光电技术基础

第1章光电技术基础

光具有波粒二象性，即光是以电磁波方式传播的粒子（光子）；光子具有动量和能量，分别表示为：P：光子动量E：光子的能量h：普郎克常数ν：光的振动频率λ：波长长波区射线区光学区电磁波谱380nm~780nm1.1光辐射的度量★另一类是生理的，叫作光度学量，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度，即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接受到辐射量的度量；它适用于可见光谱区。在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类:★一类是物理的，叫作辐射度学量，是用能量单位描述光辐射能的客观物理量；它适用于整个电磁辐射谱区。1.1.1与光源有关的辐射度参数和光度参数1、辐射能和光能

辐射能Qe是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为焦耳

(J)。

光能QV是光通量在可见光范围内对时间的积分，单位为流明秒

(lm·s)。2、辐射通量和光通量

辐射通量Φe：又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。单位为瓦(1W=1J/s)。

光通量ΦV：对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，其光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为光通量，单位为lm

(流明)。

辐射出射度Me：辐射体在单位面积内所辐射的通量，dΦe

是扩展源表面dS在各方向上(通常为半空间立体角)所发出的总的辐射通量，单位为瓦每平方米

(W/m2)。3、辐射出射度和光出射度

光出射度MV：对可见光，光源表面给定点处单位面积内所发出的光通量，称为光源在该点的光出射度。单位为勒克斯(lx)

。4、辐射强度和发光强度

辐射强度

Ie：从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的辐射能，单位为瓦每球面度

(W／sr)。

发光强度

IV：从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的光能，单位为坎德拉(cd)。

各向同性的点光源向所有方向发射的总辐射通量为：一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。坎德拉[cd]：其定义是555nm波长（540×1012Hz）的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1／683Wsr-1时，在该方向上的发光强度为lcd。它是国际单位制中七个基本单位之一。国际单位制中7个基本单位有哪些？热力学温度（开尔文）物质的量（摩尔）发光强度（坎德拉）长度（米）质量（千克）时间（秒）电流（安培）小知识5、辐射亮度和亮度

辐射亮度

Le：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积，θ为给定方向与面元法线间的夹角。单位为(瓦每球面度平方米)。

光亮度LV：光源表面一点处的面元dA在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度。θ为给定方向与面元法线间的夹角。若辐射亮度Le，光亮度LV与光源发射辐射的方向无关，则这样的的光源称为余弦辐射体（或郎伯辐射体）。

黑体是理想的余弦辐射体；粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是近似余弦辐射体。什么是余弦辐射体（或郎伯辐射体）

余弦辐射体的出射度与亮度之间的关系为：6、辐射效率和发光效率

辐射效率ηe：光源所发射的总辐射通量与外界提供给光源的功率之比。无量纲。

发光效率ηV：光源所发射的总光通量与外界提供给光源的功率之比。单位为流明每瓦。1、辐射照度和照度

辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量，单位为(瓦每平方米)。dS是投射辐射通量的面积元。对于理想的散射面，有

Ee=Me

1.1.2与接收器有关的辐射度参数和光度参数

★辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。

照度EV：被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量，称为该点的光照度。单位为勒克斯（lx）

勒克斯(lx)，它相当于lm的光通量均匀地照在1m2面积上所产生的光照度。

距离平方反比定律

☆用点光源照明时，被照面的照度E与光源的发光强度I成正比，而与被照面到光源的距离l的平方成反比。

证明☺如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线的夹角为θ，则：☺对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光出射度与光照度成正比，其中ρ为漫反射率，它小于1，它与表面的性质无关。2、辐照量和曝光量

辐射照量He：将照射到物体表面某一面元的辐射照度Ee在时间t内的积分。单位为(焦耳每平方米)。

曝光量HV：将照射到物体表面某一面元的照度EV在时间t内的积分。单位为(勒克斯秒)。1、关于辐射度量，正确的是（）A、Ee是描述扩展辐射源向外发射的辐射特性；B、Ie为从一个点光源发出的，给定方向上单位立体角内所辐射出的辐射能

；C、对于理想的散射面，有Ee=Me

；D、

Φe是辐射能的时间变化率

小测试2、关于光度量，正确的是（）A、辐射通量的单位为勒克斯

B、发光强度的单位为坎德拉C、光通量的单位为流明D、光照度的单位为坎德拉

3、可见光的波长、频率和光子的能量范围（给出计算公式）各是多少?1、光源的光谱辐射分布参量1.2光谱辐射分布与量子流速率光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度，简称光谱辐射量。同理，光谱光度量可表示为：

光源的相对光谱辐射量：绝对光谱辐射分布曲线任一波长λ处的Xe,λ除以峰值波长λmax处的光谱辐射量最大值Xe,λmax的商。

绝对光谱辐射分布曲线：光源的辐射度参量Xe,λ随波长λ的分布曲线。

相对光谱辐射分布：相对光谱辐射量Xe，λr与波长λ的关系。光源在波长λ1～λ2范围内发射的辐射通量为：光源在波长0～

∞范围内发射的总辐射通量为：光源在波长λ1～λ2范围内发射的辐射通量与总辐射通量之比称为光源的比辐射：光源在给定波长λ处，将λ～λ＋dλ范围内发射的辐射通量dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,λ:2、量子流速率1.3、物体热辐射物体通常以两种形式发射辐射能：

⑴热辐射：凡高于绝对零度的物体都具有发射辐射的能力，其光谱辐射量Xe,λ是波长λ和温度T的函数。

热辐射体：凡能发射连续光谱，且辐射是温度函数的物体，如：一切动植物体、太阳、钨丝白炽灯。

热辐射（或温度辐射）：物体靠加热保持一定温度使内能不变而持续辐射的辐射形式。钢铁加热过程：在温度较低（400℃以下）时，它辐射不可见的红外光；加热到500℃左右，开始发射出暗红色的可见光；随着加热温度的逐渐提高，波长较短的辐射逐步增多；大约在1500℃时发出白光，其中还有相当多的紫外光。观察发现为什么？

⑵发光：靠外部能量激发的辐射。发光光谱是非连续光谱，且不是温度的函数。发光光谱主要是线光谱或带光谱。发光有电致发光、光致发光、化学发光、热发光、摩擦发光等等。

能够完全吸收从任何角度入射的任意波长的外来辐射而无任何反射，并且在每一个方向上都能最大限度地发射任意波长辐射能的的物体。吸收系数为1

，发射系数为1。1.3.1黑体辐射定律1、黑体

黑体表面向半球空间发射波长为λ的光谱，其辐射出射度Me,s,λ是黑体温度T和波长λ的函数。2、普朗克辐射定律

黑体表面向半球空间发射波长为λ的光谱，其辐射亮度Le,s,λ和辐射强度Ie,s,λ为：

黑体发射的总辐射出射度为3、斯忒藩－玻尔兹曼定律黑体辐射的总辐射出射度只和温度有关，并与温度的四次方成正比。

波长取多少时黑体发射的辐射出射度Me,s,λ最大？有多大？

温度越高，波长λm越短，即当温度升高时，峰值光谱辐射出射度所对应的波长向短波方向移动。4、维恩位移定律例题假设将人体作为黑体，正常人体温为36.5℃。计算：⑴正常人发出的辐射出射度；⑵正常人体的峰值辐射波长及峰值光谱辐射出射度；⑶人体发烧到38℃时的峰值辐射波长及峰值光谱辐射出射度；辐射体按辐射本领可分为黑体和非黑体；非黑体包括灰体

和选择性辐射体，也有混合辐射体；

对于各种波长的电磁波的吸收系数为常数且与波长无关的物体，其吸收系数介于0与1之间的物体。

凡不服从黑体辐射定律的辐射体。1.3.2、热辐射体的分类及其温度表示1、热辐射体的分类⑴辐射温度Te:当热辐射体发射的总辐射通量与黑体的总辐射通量相等时，以黑体的温度标度该热辐射体的温度。⑵色温Tf：

当热辐射体在可见光区域发射的光谱辐射分布与某黑体的可见光谱辐射分布相同时，以黑体的温度来标度该热辐射体的温度。2、热辐射体的温度表示⑶亮温度TV：

当热辐射体在可见光区某一波长λ0的辐射亮度与黑体在同一波长λ0的辐射亮度相同时，以黑体的温度来标度该热辐射体的温度。1.4、辐射度参数和光度参数的关系

明视觉：锥状细胞只对亮度超过10-3cd/m2的光才敏感，其敏感的光谱范围为可见光，在555纳米处最为敏感，而且能分辨颜色。这种视觉功能称为明视觉或锥体细胞视觉；

暗视觉：亮度低于10-3cd/m2的时，柱状细胞起作用。其敏感的光谱范围为0.33微米~0.73微米，在507纳米处最为敏感，不能分辨颜色。这种视觉功能称为暗视觉或夜间视觉；

人眼对各种波长的光的感光灵敏度是不一样的，一般情况下，对绿光最灵敏，对红光灵敏度较差。

视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。对于明视觉，刺激程度平衡条件为：其中：Km为555纳米处的光度量对辐射度量的转换常数。光度参量辐射度参量对于暗视觉，刺激程度平衡条件为：光度参量辐射度参量其中：为507纳米处的光度量对辐射度量的转换常数。1、已知某激光器的输出功率为3mW，波长视见函数为0.24，试计算其发出的光通量。例题2、Ｈe-Ne激光功率Ｐ＝lmw，波长λ＝633nm，光束的截面积A=1mmxmm,光束的发散角Ω＝10-3sr，求激光的亮度L。一、能带理论1.5半导体基础1、原子中电子的能级★能级：在孤立原子中，原子核外的电子绕原子核运动，它们具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态称为量子态。每一量子态所取的确定能量称为能级。介于各能级之间的量子态是不存在的。2、晶体中电子的能带★能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。★禁带：晶体中允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。

★价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。

★导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。

允许带（导带）允许带（价带）允许带（满带）禁带禁带★导带的底能级表示为Ec（或E-），价带的顶能级表示为Ev（或E+）

，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。导带价带禁带二、半导体基础知识☺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，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。价带导带禁带(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。这样有些电子在原来热运动上迭加定向运动而形成电流。价带导带禁带★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，所以导带电子是可以导电的。价带导带禁带☺价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是：能给电子提供足够能量的外界作用、电子跃入的能级是空的。价带导带禁带N型半导体P型半导体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，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，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。

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，称为热平衡状态，此时的载流子成为热平衡载流子，它的浓度即为某一稳定值。三、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布规律。★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费米-狄拉克函数给出，即

热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中能态（或能级）的分布，二是这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。f(E)：费米分布函数，能量E的概率函数k：波耳兹曼常数，1.38×10-23J/KT：绝对温度EF：费米能级(绝对零度时的电子的最高能级)费米-狄拉克函数曲线当E=EF时，f(E)=1/2当E<EF时，f(E)>1/2当E>EF时，f(E)<1/2★若(E－EF)>>kT时

随着E的增加，f(E)迅速减小，所以导带中的大部分电子的能量是在导带底EC附近。同样价带中空穴的绝大部分都在价带顶EV附近。

EF为表征电子占据某能级E的概率的“标尺”，它定性表示导带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。对于本征半导体

EF≈(EC+EV

)/2

一般，费米能级在禁带中，(E－EF)比kT

大得多。所以半导体的导带电子浓度n和价带空穴浓度p分别为：N－为导带的有效能级密度N＋为价带的有效能级密度ni称为半导体的本征载流子浓度对本征半导体而言n=p

对于一种确定的半导体，不管它是本征半导体还是杂质半导体，也不管掺杂的程度如何，在热平衡状态下，两种载流子的浓度乘积必定等于一个常数——本征载流子浓度的平方。a)重掺杂P型

b)轻掺杂P型

c)本征型d)轻掺杂N型

e)重掺杂N型小测试半导体的费米能级图如下图所示，以下表述中正确的是（

）A、（1）是本征半导体（2）是N型半导体（3）是P型半导体B、（1）是本征半导体（2）是P型半导体（3）是N型半导体C、（1）是N型半导体（2）是P型半导体（3）是本征半导体D、（1）是P型半导体（2）是N型半导体（3）是本征半导体四、非平衡载流子

半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用、温度变化）时，载流子浓度要随之发生变化，此时系统的状态称为非热平衡态。载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为非平衡载流子。1、产生非平衡载流子的方法对于弱光注入

n=n0+Δn≈n0

p=p0+Δp≈Δp此时受影响最大的是少子浓度，可认为一切半导体光电器件对光的响应都是少子行为。例如：一N型硅片，室温下，n0=5.5×1015cm-3，p0=3.5×104cm-3；弱光注入下，Δn=Δp=1010cm-3，此时非平衡载流子浓度

n=n0+Δn=5.5×1015+1010≈5.5×1015cm-3

p=p0+Δp=3.5×104+1010≈1010cm-3非平衡载流子寿命

τ（1）非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。（2）当非平衡载流子的浓度衰减到原来的1/e所需的时间。（3）它表征非平衡载流子的复合的快慢，τ小表示复合快，τ大表示复合慢。2、非平衡载流子的寿命3、载流子的运动

在电场作用下，任何载流子都要作漂移运动。一般情况下，少数载流子比多数载流子少得多，因此漂移电流主要是多数载流子的贡献。在扩散情况下，只有光照所产生的少数载流子存在很大的浓度梯度，所以对扩散电流的贡献主要是少数载流子。1.6半导体对光的吸收1、物体对光吸收的一般规律

当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的e-1时所通过的路程xα的倒数等于该物质的吸收系数。2、半导体对光的吸收

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，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光电器件的工作基础。⑴本征吸收

产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁带宽度。即截止波长⑵杂质吸收

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），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。⑶自由载流子吸收

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，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。⑷激子吸收

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，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，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。⑸晶格吸收

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，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。

在这几种吸收中，只有本证吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其它吸收把辐射能转换成热能，使器件温度升高。1.7光电效应

当光照射到物体上使物体发射电子、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的改变统称为光电效应。

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。外光电效应——物体受到光照后向真空中发射电子的现象，也称光电发射效应。这种效应多发生在金属和金属氧化物。光电效应分类：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。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。1、光电导效应

光照变化引起半导体材料电导变化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。1.7.1、内光电效应

光电导体的灵敏度：在一定光强下光电导的强弱。光电导体的灵敏度与材料性质有关的常数。（1）在微弱辐射作用下，光电导体的灵敏度与光电导材料两个电极间距的平方成反比。而且半导体的光电效应与入射辐射通量是线性关系。为了提高光电导体的灵敏度，需要将光敏电阻的形状制造成蛇形。光电导灵敏度Sg（2）在强辐射作用下，半导体的光电效应与入射辐射通量是非线性关系。当辐射很强时，变为抛物线关系。指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。

当光照均匀半导体一部分时，由于光生载流子的浓度梯度不同而引起载流子的扩散运动，但电子和空穴的迁移率不同而导致两种载流子分开，从而出现光生电势，这种现象称为丹倍效应。2、光生伏特效应⑴丹倍效应①热平衡态下的P-N结在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、Eν之间的关系与结形成前状态相同。⑵势垒效应

N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。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。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下，EFN将连同