导体 晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳价电子要组

29、成共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子，而在原子外层多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。容易获取电子的原子硅晶体中出现空穴。容易获取电子的原子称为称为受主受主。受主获取电子的能量状态称为。受主获取电子的能量状态称为受主能级受主能级EA ，也位于禁带中。在价带顶，也位于禁带中。在价带顶EV附近，附近， EA与与EV间能量差称为间能量差称为受主电离能受主电离能。P型半导体由受主控制材料导电性。型半导体由受主控制材料导电性。EEg

30、EAE 掺杂对半导体导电性能的影响：掺杂对半导体导电性能的影响： 半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。地影响半导体的电导率。EEgE)(aEE)(bgEDEEE)(cgEAE

31、(a)(a)本征半导体本征半导体(b)N(b)N型半导体型半导体(c)P(c)P型半导体型半导体 在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这

32、就是载流子的复合。在一定温度下，激发和复合两量，这就是载流子的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为种过程形成平衡，称为热平衡状态热平衡状态，此时的载流子成为，此时的载流子成为热热平衡载流子平衡载流子，它的浓度即为某一稳定值。，它的浓度即为某一稳定值。热平衡载流子热平衡载流子 根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。布规律。 在某温度下热平衡态，能量为在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占据的概率由的能态被电子占据的概率由费费米米- -狄拉克函数狄拉克函数给出，即给出，即 kTEEFeEf/11 热平衡时

33、半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中能带中能态（或能级）的分布能态（或能级）的分布，二是这些能态中，二是这些能态中每一个能态可每一个能态可能被电子占据的概率能被电子占据的概率。f(E)：费米分布函数，能量：费米分布函数，能量E的概率函数的概率函数k：波耳兹曼常数，：波耳兹曼常数，1.3810-23J/KT：绝对温度：绝对温度EF：费米能级：费米能级费米费米- -狄拉克函数曲线狄拉克函数曲线当当E=EF时，时，f(E)=1/2当当E1/2当当EEF时，时，f(E)kT时时 kTEkTEkTEEkTEEeeeeEfFFF/11 随着

34、随着E的增加，的增加， f(E)迅速减小，所以导带中的大部分电子的能量迅速减小，所以导带中的大部分电子的能量是在导带底是在导带底EC附近。同样价带中空穴的绝大部分都在价带顶附近。同样价带中空穴的绝大部分都在价带顶EV附近附近。 EF为表征电子占据某能级为表征电子占据某能级E的概率的的概率的“标尺标尺”，它定性表示导带，它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。常温下中电子或价带中空穴的多少。常温下EF随材料掺杂程度而变化。对随材料掺杂程度而变化。对于本征半导体于本征半导体 EF (EC + EV )/2 当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均定向速度

35、为零。一定温度下半导体中电子和空穴的定向速度为零。一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。成电流。载流子的运动载流子的运动 载流子因浓度不均匀而发生的从浓载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。度高的点向浓度低的点运动。 图为光注入，非平衡载流子扩图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表面很薄一散示意图。光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子，其浓度随

36、离开生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离表面距离x x的增大而减小，因此非的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿平衡载流子就要沿x x方向从表面向方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。达到均匀分布。 载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为极方向运动称为漂移漂移。 在强电场作用在强电场作用下，由于饱和或雪崩击穿半导体会下，由于饱和或雪崩击穿半导体会偏离欧姆定律偏离欧姆定律。在弱电场作用在弱电场作用下，半导体中载流子漂移运动下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律服从欧姆定律

37、。I=V/RJ=E电导率电导率=nqn,E103105V/cm, n(E)E105V/cm, n(E) 由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的吸收由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的吸收称为称为本征吸收本征吸收。 物体受光照射，一部分被物体反射，一部分被物体吸收，物体受光照射，一部分被物体反射，一部分被物体吸收，其余的光透过物体。其余的光透过物体。半导体材料吸收光子能量转换成电能是半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光电器件的工作基础。半导体对光的吸收半导体对光的吸收 产生本征吸收的条件产生本征吸收的条件：即即gEhgggEchhEcEhmEEhcgg24. 1

38、0 杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。iVAiDCEchEEchEchEEch或 导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由自由载流子吸收载流子吸收，表现为红外吸收。，表现为红外吸收。 价带中的电子吸收小于禁带

39、宽度的光子能量也能离开价价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为性系统，称为激子激子。能产生激子的光吸收称为。能产生激子的光吸收称为激子吸收激子吸收。这。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。 半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在

40、远红外区形成一个连续的吸收带，为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为这种吸收称为晶格吸收晶格吸收。 半导体对光的吸收主要是本征吸收半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，本征。对于硅材料，本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸收，可认为硅对波长大于倍，一般照明下只考虑本征吸收，可认为硅对波长大于1.15m的可见光透明。的可见光透明。 半导体的电学性质很大程度上取决于所含杂质的种类和数量。把半导体的电学性质很大程度上取决于所含杂质的种类和数量。把N型型、P型和本征（型和本

41、征（i型）半导体配合起来，结成不均匀的半导体，型）半导体配合起来，结成不均匀的半导体，能制造各种半导体器件。能制造各种半导体器件。半导体的半导体的PN结结 在无外电场或其它因素激发时在无外电场或其它因素激发时PNPN结处于平衡状态，没结处于平衡状态，没有电流流过。空间电荷区的宽度和电位差为恒定值。空有电流流过。空间电荷区的宽度和电位差为恒定值。空间电荷区中没有载流子，所以又称间电荷区中没有载流子，所以又称耗尽层耗尽层，其宽度一般，其宽度一般为数微米。为数微米。 PNPN结加正向电压的情况结加正向电压的情况工作原理工作原理在外加电场的在外加电场的作用下，多子被推向耗尽层作用下，多子被推向耗尽层，

42、结果耗尽层变窄，内电场，结果耗尽层变窄，内电场被削弱，这有利于多子的扩被削弱，这有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。多散而不利于少子的漂移。多子的扩散电流通过回路形成子的扩散电流通过回路形成正向电流。耗尽层两端的电正向电流。耗尽层两端的电位差变为位差变为U Ubobo-U-U。一般只有零。一般只有零点几伏，所以不大的正向电点几伏，所以不大的正向电压就可以产生相当大的正向压就可以产生相当大的正向电流。通常在回路中串入一电流。通常在回路中串入一个电阻用以限制电流。个电阻用以限制电流。 PN结的单向导电性结的单向导电性PNPN结加反向电压的情况结加反向电压的情况工作原理工作原理在外加电场在外加电场的

43、作用下，耗尽层变宽，的作用下，耗尽层变宽，内电场被加强，结果阻止内电场被加强，结果阻止了多子的扩散，但促使少了多子的扩散，但促使少子漂移，在回路中形成反子漂移，在回路中形成反向电流。因少子的浓度很向电流。因少子的浓度很低，并在温度一定时少子低，并在温度一定时少子的浓度不变，所以反向电的浓度不变，所以反向电流不仅很小，而且当外加流不仅很小，而且当外加电压超过零点几伏后，因电压超过零点几伏后，因少子的供应有限，它基本少子的供应有限，它基本上不随外加电压增加而增上不随外加电压增加而增加，故称为反向饱和电流加，故称为反向饱和电流 当光照射到物体上使物体当光照射到物体上使物体发射电子发射电子、或、或导电

44、率发生变化导电率发生变化，或，或产生光电动势产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为改变统称为光电效应光电效应。 本世纪最伟大的科学家之一爱因斯坦以他在本世纪最伟大的科学家之一爱因斯坦以他在19051905年发表年发表的相对论而闻名于世，而他在的相对论而闻名于世，而他在19251925年获得诺贝尔奖是由于年获得诺贝尔奖是由于他对发现光电效应的贡献。他对发现光电效应的贡献。第三节、光电效应第三节、光电效应 zz外光电效应外光电效应物体受到光照后向真空中发射电子物体受到光照后向真空中发射电子的现象，也称的现象，也称光电发射效应光电发射效应。这种效应

45、多发生在金属和。这种效应多发生在金属和金属氧化物。金属氧化物。光电效应分类：光电效应分类： zz内光电效应内光电效应物体受到光照后所产生的光电子只物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会溢出物体外部的现象。这种效应在物质内部运动而不会溢出物体外部的现象。这种效应多发生在半导体内。多发生在半导体内。 内光电效应又分为内光电效应又分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应。 1 1、：光照变化引起半导体材料电导变化光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。的现象称光电导效应。当光照射到半导体材料时，材料吸收光当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为

46、传导态电子，引起载流子浓度子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。增大，因而导致材料电导率增大。 半导体无光照时为半导体无光照时为暗态暗态，此，此时材料具有时材料具有暗电导暗电导；有光照时为；有光照时为亮态亮态，此时具有，此时具有亮电导亮电导。如果给。如果给半导体材料外加电压，通过的电半导体材料外加电压，通过的电流有流有暗电流与亮电流暗电流与亮电流之分。亮电之分。亮电导与暗电导之差称为导与暗电导之差称为光电导光电导，亮，亮电流与暗电流之差称为电流与暗电流之差称为光电流光电流。光电导体的灵敏度光电导体的灵敏度 在一定条件下，单位照度所引起的光电流称为灵

47、敏度。在一定条件下，单位照度所引起的光电流称为灵敏度。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。不同的表示法。 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为 对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数r 和下降时间常和下降时间常数数f 来描述弛豫过程的长短。来描述弛豫过程的长短。r表示表示光生载流子浓度光生载流子浓度从零增长到稳态值从零增长到稳态值63%63%时所需的时间，时所需的时间，f表示从停光前稳态值衰减到表示从停光前稳态值衰减到37%37%时所需的时间。时所需的时间。矩形脉冲光照弛豫过程图矩形脉冲光照弛豫过程图光电