第一章光电技术基础

第一章光电技术基础第1页，共101页，2023年，2月20日，星期一教材和参考资料教材：王庆有等，《光电技术》，电子工业出版社参考资料：《光电技术概论》作者:安毓英等，

电子工业出版社；《光电技术》作者:江文杰施建华，科学出版社，2009；《光电子技术基础教程》作者:郭培源梁丽北京航空航天大学。第2页，共101页，2023年，2月20日，星期一课程性质：专业必修课程考核平时成绩：30％期末考试：70%致谢承蒙参考书目、论文为课件提供了理论承蒙许多网站提供了各种资料声明此课件仅仅用于课堂教学，不得用于其他商业用途成绩考核&致谢第3页，共101页，2023年，2月20日，星期一基本内容第1章光电技术基础第2章光电导器件第3章光生伏特器件第4章光电发射器件第5章热辐射探测器件第6章发光器件与光电耦合器件第7章光电信息变换第8章图像信息的光电变换第9章光电信号的数据采集与计算机接口技术第10章光电信息变换技术的典型应用第11章光电技术的新发展

第4页，共101页，2023年，2月20日，星期一典型的光电器件：1.半导体激光器（GaAs/GaAlAs异质结激光器）；2.PN结发光二极管；3.光电探测器（光敏电阻，红外探测器、pn结光伏探测器）；4.光电池（非晶硅太阳能电池-硅光电池）第5页，共101页，2023年，2月20日，星期一5.光电成像系统（CCD电荷耦合器件：数码摄像，CMOS摄像器件，红外焦平面阵列）；6.显示器：电致发光显示技术（LED），液晶显示；7.光纤通信；8.激光雷达；9.光纤传感器等第6页，共101页，2023年，2月20日，星期一绪论(Introduction)光电技术是由光学技术和电子技术相结合而形成的一门崭新的技术。

主要内容是利用光电结合的原理和方法，实现信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。光电技术是研究“光子”与物质中“电子”相互作用的一门科学，它以光学和电子学为基础，综合利用光学、电子学、精密机械、仪器仪表、材料科学、控制科学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科第7页，共101页，2023年，2月20日，星期一

21世纪的信息网络是以IP（或IP/ATM）协议控制下的密集波分复用（DWDM）为基础的光核心网，

包括有线（光纤或HFC）、无线等不同接入类型、不同业务规模的各种接入网所形成的一个灵活、大容量的综合网。其中全光通信网（AON）是主体，

全光网中的传输和交换容量均达到Tb/s量级，将比现有传输速率提高100倍以上。

光纤通信及其相应的光电子材料、器件、系统设备在内的市场在今后15-20年内仍会以高的速率持续增长。产品主要有连接器附件和元件、耦合器、衰减器、隔离器、波分复用器等。光电子产业1.信息光电子产业第8页，共101页，2023年，2月20日，星期一

由于具有相干性好、单色性好、高亮度等独特优点，激光在工业和医疗方面的应用前景非常可观，可用来切割、焊接、打孔、热处理、划片、光刻以及用来进行手术、镇痛、理疗等治疗。激光加工设备还将继续沿高功率、高质量、高可靠、低成本的方向发展。

2.能量光电子产业第9页，共101页，2023年，2月20日，星期一

光电子材料和元器件是光电子产业的基础，对光电子产业的发展起着决定性的作用。4.光子学及光通信器件

主要包括光子的产生、探测、控制和处理，因此，必须有相应的光子学器件，光子学器件的时间响应和单道超大容量要比电子学器件高得多，这对信息技术的发展有很大的推动作用。

3.光电子材料和元器件产业

第10页，共101页，2023年，2月20日，星期一5.光存储器件

20世纪末期兴起的光存储，特别是光盘存储技术将对信息的存取产生重大影响。数字光盘存储技术正向更高存储密度和更高存储速度方向发展。角度、波长、空间与移动复用的全息存储可以实现和作为缓冲海量信息存储。三维存储技术，如光子引发的电子俘获三维存储光盘和光盘烧孔存储等高密度存储等。第11页，共101页，2023年，2月20日，星期一5.光传感器件

光电传感器件在光信号的电学处理方面已经在通信、工业过程控制、光电信号处理以及光计算领域发挥巨大的作用，其蕴涵的市场份额是极为巨大的。6.光显示器件信息的显示体现了真正的人机互动关系。在光子与光电子材料与器件产业领域占有极为重要的地位。在这一领域可发展液晶显示(LCD)、等离子体显示(PDP)，电致发光显示（EL）、YAG激光显示等产业化工程。

7.光能量转换器件

8.光学图像器件第12页，共101页，2023年，2月20日，星期一第13页，共101页，2023年，2月20日，星期一第1章光电技术基础

第14页，共101页，2023年，2月20日，星期一光电器件构成：光辐射源（光源）:外部产生（探测器）和内部产生（发光）两种；

光电转换部分：光转换为电，或电转换为光；第15页，共101页，2023年，2月20日，星期一光辐射源:可见光:

太阳,白炽灯,日光灯,激光器,发光二极管,荧光灯,水银灯,钠等红外线:

红外激光器,太阳,有机体即无机体紫外线:

紫外灯,X射线,放射性金属:射线第16页，共101页，2023年，2月20日，星期一光探测器:光电效应,光电倍增管,可见光功率计,光通量计红外探测器紫外探测器荧光光谱仪纳曼光谱仪红外光谱仪单色仪第17页，共101页，2023年，2月20日，星期一

任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光辐射探测器，所以光辐射和光电转换原理是光电子技术的基本研究内容之一。本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典型光辐射源。

第18页，共101页，2023年，2月20日，星期一1.电磁波的性质与电磁波谱

由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产生了电磁波。电视台声光电电磁波发射第19页，共101页，2023年，2月20日，星期一⑴电磁波的电场E和磁场H都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。E和H传播方向构成右手螺旋系。⑵沿给定方向传播的电磁波，E和H分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。电磁波的性质第20页，共101页，2023年，2月20日，星期一⑷在任一时刻空间任一点，E和H在量值上的关系为⑸电磁波在真空中传播的速度为介质中的传播速度为⑶空间各点E和H都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。第21页，共101页，2023年，2月20日，星期一电磁波谱第22页，共101页，2023年，2月20日，星期一第23页，共101页，2023年，2月20日，星期一2.光辐射光以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量。可用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm~1mm，或频率在31016Hz~31011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m表示。波数单位习惯用cm-1。第24页，共101页，2023年，2月20日，星期一可见光：通常人们提到的“光”指的是可见光。波长在390~770nm范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。紫外辐射：紫外辐射比紫光波长更短，人眼看不见，波长范围是1~390nm。又分为近紫外、远紫外和极远紫外。极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，又称为真空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中，常分为A波段(近紫外)、B波段和C波段（远紫外）。第25页，共101页，2023年，2月20日，星期一红外辐射：波长在0.77~1000m的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。

在可見光云图上，輻射越大，色調越白。輻射越小，色調越暗。通常云层越厚，反照率越大，色調也越白，而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表現为黑色，陸地反照率比海洋略大，表現为灰色，而潮湿或森林覆蓋的地區表現為灰暗的色調。在電視显示的卫星云图上，地表和海洋常用綠色和藍色表示。可見光云图第26页，共101页，2023年，2月20日，星期一对光辐射进行定量描述，需引入计量光辐射的物理量。对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度和光度学两套不同的单位体系。1.1辐射度学与光度学基本知识(1)在辐射度单位体系(2)光度单位体系第27页，共101页，2023年，2月20日，星期一辐射度单位体系:辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。光度单位体系:

反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。第28页，共101页，2023年，2月20日，星期一两类单位体系中的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符号一一对应。为了区别，在对应的物理量符号标角“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。第29页，共101页，2023年，2月20日，星期一1.辐射量⑴辐射能：以辐射形式发射或传输的电磁波能量（主要指紫外、可见光和红外辐射）。一般用符号Qe表示，其单位是焦耳（J）。⑵辐射通量：辐射通量e又称为辐射功率。为单位时间内流过的辐射能量，即单位：瓦特（W）或焦耳秒（Js）。第30页，共101页，2023年，2月20日，星期一⑶辐射出射度Me:反映物体辐射能力的物理量。辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即单位：W/m2。⑷辐射强度：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表示，即单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。

第31页，共101页，2023年，2月20日，星期一即SddSd图2辐射亮度示意图如果一个各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有第32页，共101页，2023年，2月20日，星期一⑸辐射亮度:面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图所示。SddSd图2辐射亮度示意图是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位：瓦特/球面度米2（W/sr·m2）。第33页，共101页，2023年，2月20日，星期一一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度，又称为余弦辐射体或朗伯体。(1)式代入(2)式得到余弦辐射体的辐射亮度为第34页，共101页，2023年，2月20日，星期一余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射体的辐射出射度为⑹辐射照度：在辐射接收面上的辐照度Ee定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即单位：（W/m2）。第35页，共101页，2023年，2月20日，星期一辐出度Me为出射强度，辐照度Ee为物体接受的强度，注意区别。反射体接受辐射后，一部分反射，一部分吸收，则反射出射度为：

第36页，共101页，2023年，2月20日，星期一辐照量He：在一定时间内照射到物体某一面元的辐照度。单位：J/m2曝光量Hv:物体表面在一定时间内接收到的光照度Ev.

第37页，共101页，2023年，2月20日，星期一(7)辐射效率与发光效率光源所发射的总通量e与外界提供给光源的功率P之比，称为光源的辐射效率；e=/P100%无量纲光源发射的总通量e与提供的功率P之比，称为发光效率；

v=/P100%单位：流明每瓦（lm·W-1）

第38页，共101页，2023年，2月20日，星期一2.光源的光谱辐射参量光源发射的光能是按波长进行分布的。在单位波长内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度在可见光区单位波长发射的光度量为光谱光度量

第39页，共101页，2023年，2月20日，星期一光源在波长λ1、λ2区间内发射的辐通量量子流速率：光源发射的辐射功率是每秒发射光子能量的总和。若λ~λ+dλ区间的辐射通量为等de,除以该波长的光子能量h,为光源在λ处的光子总量，称为光谱量子流速率dNλ第40页，共101页，2023年，2月20日，星期一在λ1~λ2光谱量子流速率Nλ在可见光区，光源每秒发射的总光子数为第41页，共101页，2023年，2月20日，星期一由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位不能正确反应人对光辐射亮暗感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完全一一对应，其关系如表1所示。第42页，共101页，2023年，2月20日，星期一

光度学的基本单位为坎德拉，也是国际单位制（SI）七个基本单位之一。定义为：一个光源发出频率为540×1012Hz的单色（黄色）辐射，若在给定方向上的辐射强度为1/683W/sr,则该光源在该方向上的发光强度为1cd.第43页，共101页，2023年，2月20日，星期一任何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。1.3物体热辐射热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。本节介绍热辐射的一些基本定律。第44页，共101页，2023年，2月20日，星期一1.单色吸收比和单色反射比。任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。吸收比：被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比，用表示。第45页，共101页，2023年，2月20日，星期一若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。反射比：反射的能量与入射的能量之比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用（T）表示。对于不透明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即第46页，共101页，2023年，2月20日，星期一2.基尔霍夫辐射定律在相同温度下，不同物体对相同波长的单色辐射出射度(M)与单色吸收比(α)之比都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即式中

为黑体的单色辐射出射度。第47页，共101页，2023年，2月20日，星期一3.普朗克公式黑体处于温度T时，在波长处的单色辐射出射度由普朗克公式给出式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，kB为波尔兹曼常数。令第48页，共101页，2023年，2月20日，星期一则(3)式可改写为第49页，共101页，2023年，2月20日，星期一不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。可见：第50页，共101页，2023年，2月20日，星期一⑴对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）。⑵单色辐射出射度随温度的升高而增大。⑶单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。第51页，共101页，2023年，2月20日，星期一4.瑞利-琼斯公式当很大时，可得到适合于长波长区的瑞利-琼斯公式

在时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。5.维恩公式当很小时，，可得到适合于短波长区的维恩公式

第52页，共101页，2023年，2月20日，星期一在区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。

6.维恩位移定律单色辐射出射度最大值对应的波长7.斯忒藩-玻尔兹曼定律其中为斯忒藩-玻尔第53页，共101页，2023年，2月20日，星期一兹曼常数:斯忒藩-玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。

8.色温为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温度这个量，单位为K。第54页，共101页，2023年，2月20日，星期一色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。色温度并非热辐射光源本身的温度。第55页，共101页，2023年，2月20日，星期一由于色温度是按规定的两波长处的辐射比率来比较的，所以色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的波长不同，色温度往往也不相同。至于非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。第56页，共101页，2023年，2月20日，星期一1.4.1人眼的视觉灵敏度

用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555μm处的光谱辐射亮度Le,λm小于其它波长的光谱辐亮度Le,λ。把波长=0.555μm的光谱辐射亮度Le,λm被其它波长的光谱辐亮度Le,λ除得的商，定义为正常人眼的V(λ)，即明视觉光谱光视效率第57页，共101页，2023年，2月20日，星期一通过对标准光度观察者的实验测定，在波长555nm处，L有最大值，其数值为Lm=683lm/W。单色光视效率是L用Lm归一化的结果，其定义为第58页，共101页，2023年，2月20日，星期一第59页，共101页，2023年，2月20日，星期一

对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为507nm处的光谱辐射亮度Le，507nm小于其他波长λ的光谱辐射亮度

Le,λ。把

Le，507nm与Le,λ的比值V`(λ）也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如上图中的虚线所示。1.4.2暗视觉光谱光视效率第60页，共101页，2023年，2月20日，星期一1.4.3辐射体光视效能

一个热辐射体发射的总光通量Φv与总辐射通量Φe之比，称为该辐射体的光视效能K，即

对发射连续光谱辐射的热辐射体，总光通量Φv为

第61页，共101页，2023年，2月20日，星期一由上面的式子可以得到

式中,V是辐射体的光视效率。

标准钨丝灯发光光谱的分布如图所示，图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射分、光谱光视效率V（λ）和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积，积分

为曲线所围的面积Al，而积分

第62页，共101页，2023年，2月20日，星期一

面积A2。因此，可得标准钨丝

灯的光视效能Kw为lm/W

已知某种辐射体的光视效能K和辐射量Xe，就能够计算出该辐射体的光度量Xv，该式是辐射体的辐射量和光度量的转换关系式。

第63页，共101页，2023年，2月20日，星期一例如，对于色温为2856K的标准钨丝灯其光视效能为17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为Φe＝100W时，其光通量为Φv=1710lm。由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降。第64页，共101页，2023年，2月20日，星期一例

已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？

解

He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，可以计算出它发出的光通量为Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)第65页，共101页，2023年，2月20日，星期一三、半导体的光电性质1.半导体的光吸收(1)本征吸收光照下，价带中的电子吸收光子能量后从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。电子的这种带与带间跃迁的吸收过程。本征吸收发生的必要条件：光子能量h大于等于禁带宽度Eg,即hh0=Eg本征吸收限：当光子频率小于0(波长大于0)时，吸收系数迅速下降，对应的频率0或波长0为本征吸收限。第66页，共101页，2023年，2月20日，星期一hEg只有波长小于L的辐射才能产生本征吸收第67页，共101页，2023年，2月20日，星期一直接跃迁：跃迁过程中，价带中的电子垂直跃迁到具有相同波矢k的导带上。直接带隙半导体：在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁过程间接带隙半导体：导带极小值和价带极大值不具有相同的k的半导体。在本征吸收过程中，产生电子的间接跃迁过程第68页，共101页，2023年，2月20日，星期一（2）杂质吸收在半导体中掺入杂质原子（施主或受主原子），在半导体的带隙中引入杂质能级，束缚在杂质能级上的电子吸收光能发生跃迁引起的光吸收。Si、Ge而言，施主通常是V族元素。电离能较小，在Si中约0.04～0.05eV，Ge中约0.01eV。施主杂质：在半导体中产生导电电子，其掺杂的半导体称为n型半导体施主杂质电离能ΔED：第69页，共101页，2023年，2月20日，星期一受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴的杂质。p型半导体：依靠价带空穴导电的半导体。受主杂质电离能ΔEA：第70页，共101页，2023年，2月20日，星期一

如果光子的能量小于禁带宽度Eg或小于杂质电离能（ΔED或ΔEA）时，电子不能跃迁到导带称为自由电子。但可以与价带上的空穴形成一个束缚较弱的电子-空穴对，这种电子-空穴对称为激子。激子吸收不会改变半导体的导电特性。（3）激子吸收杂质吸收限：杂质吸收限波长总是大于本征吸收的波长限。第71页，共101页，2023年，2月20日，星期一（4）自由载流子吸收当入射光子频率较小，不能引起导带-价带间的跃迁，但导带上的电子（空穴）在其所在的导带（价带）内的能级上跃迁发生的光吸收，通常称为带内跃迁。由于带内能级间隔很小，所以其吸收谱基本上为连续谱。（5）晶格吸收-又称为声子吸收晶格原子对远红外普去的光子能量的吸收，转变为晶格振动的动能，宏观上引起物体温度的升高。第72页，共101页，2023年，2月20日，星期一1.6.光电效应

光辐射的物理效应分类：光子效应和光热效应光子效应

探测器外光电效应（1）光阴极发射光电子（2）光电子倍增；打拿极倍增通道电子倍增（1）光电管；（2）光电倍增管；（3）像增强管内光电效应（1）光电导（本征、非本征）；（2）光生伏特；pn结雪崩，肖特基势垒光电池，光电二极管，雪崩二极管，肖特基势垒光电二极管第73页，共101页，2023年，2月20日，星期一

光热效应

探测器（1）测辐射热计（2）负电阻温度系数；正电阻温度系数超导（1）热敏电阻测辐热计；（2）金属测辐热计；（3）超导远红外探测器（1）温差电；（2）热释电其他热电偶、热电堆热释电探测器高莱盒，液晶等第74页，共101页，2023年，2月20日，星期一1.6.1内光电效应

1.光电导效应

光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种.本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。种第75页，共101页，2023年，2月20日，星期一光电导现象——只发生在半导体材料的体效应，金属没有光电导效应外电场作用下，载流子漂移运动：第76页，共101页，2023年，2月20日，星期一载流子浓度载流子的运动速度导电能力的强弱（σ）在截面为S,长度为l的材料上流过电流I，则界面上的电流密度为

J=I/S=E设导体的内的电子数密度为n,电子的漂移速度vd,则电流强度为则电流密度为第77页，共101页，2023年，2月20日，星期一

电场不很强时(E<103V/cm),Vd和E成正比，设比例系数为μ，则满足关系式：Vd=μE,J=Eμ称为载流子的迁移率，反映电子在晶体中运动能力的大小。第78页，共101页，2023年，2月20日，星期一电子电流：微观角度：空穴电流：漂移电流宏观角度：对半导体材料电导率与迁移率成正比。第79页，共101页，2023年，2月20日，星期一载流子的漂移运动用半导体的电导率来描述：电导G半导体的电阻Rd：光照下在半导体中产生新的载流子，产生非平衡载流子n、p，第80页，共101页，2023年，2月20日，星期一影响电导率因素：

1、载流子浓度相关影响因素

2、载流子迁移率相关影响因素（平均自由时间）散射（碰撞）本征半导体:掺杂半导体:重掺杂半导体近似:对n型半导体，n>>p,=nqn;对p型半导体，p>>n,=nqp;对本征半导体，p=n,=niq(n+p)第81页，共101页，2023年，2月20日，星期一光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件：式中Eg是禁带宽度,Ei是杂质能带宽度。第82页，共101页，2023年，2月20日，星期一n和p又称之为光生载流子。显然,n和p将使半导体的电导增加一个量G,我们称之为光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导。电导增量为电导的增加将在外电路电流增加iA=bxd第83页，共101页，2023年，2月20日，星期一在弱辐射作用下，半导体材料的光电导灵敏度为材料有关性质的常数，与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比。

（1）在弱辐射作用下，光生载流子浓度Δny等于光生空穴浓度Δp，Δn=Δp，光电导灵敏度为可得

第84页，共101页，2023年，2月20日，星期一

强辐射作用下，半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关，而且与入射辐射量有关，是非线性的。

（2）在强辐射的作用下

第85页，共101页，2023年，2月20日，星期一2.光生伏特效应

光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。

当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流的现象。

第86页，共101页，2023年，2月20日，星期一一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其交接面处形成PN结。PN结是各种半导体器件，如结型晶体管、集成电路的心脏。pn结附近电离的受主、施主所带电荷称为空间电荷（不可移动）。所在的区域为空间电荷区第87页，共101页，2023年，2月20日，星期一热平衡下，多数载流子的扩散作用于少数载流子由于内电场的漂移作用相抵消，没有净电流通过pn结。称为零偏状态。内建电场空间电荷区PN空穴电子扩散漂移如果pn结正向电压偏置（p正，n负），则有较大正向电流流过pn结。若pn结反向电压偏置，则有一很小的电流流过pn结。该电流在反向击穿前几乎不变，称为反向饱和电流。第88页，共101页，2023年，2月20日，星期一pn结的伏安特性为：Id是暗电流，iso是反向饱和电流零偏条件下如果照射光的波长满足条件：无论光照n区或p区，都会产生电子空穴对。第89页，共101页，2023年，2月20日，星期一光照下，在P区光生空穴对空穴浓度影响很小，而对电子浓度影响很大，从P形成电子扩散势。若P区厚度小于电子扩散长度，则电子进入pn结，内建电场扫向n区，光生电子空穴对被内建电场分开，p区、n区两端形成负的开路电压，称为光生伏特效应。第90页，共101页，2023年，2月20日，星期一光伏现象——半导体材料的“结”效应。光照下激发电子－空穴对时，内建电场将电子空穴对分开，在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。光照零偏pn结产生开路电压的效应——光伏效应——光电池，

u0=R0i0光照反偏工作时，观察到的光电信号是光电流，不是光电压，结型光电探测器的工作原理反偏pn结通常称为光电二极管第91页，共101页，2023年，2月20日，星期一

当内建电场的方向为电流的正方向时，PN结两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量为Φe,λ作用于PN结上，在负载电阻RL的两端产生压降U，流过负载电阻的电流应为

式中，