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1、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,掌握,了 解,理 解,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,1.1.1 光的基本概念,1.1.1光的基本概念,1.1.1光的基本概念,光学谱区 0.01m1000m,可见光区 0.38m0.78m,红外区 0.78m1000m,紫外区 0.01m0.38m,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,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
2、,已开发利用波段,待开发利用波段,8,3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3.21.6eV,太赫兹波303000m,能量范围为？eV,1.1.1光的基本概念,太赫兹波303000m,与X射线比较：,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,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）,电磁波（Emission ）,可见光（Visible light ）,
3、辐射度量， Xe,光度量， Xv,1.1. 2 辐射度量,1辐射能Qe,2辐射通量e,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： J,1.1. 2 辐射度量,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？,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,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,4辐射出度Me与辐射亮度Le,辐射出度Me,辐射亮度Le,面
4、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,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,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,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,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,6光谱辐射量,光谱辐射量是该辐射量在波长处的单位波长间隔内的大小，又叫辐射量的光谱密度，是辐
5、射量随波长的变化率。,光谱辐射通量e()：,光谱辐射通量与波长的关系：,1辐射能Qe,2辐射通量e,3辐射强度,4辐射出射度Me与辐射亮度Le,5辐射照度Ee,6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,1.1.3 光度量,人眼只能感知波长在0.380.78m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555 nm,表11,1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,发光强度单位坎德拉（Candela），记作cd。即=555 nm时，有,国际单位制中七个基本单位之一 ：,3辐射度量与
6、光度量间的换算关系,=555 nm时,=？ nm时,3辐射度量与光度量间的换算关系,=555 nm时,=？ nm时,任意波长：,其光度量,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,光度量单位举例：,例2：无月夜天光 照度310-4lx （微光夜视） 白天办公室光 照度 2100lx 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 1.6109 cd.m-2 10mW氦氖激光器亮度6.661011cd.m-2,例1：教室投影仪器 光通量2000lm2500lm 高档的 光通量3500lm,辐射度与光度量总结：,e,M,e,I,e,
7、L,e,S,v,M,v,I,v,L,v,S,cos q,cos q,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,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,简单介绍，课后自学,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,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：,两条基本定律,2距离平方反比定律,意义： 计算面元接收到光能量,
8、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,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,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,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,1原
9、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,1原子能级与晶体能带,价带Ev,导带Ec,禁带Eg,3.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,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,电磁波谱与原子内部电子运动,绝缘体、半导体、金属的能带图,SiO Eg=5.2ev Si Eg=1.1ev Eg=0电阻率1012cm 10-31012cm 10-610-3cm,半导体具
10、有独特光电特性重要应用价值,1.2.1能带理论,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,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,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,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？,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,P,P,1.2
11、.1能带理论,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,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),B,B,B,B,B,1.2.1能带理论,2半导体能带,1.2.1能带理论,(a) 本征半导体 (b) N型半导体 (c) P型半导体,三者的差异？,(a)I型； (b)N型； (c)P型,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,总结：N型半导体与P型半导体的比较,1.2.1能带理论,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
12、.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,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,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,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,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
13、：,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：,导带中电子占据的概率：,导带中总的电子浓度：,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,本征和杂质半导体中的费米能级：,（a）本征半导体；（b）N型半导体； （c）P型半导体,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,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：,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,1.2.3半导体对光的吸收,1吸收定律,(x)=0(1r)e-x,=4/,1.2 半导体的基础知识,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,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,(a)本征半导体； (b)N型半导体； (c) P型半导体,
