光电信息技术第一章总复习

面辐射源沿不同方向的辐射能力 的差异
面辐射源元的辐射 能力
5．辐射照度Ee
dΦe Ee dS
单位：W/m2 （瓦/平方米）
dΦe Me dS
辐射接收面上单位面积 接受的辐射通量
比 较： 辐射照度Ee 辐射出度Me
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：
典型代表：光敏电阻
光
1.3.3 光伏效应
P
N
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。
典型代表：光电池、光敏 二极管、光敏三极管
1.3.4 光电器件的特性参数
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） 例 1： 光电倍增管的 光电特性
光电信息技术总复习
第一章 光电信息技术物理基础
1 半导体理论基础 2 光学基础 3电路基础 理解掌握 了解
1.1 原子能级与晶体能带
N个原子
……
自由电子
电子能 量
导带 Ec
禁 禁 带 带 Eg
最外层电子
价带 Ev
a)单个原子 b)N个原子 电子共有化，能级扩展为能带
……
电子能量
N个原子
禁 禁 (a) (b)
Eg=0 10-6—10-3Ω·cm
半导体具有独特光电特性－－重要应用价值
N和P型半导体能带
本征半导体
N型半导体
本征吸收
1.2半导体对光的 吸收
非本征吸收
本征吸收：
光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带
(a)本征半导体；
(b)N型半导体；
(c) P型半导体
条件：
hv Eg
或
h
c

Eg
带 带
Eg
导带 Ec 价带 Ev
导带Ec
禁带Eg 价带Ev
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 3.价电子--自由电子， 要吸收能量
绝缘体、半导体、金属的能带图
SiOwenku.baidu.comEg=5.2ev 电阻率1012Ω·cm
Si Eg=1.1ev 10-3—1012Ω·cm
线性度-重要性
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。
U SU Φ
I SI Φ
光电流随波长λ的变化
关系称为探测器的光 谱特性（曲线）。
硅光电器的光谱特性
2 光学基础
电磁空间安全 －－光学波段
光学谱区 可见光区
0.01μm~1000μm 0.38μm~0.78μm
2.2 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
2.2.1．光谱光视效率 或视见函数
最大值在555 nm
明视觉光谱光视效率
• • λ/nm 385 395 • 415 V(λ) 6E-05 0.00022 0.00218 λ/nm 595 615 635 V(λ)
光电效应分为：
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
1.3.1 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。
典型代表：光电倍增管
电子光学系统
1.3.2 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。
(a)本征半导体；
(b)N型半导体；
(c) P型半导体
杂质吸收：
0
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
hc 1.24 hc 1.24 μm 或 0 μm Ed Ed Ea Ea
本征吸收与非本征吸收比较：
本征吸收
电子 －空穴 对
hc 1.24 m 0 Eg Eg
杂质吸收 电子 或 空穴
hc 1.24 hc 1.24 μm 或 0 μm 0 Ed Ed Ea Ea
本征吸收
0
杂质吸收
波长增大
非平衡载流子的注入和复合
非平衡载流子 （过剩载流子）
光生载流子 热生载流子
0.69490
0.44120 0.21700
•
•
485
495 535 555 565
0.16930
0.25860 0.91485 1 0.97860
655
685 725 745 775
0.08160
0.00572 0.00074 0.00017 0.00002
•
• • •
2.2.1．光谱光视效率或视见函数
1．辐射能Qe
单位： J
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
3．辐射强度
I e ( , )
Intensity
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
dΦe Ie , dΩ
红外区
紫外区
0.78μm~1000μm
0.01μm~0.38μm
光电技术常用的光波波段
远近紫外波段 近红外波段 远红外波段
8
可见光波段
中红外波段
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
光电技术常用的光波波段
远近紫外波段 近红外波段 远红外波段
8
可见光波段
中红外波段
已开发利用波段
光度量 辐射度量
Φv ( ) 683 V ( )Φe ( )
日元 美元
辐射度学与光度学的基础知识 电磁辐射和光辐射 辐射通量和光通量 发光强度和光照度
Qe Φe Ee Me Ie Le
Qv Φv Ev Mv Iv Lv
3．辐射度量与光度量间的换算关系
国际单位制中七个基本单位之一 ： 发光强度单位—坎德拉（Candela），记作cd。 即λ=555 nm时，有
1 lm 1 I v 1cd W/sr sr 683
λ=555 nm时
1W 683lm
1W V 683lm
λ=？ nm时
3．辐射度量与光度量间的换算关系
λ=555 nm时 λ=？ nm时
1W 683lm
1W V 683lm
任意波长：
Φv ( ) 683 V ( )Φe ( )
－－其光度量
3．辐射度量与光度量间的换算关系
1 lm 1 I v 1cd W/sr sr 683
非平衡载流子的注入和复合
产生： －－使非平衡载流子浓度增加的运动 复合： －－使非平衡载流子浓度减小的运动
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。 2．漂移
载流子受电场作用所发生的运动称为漂移。
1.3 半导体的光电效应
• 光电效应：物质受光照射后，材料电学性 质发生了变化（发射电子、电导率的改变、 产生感生电动势）现象。 包括： 外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化
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？ 辐射源多为各向异性的，即Ie随
( , ) 方向而改变
4．辐射出度Me与辐射亮度Le
辐射出度Me
Me dΦe dS
辐射亮度Le
dI e d 2Φe Le , dS cos dS dΩ cos
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 辐［射］能 辐［射］通量 或 辐［射］功率 辐［射］照度 辐［射］出度 辐［射］强度 辐［射］亮度 符号 单位名称 焦耳 (J) 瓦 (W) 瓦/平方米 (W· m-2) 瓦/平方米 (W· m-2) 瓦/球面度 (W· sr-1) 瓦/平方米球面度 (W· m-2 sr-1) 光度量 光能 光通量或 光功率 [光]照度 [光]出度 发光强度 [光]亮度 符号 单位名称 流明秒 (lm· s) 流明 (lm) 勒克斯 (lx=lm· m-2) 流明/平方米 (lm· m-2) 坎德拉 (cd=lm· sr-1) 坎德拉/平方米 (cd· m-2)
待开发利用波段
2.1 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）
2.1 辐射度量 电磁波（Emission ） －－辐射度量， Xe 可见光（Visible light ）
－－光度量， Xv
2.1 辐射度量
hc 1.24 m －截止波长 0 Eg Eg
特点： 产生电子－空穴 对
本征吸收：
(a)本征半导体；
(b)N型半导体；
(c) P型半导体
特别注意：
本征半导体和杂质半导体内部，都有可能发生本 征吸收！！！
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