现代光电检测技术

现代光电检测技术禹忠参考书目《光电检测技术》曾光宇等编著清华大学出版社《光电检测技术与应用》郭培源付扬编著北京航空航天大学出版社《激光光电检测》吕海宝等编著国防科技大学出版社《光电检测技术》雷玉堂等编著中国计量出版社Genesis1:1-5,TheBible(TheAuthorizedVersion)

InthebeginningGodcreatedtheheavenandtheearth.Andtheearthwaswithoutform,andvoid;anddarknesswasuponthefaceofthedeep.AndtheSpiritofGodmoveduponthefaceofthewaters.AndGodsaid,Lettherebelight:andtherewaslight.AndGodsawthelight,thatitwasgood:andGoddividedthelightfromthedarkness.AndGodcalledthelightDay,andthedarknesshecalledNight.Andtheeveningandthemorningwerethefirstday.创世纪1:1-5（和合本翻译）

起初神创造天地。地是空虚混沌，渊面黑暗；神的灵运行在水面上。神说：“要有光”，就有了光。神看光是好的，就把光暗分开了。神称光为昼，称暗为夜。有晚上，有早晨，这是头一日。2023/2/5光是如何产生的？1Å=10–10

米=0.1纳米光子给予电子具有了排斥这种引力的能量

从广义上来讲，光指的是光辐射，按波长可分为X射线、紫外辐射、可见光和红外辐射等。

而从狭义上讲，人们所说的“光”指的就是可见光，即对人眼产生目视刺激而形成“光亮”感的电磁辐射。光的电磁波谱

电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（

～Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。

光同时具有波和粒子的双重性质，即波粒二象性。光电磁波理论量子理论光学与现代科技光学是一门既古老又年轻的学科，是物理学中一个重要的分支。通过分析100多年来的诺贝尔物理学奖我们发现：与光学直接或间接相关的获奖成果有40多项。这些获奖的光学研究工作对于物理学的发展起到了非常重要的作用。特别值得一提的是无论是相对论还是量子力学的建立，都与光学的发展密切相关。例如：相对论的基本假定之一就是光速不变原理；而量子力学的建立则是从对黑体辐射（普朗克）、氢原子的光谱结构（玻尔）以及光电效应（爱因斯坦）的讨论开始的。光电子技术光学Optics

（古希腊）以几何光学和物理光学为基础各种光学仪器和设备（显微镜、望远镜、照相机、经纬仪、光谱仪）。以电磁辐射为研究对象（黑体辐射）以光与物质相互作用为主要研究内容（光电效应、光探测器、新型光源）。电子学Electronics(1910年)

研究电子运动的各种物理过程和物理现象并加以广泛利用的科学。研究电波的振荡、传播，电信号的放大、变换，频率的稳定，混合，检波等等半导体微电子学。光电子学Opto-electronics(1955)

光学与电子学相结合的产物。将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子学所不可能产生的许多新功能。以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来完成光电子技术。光子学Photonics(1970)

关于光子的科学及其应用。“从电子学类推，光子学一词描述光子在信息传输中的应用，包括光子束的产生、导波、偏转、调制、放大，图象处理、存储和探测”。激光光子时代的领衔主角。什么是光电检测？光信号接收、处理、变换电信号光电系统框图光源光学系统被测对象光学变换光电转换电信号处理存储显示控制光电转换：由各种光电器件来实现，如光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。光学变换：通过各种光学元件和光学系统，如平面镜、狭缝、透镜、棱镜、光栅、成像系统等来实现，作用是将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态，传播方向变化等）。第一阶段：传统的光学装置及仪器，不能胜任对复杂光信息高速采集和处理的要求。第二阶段：半导体集成电路技术，可以将探测器件及电路集成在一个整体中，也可以将具有多个检测功能的探测器件集成在一个整体中。其价格低，体积小。例如，将图形、物体等具有二维分布的光学图像转换成电信号的检测器件是把基本的光电探测器件组成许多网状阵列结构，引人注目的器件CCD就是一种将阵列化的光电探测与扫描功能一体化的固态图像检测器件。它是把一维或二维的光学图像转换成时序电信号的器件，能广泛应用于自动检测、自动控制，尤其是图像识别技术。像自动指纹识别系统（AFIS)。光电检测技术的发展第三阶段：光导纤维传感器的出现，为光电检测技术的小型化等开辟了广阔的前景。光纤检测可以解决传统检测技术难以解决或无法解决的许多问题。例如，在噪声、干扰、污染严重的工业过程检测，或者在海洋、反应堆中，自动监测设备或智能机器人，必然会受到高压、高温、辐射等极端困难的条件，光纤检测技术具有其独特的智能化的优越性。由于光信息传输的独特优点，光纤检测智能化将比其他检测技术更具有吸引力。展望：随着微处理技术的发展以及光电检测技术与它的紧密结合，光电检测技术越来越智能化。例如:机器人的视觉系统。一、在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….现代工程装备中，检测环节的成本约占50-70%光电检测技术的应用二、检测技术在日常生活中的应用

家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：早期肿瘤检测---正电子扫描（PET）三、检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。美国国家导弹防御计划---NMD四、检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学神州飞船：185台（套）仪器装置五、检测技术在航天领域的应用通过上面的学习我们可以看出，光电系统的共同特点是:通过光电检测——所有被研究的信息都将通过各种效应（机、热、声、电、磁）调制到光载波上，然后将携带被研究的信息光载波转换为电信号，并通过电子线路和计算机的综合处理，实现光学仪器的自动化。因此，光电检测作为光电系统的一种共性技术具有重要的意义。所谓光电检测，指的是对光信号的调制变换和接收解调两个主要方面。高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速度：光速是最快的。远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。无电磁干扰：光波不受电磁波干扰。非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。光电检测技术的特点1.1辐射度学与光度学本专题学习要求：1.了解辐射度学和光度学的基本参量2.掌握各辐射度参量，以及各光度学参量之间的关系辐射度学辐射度学（Radiometry），它的产生是为了对光辐射场和通过光学系统的能量流进行定量描述，它是用能量单位描述光辐射能的客观物理量，适用于整个电磁波段。辐射度学的特点1.辐射度学应用辐射度单位体系中，辐通量（又称辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射体有关的量，其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。2.辐射度学适用于整个电磁波段。辐射度的相关物理量量的名称符号定义式单位单位符号辐射能焦耳J辐射能密度焦耳/J/辐射通量瓦W辐射出射度瓦/W/辐射强度瓦/球面度W/sr辐射亮度瓦/*球面度W/*sr辐照度瓦/W/辐射能辐射场含有的总能量或者说以辐射形式发射、传播到接收器的总能量称为辐(射)能(Radiantenergy)，用符号表示，其计单位为焦耳(J)辐射能密度

单位体积内的辐射能称为辐射能密度。它表征辐射能量的空间特性，可以用它的体密度来表示，其定义式为：式中

为单位体元dV的辐射场的辐射能，辐射能密度单位是焦耳/米3（J/m3）。辐射通量

辐射通量(Radiantflux)，又称辐射功率是指在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐射能，即辐射能的时间变化率，其表示式为：式中，dQe是在dt时间内转移的能量。辐射通量的单位为瓦（1W=1J/s）。辐射强度

从一个点光源发出的，在单位时间内，单位立体角（锥面所围成的空间区域称为立体角。它的数学定义为以球心为顶点的锥面在球的表面切割出的面积与球半径的平方比值。由此可得，一个锥体的顶端在球心，底在球面上，底面积等于球半径的平方，这锥体所包的立体角就称为单位立体角）所辐射出的能量称为辐射强度（Radiantintensity），其表达式为：式中dΦe为辐射源在dω立体角（Solidangle）所辐射出来的辐射功率。辐射强度的单位是瓦(特)每球面度（W/sr）。立体角：数学定义辐射出射度

辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率称为辐射出射度（Radiantexitance）或称为辐射发射度，计量单位是瓦/米2（W/m2），其表达式为：式中dΦe为辐射源在各方向上（通常为半空间立体角

）所发出的总的辐射通量。引入辐射出射度概念，是为了描述面辐射源表面上各微面源所发出的辐射通量差异。辐照度

将照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe,除以该面元的面积dA的商，称为辐照度(Radiantirradiance)，其表达式为：辐照度的单位为瓦/米2（W/m2）。

请注意，辐射出射度与辐照度的表达式和单位完全相同，其区别在于辐射出射度描述的是面辐射源的向外发射的辐射特性，而后者描述的是辐射接收面所接收的辐射特性。辐照度

平面角度大小的定义（弧长除以半径）推广到三维空间中，定义“立体角”为：球面面积与半径平方的比值辐射亮度

辐射亮度(Radiance)Le是单位投影面积、单位立体角上的辐出度。即在与辐射表面dA的法线成θ角的方向上，辐射亮度等于该方向上的辐射强度dIe与辐射表面在该方向垂直表面上的投影面积之比，其表达式为：式中dA为光源的表面元；θ为光源表面的法线与给定方向的夹角。

辐射亮度的单位为瓦/米2×球面度（W/(m2×sr)）。通常Le的数值与辐射源的性质有关，并随给定方向而变。若Le不随方向而变，则Ie正比于cosθ,即：式中I0是面元dA沿其法线方向的辐射强度。满足上式的特殊光源称为余弦辐射体，也称均匀漫反射体或朗伯体。光谱辐射分布任何辐射源发射的辐射能或辐通量均有一定的光谱分布特性,也就说在不同的波长上基本辐射量的值是不同的。前面介绍的几个基本辐射量，都有相应的光谱辐射量。光谱辐射量又称为辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率。

定义

为辐射场在波长处的单位波长间隔内的辐通量，其计量单位为瓦每微米或瓦每纳米，由此则可以得到所有波长的总辐射通量为:其他的辐射参数，如辐射出度、辐射强度、辐射亮度等，可以类似地定义光谱辐射量，即:式中，通用符号Xe(λ)是波长的函数，代表辐射场在波长处的单位波长间隔内的光谱辐射量，如光谱辐射出度Me(λ)、光谱辐射强度Ie(λ)、光谱辐射亮度Le(λ)等。注意：

这里必须指出，传统的辐射度学理论能否成立是基于几个假设：其一，辐射能是不相干的，因而不必考虑干涉效应。其次，辐射度学的概念建立在几何光学的基础上。即辐射能在传播过程中，其空间分布不会偏离开一条由几何射线所确定的路线。最后，假设光场的能量流在透明介质（非吸收介质）时候，遵守能量守恒定律。习题一：

1.如果置于各向同性均匀介质的点辐射源辐射强度为Ie,试计算其在整个空间所有方向上发射的辐射能通量.如果是各向异性的点辐射源呢？解答根据辐射强度定义，在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角ω内发射的辐射通量为：在空间所有方向上发射的辐射能通量为：对于各向异性辐射源Ie=Ie(φ,θ),对于φ与θ的定义如图，这样，点辐射源在整个空间发射的辐射通量为：2.黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。证明余弦辐射体的辐射出射度M与辐射亮度L，满足M=πL2.黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。证明余弦辐射体的辐射出射度M与辐射亮度L，满足M=πL解：余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射的通量为：对上式在半球面空间内积分：由上式得到余弦辐射体的M与L关系为：M=πL

光度学光度学（Photometry）是研究可见光辐射强弱的学科，可见光度学实质上是辐射度学的一部分。光度学适用于波长在0.38μm~0.78μm范围内的电磁辐射－可见光波段，它使用的参量称为光度学量。以人的视觉习惯为基础建立。光度学量描述光辐射能为人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度，是生理量。光度学就是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。光度——对光的量度1729年布给为比较天体亮度发明了目视光度计，这标志着光度学的诞生。1760年Lamber创立了光度学的基本体系，成为光度学的重要奠基人。1881年国际电工技术委员会批准烛光为国际标准。1909年美、法、英等国决定用一组碳丝白炽灯来保持发光强度单位,取名为“国际烛光”,符号为“ic”。1937年国际计量委员会决定用铂点黑体作为光度原始标准（即光度基准），并规定其亮度为60熙提(1熙提＝1烛光／厘米)。由此导出的发光强度单位叫坎德拉,符号为“cd”,从1948年1月1日起实行。至此，全世界才有了统一的光度标准。人眼结构人眼感光细胞

人眼的视觉细胞分为两种，它们分别是锥体细胞和杆状细胞。椎体细胞负责感受色彩，它分为视红椎体细胞、视绿椎体细胞和视蓝椎体细胞。杆状细胞负责感光，它对光的灵敏度比锥体细胞强很多。

人对不同波长光的感受人的视觉神经系统对各种不同波长的光的感光灵敏度是不一样的，对绿光最灵敏，对红光、蓝光灵敏度要低得多。国际照明委员会（CIE）根据对许多人的观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率或称视见函数曲线V(λ)对应于亮适应条件下观察到的明视觉的不同波长下的灵敏度，而V’(λ)则是完全暗适应条件下观察到的暗视觉的灵敏度曲线。这可以理解为白天和夜间人眼的光谱光视效率是不同的。V(λ)的峰值在555nm处，V’(λ)的峰值在507nm处。

光度学参量物理量名称符号定义式单位光量lms(流明秒)光通量lm（流明）光出射度lm/m2（流明/米2）发光强度基本量cd坎德拉（流明/球面度）亮度cd/m2(坎德拉/米2)照度lx勒克斯（流明/米2）QvvMvIvLvEvQv=vdtv=IvdωMv=dv/dALv=dIv/(dAcos)Ev=dv/dA光量Qv

光量有时也称为光能，是人眼可见的那部分辐射能，是光通量Φ在可见光范围内对时间的积分：光量的单位为流明•秒（lm•s）。Qv=vdt光通量v

光通量是单位时间内发射(传输或接收)的光能,即光通量是光能的时间分辨率。由于光度量是人眼对相应辐射度量所受到的视觉刺激值,而评定此刺激值的基础是光谱光视效率V(λ),即人眼对不同波长的光能量产生感觉的效率。光谱辐射通量为Φe(λ)的可见光辐射，所产生的视觉刺激量，即光通量为:式中，K(λ)为辐射度量与光度量之间的比例系数。等号左边Φv是光通量，其单位是流明（lm）；等号右边的Φe(λ)是辐射通量，单位是瓦（W），所以K(λ)的单位为流明/瓦Φv(λ)=K(λ)Φe(λ)=KmV(λ)Φe(λ)

K(λ)峰值记为Km，对于明视觉Km=683lm/W。它表明在波长555nm处，即人眼光谱光视效率最大（V(λ)=1）处，光辐射产生光感觉的效能为：1W的辐射能通量产生的光通量为683lm；换句话说，此时1lm相当于1/683W。

总光通量与辐通量之间的关系为：Φv=KmΦe(λ)V(λ)dλ

光出射度

光源表面给定点处单位面积向半球面空间内发出的光通量，称为光源在该方向上的光出射度，计量单位为单位为流明每平方米（lm/m2），其表达式为：式中，dΦv为给定点处的面元dA发出的光通量。MvMv=dv/dA发光强度Iv

光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量，称为光源在该方向上的发光强度：

式中dΦv为光源在给定方向上的立体角元dω内发出的光通量。

发光强度的单位为坎德拉（Candela,记作cd）。坎德拉是国际单位制中7个基本单位之一。其定义为：坎德拉（cd）是一光源在给定方向上的发光强度。该光源发出频率为540×1012赫兹的单色辐射，且在此方向上的辐射强度强度为1/683瓦特每球面度。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dIv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：式中，θ为给定方向与面元法线间的夹角。亮度的法定计量单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。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：式中，dΦv为给定点处的面元dA上的光通量。照度的法定计量单位为勒克斯（lx）（lm/m2）。Ev=dv/dA照度和亮度的区别不要把照度跟亮度的概念混淆起来。它们是两个完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关。辐射度学和光度学区别：1.适用范围辐射度学适用于整个电磁波谱。光度学适用于可见光波段。2.参量性质不同辐射度学量是客观物理参量。光度学量生理量，由人眼感觉确定。联系：1.都是描述光辐射的强弱。2.所用物理符号一一对应。①

光源的光度和辐射度特性的测量。用作人工照明的光源，需要测量其各种光度特性，如总光通量、发光强度的空间分布、发光体的亮度等，作为生产厂控制产品质量和照明工程设计的依据。现代光源已远远超出了传统上用作照明的范围，而越来越广泛地用于各种工农业生产过程、医疗保健、科学研究、空间技术等方面；而现代照明也不单纯是提供一定数量的可见光，还要求具有一定的显色特性，并提供或限制某些红外和紫外辐射,因而还要求测量光源的各种辐射度特性,如总的辐射功率、辐射的光谱组成、辐射强度的空间分布、辐射亮度等。根据光谱组成计算其色度特性和显色指数作为评价光源品质、适用范围和实际应用的依据。对光照场和辐照场的光照度、辐射照度和光亮度的分布的测量，也是实际工作中广泛应用的一个方面。光度学和辐射度学的应用可以归纳为三个方面

②

材料和媒质的光度和辐射度特性的测量在光学工业、照明工程、遥感技术、色度学和大气光学等领域有重要的应用。各种材料、样板及若干种工农业产品，需要测定它们在各种几何条件下的积分的和光谱的反射比或透射比。在各种条件下大气对光学辐射的传输特性的测量。这些都必须利用光度和辐射度技术。③

各种光学辐射探测器如太阳能电池、硅光电二极管、光电管、光电倍增管、热电偶、热电堆以及各种光敏和热敏元件，广泛用于光学辐射的探测、测量仪器、控制系统和换能装置等方面。也需要用光度和辐射度技术测定它们的积分灵敏度、光谱灵敏度及响应的线性等特性，为合理的有效的使用提供依据。1.2黑体辐射理论热物体的颜色？冷物体的颜色？比较两个50瓦的灯泡和1个100瓦的灯泡产生的亮度，那个更亮？太阳的温度推算？本专题学习要求：1.了解黑体辐射理论的基本概念。2.掌握简单的黑体辐射公式。

我们能够感觉到或者看到热物体发出的辐射。实际上任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。最为常见的热辐射源为白炽灯和太阳。

相对于热辐射光源而言，光电检测系统常用的另一类光源，不是靠加热保持温度使辐射维持下去，而是靠外部能量激发的辐射。这个过程称为发光，为了区别于热辐射，有时也称为冷光。最为常见的冷光光源有：LED,LD。热辐射光源和冷光的区别

热辐射发射的是连续光谱，且辐射是温度的函数，它是辐射源与周围物体之间热量传递的一种方式。

冷光光谱是非连续光谱，且不是温度的函数。研究热辐射的意义研究热辐射的重要性在于：其一，光电检测系统中使用的很多光源实际上是热辐射源。其次，很多探测器系统的噪声来自于热效应，因此热辐射理论是理解热噪声。基尔霍夫定律在给定温度的热平衡条件下，任何物体的辐射发射本领与吸收本领的比值与物体的性质无关，只是波长及温度的普适函数，且等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度基尔霍夫定律是符合能量守恒定律的

实验表明：不同的材料，辐射能力和吸收能力不同。辐射能力强的物体吸收能力也强。普适函数

在热平衡下，任何物体的单色辐出度与吸收比之比应相同，是一个与材料和形状无关，仅与波长和温度有关的普适函数。例不同材料、不同温度的物体A1A2A3

A1A2A3经过长时间后，达到热平衡，温度相同。A1A2A3黑体辐射的热动力特征黑体：能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数为1，发射系数也为1。即：对于黑体：

根据以上定义，如果一个物体在任何温度下都能将照射于其上的任何波长的辐射能全部吸收，并且不会有任何的反射与透射，则该物体称为绝对黑体，简称黑体。实际中是不存在绝对黑体的，但在一定的情况下某些物体可以视为黑体。例如，用不透明材料制成的一空心容器，壁上开一小孔，可看成黑体。黑体辐射

通过实验测定，人们总结出黑体辐射定律来描述黑体的辐射特性。

黑体辐射定律包括：1.普朗克辐射定律2.斯忒藩-玻尔兹曼定律3.维恩位移定律。黑体辐射图中每一条曲线都有一个最大值最大值的位置随温度升高向短波方向移动普朗克辐射定律

普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式。在推导过程中，普朗克考虑将电磁场的能量按照物质中带电振子的不同振动模式分布。得到普朗克公式的前提假设是这些振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍，这些基本能量单位只与电磁波的频率v有关，并且和频率v成正比,即E=hv，h为普朗克常数。普朗克辐射定律

黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示为：式中，k为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；T为绝对温度；c为真空中的光速。黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为：图1-2绘出了黑体辐射的相对光谱辐亮度Le,s,λr与波长的等温关系曲线。图中每一条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。斯忒藩-波尔兹曼定律将上式对波长λ求积分，得到黑体发射的总辐射出射度：

式中，σ是斯特藩-波尔兹曼常数。由上面的式子可以看出，Me,s与T的四次方成正比。

σ由下面的公式决定：

由于该定律首先由斯忒藩(J.Stefan)和玻尔兹曼(L.Boltzmann)分别独立提出，故上面的式子也称为黑体辐射的斯忒藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）。维恩位移定律

将普朗克公式对波长λ求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐射出射度所对应的波长λm与绝对温度T的关系为：

(μm)

可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。

将其带入普朗克公式中，得到黑体的峰值光谱辐出度：W·cm-2·μm-1·K-5

以上三个定律统称为黑体辐射定律。1.3半导体基础知识半导体材料吸收光子能量转换成为电能是内光电效应探测器件的工作基础。半导体对光的吸收过程，通常用折射率、消光系数和吸收系数来表征。这些参数和半导体电学常数之间的关系，可通过麦克斯韦方程组来导出。2023/2/5半导体对光的吸收当角频率为ω和光通量为ϕ0

的光垂直地照射到半导体表面上的时候，设距离表面x处的光通量为ϕx，则发现光通量的变化量dϕ(x)与该点的光通量ϕ(x)成正比，即：dϕ(x)=−αϕ(x)dx这里α称为吸收系数(absorptioncoefficient）

单位是cm−1。2023/2/5半导体对光的吸收利用初始条件x=0的光通量ϕ(0)=ϕ0，解上述微分方程，可以得到：ϕ(x)=ϕ0e−αx现考虑沿x方向传播的平面电磁波，则其电矢量可以用下列公式表示：E(x)=E0exp[iω(t−x/v)]E0为振幅，v是平面波沿x方向传播的速度。2023/2/5半导体对光的吸收光在半导体中的速度比在真空中的速度小,如果设半导体的折射率为n’,则根据v=c/n’,(c为真空中的光速),可以得到：E(x)=E0exp[iωt−inω/c·x]半导体材料的电导率不为0,n’为复数，设n’=n−ik,所以：E(x)=E0exp(−ωkx/c)exp[iω(t−n/c·x)]2023/2/5半导体对光的吸收根据光通量为ϕ(x)与|E(x)|2成正比的关系ϕ(x)=ϕ0exp[−2ω/c·k(ω)x]V.s.ϕ(x)=ϕ0e−αx得到：α=2ωk/c=4πk/λλ为自由空间中光的波长，k为消光系数2023/2/5半导体对光的吸收消光系数k，决定光衰减；光波在半导体中的传播，波的振幅随着透入的深度而减小，即存在光的吸收。这是由于波在传播过程中在半导体内激起传导电流，光波的部分能量转换为电流的焦耳热。因此，半导体的吸收系数决定于电导率。2023/2/5半导体的吸收光谱半导体中的光吸收主要包括：本征吸收激子吸收晶格振动吸收杂质吸收自由载流子吸收2023/2/5半导体的吸收光谱2023/2/5半导体的吸收光谱例：量子效率与吸收系数关系设入射到探测器的辐射通量ϕ，由光吸收定律，在距表面位置x处Δx的长度内，每秒吸收的光子数为：式中，r为反射率；

α为吸收系数。2023/2/5例：量子效率与吸收系数关系2023/2/5单位体积内电子-空穴对的产生率(m−3s−1)沿着x方向的电流密度(A/m2)为：e为电子电荷；lx为吸收层厚度例：量子效率与吸收系数关系2023/2/5在ϕ的光照下，探测器在单位时间内产生的电子空穴对为J·lylz/e。由量子效率的定义有:要提高量子效率，就须使光反射率r低，吸收系数α大，吸收层厚度要足够长以充分吸收光辐射。半导体的电导率在电场强度不大的情况下，半导体中的载流子在电场的作用下的运动遵守欧姆定律。但是，半导体中存在着两种载流子，即带正电的空穴和带负电的电子，而且载流子浓度又随着温度和掺杂的不同而不同，所以它的导电机制要比导体复杂。2023/2/5半导体的电导率2023/2/5半导体的电导率2023/2/5上图中，沿x方向施加电场Ex，设载流子的质量为m、电荷为q（对于空穴，q>0；对于电子，q<0）、平均速度为vx.载流子的运动方程为:半导体的电导率2023/2/5载流子在运动中，由于晶格热振动或电离杂质以及其他因素的影响，不断地遭到散射。其连续两次散射间的平均时间，称为平均自由时间τ。稳定情况下（vx

一定，即电流一定时），dvx/dt

=0，有：半导体的电导率2023/2/5若设载流子浓度为n,则x方向的电流密度Jx(单位时间内流过单位面积的电荷量)为推出：半导体的电导率2023/2/5迁移率μ

:电导率σ：半导体的电导率若把半导体中电子及空穴的浓度、迁移率分别设为n、p、μn、μp，那么从室温到低温范围：总体的电导率为：2023/2/5载流子的扩散与漂移载流子在半导体中的移动形成了电流电场导致载流子运动漂移->漂移电流载流子浓度差导致载流子运动扩散->扩散电流2023/2/5当材料的局部位置（比如材料表面）受到光照时，材料吸收光子产生载流子，在这局部位置的载流子浓度就比平均浓度要高。这是载流子将从浓度高的地点向浓度低的地点移动，即扩散。由于扩散作用，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。2023/2/5载流子的扩散与漂移END!现代光电检测技术（二）禹忠

卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了α粒子的散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，但跟经典的电磁理论发生了矛盾。

1）原来，电子没有被库仑力吸引到核上，它一定是以很大的速度绕核运动，就象行星绕着太阳运动那样。按照经典理论，绕核运动的电子应该辐射出电磁波，因此它的能量要逐渐减少。随着能量的减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落到地面上一样。这样看来，原子应当是不稳定的，然而实际上并不是这样。1玻尔提出原子模型的背景：原子发光的机理2）同时，按照经典电磁理论，电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的频率要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续谱。

以上矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。为了解决这个矛盾，1913年玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普郎克的量子理论运用到原子系统上，提出了玻尔理论。2玻尔理论的主要内容

1）原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。

2）原子从一种定态（设能量为E初）跃迁到另一种定态（设能量为E终）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即

hv=E初-E终

3）原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。

玻尔计算出氢的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和势能）公式：Rn=nr12轨道半径：（n=1,2,3……)能量：Enn21E1（n=1,2,3……)

式中r1、E1分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，rn、En

分别代表第n条可能轨道的半径和电子在第n条轨道上运动时的能量，n是正整数，叫量子数。（以无穷远作为零电势参考位置的能量关系）玻尔的原子模型和能级－－－－－－－－－－－－－－－－－１２３４５-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540eVnE∞以无穷远处为参考位置0eV10.2eV12.1eV12.8eV吸收能量放出能量氢原子结构4、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。能级特点：1、能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。（从能级图中总结各定态的能量特点）2、基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。3、激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。物体发光机制

发光：当原子从高能态过渡到低能态时，能量是以光辐射的形式释放的。

激励：外界不断地向物体提供能量使原子重新激发到高能态的过程。

原子内部的能量是不连续、分立的。用能级的形式表示原子所允许存在的各种状态。

光激励（光泵）：利用光能激励。原子能量的量子化：Rydberg原子：当原子中的电子处在接近于该原子的电离能，即在极为密集的能级上时，原子的尺寸变得非常大，而具有一些常规原子不同的性质。

分子能级比原子能级复杂得多，要考虑到分子的转动、振动能级。

原子或分子的能级在理论上可认为是没有带宽的，即原子或分子可允许的能量状态是确定的。能级与带宽宏观光的吸收与辐射微观光子的湮没和产生2、自发辐射、受激吸收与受激辐射

光与原子二能级系统相互作用时，有三种跃迁过程。这是爱因斯坦提出的。

但对于固态物质，原子间的相互作用会使外层电子的能级分裂成许多密集的能级，形成一定宽度的能带。E2E1发光前E2E1发光后hγ

特点：各个原子的辐射都是自发独立地进行。各个光子的量子态都不相同，没有一定的相位关系，所以不相干，其单色性极差，亮度不高。

自发辐射（spontaneousemission）：处在高能态的原子或分子总是企图降低其势能而自发地跃迁到较低的能态。E2E1发光后E2E1发光前hγ受激吸收（stimulatedabsorption）：到外来光子的激励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差（△E）时，该原子就吸收这部分能量，跃迁到高能级

特点：在一个入射光子的作用下，辐射出与入射光同频率、同位相、同传播方向、同偏振态的大量光子。大量光子处于同一量子态，称为激光器的光子简并度。所以亮度极高，出现光源的质的飞跃。

受激辐射：处在高能态上的电子受到外界辐射场的诱发而跃迁到低能级，并随之而辐射发光。入射光子的强度成等比级数地被放大。受激辐射（stimulatedemission）E2E1发光前hγE2E1发光后hγhγ受激辐射是产生激光的必要条件之一。

光辐射与物质相互作用时必然会引起物质内部能量状态的变化，这种变化也会反映到光辐射本身的改变。

爱因斯坦于1917年用具有分立能级的原子模型推导普朗克辐射公式时，预言了受激辐射的存在，并定量地描述了上述三种可能跃迁过程的概率。

40年后，第一台激光器开始运转，使预言得到有力的证实。3、爱因斯坦

A系数和B系数

假设原子二能级系统中，处在高能级E2的原子数为N2，处在低能级E1的原子数为N1，作用于此原子系统的光子的能量密度为wv

当原子从E2跃迁至E1时，

N2因自发辐射而减少，其减少速率与N2成正比。爱因斯坦

A系数或自发辐射常量。爱因斯坦

B´系数或受激辐射常量。

当原子从E1跃迁至E2时，

N1因受激吸收而减少，其减少速率与N1和wv成正比。爱因斯坦

B系数或吸收常量。热平衡时两能级跃迁的原子数相等。即根据玻尔兹曼定律与普朗克公式对比可知：〈n〉非常小，在微波波段才较大。原子在E2能级上的寿命亚稳态：对于某些特殊能级，寿命≥10-3S受激辐射自发辐射光电信息技术中常用的光源一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。天然光源是自然界中存在的，如太阳、恒星等，在天文学电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。人造光源是人为将各种形式能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。在一般光电测量系统中，电光源是最常见的光源。

4.1.1光源的基本特性参数1.辐射效率和发光效率在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率，于是光源的基本特性参数相应地，对于可见光范围，某一光源的发光效率ηv为所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就是该光源的光效率，即2.光谱功率分布自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分析。

光源的基本特性参数常用光源的发光效率光源的基本特性参数四种典型的光谱功率分布光源的光谱功率分布通常可分成四种情况，如图4－1所示。图中（a）称为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯。图（b）称为带状光谱，它由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯、高压钠灯就属于这种分布。图（c）为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱，图（d）是混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成，一般荧光灯的光谱就属于这种分布。光源的基本特性参数在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要求来决定。在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。在紫外分光光度计中，通常使用氚灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源，在光纤技术中，通常使用发光二极管和半导体激光器等光源光源的基本特性参数3.空间光强分布对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的，若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。下图是超高压球形氙灯的光强分布。在有的情况下，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。光源的基本特性参数光源的色温黑体的温度决定了它的光辐射特性。对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似地表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。（1）分布温度。辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。这种辐射体的光谱辐亮度可表示为：（2）色温。辐射源发射光的颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。（3）相关色温。对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示，在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。

热辐射源光源的颜色光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。热辐射源任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性与温度有关。热辐射光源有三个特点：（1）它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制它们的发光或辐射性质；（2）它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强。但在通常情况下，紫外辐射含量很少，这又限制了这类光源的使用范围；（3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光获得很高的稳定度。热辐射源

1.太阳太阳可看成是一个直径为1.392×109m的光球。它到地球的年平均距离是1.49×1011m．因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.5330。大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。其平均辐亮度为2.01×l07Wm-2sr-1平均亮度为1.95×109cdm-2。射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太阳辐射在光谱和空间分布、能量大小、偏振状态等都发生了变化。大气的吸收光谱比较复杂，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳氢化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了大阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质．在标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线，如下图所示，其中的阴影部分表示大气的光谱吸收带．

2.黑体模拟器在许多军用红外光电信息技术和光电系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。黑体模拟器的结构热辐射源热辐射源3.白炽灯白炽灯是照明工程和光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体射曲线相差约0.5%，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2%。此外，白炽灯使用和量值复现方便，它的发光特性稳定，寿命长，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。热辐射源下图是用于光计量的几种标准光源。图(a)所示为BDQ型发光强度标准灯，用来传递和复现发光强度单位(cd)的量值。发光强度标准灯是通过精确控制流过灯丝的直流电流，复现在规定的色温下和在灯丝平面中心的法线方向上的光强度。图(b)是BDT型光通量标准灯，用来传递和复现光通量值．光通量标准灯的灯丝是旋转对称的，这样使电压与灯参数的变化曲线其光分布在各旋转方向尽可能一致。图(c)为BW型温度标准灯，它的发光体是一条狭长的钨带，当通以电流时，钨带炽热发光。主要工作在800～25000C范围内，复现和验定光学高温计及某些以光学高温计作标准的温度源，也可以代替能量标准灯使用。

在钨丝灯泡内加入微量卤素，也可有效地抑制钨的升华，这种灯叫做卤钨灯。

卤钨灯工作时，灯丝升华而产生的气态钨扩散到泡壁温度较低区域，与卤素反应生成挥发性的卤钨化合物，当卤钨化合物扩散到泡壁区域与气态钨化合，这一过程叫做卤钨循环。优点泡壳不易变黑。泡壳尺寸较小。卤钨灯的应用投影仪摄像用灯

卤钨灯广泛用于广场、工地、摄像、录像照明，还可做投影仪、医疗手术的强光源。

气体放电光源气体放电光源利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量，当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。由于这一过程中有些内层电子会跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。这样的发光机制被称为气体放电原理。气体放电光源具有下列共同的特点：（1）发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高2~10倍，因此具有节能的特点；（2）结构紧凑。由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击；（3）寿命长。一般比白炽灯寿命长2~10倍；（4）光色适应性强，可在很大范围内变化。

与白炽灯不同，气体放电灯都是通过气体放电发光的。作为照明用的有日光灯、节能灯、高压汞灯、高压钠灯等。气体放电光源图4－6几种气体放电灯的外形图高压汞灯常用于街道、广场的照明。高压钠灯

高压钠灯是一种高压蒸气放电灯，靠电极放电使钠原子激发而发光，发光效率最高。

高压钠灯发出的黄白色光容易穿透雾气，提高能见度。表4－2常用气体放电灯的种类、性能和主要应用领域气体放电光源3.空心极灯空心阴极灯属于冷阴极低气压正常辉光放电灯。该灯的外形如图4—10所示，其阴极由金属元素或其它合金制成空心圆柱形，圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的。空心阴极灯也叫做原子光谱灯，阴极材料根据所需的谱线选择相应的金属；窗口有石英玻璃和普通玻璃两种，则根据辐射的原于光谱波长而定。空心阴极灯是原子吸收分光光度计上必不可少的光源。由于这种灯工作时阴极的温度并不高，所辐射出的金属原子谱线很窄，强度很大，稳定性好。因此，空心阴极灯用作对微量金属元素吸收光谱定性或定量分析的光源，以及用于光谱仪器波长定标上。4.氘灯氘灯是一种热阴极弧光放电灯，泡壳内充有高纯度的氘气。氘(H12是氢(H11)的同位素，又叫重氢．发光二极管基本结构发光二极管（无机）按结构分类表面LED侧面LED平面LED圆顶型LED超发光LED显示、报警光纤通信

LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。三颗不同颜色的LED由若干独立的LED组成的单个光源发光二极管工作原理发光二极管能带结构正向电压PN结势垒降低少数载流子注入N区P区电子空穴P区：空穴与注入的电子复合N区：电子与注入的空穴复合复合，发光本征半导体N型半导体P型半导体

PN结的能带和电子分布一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef位于禁带中央来表示在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体。在本征半导体中掺入受主杂质，称为P型半导体。。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。

硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料Si电子和空穴是成对出现的受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。导带EC价带EV电子跃迁带隙Eg

=1.1eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁Ef－电子或空隙的浓度为:其中为材料的特征常数T为绝对温度kB

为玻耳兹曼常数,h为普朗克常数me

电子的有效质量mh

空穴的有效质量Eg带隙能量本征载流子浓度例：在300K时，GaAs的电子静止质量为m=9.11×10-31kg，

me=0.068m=6.19×10-32kg

mh=0.56m=5.1×10-31kg

Eg=1.42eV

可根据上式得到本征载流子浓度为2.62×1012m-3非本征半导体材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子As+导带EC价带EV施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主能级

施主杂质电离使导带电子浓度增加

N型材料，施主能级第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。Ef非本征半导体材料：p型由于B只有3个价电子，因此B和周围4个Si的共价键还少1个电子B容易抢夺周围Si原子的电子成为负离子并产生多余空穴B–第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)掺入Si晶体后，产生多余的空穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量DEA<Eg

就可以让多余孔穴自由导电。导带EC价带EV受主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布受主能级

受主能级电离使导带空穴浓度增加

P型材料，受主能级第III族元素容易抢夺Si的电子而被称为受主杂质。被它束缚的空穴所处的能级称为受主能级EA。当空穴获得较小的能量DEA之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为导电空穴。因此，受主能级位于靠近价带EV的禁带中。Ef

PN结耗尽层（a）P-N结内载流子运动；PN结的能带和电子分布P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场(b)零偏压时P-N结的能带倾斜图；势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图4.5(b)。耗尽区扩散电子pn结内建电场PN结:---+++U电势pnEf1.浓度的差别导致载流子的扩散运动2.内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动P-N结施加反向电压VCC当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。(a)反向偏压使耗尽区加宽少数载流子漂移U扩散运动被抑制只存在少数载流子的漂移运动P-N结施加正向电压VCC当PN结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动。少数载流子与多数载流子复合，产生光辐射。(b)正向偏压使耗尽区变窄耗尽区变窄Upnpn扩散>漂移hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场(c)正向偏压下P-N结能带图在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。外加电场注入载流子粒子数反转载流子复合发光

发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，是一种新型能源。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。发光二极管短波长0.8～0.9μm双异质结GaAs/AlGaAs面发光二极管的结构波长1.3μm双异质结InGaAsP/InP边发光型LED结构。它的核心部分是一个N－AlGaAs有源层，及其两边的P－AlGaAs和N－AlGaAs导光层（限制层）。导光层的折射率比有源层低，但比其它周围材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光波从其端面射出。发光二极管驱动电路发光二极管工作需要加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图4－16所示，将LED接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。在光通信中以LED为光源的场合，需要对LED进行调制，则调制信号通过一电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。发光二极管归纳起来它具有如下优点：(1)属于低电压(1-2V)、小电流(每个发光单元只需10mA)器件，在室温下即可得到足够的亮度(一般3000cd.m-2以上)；(2)发光响应速度快(10-7~10-s)；(3)由于器件在正向偏置下使用．因此性能稳定；(4)易于和集成电路匹配，且驱动简单；(5)与普通光源相比，单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米；(6)小型、耐冲击。当然它也存在一些缺点，主要是功率较小，只有pw、mW级；光色有限，较难获得短波发光(如紫外、蓝色)，且发光效率低

发光二极管的工作特性LED的特性参数(1)量子效率。发光二极管一般用量子效率来表示。

辐射复合发光的光子并不是全部都能离开晶体向外发射，光子有部分被吸收，只有一部分发射出去。因此，将单位时间发射到外部的光子数除以单位时间内注入到器件的电子-空穴对数定义为外部量子效率：表征器件这一性能的参数就是外量子效率，表示，

Ｎr为产生的光子数，Ｇ为注入的电子空穴数NT为器件射出的光子数LED的内部量子效率和内部功率内量子效率hint那么LED的内部发光功率为：例一双异质结InGaAsP材料的LED，其峰值波长为1310nm，辐射性复合时间和非辐射型复合时间分别为30ns和100ns，驱动电流为40mA。可以得到：可以得到LED的内部发光功率为：并非所有产生的光都能输出：光出射锥限制层光的产生和波导区限制层反射光出射光LED解理面n1>n2其中T(f)为菲涅尔透射系数，f

=0时：假定外界介质为空气(n2=1)，可以得到：例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，这说明光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。和LED的外部量子效率和外部功率

对GaAs这类直接带隙半导体，ηin可接近100％。但ηex很小，如CaP[Zn-O]红光发射效率ηex很小，最高为15％；发绿光的GaP[N]的ηex约为0.7％；对发红光的GaAs0.6P0.4，其ηex约为0.4％；对发红外光的In0.32Ga0.68P[Te，Zn]的ηex约为0.1％。提高外部量子效率的方法有：①用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2=1.55）涂敷在发光二极管上；②把晶体表面加工成半球形；③用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。②发光效率能量效率：发光二极管发射的光通量与输入电能之比，单位lm/W电流效率：光强度与注入电流之比，单位为cd/A2.P-I特性

LED的P-I特性如图4.13所示。P表示输出光功率(mW),I表示注入电流(mA)。图4.13LED的P-I特性总的来说，驱动电流较小时，LEDP-I特性曲线具有非常优良的线性；电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使曲线的斜率减小。通常，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几mW。3.光谱特性

λ0为LED的峰值工作波长(典型值为0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ为谱线宽度，其定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。

LED谱线宽度∆λ比激光器宽得多。图4.14InGaAsPLED的光谱特性LED的频率响应可以表示为式中为调制频率，P()为对应于调制频率的输出光功率，e为注入载流子的寿命。当=c=1/e时，P(c)=0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比于光功率，光功率下降到0.707时，接收电功率下降到0.7072=0.5倍，即下降了3dB。因此，c定义为截止频率。4.调制特性适当增加工作电流载流子寿命缩短调制带宽增加一般地：f面=20~30MHz，f边

=100~150MHz不同载流子寿命下的LED调制曲线(2)发光光谱和发光效率

①LED的发光光谱：LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。

决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。

电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。则

发射光谱的形成由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs8