光电检测 技术 第一章 光电检测应用中的基础知识.ppt

光电检测技术 随着现代信息检测技术的发展 光子技术与微电子技术结合 相互交叉 相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一 具有越来越大的竞争力 序 第一章光电检测应用中的基础知识 被测对像 光学系统 光电转换 被测对象的信息加载 光电检测系统组成 1 1辐射度学和光度学基本概念 紫外辐射 可见光辐射 X光辐射 红外光辐射 电磁辐射 100 380nm 380 780nm 10 100nm 780nm 1mm 1 辐射度学 对各种电磁辐射进行定量评价的一门科学 评价对象 电磁辐射 2 光度学 评价对象 可见光辐射 对可见辐射作用于人眼所引起的 光 感觉进行定量评价 是一种生理效应 用下标 e 用下标 v 1 1 1辐射度学基本物理量 1 辐射功率 辐射通量 对于辐射源说 单位时间内向空间各个方向发射的总能量 单位 W 瓦特 对于电磁波的传播 单位时间通过某一截面的电磁波能量 对于电磁波的接收 单位时间内某一截面接收到的电磁能 如果是多波长辐射 则有 光谱功率谱密度 点光源 在某一方向上 在单位立体角内发出的辐射通量 描述辐射体在不同方向上的辐射特性 2 辐射强度 单位 向空间各个方向辐射均匀的点光源 如果辐射是多波长的电磁波则 如果辐射不均匀 则 方向上的辐射强度 可表示为 3 辐射亮度 单位 表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量 面元dS在 方向的光亮度定义为 此面元在 方向d 体积角内的的辐射通量d e除立体角的大小d 和此面元在观测方向上的表观面积cos dS 如果是多波长辐射则 如果辐射不均匀 则 方向上的辐亮度 可表示为 4 辐射出射度 光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能 包括所有方向 或者说单位辐射面发出的辐通量 用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性 单位 W m2 受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能 或单位表面积接受的辐通量 5 辐照度 单位 W m2 同样有 同样有 1 1 2光度学基本物理量 一 光度学量和辐射度学量的关系 1 光谱灵敏度K 及视见函数V 相同 波长 不同 产生对人眼不同的刺激程度 人眼对光的感受是光波长的函数 单位时间内发射 传播或接收的光量 1 光谱灵敏度 定义 视见函数 2 视见函数 二 光度学量 面元dS在 方向d 体积角内的的光通量d v除立体角的大小d 和此面元在观测方向上的表观面积cos dS 3 光亮度 单位 辐射亮度 面元dS在 方向d 体积角内的的辐通量d e除立体角的大小d 和此面元在观测方向上的表观面积cos dS 4 光出射度 光源单位时间由单位表面积辐射出的光量 包括所有方向 或者说单位辐射面发出的光通量 单位 lm m2 辐射出射度 光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能 包括所有方向 或者说单位辐射面发出的辐通量 单位 W m2 受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能 或单位表面积接受的辐通量 5 光照度 单位 lm m2 受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能 或单位表面积接受的辐通量 辐照度 单位 W m2 lx勒克斯 1 1 3其它基本概念 1 点源 某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比 平方反比定律同时也与面源的方向有关 I 对于沿各方向匀均辐射的点源 点源对面的照度 总辐射通量为 2 扩展源 有一定面积的辐射源 朗伯源或称为余弦辐射体 向空间各个方向的辐射亮度相同 理想化的扩展源 发光强度I与方向角 满足余弦定律的发光体 大部分发光体都有此性质 常数 根据辐出度的定义 根据亮度的定义 朗伯源向空间各个方位的总辐射通量的计算 3 漫反射面 把入射光向各个方向均匀的散射的各种表面 设某一漫反射面dS所受的光照度为E 则此面接收到的光通量为 设此反射面的反射系数为K 则它反射的光通量为 透明漫反射体亮度减半 4 定向辐射体 光线的发射方向比较集中 如 激光器 太阳的辐射亮度只有3 108W sr m2 1 2半导体的基础知识 1 电子的共有化运动 2 能带的形成 1 2 1固体的能带结构 3 能带的结构 价带中的空穴 导带中的电子 满带 被电子填满的能带 空带 没有电子占据的能带 4 N型半导体和P型半导体 不导电 弱导电性 1 本征半导体 2 掺5族元素时 N型半导体的能级 3 掺3族元素时 P型半导体 价带 导带 杂质能级 低温下 杂质激发 本征激发 1 2 2热平衡下的载流子浓度 本征半导体中的载流子 开始时 激发 复合 一段时间后 激发 复合 载流子浓度增大 载流子浓度稳定 设由低温到高温的过程 1 2 3半导体中的非平衡载流子 非平衡载流子 通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度 这些超出的载流子通常称为非平衡载流子 或过剩载流子 1 半导体材料的光吸收效应 1 本征吸收 要发生光电导效应 必须满足 单位是 m 2 杂质吸收 N型半导体 工作时温度要低 防止热激发 P型半导体 2 非平衡载流子浓度 复合方式有 直接复合 导带中的电子直接回到价带填充空位 间接复合 通过 缺陷 错位 杂质 等形成的复合中心复合 1 2 4载流子的扩散和漂移 1 扩散 在某种作用下 如光照 使材料中的局部位置的光生载流子浓度高于其它地方的载流子浓度 这时载流子就从浓度高的地方向浓度低的地方运动 这种现象称为扩散 扩散形成电流的大小 2 漂移 在电场做用下电荷的移动 对于空穴导电 2 总电流 电子 空穴 总电流 1 3基本定律 1 3 1黑体辐射定律 黑体 有一类物体其表面不反射光 它们能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射 这类物体就叫绝对黑体 吸收比 反射比 1 基尔霍夫定律 2 普朗克辐射公式 常数 光谱发射率 短波区或温度不高的情况下 3 斯忒藩 玻耳兹曼定律 短波区或温度不高的情况下 一定温度下总的辐射出射度 4 维恩位移定律 Me T 内光电效应光电导效应光生伏特效应外光电效应 1 3 1光电效应 光电导效应 当半导体材料受光照时 由于吸收光子使其中的载流子浓度的增大 因而材料的电导率增大 这种现象称为光电导效应 光生伏特效应 当半导体材料受光照时 由于吸收光子产生电子 空穴对 载流子浓度增大 其中 电子在结电场的作用下被拉到N区 同时空穴也在结电场的作用下被拉到P区 从而在结区两边产生势垒 这就是光生伏特效应 外光电效应 光电发射定律在光线的作用下 物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应 也叫光电子发射效应 向外发射的电子叫光电子 当电子从光子吸取的能量大于逸出功A0时 电子就能逸出表面 产生光电子发射 爱因斯坦光电效应方程或光电发射第一定律 光电发射第二定律 当辐射的光谱分布不变时 饱和光电流与入射的光通量 成正比 光电子发射过程可以归纳为以下三个步骤 物体吸收光子后体内的电子被激发到高能态 被激发电子向表面运动 在运动过程中因碰撞而损失部分能量 克服表面势垒逸出金属表面 物质的逸出功和红限频率当光电子的速度等于零 即光电子的动能为0时 有 光电子能否产生 取决于光子的能量是否大于该物体的电子逸出功 这说明每一个物体都有一个对应的光频阈值 称为红限频率或长波限 光线频率低于红限频率 其能量就不足以使物体内的电子逸出 因而小于红限频率的入射光 光强再大也不会产生光电子发射 入射光频率如果高于红限频率 即使光线微弱 也会有光电子射出 半导体材料的阈值波长对于半导体 一般情况下 能够有效吸收光子的电子大多是处在价带顶附近 所以光电子发射的逸出功为 式中Eg是半导体禁带宽度 EA称为电子亲和势 即半导体材料光电发射的能量阈值为所以长波限为式中 h 4 13 1015eV s 是普朗克常数 c 3 1014 是光速 半导体材料的阈值波长 1 响应率 电压响应率 V w 电压 单色辐射通量 电流 单色辐射通量 电流响应率 A w 1 4 2光电探测器的特性参数 探测器的输出信号电压 探测器接收的所有波长光的总辐射通量 探测器输出的信号电流 探测器接收的所有波长光的总辐射通量 电压光谱灵敏度 2 光谱响应率 电流光谱灵敏度 4 探测度D与比探测度D 3 等效噪声功率 如果探测器所接收到的辐射功率所引起的信号输出 正好等于探测器本身产生的噪声 则探测器此时所接收到的辐射功率称为等效噪声功率又