光辐射探测的理论基础

光辐射探测的理论基础第1页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.1辐射度学与光度学的基础知识1.1.1光的基本概念1.1.2辐射度量1.1.4两条基本定律1.1.3光度量第2页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.1.1光的基本概念

领土安全、领空安全、领海安全、太空安全、电磁空间安全国家安全新概念：第3页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.1.1光的基本概念

电磁空间安全－－光学波段国家安全新概念：第4页，共163页，2023年，2月20日，星期三

1.1.1光的基本概念光学谱区0.01μm~1000μm可见光区0.38μm~0.78μm红外区0.78μm~1000μm紫外区0.01μm~0.38μm第5页，共163页，2023年，2月20日，星期三光电技术常用的光波波段远红外波段远近紫外波段可见光波段近红外波段中红外波段8导弹羽烟警用紫外成像红外制导红外预警激光雷达激光通信第6页，共163页，2023年，2月20日，星期三光电技术常用的光波波段远红外波段远近紫外波段可见光波段近红外波段中红外波段已开发利用波段待开发利用波段8第7页，共163页，2023年，2月20日，星期三3．光子能量公式光既是电磁波（波动性）又是光子流（粒子性）可见光光子的能量范围为3.2～1.6eV

太赫兹波30～3000μm能量范围为？～？eV1.1.1光的基本概念第8页，共163页，2023年，2月20日，星期三

太赫兹波30～3000μm与X射线比较：第9页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.1辐射度学与光度学的基础知识1.1.1光的基本概念1.1.2辐射度量1.1.4两条基本定律1.1.3光度量第10页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.1.2辐射度量辐射度学是一门研究电磁辐射能测量的学科。本课程限于光学波段的研究讨论。辐射度学电磁波客观光度学可见光主观（生理、心理）第11页，共163页，2023年，2月20日，星期三电磁波（Emission

）可见光（Visiblelight）－－辐射度量，Xe

－－光度量，Xv

1.1.2辐射度量第12页，共163页，2023年，2月20日，星期三

1．辐射能Qe

2．辐射通量Φe又称辐射功率，简称功率单位：W计算光电探测器的光电转换能力常用辐射功率

分析强光对光电探测器破坏机理常用辐射能量单位：J1.1.2辐射度量第13页，共163页，2023年，2月20日，星期三3．辐射强度

在给定方向上的立体角元内，辐射源发出的辐射通量与立体角元之比单位：W/sr(瓦/球面度)辐射强度反映了辐射源能量分布的什么特点？第14页，共163页，2023年，2月20日，星期三3．辐射强度辐射源多为各向异性的，即Ie随方向而改变超高压球形氙灯辐射强度分布第15页，共163页，2023年，2月20日，星期三4．辐射出度Me与辐射亮度Le辐射出度Me

面辐射源元的辐射能力第16页，共163页，2023年，2月20日，星期三4．辐射出度Me与辐射亮度Le辐射出度Me

辐射亮度Le

面辐射源元的辐射能力面辐射源沿不同方向的辐射能力的差异第17页，共163页，2023年，2月20日，星期三5．辐射照度Ee辐射接收面上单位面积接受的辐射通量单位：W/m2

（瓦/平方米）比较：辐射照度Ee辐射出度Me第18页，共163页，2023年，2月20日，星期三例：常见的几种显示器为了反映显示屏的特性，用上述哪个参数描述合适？为什么？为了描述显示器的每个局部面元在各个方向的辐射能力，最适合的辐射度量是（）

A辐射照度B辐射强度

C辐射出度D辐射亮度第19页，共163页，2023年，2月20日，星期三6．光谱辐射量

辐射源－－多波长的辐射氘灯的光谱能量分布图第20页，共163页，2023年，2月20日，星期三6．光谱辐射量

辐射源－－多波长的辐射荧光灯的光谱能量分布图第21页，共163页，2023年，2月20日，星期三6．光谱辐射量光谱辐射量是该辐射量在波长λ处的单位波长间隔内的大小，又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率。光谱辐射通量Φe(λ)：光谱辐射通量与波长的关系：第22页，共163页，2023年，2月20日，星期三

1．辐射能Qe

2．辐射通量Φe3．辐射强度

4．辐射出射度Me与辐射亮度Le

5．辐射照度Ee6．光谱辐射量光电技术中最常用：辐射照度辐射通量1.1.2辐射度量第23页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.1.3光度量人眼只能感知波长在0.38～0.78μm之间的辐射人眼对不同波长的感光灵敏度不同1．光谱光视效率或视见函数

最大值在555nm表1－1第24页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．光谱光视效率或视见函数

2．光度量的基本物理量光度量的基本物理量与辐射度量一一对应辐射度量符号单位名称光度量符号单位名称辐［射］能Qe焦耳(J)光能Qv流明秒(lm·s)辐［射］通量或辐［射］功率Φe瓦(W)光通量或光功率Φv流明(lm)辐［射］照度Ee瓦/平方米(W·m-2)[光]照度Ev勒克斯(lx=lm·m-2)辐［射］出度Me瓦/平方米(W·m-2)[光]出度Mv流明/平方米(lm·m-2)辐［射］强度Ie瓦/球面度(W·sr-1)发光强度Iv坎德拉(cd=lm·sr-1)辐［射］亮度Le瓦/平方米球面度(W·m-2sr-1)[光]亮度Lv坎德拉/平方米(cd·m-2)第25页，共163页，2023年，2月20日，星期三发光强度单位—坎德拉（Candela），记作cd。即λ=555nm时，有国际单位制中七个基本单位之一：3．辐射度量与光度量间的换算关系λ=555nm时λ=？nm时第26页，共163页，2023年，2月20日，星期三3．辐射度量与光度量间的换算关系λ=555nm时λ=？nm时任意波长：－－其光度量第27页，共163页，2023年，2月20日，星期三3．辐射度量与光度量间的换算关系日元美元光度量辐射度量第28页，共163页，2023年，2月20日，星期三光度量单位举例：例2：无月夜天光照度～3×10-4lx（微光夜视）白天办公室光照度

2～100lx

对CCD摄像机黑白图像照度≥0.02lx

彩色图像照度≥2lx例3：海平面太阳光平均亮度

1.6×109cd.m-210mW氦－氖激光器亮度6.66×1011cd.m-2

例1：教室投影仪器光通量2000lm～2500lm

高档的光通量3500lm第29页，共163页，2023年，2月20日，星期三辐射度与光度量总结：ΦeMeIeLeSΩΦvMvIvLvSΩcosqcosq第30页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.1辐射度学与光度学的基础知识1.1.1光的基本概念1.1.2辐射度量1.1.4两条基本定律1.1.3光度量第31页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.1.4辐射度学与光度学的两条基本定律1．辐射强度余弦定律2．距离平方反比定律第32页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．辐射强度余弦定律“余弦辐射体”或“朗伯辐射体”

特点：各方向的辐射亮度是一样的

例如：太阳荧光屏毛玻璃灯罩坦克表面

两条基本定律第33页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．辐射强度余弦定律“余弦辐射体”或“朗伯辐射体”

特点：各方向的辐射亮度是一样的

重要结论：（自行推导）两条基本定律第34页，共163页，2023年，2月20日，星期三2．距离平方反比定律意义：

计算面元接收到光能量点光源A，距离光源为R微面元dS，照度：应用条件：

光源尺寸远小于距离R两条基本定律第35页，共163页，2023年，2月20日，星期三第01章光辐射探测的理论基础辐射度量学基础半导体基础光电探测器概述第36页，共163页，2023年，2月20日，星期三半导体基础许多光电探测器都是由半导体材料制作的

半导体材料具有许多独特物理性质－专门学科：半导体物理学第37页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.4载流子的扩散与漂移第38页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.1能带理论1．原子能级与晶体能带电子共有化，能级扩展为能带1.2半导体的基础知识a)单个原子b)N个原子最外层电子自由电子第39页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．原子能级与晶体能带价带Ev导带Ec禁带Eg价电子（最外层电子）能级相对应的能带1.2.1能带理论第40页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．原子能级与晶体能带价带Ev导带Ec禁带Eg3.价电子--自由电子，要吸收能量特别指出：1.价带中电子，价电子－－不能参与导电2.导带中电子，自由电子－－能参与导电1.2.1能带理论第41页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．原子能级与晶体能带价带Ev导带Ec禁带Eg为什么只考虑导带与价带之间的禁带？1.2.1能带理论第42页，共163页，2023年，2月20日，星期三电磁波谱与原子内部电子运动第43页，共163页，2023年，2月20日，星期三绝缘体、半导体、金属的能带图

SiO2Eg=5.2evSiEg=1.1evEg=0电阻率1012Ω·cm10-3—1012Ω·cm10-6—10-3Ω·cm半导体具有独特光电特性－－重要应用价值1.2.1能带理论第44页，共163页，2023年，2月20日，星期三本征半导体结构完整、纯净的半导体称为本征半导体，又称I型半导体。杂质半导体半导体中可人为掺入少量杂质包括N型半导体和P型半导体

1.2.1能带理论2.半导体分类第45页，共163页，2023年，2月20日，星期三2．半导体能带以硅晶体为例1.2.1能带理论共价键电子—空穴对－－载流子－－本征激发室温或光照射第46页，共163页，2023年，2月20日，星期三2．半导体能带1.2.1能带理论室温或光照射共价键结构示意图本征半导体能带图第47页，共163页，2023年，2月20日，星期三N型半导体能带N型半导体本征半导体1.2.1能带理论施主能级？第48页，共163页，2023年，2月20日，星期三N型半导体含有三种载流子：

自由电子数>>空穴数目?(多子)(少子)

“Negative”——N型半导体PP1.2.1能带理论第49页，共163页，2023年，2月20日，星期三N型半导体含有三种载流子：

自由电子数>>空穴数目?(多子)(少子)

“Negative”——N型半导体PP1.2.1能带理论第50页，共163页，2023年，2月20日，星期三P型半导体能带N型半导体P型半导体本征半导体1.2.1能带理论第51页，共163页，2023年，2月20日，星期三P型半导体含有三种载流子：空穴数目>>自由电子数目？

(多子)(少子)BBBBB1.2.1能带理论第52页，共163页，2023年，2月20日，星期三2．半导体能带1.2.1能带理论－－三者的差异？？？第53页，共163页，2023年，2月20日，星期三N型半导体：施主能级P型半导体：受主能级掺杂百万分之一的杂质,载流子浓度提高百万倍？1.2.1能带理论第54页，共163页，2023年，2月20日，星期三总结：N型半导体与P型半导体的比较半导体所掺杂质多数载流子（多子）少数载流子（少子）特性

N型施主杂质电子空穴电子浓度nn>>空穴浓度pn

P型受主杂质空穴电子电子浓度np<<空穴浓度pp1.2.1能带理论第55页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.4载流子的扩散与漂移第56页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡态1.2半导体的基础知识一个不受外界影响的封闭系统，其状态参量（如温度、载流子浓度等）与时间无关的状态称为热平衡态。

载流子的分布导带中电子的浓度价带中空穴的浓度第57页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.2热平衡状态下的载流子－－热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为：Ef－－费米能级载流子的分布服从费米统计分布规律

第58页，共163页，2023年，2月20日，星期三费米能级Ef

的物理意义

1.2.2热平衡状态下的载流子Ef的意义是电子占据率为0.5时所对应的能级

第59页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.2热平衡状态下的载流子电子占据概率：

空穴占据概率：

第60页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.2热平衡状态下的载流子载流子的分布导带中电子的浓度价带中空穴的浓度占据概率：

第61页，共163页，2023年，2月20日，星期三导带中电子占据的概率：导带中总的电子浓度：第62页，共163页，2023年，2月20日，星期三导带电子浓度：价带空穴浓度：1.2.2热平衡状态下的载流子载流子的分布第63页，共163页，2023年，2月20日，星期三本征和杂质半导体中的费米能级：

用费米能级描述载流子分布－－“标尺”1.2.2热平衡状态下的载流子半导体费米能级推导练习：画出轻掺杂N型和重掺杂N型费米能级示意图第64页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡态1.2半导体的基础知识载流子的分布导带中电子的浓度价带中空穴的浓度用费米能级Ef描述：本征半导体

N型半导体

P型半导体总结：第65页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.4载流子的扩散与漂移第66页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.3半导体对光的吸收1．吸收定律Φ(x)=Φ0(1－r)e-αx

α=4πμ/λ

1.2半导体的基础知识第67页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.3半导体对光的吸收本征吸收半导体对光的吸收非本征吸收第68页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.3半导体对光的吸收本征吸收：

光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带

－截止波长产生电子－空穴对条件：特点：第69页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.3半导体对光的吸收本征吸收：本征半导体和杂质半导体内部，都有可能发生本征吸收！！！特别注意：第70页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.3半导体对光的吸收非本征吸收：光子能量不足以使价带中的电子激发到导带，包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收

杂质吸收：N型半导体施主束缚电子导带P型半导体受主束缚空穴价带第71页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.3半导体对光的吸收本征吸收电子－空穴对杂质吸收本征吸收杂质吸收波长增大本征吸收与非本征吸收比较：电子或空穴第72页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.4载流子的扩散与漂移第73页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.4非平衡状态下的载流子1．非平衡载流子的注入和复合2.非平衡载流子的寿命1.2半导体的基础知识第74页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子（过剩载流子）1.2.4非平衡状态下的载流子光生载流子热生载流子第75页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．非平衡载流子的注入和复合产生：复合：－－使非平衡载流子浓度增加的运动－－使非平衡载流子浓度减小的运动寿命？？？

1.2.4非平衡状态下的载流子第76页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.非平衡载流子的寿命光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命，用τc表示。以N型为例，少子的寿命？？？

1.2.4非平衡状态下的载流子第77页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.非平衡载流子的寿命以N型为例，计算弱注入条件下少子的寿命1.2.4非平衡状态下的载流子复合率：（热）产生率：

r为复合系数

热平衡时为什么？？？第78页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.非平衡载流子的寿命以N型为例，计算弱注入条件下少子的寿命1.2.4非平衡状态下的载流子光生电子－空穴对的直接复合率可用材料中少子的变化率表示为

弱注入Δn(t)=Δp(t)<<n0第79页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.非平衡载流子的寿命以N型为例，计算弱注入条件下少子的寿命1.2.4非平衡状态下的载流子弱注入条件下，载流子寿命与热平衡时多子电子的浓度成反比，并且在一定温度下是一个常数。

表明：第80页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.非平衡载流子的寿命①表征复合的强弱②τc决定线性光电导探测器的时间特性③τc的大小与材料的微观复合结构、掺杂及缺陷等因素有关。τc的物理意义：1.2.4非平衡状态下的载流子τc的适应条件：－－本征吸收和杂质吸收，弱注入第81页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.4载流子的扩散与漂移第82页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.2.5载流子的扩散与漂移

1．扩散载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称为扩散。扩散系数D和扩散长度L1.2半导体的基础知识第83页，共163页，2023年，2月20日，星期三2．漂移载流子受电场作用所发生的运动称为漂移。电子迁移率

μ电子电流：空穴电流：1.2.5载流子的扩散与漂移第84页，共163页，2023年，2月20日，星期三第01章光辐射探测的理论基础辐射度量学基础半导体基础光电探测器概述第85页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3光电探测器概述光电效应光热效应第86页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3光电探测器概述光辐射非传导电子--传导电子光辐射--电信号(广义)光电探测器:光电探测器的分类方法第87页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3光电探测器概述1.3.1半导体的光电效应1.3.2光探测器的噪声1.3.3光探测器的性能参数第88页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.1半导体的光电效应光电效应：光电导效应、光伏效应、光电子发射效应、光子牵引效应和光磁电效应利用光电效应制成的光电探测器称为光子探测器，如光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器等。1.3光电探测器概述第89页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.1半导体的光电效应1.光电导效应2.光伏效应3.光电发射效应4.光电转换的基本规律第90页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.光电导效应当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，因而导致材料电导率变化，这种现象称为光电导效应。非本征光电导效应本征光电导效应1.3.1半导体的光电效应(杂质光电导效应)－－杂质吸收－－本征吸收第91页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.光电导效应

本征光电导

暗电导率：亮电导率：光电导率：光电导率的相对值：

第92页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.光电导效应

本征光电导

光电导率的相对值：

要制成（相对）光电导高的器件，应该使n0和p0有较小数值。因此，光电导器件一般是由高阻材料制成或者在低温下使用。

第93页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.光电导效应

本征光电导

光电导率：

非本征光电导

光电导率：第94页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.1半导体的光电效应1.光电导效应2.光伏效应3.光电发射效应4.光电转换的基本规律第95页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.光伏效应

N

PPN结光一块半导体，P区与N区的交界面称为PN结。PN结受到光照时，可在PN结的两端产生电势差，这种现象则称为光伏效应。1.3.1半导体的光电效应第96页，共163页，2023年，2月20日，星期三1)PN结的形成扩散

形成：离子区耗尽区空间电荷区阻挡层内建电场

(结电场)浓度差异E2.光伏效应第97页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.光伏效应1)PN结的形成漂移内建电场自建电场E扩散与漂移方向相反第98页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.光伏效应1)PN结的形成扩散==漂移平衡PN结第99页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.光伏效应1)PN结的形成（多子）扩散（少子）漂移浓度差异内建电场第100页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.光伏效应PN结的形成摘自教育部新世纪网络课程《电子技术》—大连海事大学制作第101页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.光伏效应2)PN结能带与势垒结合前结合后费米能级与导带或价带的相对位置由材料掺杂决定一个平衡系统只能有一个费米能级第102页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.光伏效应2)PN结能带与势垒结合后一个平衡系统只能有一个费米能级例如：长沙－－就业率较低，收入较低深圳－－就业率较高，收入较高人才怎样流动？第103页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.光伏效应2)PN结能带与势垒*

E电场力类比:小球滚上山坡速度方向重力分力mgh第104页，共163页，2023年，2月20日，星期三3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容2.光伏效应偏压：外加在PN结两端的电压方向由P区指向N区正向电流：第105页，共163页，2023年，2月20日，星期三正向偏压:负离子数减少正离子数减少外加电场3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容正向偏压作用下，耗尽区宽度变小第106页，共163页，2023年，2月20日，星期三3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容电流方程：正向偏压继续增大，耗尽层越来越薄·······第107页，共163页，2023年，2月20日，星期三反向偏压:负离子数增加正离子数增加外加电场3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容反向偏压作用下，耗尽区宽度变大第108页，共163页，2023年，2月20日，星期三反向偏压:负离子数增加正离子数增加外加电场3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容反向电流:－－数值较小？？？第109页，共163页，2023年，2月20日，星期三PN结的单向导电性摘自教育部新世纪网络课程《电子技术》—大连海事大学制作第110页，共163页，2023年，2月20日，星期三3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容电流方程：正向电流和反向电流：第111页，共163页，2023年，2月20日，星期三3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容耗尽区宽度：单位面积结电容：减小结电容对提高光伏器件的响应速度有重要的意义！第112页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.光伏效应4)PN结光电效应平均扩散长度电子—空穴对分离电子—空穴对光照光生电势差讨论：光－电转换时间第113页，共163页，2023年，2月20日，星期三光生电动势与光电流＋－光电流方向光生电动势方向光电流方向与普通二极管电流相反4)PN结光电效应第114页，共163页，2023年，2月20日，星期三光电流光照下PN结的电流方程：普通二极管电流4)PN结光电效应2.光伏效应第115页，共163页，2023年，2月20日，星期三思考题：PN结加正向偏压，如何影响光伏效应？正向偏压：4)PN结光电效应结论：PN结加正向偏压，不利于结区光生电子、空穴对的分离，光电效应不明显。第116页，共163页，2023年，2月20日，星期三4)PN结光电效应总结：光生电动势光生电流（光电流）正反向偏压对光电效应的影响光伏效应光照下PN结的电流方程第117页，共163页，2023年，2月20日，星期三4)PN结光电效应PN结受到光照时，若入射光子能量大于材料禁带宽度，可在PN结的两端产生光生电势差，这种现象则称为光伏效应。

第118页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.1半导体的光电效应1.光电导效应2.光伏效应3.光电发射效应4.光电转换的基本规律第119页，共163页，2023年，2月20日，星期三3.光电发射效应金属或半导体受到光照时，电子从材料表面逸出这一现象称为光电发射效应。－－又称外光电效应。逸出物质表面的电子叫做光电子。

1.3.1半导体的光电效应第120页，共163页，2023年，2月20日，星期三3.光电发射效应1)爱因斯坦定律W-逸出功截止波长（长波限）第121页，共163页，2023年，2月20日，星期三－－光电发射－－本征吸收－－杂质吸收结论：3.光电发射效应－－截止波长对比波长增大光电发射杂质吸收本征吸收第122页，共163页，2023年，2月20日，星期三3.光电发射效应2)金属逸出功和半导体的发射阈值金属逸出功:

半导体发射阈值:第123页，共163页，2023年，2月20日，星期三基本概念：真空能级E0

电磁真空中静止电子能量（体外自由电子最小能量）电子亲和势EA

真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势2)金属逸出功和半导体的发射阈值电子亲和势的物理意义？第124页，共163页，2023年，2月20日，星期三3.光电发射效应2)金属逸出功和半导体的发射阈值金属逸出功:

半导体发射阈值:第125页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.1半导体的光电效应1.光电导效应2.光伏效应3.光电发射效应4.光电转换的基本规律第126页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.1半导体的光电效应4.光电转换的基本规律量子效率转换规律－－适应范围：光子探测器第127页，共163页，2023年，2月20日，星期三4.光电转换的基本规律量子效率：

－－原因：反射、透射、散射等

探测器类型η（％）光电导探测器（本征）～60光电导探测器（非本征）～30光伏探测器～60光电子发射探测器～10第128页，共163页，2023年，2月20日，星期三

量子效率进一步分析：

距表面位置x处Δx的长度内，单位时间吸收的光子数为：单位体积内电子－空穴对的产生率（m−3s−1）4.光电转换的基本规律第129页，共163页，2023年，2月20日，星期三

量子效率进一步分析：

单位体积内电子－空穴对的产生率（m−3s−1）x方向的电流密度（A/m2）为4.光电转换的基本规律第130页，共163页，2023年，2月20日，星期三

量子效率进一步分析：

x方向的电流密度（A/m2）为4.光电转换的基本规律第131页，共163页，2023年，2月20日，星期三

量子效率进一步分析：

提高量子效率：－－反射率r低，－－吸收系数α大，－－吸收厚长度lx要大例如，在探测器入射面镀上高透射率的抗反射层；利用微型谐振腔的光场谐振以增强吸收等。中科院已研制出量子效率高达85.6％GaN基PIN结构紫外探测器4.光电转换的基本规律第132页，共163页，2023年，2月20日，星期三

光子探测器光－电转换基本规律：（1）光电流与入射光平均功率成正比（2）光电流与光电场强度的平方成正比－－光子探测器为平方律器件4.光电转换的基本规律第133页，共163页，2023年，2月20日，星期三

光照时每产生一个光电子，在探测器的外电路中都输出一个电子外电路中单位时间内输出的电子数大于甚至远大于单位时间内产生的光电子数－－光电增益M

4.光电转换的基本规律光电增益M比较：光电增益与量子效率第134页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3光电探测器概述1.3.1半导体的光电效应1.3.2光电探测器的噪声1.3.3光电探测器的性能参数第135页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.2光电探测器的噪声1.3光电探测器概述噪声的基本概念噪声的表示方法探测器噪声分类第136页，共163页，2023年，2月20日，星期三信号平均值处有随机起伏－－含有噪声

例如：放音机的噪声激光器的噪声1.3.2光电探测器的噪声噪声的基本概念噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理第137页，共163页，2023年，2月20日，星期三用均方噪声多个噪声源（互不相关）1.3.2光电探测器的噪声噪声的表示方法噪声功率谱第138页，共163页，2023年，2月20日，星期三光电探测系统噪声：1.3.2光电探测器的噪声噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理第139页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.2光电探测器的噪声探测器的噪声1．热噪声(Johnson噪声)2.散粒噪声3．产生－复合噪声

4．1/f噪声

5．温度噪声

第140页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．热噪声(Johnson噪声)热噪声是由于载流子的热运动而引起电流或电压的随机起伏。1.3.2光电探测器的噪声为测量的频带宽度热噪声：白噪声第141页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.散粒噪声（Shot噪声）光电探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发下引起光电子或载流子的随机起伏I为器件输出平均电流散粒噪声：白噪声1.3.2光电探测器的噪声第142页，共163页，2023年，2月20日，星期三3．产生－复合噪声－－又称为g－r噪声（GenerationRecombination）半导体器件中由于载流子的产生与复合而引起的平均载流子浓度的随机起伏。I为总的平均电流；M为光电增益1.3.2光电探测器的噪声产生－复合噪声不再是“白”噪声？？第143页，共163页，2023年，2月20日，星期三4．1/f噪声1/f噪声通常又称为电流噪声－－也称为闪烁噪声或过剩噪声低频区：1kHz以下机理目前尚不清楚1.3.2光电探测器的噪声第144页，共163页，2023年，2月20日，星期三5．温度噪声热探测器中由于器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏G为器件的热导1.3.2光电探测器的噪声第145页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.2光探测器的噪声1．热噪声(Johnson噪声)2.散粒噪声3．产生－复合噪声

4．1/f噪声

5．温度噪声

实际的光电探测器所含的噪声种类及大小，后面各章结合器件介绍。第146页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3光电探测器概述1.3.1半导体的光电效应1.3.2光电探测器的噪声1.3.3光电探测器的性能参数第147页，共163页，2023年，2月20日，星期三1.3.3光探测器的特性参数主要特性参数：1．光电特性2.灵敏度与光谱特性3．等效噪声功率和比探测率4．响应时间与频率特性第148页，共163页，2023年，2月20日，星期三1．光电特性光电特性是指电学参量与光辐射参量之间的函数关系。例如：I=f（Ф）

I=f（E）1.3.3光探测器的特性参数例1：P109

光电倍增管的

光电特性线性度-重要性第149页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.灵敏度与光谱特性灵敏度是表征探测器将入射光信号转换成电信号能力的特性参数，又称为响应率。1.3.3光探测器的特性参数第150页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.灵敏度与光谱特性光谱灵敏度：例1：人眼

光谱灵敏度例2：硅光电器件

光谱灵敏度S1.3.3光探测器的特性参数第151页，共163页，2023年，2月20日，星期三2.灵敏度与光谱特性灵敏度是表征探测器将入射光信号转换成电信号能力的特性参数，又称为响应率。