《光电检测 知识点总结.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电检测 知识点总结.doc（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、辐射学和光度量学基本概念辐射度学单位是纯粹物理量的单位，例如，熟悉的物理学单位焦耳和瓦特就是辐射能和辐射功率的单位，光度学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，光度学中光功率的单位不用瓦特而用流明。其它基本概念 点源：照度与距离之间的平方反比定律 扩展源：朗伯源的辐出度与辐亮度间的关系 漫反射面：漫反射体的视亮度与照度间的关系 定向辐射体例题，已知太阳辐亮度为2x107W/(m2.sr)，太阳半径6,957x108m，地球半径6.374x106m，太阳地球平均距离为1.496x1011m，求太阳辐出度、辐强度、辐通量及地球接收的辐通量，
2、大气边沿的辐照度。黑体辐射定律绝对黑体：任何温度、任何波长的入射辐射的吸收比都等于1。任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度。 （强吸收体也必是强发射体。）光谱辐出度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；不同温度的曲线彼此不相交；某一波长上，温度越高，光谱辐出度越大；随温度升高，曲线峰值对应的波长向短波方向移动；波长小于m的部分能量约占25%，波长大于m的能量约占75%；维恩位移定律 (Wiens Displacement Law )将普朗克公式对波长求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长m与绝对温度T的关系。维恩位移定律 (Wiens D
3、isplacement Law )当黑体温度升高时，辐射曲线的峰值波长向短波长方向移动。黑体，灰体和选择性发射体，发射率与材料的性质及表面状态有关，随物体本身的温度和辐射波长而改变，并随观测方向而有不同。（光谱发射率、半球发射率、方向发射率）发射率不随波长变化且小于1的物体称灰体；发射率随波长变化的物体称为选择性辐射体；例题，已知太阳的峰值辐射波长为0.48um，太阳地球平均距离1.495x108km，太阳半径6.955x105km，如果将太阳与地球均近似看出黑体，求太阳的地球的表面温度。半导体基础知识半导体的能带1、能级理论：晶体中的电子只能处于能带的能级上，且每一个能带中都有与原子总数相适
4、应的能级数。2、泡利原理：在每一个能级上最多只能填充一个电子。即N为能级数。跟据能量最小原理，电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。满带：任何时间都填满电子数。价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而导带中没有电子。导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能后，就会越过禁带进入导带。费米分布函数半导体中的电子数：4*5*1022/cm3从整体看，热平衡下，电子按能量大小具有一定统计分布规律性，即此时电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定的。Ef，费米能级，与温度、半导体材料的导电类型、杂质含量等有关系。费米能级可以看成量子态是否被电子占据的一个界限；一般可以认为，在温度不高时
5、，能量大于费米能级的量子态基本上没有被电子占据，而能量小于费米能级的量子态基本上为电子所占据。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。玻耳兹曼分布函数 表明，在一定温度下，电子占据能量为E的量子态的几率由指数因子所决定玻耳兹曼统计分布；原因：Fermi 和 Boltzmann统计的主要差别，前者受到Pauli exclusion principle限制，但在E-EfkT条件下，泡利原理失去作用，两者同一；半导体中的电子与空穴分布半导体中，最常遇到的情况是Ef位于禁带内，且其与导带底或价带顶的距离远大于kT，故导带中的电子分布可以用电子的Boltzmann分布函数描写；即导带中大
6、多数电子分布在导带底附近；f(E)表示电子分布，则1- f(E)表示空穴分布；价带中大多数空穴分布在价带顶附近；u 半导体的类型 I;P;杂质1、I型半导体（本征半导体）： 1、I型半导体是完全纯净或结构完整的半导体，是完全由基质原子组成的晶体。在绝对零度时，不受外界影响的情况下，导带没有电子，价带也没有空穴，因此不能导电。在热运动或外界的影响下，价电子跃迁到导带，产生自由电子和空穴，构成导电载流子。2、杂质半导体对N型半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电，由于导带中的电子在导电中起主要作用，因此也称为“电子型半导体”。由能级图可见，施主能级处于禁带内导带底的下面
7、。电子从施主能级跃迁到导带所需的能量。 在常温下，电子所具有的平均热能就足以使施主原子电离。因此，对N型半导体具有较高的电导率。3、P型半导体 P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这样的半导体也称为“空穴型半导体”。由能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的电离能 。这时由于电子填充了共价键中的空位而出现空穴。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使受主原子电离。因此，对P型半导体具有较高的电导率。从半导体载流子的浓度考虑，若在无辐射时电子和空穴的浓度分别为n和p，则当np时，这种半导体称为P本征半导体；当np时，称为N型半导体；当np时，称为I型半导体。光辐射与
8、半导体的相互作用 当光辐射作用在半导体上时，半导体吸收光辐射能量，价带的电子获得辐射能后将跃迁到导带，产生新的电子空穴对，形成非平衡载流子，从而提高材料的电导率。半导体对光辐射的吸收分为本征吸收、杂质吸收、载流子吸收、激子和晶格吸收五种光吸收效应。本征吸收是指电子在辐射作用下，从价带跃迁到导带的吸收。研究本征吸收时应考虑半导体的能带结构。如前所述，对直接带隙材料，电子所需的能量应大于或等于能隙Eg；而对间接带隙材料，电子除需要大于或等于能隙的能量外，还需要声子的能量。杂质吸收，在半导体禁带内存在杂质能级时，在小于能隙能量的光子作用下，杂质能级和相应的能带间出现电子跃迁而形成的非平衡载流子电子或
9、空穴。杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向，其光子能量应大于或等于所需的电离能。载流子吸收载流子浓度很大时（1019-1020 cm-3），导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收激子和晶格吸收 指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库伦力相互作用形成电子和空穴的能量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。半导体中的非平衡载流子一般通过外部注入载流子或用光激发方式使半导体器件载流子浓度超过热平衡时的浓度。这些超出部分的载流子称为非平衡载流子或过剩载流子。半导体材料吸收光能产生非平衡载流子是光电检测器件的工作基础。载流子的扩散与漂移扩散：当材料的
10、局部位置受到光照时，在这局部位置的光生载流子浓度就比未照射部分载流子浓度要高。这时电子将浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种现象称为载流子扩散。扩散有一定方向，可以形成电流。在扩散过程，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。由于载流子扩散取载流子浓度减少方向，所以空穴形成的电流是负的。漂移：半导体受外电场作用时，其中的电子向正极运动，空穴向负极运动，这种定向运动称为载流子漂移。电流密度J正比于电场强度E；分析说明本征半导体和杂质半导体导的机理光电效应物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现
11、象。 在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： 原因：是辐射，而不是升温； 现象：电子运动状态发生变化； 结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。简单记为：辐射电子运动状态发生变化光电导效应、光生伏特效应、光电子发射。光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效
12、应。光与物质的相互作用：内光电效应：被光激发的载流子仍在物质内部，但使物质的电导率变化or产生光生伏特效应；(半导体光电器件)外光电效应：被光激光的电子逸出物质表面，形成的效应；(真空光电倍增管、摄像管、像增强器) u 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应 丹培(Dember)效应 光磁电效应 光子牵引效应内光电效应一、光电导效应：价带电子吸收光子跃入导电，引起半导体电导率变化由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大（电阻减小） ；光电导效应半导体的光电导效应和入射辐通量的关系：弱辐射下为线性关系，随辐射的增加，线性关系变坏，辐射很强时，变为抛物线关系；I、本征半导体的光电
13、导效应：光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激发到导带成为自由电子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作用时，光激发的电子空穴对将同时参加导电。从而使电导率增加。II,杂质半导体的光电导效应N型光电导体，主要是光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子，增加了自由电子的浓度。P型光电导体，主要是光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电。增加了空穴的浓度。二、光生伏特效应：基于pn结基础上的一种把光能转变成电能的效应。pn结接触,Femi能级差别Femi能级相同空间电荷区；
14、(空间电场：np) 在pn结区有光生载流子时，内建电场电子向n+空穴向p；(p区带正电，n区带负电，伏特电压)丹培(Dember)效应:由于载流子迁移率的差别产生的伏特现象；如下图所示：1,半导体部分遮蔽、部分光照载流子向遮蔽区扩散；2,电子迁移率大于空穴迁移率遮蔽区积累电子+光照区积累空穴；3,形成光生伏特现象；当半导体较厚，迎光面带正电，背光面带负电；外光电效应光电发射的基本定律1,爱因斯坦定律（光电发射第二定律）发射体发射的光电子的最大动能，随入射光频率的增加而线性的增加，而与入射光的强度无关。2, 斯托列托夫定律（光电发射第一定律）当入射辐射的光谱分布不变时，入射辐射通量越大（携带的光
15、子数越多），激发电子逸出光电发射体表面的数量也越多，因而发射的光电流就增加，所以光电流正比于入射辐射通量。光电探测器噪声与基本参数一般光电检测系统的噪声包括三种：(1) 光子噪声。包括：A信号辐射产生的噪声；B背景辐射产生的噪声。(2)探测器噪声。包括：A热噪声，注意：热噪声虽然是温度T的函数，但并不是温度变化引起的温度噪声。；B散粒噪声；C产生-复合噪声；D.1f噪声；E.温度噪声。(3)信号放大及处理电路噪声热噪声：热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的无偏压下的起伏电动势、或起伏电流。注意：热噪声虽然是温度T的函数，但并不是温度变化引起的温度噪声。散粒噪声：由于粒子的随机
16、性出现而构成的噪声。随机事件有：物体辐射的或接收的光子数；阴极发射的电子数；半导体中的载流子数；光电倍增器的倍增系数等。 散粒噪声的大小取决于：注意：散粒噪声和热噪声都是与频率无关的“白噪”声。即：散粒噪声和热噪声的大小与频率的高低无关。等效噪声功率：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声电压（或电流），则这个辐射功率就叫做“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。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。比探测率又称归一化
