光电检测第二章光电检测基础知识

光电检测第二章光电检测基础知识第一页，共一百四十七页，2022年，8月28日本章内容第二章光电检测中的基础知识2.1辐射度学和光度学基本概念2.2半导体基础知识2.3基本定律2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识返回辐射度学基本物理量2.1辐射度学和光度学基本概念2.1.2光度学基本物理量2.1.3其他基本概念第三页，共一百四十七页，2022年，8月28日辐射度学第二章光电检测中的基础知识定义：研究各种电磁辐射的传播和量度的学科，包括可见光区域。辐射度学单位是纯粹物理量的单位。例如

辐射能——焦耳（J）

辐射功率——瓦特（W）2.1辐射度学和光度学基本概念第四页，共一百四十七页，2022年，8月28日基本物理量第二章光电检测中的基础知识1.辐[射]能Qe2.辐[射]功率（或称辐[射]通量）Φe4.辐[射]亮度（或称辐射度）Le3.辐[射]强度Ie

5.辐[射]出[射]度Me6.辐[射]照度Ee2.1辐射度学和光度学基本概念返回第五页，共一百四十七页，2022年，8月28日光度学第二章光电检测中的基础知识

所讨论的内容仅是可见光波的传播和量度。因此光度学的单位必须考虑人眼的响应，包含了生理因素。例如光功率——流明(lm)。

2.1辐射度学和光度学基本概念第六页，共一百四十七页，2022年，8月28日人眼是最常用也是最重要的可见光接受器。物体发射的光或反射的光到达人眼的视网膜上产生实物感，这是由光刺激视网膜的锥状细胞或柱状细胞所导致的结果。

2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识

锥状细胞只对光亮度超过10-3cd/m2的光才敏感，当亮度低于10-3cd/m2时，锥状细胞不敏感，而柱状细胞起作用。第七页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识用各种单色辐射分别刺激正常人眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现在波长处的所需要的光谱辐射亮度是最小的。如果把在波长处的所需要的光谱辐射亮度设为，其它波长处所需要的光谱辐射亮度设为。

定义:为正常人眼的视见函数，也称光谱光视效率。第八页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识图中虚线是暗视觉视见函数,实线是明视觉视见函数。国际照明委员会从许多人的大量观察结果中取其平均值，得出视见函数Vλ-λ的曲线（见图）第九页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识在380一780nm的区域里,各种波长处的视见函数值如下表所示。第十页，共一百四十七页，2022年，8月28日基本物理量2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识1．光能Qv2.光通量Φv3.发光强度Iv4.亮度Lv

5.光出射度Mv6.照度Ee第十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识下表列出主要辐射度学量和相应的光度学量及其单位。第十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日(2-13)2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识根据眼睛的视见函数Vλ，可从辐射度学单位表示的量值换算为以光度学单位表示的相应值。其关系通式为式中，为所有的辐射参量;为所有的光度学参量。第十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日例如,已知某一波长A的光谱辐照度Eeλ时,与之相当的光谱照度Evλ为2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识(2-14)如果照明光源不是单色的,则总的照度可用积分求出。

式中的积分限应按照光源的辐射波长范围确定。对于白光光源,一般取380一780nm。(2-15)第十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识例题已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，输出光波长为632.8nm,试计算其发出的光通量。解：He-Ne激光器输出的光为光谱辐射，根据式（2-13）可计算它发出的光通量为返回第十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日其他基本概念2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识1.点源2.扩展源返回3.漫反射面第十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日从强度为I的点源辐射到立体角dΩ的通量为若点源沿各方向均匀辐射，则总通量为2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识点源

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θ，则照到dA上的通量为第十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日根据照度的定义，该面元上的照度为2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识

这就是照度与距离的平方反比定律。

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做点源。返回第十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日一个理想的扩展源，称之为朗伯源。朗伯源的亮度不随方向而改变，因而从任何角度观察朗伯源应该是一样明亮的。一个面积为dS的朗伯源，在立体角dΩ内辐射的通量为2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识扩展源第十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日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，见图。则2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识所以此面元的总辐通量为第二十页，共一百四十七页，2022年，8月28日根据辐出度的定义，可得朗伯源的辐出度与辐亮度的关系，即2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识返回第二十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日可以将入射光向各方向均匀散射出去的反射表面称为漫反射面或散射面。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2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识漫反射面（2-16）第二十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日设该表面的漫反射系数为K,则该表面散射的光通量为2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识（2-17）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（2-18）式中，LS为该表面的视亮度。从式（2-16）~(2-18)可得（2-19）返回第二十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日半导体基础知识2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识2.2.2热平衡下的载流子浓度2.2.1固体的能带结构返回2.2.3半导体中的非平衡载流子2.2.4载流子的扩散与漂移第二十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日固体的能带结构2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识1.电子的共有化运动2.能带的形成3.能带结构4.N型半导体和P型半导体返回第二十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日热平衡下的载流子浓度2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识载流子浓度就是指单位体积内的载流子数。电子从不断热振动的晶体中获得能量就能从价带跃迁到导带形成自由电子，在热激发的同时，也有电子从导带跃迁到价带并向晶格放出能量,这就是电子与空穴的复合。在一定温度下，若没有外界作用，半导体中的载流子是由热激发产生的。第二十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识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，这时的载流子浓度即为某一稳定值。当温度改变时，原来的平衡状态被破坏，同时建立起新的平衡状态。达到新的稳定值。改变载流子浓度就可以改变半导体的电学性质。返回第二十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日1.半导体材料的光吸收效应半导体中的非平衡载流子2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识1)本征吸收由于外部作用使载流子浓度超出热平衡时的浓度，则超出部分的载流子称为非平衡载流子。2)杂质吸收

2.非平衡载流子浓度

第二十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识若光由照射到停止，光生载流子浓度会因复合而逐渐减小，最后逐渐回到平衡状态。复合有先有后，光生载流子停留在自由状态的时间是不等的，有的长些，有的短些。光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命τ。返回第二十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日1．扩散电子从浓度高的点向浓度低的点运动，这种现象称为扩散。在扩散过程中，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，即

2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识载流子的扩散与漂移

(2-22)第三十页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识

(2-23)2.漂移

半导体受外电场作用时，其中的电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动，这种运动称为漂移。根据欧姆定律，电流密度矢量J正比于电场矢量E，J沿x方向有。第三十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识。对于N型半导体还有

(2-24)vx与电场强度成线性关系，即

(2-25)联立式(2-23)~式(2-25)可得

(2-26)第三十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识同样,对于P型材料有。

(2-27)得到电场中漂移所产生的电子电流密度矢量JnE和空穴电流密度矢量JpE分别为

(2-28)第三十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日

2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识则总电流密度为当扩散和漂移同时存在时，总的电子电流密度矢量和总的空穴电流密度矢量分别为

(2-29)

(2-30)返回第三十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日基本定律2.3.1黑体辐射定律2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识2.3.2光电效应返回第三十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日黑体辐射定律2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识绝对黑体定义:如果一物体,在任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1,那么此物体称为绝对黑体。显然,绝对黑体的吸收比αB（λ，T）=1

反射比ρB

（λ,T）=0

如果某一物体对各种波长的吸收比虽小于1,但近似地为一常数

η,那么这物体称为灰体,η称为灰体的黑度。第三十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日1．基尔霍夫定律2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识2.普朗克辐射公式3．斯忒藩-波尔兹曼定律4.维恩位移定律第三十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识例题:假设将人体作为黑体，正常人体温为36.5℃。试计算（1）正常人体所发出的辐射出射度；（2）正常人体的峰值辐射波长及峰值光谱辐射出射度；（3）人体发烧到38℃时的峰值辐射波长及发烧时的峰值光谱辐射出射度。第三十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识解：（1）人体正常的绝对温度T=36.5+273=309.5˚K，根据斯忒藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为第三十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日由普朗克辐射公式,峰值光谱辐射出度为2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为第四十页，共一百四十七页，2022年，8月28日发烧时的峰值光谱辐射出度为2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识（3）人体发烧到38℃时的峰值辐射波长为可见，人体温度升高，发出的光谱辐射峰值波长变短，峰值光谱辐射出射度增大。返回第四十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日光电效应2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识在物质受到辐射光的照射后,材料的电学性质发生了变化(电导率改变、发射电子、产生感应电动势等)的现象称为光电效应。光电效应可分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指受到光辐射的作用后,被光激发的电子逸出物质表面,形成真空中的电子,产生电子发射的现象。第四十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识内光电效应是指受到光照射的物质内部载流子能量状态产生变化,而被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴)仍在物质内部运动,使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象,但不存在表面发射电子的现象。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。第四十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识1.光电导效应返回2.PN结光伏效应3.光电发射效应(外光电效应)第四十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日光电导效应2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识

1）本征光电导效应

当光照射到半导体材料时,

束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子,引起材料的载流子浓度增加,导致材料电导率增大的现象称为光电导效应。2)杂质光电导效应

半导体的光电导效应如图所示。返回第四十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日PN结光伏效应2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识

1)结电场的形成2)光生伏特效应返回第四十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日N型半导体和P型半导体接触时，在这两种材料的交界处就形成了PN结。刚开始时结区存在着载流子浓度梯度，导致空穴从P区到N区和电子从N区到P区的扩散运动。空穴扩散后，在结区附近形成由N区指向P区的内建电场。2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识

在内建电场作用下，载流子出现漂移运动，方向与扩散运动相反，起着阻止扩散的作用。最后扩散与漂移运动形成动态平衡，内建电场也叫结电场。结电场的形成返回第四十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日如图所示为PN结光伏器件的结构图。光投向P区时，只要光子能量大于材料的禁带宽度,就可能激发出电子-空穴对,打破原有的平衡状态,出现新的电荷移动。其中，空穴流入P区，电子流入N区，在PN结区两边产生势垒。2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识光生伏特效应由于光照而在PN结的两端出现的电动势称为光生电动势。这就是光生伏特效应,简称光伏效应。返回第四十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日光电发射效应(外光电效应)2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识1)光电发射定律；

2)物质的逸出功和红限频率返回3)半导体材料的阈值波长第四十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电子发射效应。向外发射的电子叫光电子。

2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识；

物体中的电子吸收入射光子的能量，当吸取的能量大于逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。每个光子的能量由下式确定。光电发射定律第五十页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识

该方程称为爱因斯坦光电效应方程或光电发射第一定律。它表明:光电子的动能随入射光子频率的增加而线性地增加。*(2-47)光子能量超过逸出功A0的部分表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理，有第五十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日表明当辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的光通量成正比。

爱因斯坦定律是针对一个光子激发一个电子产生的光电效应，当一束光照在物体上时，有光电发射第二定律，也称为斯托列托夫定律。2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识；

(2-48)式中:h——普朗克常数,6.626×10-34J·s；ν——光的频率，s-1；η为光电发射系数。第五十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识光电发射的过程如图所示。大致可分三个过程：1)物体中的电子吸收光子能量，被激发到高能态；

3)达到物体表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。2)受激电子向物体表面运动，在运动过程中因碰撞而损失部分能量；返回第五十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识；

光电子能否发射,取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。(2-49)电子欲逸出金属表面必须克服两部分力，即克服原子核的静电引力和偶电层的势垒作用力。电子发射所需做的这种功，称为逸出功或功函数W。当光电子的速度等于零,即光电子的动能=0时,有物质的逸出功和红限频率第五十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日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，光子的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；入射光频率如果高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子发射。2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识；

光子的能量取决于频率，即当时，即可发射光子。返回第五十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日半导体材料的阈值波长对于半导体，一般情况下，光电子发射的逸出功为2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识；

式中:Eg——半导体禁带宽度;

EA——电子亲合势。(2-50)因而半导体材料光电发射的能量阈值为(2-51)第五十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日把h，c值代入式(2-52),得半导体材料的阈值波长为

2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识或(2-53)或(2-52)所以长波限为返回第五十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日光电探测器的噪声和特性参数光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可度量物理

2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识效应的器件。光辐射探测器的种类很多,按照工作原理和结构将常用的光辐射探测器分类，如图所示。2.4.1光电探测器中的噪声2.4.2光电探测器的特性参数2.4.3光电探测器的合理选择返回第五十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日光电探测器中的噪声

2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识在一定波长的光照下光电探测器输出的光电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏。如图所示。这种随机的、瞬间幅度不能预知的起伏，称为噪声。图中信号的直流数值为(2-54)第五十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日噪声电流的均方值代表了单位电阻上所产生的功率,它是确定的可测得的正值。

2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识由于噪声是在平均值附近随机起伏，长时间的平均值为零，所以一般用均方噪声来表示噪声值的大小，即(2-55)第六十页，共一百四十七页，2022年，8月28日把噪声这个随机时间函数进行频谱分析,就得到噪声功率随频率变化关系,即噪声的功率谱S(f)。S(f)数值是频率为f的噪声在1Ω电阻上所产生的功率，2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识(2-56)即第六十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识根据功率谱与频率的关系,常见的有两种典型噪声（如图所示）:一种功率谱大小与频率无关，称为白噪声；另一种功率谱与1/f成正比，称为1/f噪声。第六十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识一般光电测量系统的噪声可分成三类，如图所示。(1)光子噪声，包括：①信号辐射产生的噪声；②背景辐射产生的噪声。第六十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识(2)探测器噪声，包括：(3)信号放大及处理电路噪声,包括：①放大器及其它元器件的热噪声及电气噪声；②所承受外界电气干扰。①热噪声；②散粒噪声；③产生—复合噪声；④1/f噪声；⑤温度噪声。第六十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日探测器噪声各种噪声源的功率谱分布可用下图表示。*2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识第六十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日从而可求得通频带内的噪声。上述5种噪声都与△f有关，△f是等效噪声带宽，简称为带宽。若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率增益的最大值为Am(见下图)，则噪声带宽为2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识(2-63)返回第六十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日光电探测器的特性参数2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识1.响应率2.光谱响应率3.等效噪声功率4.探测率与比探测率5.响应时间常数6.线性7.信噪比（S/N）8.频率响应9.工作温度返回第六十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日光电探测器的合理选择在设计光电检测系统时，首先根据测量要求反复比较各种探测器的主要特性参数，然后选定最佳的器件。其中，最关心的问题有以下5个方面。①根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即探测器的动态范围。②探测器的光谱响应范围是否同待测光信号的相对光谱功率分布一致，即探测器和光源的光谱匹配。2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识第六十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识③对某种探测器，它能探测的极限功率或最小分辨率是多少——需要知道探测器的等效噪声功率,需要知道所产生电信号的信噪比。④当测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或频率响应范围。⑤当测量的光信号幅值变化时，探测器输出的信号的线性程度。除了上述几个问题外,还要考虑探测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素。返回第六十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日辐[射]能Qe定义：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能。

用符号Qe

表示。其计量单位为焦耳（J）。返回第七十页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识（2-1）辐[射]功率（或称辐[射]通量）Φe定义：对辐射源来说，其辐功率定义为单位时间内向所有方向发射的能量。

对于电磁波的传播来说，辐功率的定义是单位时间通过某一截面的辐射能。即第七十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识

若在t时间内所发射、传播或接收的辐射能不随时间改变，则式（2-1）可简化为

（2-2）辐功率的单位为W(瓦[特])。

返回第七十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识（2-3）定义：

点状辐射体在不同方向上的辐射特性用辐强度Ie表示。

若在某方向上，一个小立体角dΩ内的辐通量为dΦe，则点光源在该方向的辐强度Ie为：辐[射]强度Ie第七十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识对于均匀辐射的点光源，若辐通量为Φe，则其辐强度为（2-4）辐强度Ie的单位为W/sr(瓦每球面度)。返回第七十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识如图所示，一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角θ的方向上有一面元dA。辐[射]亮度（或称辐射度）Le定义：对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置在不同方向上的辐射特性。第七十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识式中，是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单位立体角的辐通量。辐亮度的单位为W/(sr·m2)(瓦每球面度平方米)。若dA所对应的立体角dΩ内的辐通量为dΦe，则面源在此方向上的辐亮度为（2-5）返回第七十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日辐[射]出[射]度Me2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识其单位为W/m2(瓦每平方米)。定义：面辐射源的单位面积上辐射的辐通量为Me。也是把辐亮度Le对所有可能方向的角积分,即返回(2-6)第七十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日辐[射]照度Ee（2-7）2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识定义：每单位受照面接受的辐通量为辐[射]照度,即辐照度的单位为W/m2(瓦每平方米)。

这里,无需考虑面元dA所接受的辐通量来自何方,故与该面的取向无关。返回第七十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日锥状细胞

锥状细胞敏感的光谱范围为380~780nm，且能分辨出各种颜色，在555nm处最为敏感。锥状细胞的这种功能称为明视觉或白昼视觉。

返回第七十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日柱状细胞

柱状细胞敏感的光谱范围为330~730nm，在507nm处最为敏感，但不能分辨颜色。柱状细胞的这种视觉功能称为暗视觉或夜间视觉。返回第八十页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识光能Qv用符号

Qv

表示。定义：光通量在可见光范围内对时间的积分称为光能。光能的计量单位为流明秒（lm·s）。*返回第八十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日流明定义：所谓的流明，简单来说，就是指蜡烛一烛光在一米处所显现出的亮度。严格定义为发光强度为1坎德拉的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为“1流明”。返回2.1辐射度学和光度学基本概念第八十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日光通量Φv2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识（2-8）式中，Фv——光通量，单位是lm(流明)；

C——比例常数，683lm/W；

Фe——辐通量，单位是W；Vλ——波长λ处的视见函数光通量，也称为光功率。是为了描述电磁辐射对视觉的刺激强度而引入的一个物理量。其定义为返回第八十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日发光强度Iv2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识（2-9）若在某方向上，一个小立体角dΩ内的光通量为dΦv，则点光源的发光强度Iv为：国际单位制规定发光强度为7个基本单位量之一,其单位坎德拉(cd)

。返回第八十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日十六届国际计量大会定义：在给定方向上能发射频率为540×l012Hz的单色辐射源，且在此方向上的辐强度为1/683W/sr，其发光强度定义为1坎德拉。

在工程上，光强度Iv

的单位常用lm/sr(流明每球面度)表示。2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识返回第八十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日亮度Lv2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识返回Lv的单位为cd/m2(坎德拉每平方米)。面光源的亮度定义为Lv(2-10)第八十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日光出射度Mv(2-11)2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识其单位为lm/m2(流明每平方米)。定义：面光源从单位面积上辐射的光通量。也是把辐亮度Lv对所有可能方向的角积分,即返回第八十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日照度Ee（2-12）2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识定义：入射到单位面积的光通量,即光照度的单位为lx(勒克司)。就是1lm的光通量均匀分布在1m²的平面上所产生的照度。

返回第八十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识返回第八十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日电子的共有化运动固体中大量原子紧密结合在一起，原子间距很小，以致使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠，最外面的电子壳层交叠最多，内层交叠较少，如图所示。2.2半导体基础知识壳层的交叠使外层的电子不再局限于某个原子上，电子有可能在整个晶体中运动。晶体中电子的这种运动称为电子的共有化。

返回第九十页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识返回能带的形成电子共有化会使本来处于同一能量状态的电子发生微小的能量差异。于是，一个电子能级因受N个原子核的作用而分裂成N个新的靠得很近的能级。这N个新能级之间能量差异极小，而N值很大，于是连成一片而形成具有一定宽度的能带。如图所示是能级分裂成能带的示意图。第九十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日能带结构原子中每一电子所在能级在固体中都分裂成能带。

2.2半导体基础知识允带之间不允许电子占据的范围。允带允许被电子占据的能带。禁带第九十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日原子中最外层电子称为价电子，这一壳层分裂所成的能带称为价带。

2.2半导体基础知识任一能带可能被电子填满，也可能不被填满，满带电子是不导电的。未被填满的能带就能导电。金属之所以有导电性就是因为其价带电子是不满的。没有电子进入的能带称为空带。比价带能量更高的允许带称为导带；价带导带空带满带电子总是先占满内层能级的允带，再占据外面一层允带。被占满的允带称为满带。第九十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日共价键上电子可能受到激发而跃过禁带，占据价带上面的能带，这种现象称为电子的跃迁。

2.2半导体基础知识

电子从价带跃迁到导带后，导带中的电子称为自由电子。自由电子不附着于任何原子上，有可能在晶体中游动，在外加电场作用下形成电流。价带中电子跃迁到导带后，价带中出现电子的空缺称为自由空穴。在外电场作用下，附近电子可以去填补空缺，犹如自由空穴定向移动，形成电流。与半导体导电性能有关的能带是导带和价带。返回第九十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识没有杂质和缺陷的半导体称为本征半导体，如图所示为本征半导体的能带结构。第九十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识导电的自由电子和自由空穴统称为载流子。本征半导体导电性能的好坏与材料的禁带宽度有关。禁带宽度越小，电子越容易跃迁到导带，因而导电性就越好。在半导体中掺入少量杂质就形成掺杂半导体，也称为非本征半导体。杂质的种类和多少对半导体的导电性能有很大的影响。第九十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识如果在四价原子锗(Ge)或硅(Si)组成的晶体中掺入五价原子砷(As)或磷(P),就形成了N型半导体。在N型半导体中,自由电子浓度高于自由空穴浓度。如果在四价锗晶体中掺入三价原子硼(B)，就形成了P型半导体。在P型半导体中,自由空穴浓度高于自由电子浓度。返回第九十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识五价原子用4个电子与锗或硅原子组成共价键，尚有一个多余电子受力较小，很容易被释放而跃迁到导带形成自由电子。易释放电子的原子称为施主。施主束缚电子的能量状态称为施主能级Ed，它位于禁带中比较靠近导带的位置。施主能级Ed和导带底Ec间的能量差为△Ed，它称为施主电离能。返回第九十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日

2.2半导体基础知识硼原子的3个价电子和周围锗原子的4个价电子组成共价键，尚缺一个电子，就从这晶体中俘获一个电子，而使锗晶体中出现自由空穴。容易获取电子的原子称为受主,受主获取电子的能量状态用受主能级Ea表示,它也处于禁带之中,位于价带顶Ev附近。Ea与Ev之能量差∆Ea,称为受主电离能。返回第九十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日在一定温度条件下，无光照时本征半导体材料中的电子和空穴浓度分别为n0和p0。受光照时，价带中的电子吸收光子而跃迁到导带，于是导带电子浓度增加△n，空穴浓度增加△p。此时,总的载流子浓度比热平衡下载流子浓度要大。本征半导体吸收光子能量的过程称为本征吸收,它只决定于半导体本身的性质，与它所含杂质和缺陷无关。

第一百页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识要发生本征吸收，光子能量必须大于等于材料禁带宽度,即

或式中,h是普朗克常数,c是光速,λ是光的波长。

(2-20)第一百零一页，共一百四十七页，2022年，8月28日可见，半导体的禁带宽度愈窄，长波限愈长。2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识于是,本征吸收在长波方向存在一个界限λ0，称为长波限。将普朗克常数和光速带入（2-20）式，得本征吸收的长波限为

(2-21)返回第一百零二页，共一百四十七页，2022年，8月28日施主释放束缚电子到导带,所需能量即为电离能

；受主释放束缚空穴到价带,所需能量即为电离能

。杂质吸收2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识

掺有杂质的半导体在光照下，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也可以吸收光子而跃迁到价带。这种吸收称为杂质吸收。第一百零三页，共一百四十七页，2022年，8月28日由于杂质的电离能（或）一般比禁带宽度小得多,所以杂质吸收的光谱也就在本征吸收的长波限以外。2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识显然，杂质吸收的最低光子能量等于杂质的电离能

（或）,即杂质吸收光的长波限,其大小为

(2-22)本征吸收和杂质吸收的能带示意如图所示。返回第一百零四页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识返回第一百零五页，共一百四十七页，2022年，8月28日非平衡载流子浓度2.2半导体基础知识第二章光电检测中的基础知识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的复合而逐渐减小,最后恢复到热平衡时的浓度值。载流子复合过程包括：

直接复合

间接复合

返回第一百零六页，共一百四十七页，2022年，8月28日直接复合是指晶格中运动的自由电子直接由导带回到价带与自由空穴复合,释放出多余的能量。返回第一百零七页，共一百四十七页，2022年，8月28日间接复合返回指自由电子和自由空穴通过禁带中的复合中心进行复合。

如果材料中含有极少的缺陷、错位和杂质，其中的共价键未被填满的原子在禁带形成能级，这些能级就是复合中心。

自由电子可先与复合中心复合而使复合中心带电，再由库仑力的作用域空穴复合。

间接复合往往在复合过程中起主要作用。第一百零八页，共一百四十七页，2022年，8月28日基尔霍夫定律设有不同的物体1，2，3…和绝对黑体B,它们在同一温度T时的单色辐出度分别为

M1（λ，T），M2（λ，T），M3（λ，T）…和MB（λ，T）,

单色吸收比分别为

α1（λ，T），α2（λ，T），α3（λ，T）…和αB（λ，T）,则2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识

(2-29)第一百零九页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识因为对于绝对黑体，αB（λ，T）=1，所以上面的恒量应等于绝对黑体在同一温度T时单色辐出度MB（λ，T）。这样,式(2-29)可简写为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。

(2-30)第一百一十页，共一百四十七页，2022年，8月28日一般物体的α（λ，T）总小于1，所以MB（λ，T）总大于物体的Me（λ，T）。把两者的比值定义为物体的光谱发射率,即2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识这样又得一重要结论，即物体的光谱发射率总等于其光谱吸收比，也就是强吸收体必然是强发射体。*

(2-30)返回第一百一十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日普朗克辐射公式普朗克根据光的量子理论，推导出描述黑体光谱辐射出射度与波长、热力学温度之间关系的著名公式，即2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识其中：

(2-31)第一百一十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识在短波区或温度不高的情况下，λT<<c2

，则可将式（2-31）简化成

(2-32)按式（2-32）可求得的黑体光谱辐射出度与波长和温度的关系如图所示。*返回第一百一十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日斯忒藩-波尔兹曼定律在上图中,每一条曲线反映了在一定温度下,绝对黑体的单色辐出度按波长而分布的情况。每一条曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度，即2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识

(2-33)由上图可见,MB(T)随温度而迅速地增加。第一百一十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日这一结果也可由热力学理论导出,称为斯忒藩-波尔兹曼定律。它只能适用于绝对黑体，

σ称为斯忒藩-玻尔兹曼常数。2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识经实验确定辐射出射度MB（T）和热力学温度T的关系为式中,(2-34)返回第一百一十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日维恩位移定律2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识

由辐出度与波长、温度关系图中，在每一曲线上，MB(λ,T)有一最大值,即最大的单色辐出度。相应于这最大值的波长，用λm表示。热力学温度T愈高,λm值愈小,两者的关系经确定为式中,B=2.897×103m﹒K。(2-35)第一百一十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日这一结果也可由热力学理论和普朗克辐射公式积分导出，称为维恩位移定律。

维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度增高时，单色辐出度的最大值所对应的波长向短波方向移动。2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识返回第一百一十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律第二章光电检测中的基础知识返回1返回2返回3第一百一十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日本征光电导效应本征光电导是指只有光子能量hν大于材料禁带宽度Eg的入射光,才能激发出电子空穴对,使材料产生光电导效应的现象。*2.3

基本定律返回第一百一十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律杂质光电导效应

杂质光电导是指杂质半导体中的施主或者受主吸收光子能量后电离,产生自由电子或空穴,从而增加材料电导率的现象。*返回第一百二十页，共一百四十七页，2022年，8月28日2.3

基本定律

当在垂直于电场方向有均匀光照入射到样品表面,且入射光通量恒定时,样品中流出的光电流称为稳态光电流。返回第一百二十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日返回第一百二十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日热噪声

载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称为热噪声。热噪声均方电流和热噪声均方电压由下式决定。2.4

光电探测器的噪声和特性参数(2-57)式中:k——玻尔兹曼常数；T——绝对温度，K；R——器件电阻值；Δf——所取的通带宽度.返回第一百二十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日散粒噪声散粒噪声也是与频率无关而与带宽有关的白噪声。随机起伏的因素所形成的噪声称为散粒噪声。入射到光辐射探测器表面的光子是随机起伏的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子也是随机的，它们都是一种散粒噪声源。散粒噪声电流的表达式为2.4

光电探测器的噪声和特性参数(2-58)返回第一百二十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日产生-复合噪声半导体受光照时，载流子不断地产生-复合,形成产生-复合噪声。在平衡状态时，载流子产生和复合的平均数是一定的，但某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。在外加电压下,电导率的起伏使输出电流中带有产生-复合噪声。2.4

光电探测器的噪声和特性参数第一百二十五页，共一百四十七页，2022年，8月28日式中:I——总的平均电流;

N0——总的自由载流子数;τ——载流子寿命;

f——噪声频率。2.4

光电探测器的噪声和特性参数产生-复合噪声电流均方值为(2-59)返回第一百二十六页，共一百四十七页，2022年，8月28日式中：α接近于2；β在0.8一1.5之间；c是比例常数。α,β,c值由实验测得。

1/f噪声这种噪声的功率谱近似与频率成反比,故称1/f噪声。其噪声电流的均方值近似表示为2.4

光电探测器的噪声和特性参数(2-60)返回第一百二十七页，共一百四十七页，2022年，8月28日温度噪声式中:Gt——器件的热导；

τt——器件的热时间常数,大小为Ct/Gt；

Ct——器件的热容;

T——周围温度，K。

由于器件本身温度变化引起的噪声称为温度噪声。温度噪声电流的均方值为2.4

光电探测器的噪声和特性参数(2-61)第一百二十八页，共一百四十七页，2022年，8月28日在低频时,有因而式(2-61)可简化为2.4

光电探测器的噪声和特性参数由此可见,低频时的温度噪声也具有白噪声的性质。(2-62)返回第一百二十九页，共一百四十七页，2022年，8月28日探测器的输出信号电压Us或电流Is与入射的辐通量Φe之比，称为电压响应率Sv或电流响应率SI。即2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识响应率或(2-64)返回第一百三十页，共一百四十七页，2022年，8月28日光谱响应率或探测器在波长为λ的单色光照射下，输出的电压以Us(λ)或电流Is(λ)与入射的单色辐通量Φe之比称为光谱响应率。即2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识(2-65)第一百三十一页，共一百四十七页，2022年，8月28日SV(λ)或SI(λ)随波长λ的变化关系称为探测器的光谱响应曲线。若将光谱响应函数的最大值归一化为1，得到的响应函数称为相对光谱响应曲线。一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长(λm),而把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截止波长(λC),它表示探测器适用的波长范围。2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识返回第一百三十二页，共一百四十七页，2022年，8月28日等效噪声功率式中，

为信噪比。如果投射到探测器敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压(或电流)正好等于探测器本身的噪声电压(或电流)，则这个辐射功率就叫“噪声等效功率”。意思是说，它对探测器所产生的效果与噪声相同，通常用符号“NEP”表示。2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识(2-66)第一百三十三页，共一百四十七页，2022年，8月28日对于许多探测器而言,有。噪声等效功率是信噪比为1时的探测器所能探测到的最小辐射功率,所以又称为最小可探测功率。2.4

光电探测器的噪声和特性参数第二章光电检测中的基础知识将式(2-65)代入式(2-66)，则(2-67)返回第一百三十四页，共一百四十七页，2022年，8月28日探测率与比探测率等效噪声功率NEP与人们的习惯不一致,所以通常用NEP的倒数,即探测率D作为探测器探测最小光信号能力的指标。探测率D的表达式为2.4

光电探测器的噪声