光电子器件的基本特性

光辐射的度量光电探测器的响应特性光电子器件的探测率光吸收1.1光电器件的基本特性光辐射的度量

光辐射的度量方法有两种:一种是客观的度量方法,研究各种电磁辐射的传播和量度,称为辐射度学参量.适用于整个电磁谱区.另一种是主观的计量方法,以人眼见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法,称为光度学参量.适用于可见光谱区.人眼对不同波长的辐射能有不同的灵敏度,不同波长的可见光即使辐射功率相同,引起的视觉感受强度不同.为了区分辐射度和光度学量，在光度学量后面加分角标Φ.光通量：从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度；单位时间内，人眼所感受到的光能。与辐射波长及人眼的视见函数有关。

以符号Φ表示，

Φ的计量单位为流(明)（lm）。(1)辐（射）通量和光通量显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，而光通量对时间的积分称为光能。辐（射）通量：以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能。又称辐（射）功率。以符号P表示，其计量单位为瓦（W）。

对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie，即

辐(射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度[W／sr]。

点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量为

各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为

(2)辐(射)强度和发光强度对可见光定义发光强度为对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为

一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。

发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎[cd]。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉定义为：在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明（lm）。

发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4πIＶ＝12.566lm。

光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即

式中，θ为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2）]。

(3)辐(射)亮度和亮度

对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即

Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。

辐照度Ee是照射到物体(或接收器)表面某一点处面元的辐通量dΦe除以该面元的面积dA的商，即Ee的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。

(4)辐照度与照度

对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即Ev的计量单位是勒（克司）[lx]。

光照度光学系统统CCD2辐射度参参数与光光度参数数是从不同同角度对对光辐射射进行度度量的参参数，这这些参数数在一定定光谱范范围内（（可见光光谱区））经常相相互使用用，它们们之间存存在着一一定的转转换关系系；有些些光电传传感器件件采用光光度参数数标定其其特性参参数，而而另一些些器件采采用辐射射度参数数标定其其特性参参数。因此,掌掌握了它它们之间间的转换换关系，，就可以以对用不不同度量量参数标标定的光光电器件件灵敏度度等特性性参数进进行比较较。辐射度参参数与光光度参数数的关系系用各种单单色辐射射分别刺刺激正常常人（标标准观察察者）眼眼的锥状状细胞，，当刺激激程度相相同时，，发现波波长0.555μm处处的光谱谱辐射亮亮度Le,λm小于其它它波长的的光谱辐辐亮度Le,λ。把波长长=0.555μm的的光谱辐辐射亮度度Le,λm被其它波波长的光光谱辐亮亮度Le,λ除得的商商，定义义为正常常人眼的的明视觉觉光谱光视视效率V（λ），，即人眼的视视觉灵敏敏度555nm→1550nm→0.995580nm→0.870640nm→0.175人眼的光谱光视视效率V（λ)图图谱辐射度参参数与光光度参数数的关系系：式中，Cm为人眼的的明视觉觉最灵敏敏波长的的光度参参量对辐辐射度参参量的转转换常数数，其值值为683lm/W。V（λ)为为人眼的的光谱光光视效率率。对于给定定色温的的光源，，K为一一定值，，称为光光源的视视觉效能能。例:已知某He-Ne激光器的的输出功功率为3mW，试计算算其发出出的光通通量为多多少lm？解He-Ne激光器输输出的光光为光谱谱辐射通通量，根根据式（（21）可以计计算出它它发出的的光通量量为Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)黑体发射射的总辐辐射出射射度（24））式中，σ是斯特藩藩-波尔兹曼曼常数，，它由下下式决定定黑体发射射的总辐辐射出射射度Me,s与T的四次方方成正比比。斯忒藩-波尔兹兹曼定律律峰值光谱谱辐射出出射度所所对应的的波长λm与绝对温温度T的关系为为(μm)可见，峰峰值光谱谱辐出度度对应的的波长与与绝对温温度的乘乘积是常常数。当温度升升高时，，峰值光光谱辐射射出射度度对应的的波长向向短波方方向位移移，这就就是维恩恩位移定定律。维恩位移移定律1).光光谱响应应率2.光电电探测器器的响应应特性光谱灵敏敏度符号号为Rλ指的是光光电器件件对单色辐辐射通量量的反应应。即在在单色(波长为为λ的一一个很小小的范围围内)辐辐射功率率在dP作用下下产生的的信号电电压(电电流)光谱响应应率随波波长分布布的曲线线称为光光谱响应应曲线。。2).响响应率(积分响响应率)指的是光光电器件件对连续续辐射通通量的反反应。即即，器件件输出信信号与输输入功率率之比。。响应率反反映了器器件的灵灵敏程度度，又称称为灵敏敏度或积积分灵敏敏度。响应率是是光辐射射度量学学的响应应率光度响应应率光度响应应率与辐辐射响应应率之间间的关系系为：其中，K为视觉觉效能3).光光谱响应应率与响响应率的的关系定义：光光源功率率谱密度度：单位位波长范范围内的的辐射功功率定义：归归一化光光源功率率谱密度度：单位位波长范范围内的的辐射功功率响应率：：光度响应应率：α称为器器件同光光源的光光谱匹配配系数，，它反映映了器件件响应波波长范围围同光源源光谱的的吻合程程度。可可以用光光谱响应应曲线所所围面积积形象的的表示为为：光源固定定，面积积A1不不变，吻吻合程度度越大，，面积A2越大大。见图图1-41).最最小探测测功率(噪声等等效功率率NEP)：：当探测器器输出信信号电流流Is（（或电压压Vs））等于噪噪声的均均方根电电流（或或电压））时，所所对应的的入射辐辐通量Φe称为等效噪声声功率NEP，即信噪比比等于1时所需需要的最最小输入入光信号号的功率率，称为为最小探探测功率率3光电电子器件件的探测测率用NEP描述探探测器探探测能力力的一个个不方便便之处是是数值越越小，表表示探测测器的探探测能力力却越强强，相对对缺乏直直观性。。为此一一般引入入NEP的倒数数——探测率D来表示探探测器的的探测能能力由于探测测率与探探测器面面积以及及测量系系统的带带宽有关关，对于于比较不不同类型型、不同同工作状状态探测测器的探探测性能能存在不不便，为为此，更更常用的的是采用用比探测测率D*即用单位位测量系系统带宽宽和单位位探测器器面积的的噪声电电流来衡衡量探测测器的探探测能力力。4.光吸吸收1).光光吸收模模型：光光强的减减少量与与入射光光强和厚厚度成正正比样品吸收收的光强强度:当d=1／α时时，约有有64％％的光被被吸收，，d称为为吸收厚厚度。本征吸收收:(半半导体光光电器件件最主要要的光吸吸收)在不考虑虑热激发发和杂质质的作用用时，半半导体中中的电子子基本上上处于价价带中，，导带中中的电子子很少。。当光入入射到半半导体表表面时，，原子外外层价电电子吸收收足够的的光子能能量，越越过禁带带，进入入导带，，成为可可以自由由运动的的自由电电子。同时，在在价带中中留下一一个自由空穴穴，产生生电子-空穴对。如图图1-9所示，半半导体价带电子子吸收光光子能量量跃迁入导带带，产生生电子空空穴对的现象象称为本征吸收收。2)半导导体对光光的吸收收显然然，，发发生生本本征征吸吸收收的的条条件件是是光光子子能能量量必必须须大大于于半半导导体体的的禁禁带带宽宽度度Eg，才才能能使使价价带带EV上的的电电子子吸吸收收足足够够的的能能量量跃跃入入到到导导带带底底能能级级EC之上上，，即即由此此，，可可以以得得到到发发生生本本征征吸吸收收的的光光波波长波波限限（32））（33））只有有波波长长短短于于的的入入射射辐辐射射才才能能使使器器件件产产生生本本征征吸吸收收，，改改变变本本征征半半导导体体的的导导电电特特性性。杂质质吸吸收收:N型半半导导体体中中未未电电离离的的杂杂质质原原子子（（施施主主原原子子））吸吸收收光光子子能能量量hv。若若hv大于于等等于于施施主主电电离离能能ΔΔED，杂杂质质原原子子的的外外层层电电子子将将从从杂杂质质能能级级（（施施主主能能级级））跃跃入入导导带带，，成成为为自自由由电电子子。。同样样，，P型半半导导体体中中，，价价带带上上的的电电子子吸吸收收了了能能量量hv大于于ΔΔEA（受受主主电电离离能能））的的光光子子后后，，价价电电子子跃跃入入受受主主能能级级，，价价带带上上留留下下空空穴穴。。相相当当于于受受主主能能级级上上的的空空穴穴吸吸收收光光子子能能量量跃跃入入价价带带。。这两两种种杂杂质质半半导导体体吸吸收收足足够够能能量量的的光光子子，，产产生生电电离离的的过过程程称称为为杂质质吸吸收收。显然然，，杂杂质质吸吸收收的的长长波波限限由于于Eg>ΔΔED或ΔΔEA，因因此此，，杂杂质质吸吸收收的的长长波波长长总总要要长长于于本本征征吸吸收收的的长长波波长长。。杂杂质质吸吸收收会会改改变变半半导导体体的的导导电电特特性性，，也也会会引引起起光光电电效效应应。。激子子吸吸收收当入入射射到到本本征征半半导导体体上上的的光光子子能能量量hv小于于Eg，或或入入射射到到杂杂质质半半导导体体上上的的光光子子能能量量hv小于于杂杂质质电电离离能能（（ΔΔED或ΔΔEA）时时，，电电子子不不产产生生能能带带间间的的跃跃迁迁成成为为自自由由载载流流子子，，仍仍受受原原来来束束缚缚电电荷荷的的约约束束而而处处于于受受激激状状态态。。这这种种处处于于受受激激状状态态的的电电子子称称为为激子子。吸吸收收光光子子能能量量产产生生激激子子的的现现象象称称为为激子子吸吸收收。显显然然，，激激子子吸吸收收不不会会改改变变半半导导体体的的导导电电特特性性。。自由由载载流流子子吸吸收收对于于一一般般半半导导体体材材料料，，当当入入射射光光子子的的频频率率不不够够高高时时，，不不足足以以引引起起电电子子产产生生能能带带间间的的跃跃迁迁或或形形成成激激子子时时，，仍仍然然存存在在着着吸吸收收，，而而且且其其强强度度随随波波长长增增大大而而增增强强。。这这是是由由自自由由载载流流子子在在同同一一能能带带内内的的能能级级间间的的跃跃迁迁所所引引起起的的，，称称为为自由由载载流流子子吸吸