第一章光电检测应用中的基础知识

1、Henan Normal University1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1.2 1.2 半导体基础知识半导体基础知识1.3 1.3 基本定律基本定律1.4 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 2 2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 1.11.1、辐射度学和光度学基本概念、辐射度学和光度学基本概念 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的度量计算，常需要对光辐射给出相应

2、的计量参数和量纲。光辐射的度量方法有两种：a）物理（或客观）的计量方法物理（或客观）的计量方法，称为辐射度学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量。b）生理（或主观）的计量方法生理（或主观）的计量方法，以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法，称为光度参数。只适用于可见光谱区域，是对光强度的主观评价。3 3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 1.1.11.1.1、辐射度学基本物理量、辐射度学基本物理量 1. 辐射能：把以电磁波形式传播的能量称为辐射能，用表示，单位为焦耳（J）。eQhveQeQ辐射能既可以表示辐射源发出

3、的电磁波的能量，也可以表示被辐射表面接收到的电磁波的能量。普朗克常数光频辐射功率辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理量，属于基本物理量，它们的量值都可以用专门的红外辐射计在离开辐射源一定的距离上进行测量。所以其他辐射量都是由辐射功率（或称辐射通量）定义的。4 4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2. 辐射功率（辐射通量）辐射功率（辐射通量）e e ：单位时间内从面元ds辐射出来的各种波长（从0）的光能量，称为面积元ds的辐射通量。用e表示，单位瓦特（W）或焦耳秒-1（J s -1 ）dtdQee辐射通量辐射通量e又称为又称为辐射辐射功率功率P，表征发光表

4、面辐，表征发光表面辐射能量射能量 的大小。的大小。5 5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3. 辐射强度辐射强度Ie ：点辐射源在不同方向上的辐射特性，点辐射源在不同方向上的辐射特性，在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表示，单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）ddIee立体角：一个任意形状椎面所包含的空间， 符号： 单位：Sr2RA点辐射源：辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）6 6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 单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角

5、截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所对应的立体角称为一个单位立体角，或一球面度。 对于一个给定顶点O 和一个随意方向的微小面积dS ，它们对应的立体角为 其中为dS 与投影面积 dA的夹角，R为O 到dS中心的距离。2cosRdSd7 7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球面所对应的立体角：根据定义全球所对应的立体角(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4空间.)同理，半球所对应的立体角为2空间。2RS4422RR8 8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4. 辐射亮度辐射亮度Le ：辐射表面辐射表面在指定方向的辐射强度除以该表面

6、在垂直给定方向平面上的正投影面积，单位：w/(m2sr)dSedIcosdScoseedILdS由辐射表面定向发射的辐射强度。扩展源扩展源9 9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5. 辐出度辐出度Me ：面辐射源的单位面积上辐射的辐通量w/m2dLdSdMeee扩展源总的辐射通量，等于辐射出射度对辐射表面积的积分： A为扩展源面积dAMA1010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6. 辐照度辐照度Ee ：单位面积内所接受到的辐射通量。eddAeedEdA单位：瓦米-2（W m-2）上述单位下标e表示辐射度学物理量，在实际计算或者测量过

7、程中，往往要考虑方向和波长，所以在实际使用时，需要加下标 或者 来加以区分。1111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1.1.2. 1.1.2. 光度学基本物理量光度学基本物理量 视见函数的曲线如下图所示，图中虚线是暗视觉视见函数，实线是明视觉视见函数。人眼对于波长为555nm的绿色光最敏感，取其视见函数值为1。其它的波长小于1，而在可见光谱以外的波段等于0。 光谱视觉敏感度光谱视觉敏感度 人眼在可见光谱范围的视觉人眼在可见光谱范围的视觉敏感度随波长而变化，峰值为敏感度随波长而变化，峰值为555 555 nmnm（绿色）光通量就是以人眼视（绿色）光通量就是以人眼视

8、觉曲线为标准的能量。觉曲线为标准的能量。1212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. 光通量光通量v表示人眼对光辐射通量所引起的视觉强度值，单位：流明(lm)780,380( )vmeKVd 正比于辐射通正比于辐射通量和视觉函数量和视觉函数mK 辐射度量与光度量之间的比例系数；683 lm/W, e 辐射通量，单位：W。( )V 人眼光谱光视效率，对不可见光。 ( )0V当波长 时， 555nm( )1VveCV 1313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常见某些光源常见某些光源的光通量的光通量1w（=555nm）=683 lm1w

9、 （=490nm ）=0.2*683=137 lm辐射功率比重对比光谱视觉敏感度800Na波长波长 (nm) 400500600700555 nm490 nm589 nm相对视觉灵敏度相对视觉灵敏度 00,20,40,60,81,01、自行车头灯3W，30 lm2、白炽灯75W，900 lm3、荧光灯 58W ， 5200 lm发光效率不同1414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2. 发光强度发光强度Iv点光源在单位立体角中发出的光通量。 在一半径为r 的球心 O 处放一光源，它向球表面 ABCD 所包围面积 S 上发出 v 的光通量。面积 S 在球心形成的立体

10、角为：2sr 则这一方向的发光强度为：vI 发光强度的单位：坎德拉（Candela），符号cd。立体角的单位：球面度，符号sr。国际单位制之一111lmcdsrddIvv1515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3. 亮度亮度Lv发光表面在指定方向的发光强度除以该表面在垂直给定方向平面上的正投影面积。从平面反射到眼球中的光量来度量的发光强度。单位：cd/m2 一般白纸大约吸收入射光量的一般白纸大约吸收入射光量的20%，反射光量为，反射光量为80%；黑纸只反；黑纸只反射入射光量的射入射光量的3%。所以，白纸和黑纸在亮度上差异很大。所以，白纸和黑纸在亮度上差异很大。不

11、同物体对光有不同的反射系数或吸收系数。 cosdILdAdSedIcosdS1616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4. 光出射度光出射度Mv也称为面发光度。其定义为面光源从单位面积上辐射的光通量 单位为 lmm2 (流明每平方米)。1717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4. 光照度光照度Ev被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称为该点的照度2111mlmlx 单位：勒克斯（lx）dEdAddA夏天中午阳光下 109 lx阅读书刊所需照度 50-60 lx家用摄像机 1400 lx晴天室内 1001000 lx月夜 0.02

12、0.3 lx黑夜 0.001-0.02 lxu被光均匀照射的物体，在被光均匀照射的物体，在1m2面积上得到的光通量是面积上得到的光通量是1lm时，它的照度是时，它的照度是1lx。 为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。1818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 光度量只在光谱的光度量只在光谱的(380nm-780nm)(380nm-780nm)才有意义。才有意义。辐射度量辐射度量符号符号单

13、位单位光度量光度量符符号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）辐射强度辐射强度IeW/sr发光强度发光强度Icd（坎德拉坎德拉）=lm/sr辐射照度辐射照度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/m21919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辐射度物理量辐射度物理量光度量物理量光度量物理量物理量名称符号定义或定义式单位物理量名称符号定义或定义式单位辐射能辐射通量辐射出射度辐射强

14、度辐射亮度辐射照度QeeMeIeLeEe edQe/dtMe=dedSIe=de/dLe=dIe/(dScos)Ee=de/dAJWW/m2W/srW/m2srW/m2光量光通量光出射度发光强度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=v dtv=Iv dMv=dv/dS基本量基本量Lv=dIv/(dScos)Ev=dv/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lx2020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. 辐射量与光度量的换算关系： X光度量；Xe辐射量；Km：683lm/w；视见函数V()查表2. 光视效能: ,对于相同的辐射能量，光视效率V不同。3.

15、 “光视效率的最大值在=555nm处”为实验证明，绝大部分人眼符合此规律，略有小差异（尤其在可见光波段两端）。4. 光度量为辐射量对人眼视觉的刺激值，是主观的，不管辐射量大小，以看到为准。光谱光视效能是评定该刺激值的参数。emX)(VKX辐射度量与光度量的关系辐射度量与光度量的关系vmeKK V2121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1.1.3 其它基本概念其它基本概念1. 点源点源 从强度为的点源辐射到立体角 的通量为 若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dA时，若面元dA的法线与dA到点源连线r的夹角为 ，则照到dA上的通量为 根据照度的

16、定义，得该面元上的照度为 这就是照度与距离r之间的平方反比定律平方反比定律。仅当光源极小或极远时，平方反比定律才能成立，这时才能把辐射源看作点源。IddI42rdAcosIdcos2rIdAdEd2222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2.扩展源扩展源 一个理想化的扩展源，称之为朗伯源。朗伯源的亮度不随方向而改变。 一个面积为dS的朗伯源，在立体角 内辐射的通量为 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ddrdrddrsinsin2所以此面源的总辐通量为 LdSddLdso20sincos根据辐出度的定义，可得朗伯源的辐出度与辐亮度的关系LdS

17、MddSdLdcos2323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3. 漫反射面漫反射面 可以把入射光向各方向均匀地散射出去的表面称为漫反射表面或散射面。假设投射到表面积dS的漫反射表面上的照度为E，则该面所接受的光通量为 设该表面的漫反射系数为K，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，所以可当作朗伯反射面处理，于是有式中Ls称为该表面的视亮度。从上面结果可得: 当漫射系数K l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，而不是仅仅向半球空间散射，所以其视亮度为 EdSdiisKdddSLdssKELs2K

18、ELs2424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4. 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立体角内，其辐射有一定的方向性。为了与余弦辐射体相区别，称它为定向辐射体。最典型的定向辐射源是激光器。 2525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1.2 半导体基础知识1.2.1 固体的能带结构 固体能带理论的主要贡献在于它成功的解释了物质的导电机理，即说明了有的物质为什么能导电，有的物质为什么不导电，虽然同样有大量的电子存在。能级（能级（Enegy LevelEnegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子按

19、）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子每一壳层容纳一定数量的电子。每个。每个壳层上的电子壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。2626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2727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2828第第1 1章章 光电检测

20、应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识2929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. 电子的共有化运动+3030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电子共有化运动电子共有化运动-晶体中原子能级上的电子不完全局限在晶体中原子能级上的电子不完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，结某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，结果电子可以在整个晶体中运动。果电子可以在整个晶体中运动。电子共有化的原因：电子共有化的原因：电子壳层有一定的交叠，相邻原子最电子壳层有一定的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少外层交叠最

21、多，内壳层交叠较少。注：电子在各原子中相似壳层间运动，且注：电子在各原子中相似壳层间运动，且最外电子壳层共最外电子壳层共有化显著有化显著。3131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2. 能带的形成 孤立原子的能级孤立原子的能级2p2s1sn=1n=2原子间距原子间距电电子子能能量量 能级分裂能级分裂2p2s1sn=1n=2电电子子能能量量3232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能带能带 原子能级原子能级 原子轨道原子轨道 禁带禁带禁带禁带允允带带 原子能级分裂为能带原子能级分裂为能带3333第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光

22、电检测应用中的基础知识3. 能带结构c.完全被电子占据的能带称“满带满带”。满带中的电子不会导电满带中的电子不会导电；完全末被占据的称“空带空带”；部分被占据的称“导带导带”。导带导带中的电子能够导电中的电子能够导电；a.晶体中电子具有的一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条带，称为能带能带。b. 相邻两能带间的能量范围称为“能隙能隙”或“禁带禁带”。晶体中电子不能具有这种能量。d.价电子所占据能带称“价带价带”。能量比价带低的各能带一般都是满带，价带可以是满带，也可以是导带。3434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EEg禁带绝缘体价带导带导带价带EE

23、g禁带半导体导带价带E导体绝缘体：绝缘体：价电子刚好填满整个价带，禁带很宽，除非很强的电场，否则电子不会被激发到导带上去而导电。半导体：半导体：禁带较窄（一般在2.0eV以下），依靠热激发可使电子跃迁到许可带上去而导电。导体：导体：价带未被完全充满，或能带产生交迭。3535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导导 体：体：电阻系数的范围约为10-610-3欧姆厘米绝缘体：绝缘体：电阻系数大于1012欧姆厘米半导体：半导体：硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。导电性受极微量导电性受极微量杂质杂质的影响而发生十

24、分显著的变化。的影响而发生十分显著的变化。 纯净纯净SiSi在室温下电导率为在室温下电导率为5 51010-6-6/(/(欧姆欧姆厘米厘米) )。掺入硅原子数百万分。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为之一的杂质时，电导率为2 /(2 /(欧姆欧姆厘米厘米) )半导体电阻半导体电阻温度温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。 根据这一特性可制成自动控制用的热敏元件（热敏电阻）。根据这一特性可制成自动控制用的热敏元件（热敏电阻）。半导体导电能力及性质受半导体导电能力及性质受光光、电、磁等作用的影响。、电、磁等作用的影响。 沉积在绝缘基板上的硫化镉层

25、不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百沉积在绝缘基板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百 兆欧，一旦受兆欧，一旦受光照光照，电阻就会下降到几十千欧，甚至更小，电阻就会下降到几十千欧，甚至更小3636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4. N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体导带导带(满带满带)价带价带EEg“载流子载流子”导电是导电是半导体所特有的！半导体所特有的！3737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杂质半导体杂质半导体：杂质能级离导带或价带较近，在常温下会使导带中出现更多的电子，价带

26、中会出现更多的空穴。如果掺杂浓度较大，则杂质能级会变成杂质能带，有可能使得杂质能带与导带或价带连接起来，改变了禁带宽度。杂质能级杂质能级3838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掺入五价元素杂质掺入五价元素杂质 N型半导体掺入三价元素杂质掺入三价元素杂质P型半导体3939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5. 热平衡下的载流子浓度热平衡下的载流子浓度在一定温度下,半导体处于热平衡状态,半导体中的导电电子浓度n0和空穴浓度p0都保持一个稳定的数值,这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。在热平衡情况下,电子和空穴的产生率等

27、于复合率,两者的浓度维持平衡。 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0，可以比他们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。非平衡载流子。 载流子浓度是指单位体积内的载流子载流子浓度是指单位体积内的载流子4040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热平衡载流子热平衡载流子1 1、在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由、在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由 电子和空穴是由电子和空穴是由热激发热激发产生的。产生的。2 2、电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁、电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量

28、，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。到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。3 3、在热激发同时，电子也从、在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子的复合。，向晶格放出能量，这就是载流子的复合。4 4、在一定温度下，、在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡激发和复合两种过程形成平衡，称为热平，称为热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。 4141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1.2.3 半导体中的非平衡载

29、流子光注入光注入：用光照使得半导体内部用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。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。其它方法：电注入、高能粒子辐照等。光注入产生非平衡载流子，光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。导致半导体电导率增加。产生的非平衡电子浓度等产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。于价带非平衡空穴浓度。光光照照npnopo4242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.半导体材料的光吸收效应物体受光照射后，一部分光被物

30、体反射，一物体受光照射后，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。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01.24/()1.24/gggghc EmEhc EE本征吸收的长波限4343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。这种吸收称为杂质吸收。施主释放束缚电子到

31、导带，受主释放束缚空穴到价带，它们所需能量即为电离能Ed,和Ea。显然，杂质吸收的最低光子能量等于杂质的电离能Ed,(或Ea)。即杂质吸收光的长波限 由于杂质的电离能Ed(或Ea)一般比禁带宽度Eg小得多，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。E24.14444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2.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；如果停止光照，光生载流子就不再产生，而载流子浓度因电子与空穴复合而逐渐减小，最后恢复到热平衡时的浓度值。按复合机构分按复合机构分直接复合：直接复合： EcEv间接复合：间接复合： EcEvEt4

32、545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实验现象实验现象 实验观察，外部激发条件消失后，非平衡载流子浓度随实验观察，外部激发条件消失后，非平衡载流子浓度随时间变化按时间变化按指数规律指数规律减少。即非平衡载流子在导带和价带减少。即非平衡载流子在导带和价带中有一定的生存时间。中有一定的生存时间。平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用表示表示 非平衡少数载流子的影响处于决定的地位，因而非平衡非平衡少数载流子的影响处于决定的地位，因而非平衡载流子的寿命常称为载流子的寿命常称为少数载流子寿命少数载流子寿命。 1/1/就表示单位时间内非

33、平衡载流子的复合几率。就表示单位时间内非平衡载流子的复合几率。4646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( )( )d p tk p tdt 0( )()ktp tp e 00( )/( )1/ttd p td p tk单位时间内非平衡载流子的浓度的减少为单位时间内非平衡载流子的浓度的减少为非平衡载流子的平均生存时间非平衡载流子的平均生存时间1/k令令它标志着非平衡载流子浓度减少到原来它标志着非平衡载流子浓度减少到原来1/e1/e所经历的时间所经历的时间, ,也就是寿命也就是寿命1/1/就表示单位时间内非平衡载流子的复合几率。就表示单位时间内非平衡载流子的复合几率

34、。( )( )d p tp tdt 4747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非平衡载流子复合理论 ：任何半导体在平衡态总有一定数目的电子和空穴，任何半导体在平衡态总有一定数目的电子和空穴，从微观角度来说，是由于半导体内部的相互作用这从微观角度来说，是由于半导体内部的相互作用这些微观过程促使系统由非平衡态向平衡态过渡，引些微观过程促使系统由非平衡态向平衡态过渡，引起非平衡载流子的复合。复合过程是属于统计性的起非平衡载流子的复合。复合过程是属于统计性的过程。过程。半导体中无时不存在着载流子产生和复合两个相反半导体中无时不存在着载流子产生和复合两个相反的过程。通常把单

35、位时间和单位体积内所产生的电的过程。通常把单位时间和单位体积内所产生的电子子空穴对数称为空穴对数称为产生率产生率，而把单位时间和单位体，而把单位时间和单位体积内复合掉的电子积内复合掉的电子空穴对数称为空穴对数称为复合率复合率。4848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1.2.4 载流子的扩散与漂移1.1.扩散扩散 载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的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，自然结果。点运动，自然结果。2.2.漂移漂移 载流子在外电场的作用下，电子向正电极方向运动。空载流子在外电场的作用下，电子向正电极方向运动。空穴向负电

36、极方向运动称为漂移穴向负电极方向运动称为漂移。4949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50501.3 基本定律1.3.1 黑体辐射定律1.1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律经典物理学的困难 （3）氢原子光谱）氢原子光谱（1）黑体辐射问题）黑体辐射问题 （2）光电效应）光电效应 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5151黑体：能吸收入射到其上的全部辐射的物体，这种物体就黑体：能吸收入射到其上的全部辐射的物体，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体。称为绝对黑体，简称黑体。黑体辐射：由这样的空腔小孔发出的辐射就称为黑体辐射。黑体辐射：由这样的空腔小

37、孔发出的辐射就称为黑体辐射。辐射热平衡状态辐射热平衡状态: : 处于某一温度处于某一温度 T T 下的腔壁，单位面积所发下的腔壁，单位面积所发 射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相 等时，辐射达到热平衡状态。等时，辐射达到热平衡状态。5252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5353实验发现：实验发现：热平衡时，空腔辐射的能量密度，与辐射的波热平衡时，空腔辐射的能量密度，与辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温

38、度 T 有关有关而与黑体的形状和材料无关。而与黑体的形状和材料无关。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5454Wien 公式公式 Wien 公式在短波部分与实验还相符合，长波部公式在短波部分与实验还相符合，长波部分则明显不一致分则明显不一致。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5555n究竟是什么机制使空腔的原子产生出所观察究竟是什么机制使空腔的原子产生出所观察到的黑体辐射能量分布，对此问题的研究导到的黑体辐射能量分布，对此问题的研究导致了量子物理学的诞生。致了量子物理学的诞生。 1900年12月14日Planck 提出： 如果空腔内的

39、黑体辐射和腔壁原子处于平衡，如果空腔内的黑体辐射和腔壁原子处于平衡，那么辐射的能量分布与腔壁原子的能量分布就应那么辐射的能量分布与腔壁原子的能量分布就应有一种对应。作为辐射原子的模型，有一种对应。作为辐射原子的模型，Planck 假定：假定：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5656该式称为该式称为PlanckPlanck辐射定律辐射定律Planck 线线能量密度能量密度 (104 cm)0510（1 1）原子的性能和谐振子一样，以给定的频率）原子的性能和谐振子一样，以给定的频率 v v 振荡；振荡；（2 2）黑体只能以）黑体只能以 E = hv E = hv 为

40、能量单位不连续的发射和吸收辐射能量，为能量单位不连续的发射和吸收辐射能量， 而不是象经典理论所要求的那样可以连续的发射和吸收辐射能量。而不是象经典理论所要求的那样可以连续的发射和吸收辐射能量。 dkThChd 1)/exp(18331918年诺贝诺贝尔物理学奖学奖第第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57571.基尔霍夫定律 1860年，基尔霍夫发现物体的辐射出射度与物体的吸收比之间有内在联系。T,MT,T,MB11 即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，这就是基尔霍夫定律。),(),(TaTT)(,MT)(,MBe物体的光谱发射

41、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。也就是强吸收体强吸收体必然是强发射体必然是强发射体。物体的光谱发射率5858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2.普朗克辐射公式) 1(),(/512TCebecTM)(1043879. 1/)(1074. 322221621mKkhccWmhcc在短波区或温度不高的情况下TcebecTM/512),(59黑体辐射光谱分布的特点黑体辐射光谱分布的特点Mbb ，曲线连续变化，每条曲线只有一个最大值。M bb= T4，随着温度的增加，全辐出度迅速增大（曲线下面积增大）。每条曲线互不相交。mT =b， T m 。黑

42、体辐射只与黑体的绝对温度有关。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6060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3. 斯蒂芬(Stefan)玻耳兹曼定律 d0e），（TMBTMB式中 =5.6710-8Wm-2K-44. 维恩位移定律bTm44442115TTccMb常数 b=2898.80.4mK61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利用维恩位移定律可以计算出人体、太阳等辐射源的辐射峰值波长。人体太阳m 4 . 9 ,310kmT太阳辐射50%以上的能量在可见和紫外区。人体辐射的能量几乎全部在红外区。近似为黑

43、体m 48. 0 , k0006mT人体 （370 ）3 10k m 9.4 m太阳 6000k m 0.5 m沸水锅炉 （1000） 373k m 8.0 m喷气式飞机发动机 800k m 3.6 m6262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 为把黑体辐射定律推广到实际物体的辐射中，引入一个叫发射率的量，来表征实际物体的辐射与黑体辐射的接近程度。物体发射率 的定义：(T) (T)bbMM表示：该物体在温度T 时的辐射出射度与同一温度黑体的相应辐射出射之比。 越大，物体的辐射特性与黑体越接近。6363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

44、1.3.2 光电效应光电效应的定义光电效应的定义因光照而引起物体电学特性的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1905年发表的相对论而闻名于世，而他在1925年获得诺贝尔奖是由于他对发现光电效应的贡献。 6464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（1879-1955） 实验：实验：微弱紫光能从金属表面打出电子，而很强的微弱紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能从金属表面打出电子。红光却不能从金属表面打出电子。 按照光量子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功，从金属表面

45、打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少，但是每个光量子的能量却足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红光，光量子的数目虽然很多，但每个光量子的能量不够大，不足以克服电子的逸出动，所以不能打出电子来。19251925年因此获得诺贝尔物理学奖年因此获得诺贝尔物理学奖爱因斯坦爱因斯坦 6565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内内光电电效应应 光电导效应：电导率发生变化 光伏效应：产生光电势外光电电效应应 光电发射效应：当光照射到物体上使物体向真 空中发射电子6666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光电电导导效应应的定义的定义1、光照变

46、化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。2、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。 1.光电导效应6767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稳态稳态光电电流流 1、半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导。 2、有光照时为亮态，此时具有亮电导。如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。 3、亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。 6868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2.PN结光伏效应1）结电场的形成浓度差使载

47、流子发生扩散运动内电场的形成浓度差浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由杂质离子形成空间电由杂质离子形成空间电荷区荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 多子的扩散和少子的漂多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。移达到动态平衡。 6969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pnpn0Up-n结结在在p-n结处形成一定的电结处形成一定的电势差势差U0，这个电位差叫做这个电位差叫做接触电位差，通常也称接触电位差，通常也称为内建电势。一般硅为内建电势。一般硅PN结的接触电位差为结的接触电位差为0

48、.5-0.8V，锗，锗PN结的接触电结的接触电位差为位差为0.1-0.3V7070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2）光生伏特效应光生伏效应的定义光照变化引起均匀或不均匀半导体材料中光生电子和空穴分开而产生电位差的现象称光生伏效应。在不均匀半导体中，主要由势垒效应产生的光生伏效应。在均匀半导体中，无法形成势垒效应，主要由光生载流子浓度梯度产生的光生伏效应。7171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光生载流子浓度梯度产生的光生伏效应1、当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征

49、吸收所激发的少数载流子。2、光生载流子形成梯度扩散（少子扩散）。3、形成与内建电场相反的光生电动势。7272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由势垒效应产生的光生伏效应1、N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。2、当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。3、 产生内建电场，方向为从N区指向P区。7373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4、在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流

50、子停止流动为止。5. 光照时, P区光生电子(少子)向结区扩散, N区光生空穴(少子)向结区扩散, PN结内建电场将P区光生电子拉向N区, 将N区光生空穴拉向P区, 形成与内建电场相反的光生电动势。7474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3.光电发射效应1）光电发射定律 金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hv足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关爱因斯坦定律02021Amvhv斯托列托夫定律饱和光电流与被阴极所吸收的光通量

51、成正比gpSI7575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光电发射的基本过程光电发射的基本过程 1 1、光射入物体后，物体中的电子吸、光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。空能级的激发态。 2 2、受激电子从受激地点出发，在向、受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。晶格发生碰撞，而失去一部分能量。 3 3、达到表面的电子，如果仍有足够、达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚的能量足

52、以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。（即逸出功）时，即可从表面逸出。7676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好发光材料的应该是：好发光材料的应该是：（1 1）对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发。）对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发。（2 2）受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过）受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少。程中损失的能量少。（3 3）材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较）材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出。容易地逸出。（4 4）另外，作为光

53、电阴极，其材料还要有一定的电导率，）另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。7777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2）物质的逸出功和红限频率 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。 光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的电子逸出功A0 。这说明每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或长波限。 光线频率低于红限频率，其能量就不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射； 入射光频率如

54、果高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。 7878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3）半导体材料的阈值波长光电子发射的逸出功为AgEEA0Eg是半导体禁带宽度，EA称为电子亲和势。即半导体材料光电发射的能量阈值为 Eth=Eg十EA0maxmaxAhcEhcth或半导体材料的阈值波长)(/24. 1/24. 10maxmaxmAEth或7979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1.4 光电探测器的噪声和特性参数光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变

55、像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电检测器8080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市场上探测器给市场上探测器给出的主要指标出的主要指标8181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8282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1.4.1 光电探测器中的噪声n在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实

56、质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。理量围绕其平均值的涨落现象。01( )TIii t dtTl用均方噪声来表示噪声值大小用均方噪声来表示噪声值大小2201=( ) ( )( )T2nii ti ti tdtT8383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S (f )数值定义为频率f的噪声在1 电阻上所产生的功率，即S ( f ) = 2ni一般光电检测系统的噪声包括右上图所示三种：(1)光子噪声包括：信号辐射产生的噪声和背景辐射产生的噪声。(2)探测器噪声包括：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1f噪声和温度噪声。(3)信号放大及处理电路噪声。8484第第1 1章

57、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噪声在实际的光电探测系统中是噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。特别是微弱信号的正确探测。一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。噪声所限制。所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。除噪声是十分重要的问题。8585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

58、识1、热噪声n或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。声。n导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动动( (相当于微电脉冲相当于微电脉冲) )，尽管其平均值为零，但瞬时电，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。声电压。n热噪声存在于任何电阻中，热噪声与热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比温度成正比，与，与频率无关频率无关，热噪声又称为，热噪声又称为白噪声白噪声fRkTvRfkTinn44228

59、686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2、散粒噪声n散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，子从光电阴极表面逸出是随机的，PNPN结中通过结区的载结中通过结区的载流子数也是随机的，产生载流子流的随机涨落。流子数也是随机的，产生载流子流的随机涨落。n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。n散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：器的研究表明：散粒噪声具有支配地位散粒噪声具有支配地位。n

60、例如光伏器件的例如光伏器件的PNPN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。结势垒是产生散粒噪声的主要原因。fqIin228787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3、产生-复合噪声n半导体受光照，载流子不断产生半导体受光照，载流子不断产生- -复合。复合。n在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。)2(1 42022fNfIin8888第第1