第二章 光电检测技术基础

第二章光电检测技术基础 光的基本性质辐射与光度学量半导体基础知识光电效应 第一节辐射度量与光度量 光学发展的概况 人类感官接收到外部世界的总信息量中至少有90 以上通过眼睛光学是一门古老的学科 又是一门新兴的年轻学科激光器诞生后 光学开始了迅猛发展 成为科研前沿极为活跃的学科 五个时期 一 萌芽时期公元前500年 公元1500年经历大约2000年面镜 眼镜和幻灯等光学元件已相继出现 1500 1800 大约300年1 建立了光的反射定律和折射定律 奠定了几何光学的基础2 研制出了望远镜和显微镜等光学仪器3 牛顿为代表的微粒说占据了统治地位4 对折射定律的解释是错误的 二 几何光学时期 1800 1900 近100年1 杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象2 惠更斯 菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象3 菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象4 麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波5 傅科的实验证实光在水中传播的速度小于在空气中的传播速度6 波动光学的理论体系已经形成 光的波动说战胜了光的微粒说 三 波动光学时期 1900 1950 近50年1 1900年普朗克提出了量子假说 成功地解释了黑体辐射问题2 爱因斯坦提出了光子假说 成功地解释了光电效应问题3 光的某些行为象经典的 波动 4 另一些行为却象经典的 粒子 5 光是一种几率波 又具有可分割性 光具有 波粒二象性 四 量子光学时期 五 现代光学时期从1950年至今 1 全息术 光学传递函数和激光的问世是经典光学向现代光学过渡的标志2 光学焕发了青春 以空前的规模和速度飞速发展1 智能光学仪器2 全息术3 光纤通信4 光计算机5 激光光谱学的实验方法 一 光的基本性质 牛顿 微粒说根据光直线传播现象 对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象 干涉 衍射和偏振波动理论惠更斯 杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论 光是一种电磁波 光的基本性质 光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时 提出辐射的量子论1905年 爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性 光谱光波 波长为10 106nm的电磁波可见光 波长380 780nm紫外线 波长10 380nm 波长300 380nm称为近紫外线波长200 300nm称为远紫外线波长10 200nm称为极远紫外线 红外线 波长780 106nm波长3 m 即3000nm 以下的称近红外线波长超过3 m的红外线称为远红外线 光谱分布如图所示 远紫外 近紫外 可见光 近红外 远红外 极远紫外 0 01 0 1 1 10 0 05 0 5 5 波长 m 波数 cm 1 频率 Hz 光子能量 eV 106 105 104 103 5 105 5 104 5 103 1015 5 1014 1014 5 1013 100 10 1 50 5 0 5 5 1015 1016 3 1018 光的波长与频率的关系由光速确定 真空中的光速c 2 99793 1010cm s 通常c 3 1010cm s 光的波长 和频率 的关系为 的单位为Hz 的单位为cm 3 1010cm s 光的波动性 光的粒子性 光谱学 光在电磁波谱中的位置 二光辐射度量 辐射能Qe 一种以电磁波的形式发射 传播或接受的能量 单位 焦耳 J 辐射通量 e 单位时间内通过一定面积发射 传播或接受的能量 又称辐射功率Pe 是辐射能的时间变化率 单位 瓦 辐射强度 e 点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量 单位 W Sr 光辐射度量 辐射照度Ee 投射在单位面积上的辐射通量 单位 W m2 辐射出射度 e 扩展辐射源单位面积所辐射的通量 也称辐射本领 单位 W m2 辐射亮度 e 辐射表面定向发射的辐射强度 单位 W m2 Sr 光谱辐射通量 e 辐射通量的光谱密度 即单位波长间隔内的辐射通量 光辐射度量的名称 符号和定义方程 三光度量 1 辐射通量 定义 单位时间 单位面积元上辐射的所有波长的能量即 光源表面上单位面积的辐射功率 意义 描述光源发射辐射的能力 单位 W 定义 单位时间 单位面积元在某波长附近单位波长间隔内辐射的能量 意义 描述不同波长的光波在辐射通量中所占的比例 单位 与的关系 2 分布函数 人眼对不同波长 或颜色 的光波具有不同的敏感程度 即使接收到相同的辐射通量 不同波长的光给人眼的感觉也不一样 如正常人眼对黄绿光最敏感 红光和紫光较差 而对红外和紫外则无反应 在引起相同视觉的情况下 若所需某单色的辐射通量越小 则说明人眼对该光敏感度越高 反之 越低 为描述这一敏感度 引入视见函数 3 视见函数 3 视见函数 定义 人眼对各种单色光的平均敏感度 意义 描述在辐射通量相同的情况下 人的眼睛对各种不同波长的辐射产生的主观感觉 为了引起与555nm相等强度的视觉 所需要的辐射通量为 6000 5550 0 631 1 6 5550 人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感 规定其视见函数为1 其他波长的光的均小于1 555nm 1 600nm 0 631 例如 人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感光度学中规定其视见函数为1 一般的视觉敏感范围 390 760nm光照充足对550nm最敏感 光照弱对505nm敏感 意义 辐射通量在人的眼睛中引起的主观视觉强度 定义 在波长 附近d 波长间隔内能够引起视觉感应的辐射通量 单位 流明 lm 4 光通量 所有波长的总光通量为 最大光功当量 Km 683lm W 定义 点光源在单位立体角内发出的光通量 意义 描述光源发出的光通量在空间一定范围内的分布值单位 坎德拉cd 5 发光强度 通常I随方向而异 I不随方向变化时 发光物体称均匀发光体 一般均假设点光源表征的物体为均匀发光体 点光源辐射的光通量 定义 入射在受照物体单位面积上的光通量 意义 描述受照物体被照明的程度 单位 勒克斯lx 点光源的照度 6 照度 定义 单位发光体表面上辐射出去的光通量 7 面发光度 单位 勒克斯lx 对于独立发光的 一次辐射体 面发光度与照度无关 定义 单位面积的发光表面 在其法线方向单位立体角内发出的光通量 意义 描述面光源发光能力的强弱 单位 熙提sb 一般情形下 B随方向而异 若B不随方向变化 则发光体称为余弦辐射体或朗伯光源 如太阳 毛玻璃等 8 亮度 注意 照度是接收的概念 发光强度和亮度是发射的概念 晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50 500lx阴天室内5 50lx月光 满月 2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度50 60lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0 2lx黑夜0 001lx 半导体的能带图 第二节半导体物理基础 导体 半导体和绝缘体半导体的特性半导体的能带结构本征半导体与杂质半导体平衡和非平衡载流子载流子的输运过程半导体的光吸收PN结 导体 半导体和绝缘体 自然存在的各种物质 分为气体 液体 固体 固体按导电能力可分为 导体 绝缘体和介于两者之间的半导体 电阻率10 6 10 3欧姆 厘米范围内 导体电阻率1012欧姆 厘米以上 绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间 半导体 半导体的特性 半导体电阻温度系数一般是负的 而且对温度变化非常敏感 根据这一特性 热电探测器件 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化 纯净Si在室温下电导率为5 10 6 欧姆 厘米 掺入硅原子数百万分之一的杂质时 电导率为2 欧姆 厘米 半导体导电能力及性质受光 电 磁等作用的影响 本征和杂质半导体 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体 在绝对零度时 价带中的全部量子态都被电子占据 而导带中的量子态全部空着 在纯净的半导体中掺入一定的杂质 可以显著地控制半导体的导电性质 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子 同时向导带提供电子 使半导体成为电子导电的n型半导体 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子 同时向价带提供空穴 使半导体成为空穴导电的p型半导体 平衡和非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体 在一定温度下 载流子浓度一定 这种处于热平衡状态下的载流子浓度 称为平衡载流子浓度 半导体的热平衡状态是相对的 有条件的 如果对半导体施加外界作用 破坏了热平衡的条件 这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态 称为非平衡状态 处于非平衡状态的半导体 其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度 比它们多出一部分 比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子 非平衡载流子的产生 光注入 用光照使得半导体内部产生非平衡载流子 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时 光子就能把价带电子激发到导带上去 产生电子 空穴对 使导带比平衡时多出一部分电子 价带比平衡时多出一部分空穴 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度 光注入产生非平衡载流子 导致半导体电导率增加 其它方法 电注入 高能粒子辐照等 载流子的输运过程 扩散漂移复合 半导体对光的吸收 物体受光照射 一部分光被物体反射 一部分光被物体吸收 其余的光透过物体 吸收包括 本征吸收 杂质吸收 自由载流子吸收 激子吸收 晶体吸收本征吸收 由于光子作用使电子由价带跃迁到导带只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时 才能发生本征激发 杂质吸收和自由载流子吸收 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能由于杂质电离能比禁带宽度小 所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的 PN结 将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面 界面附近形成一个极薄的特殊区域 称为PN结 是二极管 三极管 集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元 PN结的伏安特性曲线 对应表 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应 并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖 第三节光电效应 罐装生产流水线动画演示 光电式传感器原理 光电效应 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子发射 光电导效应和光生伏特效应等现象 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 光电子发射 电导率变化 光生伏特 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 而是热电效应 光电效应分类 外光电效应 光电子发射内光电效应 光电导效应光生伏特效应 外光电效应 是指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面 在外电场作用下形成真空中的光电子流 这种效应多发生于金属和金属氧化物 从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10 9s 内光电效应 是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电 电子并不逸出光敏物质表面 这种效应多发生于半导体内 内光电效应又可分为 光电导效应 光生伏特效应 外光电效应和内光电效应的主要区别 1 外光电效应 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 向外发射的电子叫做光电子 基于外光电效应的光电器件有光电管 光电倍增管等 在光线作用下 电子从物体表面逸出的物理现象 外光电效应动画演示 紫外管外形 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时 电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面 形成电子发射 紫外管多用于紫外线测量 火焰监测等 紫外线 各种光电管外形图 光电倍增管动画 光子是具有能量的粒子 每个光子的能量 E h h 普朗克常数 6 626 10 34J s 光的频率 s 1 根据爱因斯坦假设 一个电子只能接受一个光子的能量 所以要使一个电子从物体表面逸出 必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功 超过部分的能量表现为逸出电子的动能 逸出功A也称功函数 是一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功 其值与材料有关 还和材料的表面状态有关 若逸出电子的动能为 则由能量守恒定律有 式中 m为电子的静止质量 m 9 1091 10 31kg v0为电子逸出物体时的初速 上式即为爱因斯坦光电效应方程式 晶体的能带 可知 1 光电子能否产生 取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0 不同的物质具有不同的逸出功 即每一个物体都有一个对应的光频阈值 称为红限频率或波长限 光线频率低于红限频率 光子能量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 反之 入射光频率高于红限频率 即使光线微弱 也会有光电子射出 2 当入射光的频谱成分不变时 产生的光电流与光强成正比 即光强愈大 意味着入射光子数目越多 逸出的电子数也就越多 3 光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 2 因此外光电效应器件 如光电管 即使没有加阳极电压 也会有光电子产生 为了使光电流为零 必须加负的截止电压 而且截止电压与入射光的频率成正比 光电效应 1 光电效应的有 无只与入射光的波长 频率有关 与入射光的强度无关 光电效应的产生 唯一的取决于入射光的波长 频率以及器件的能级结构 2 光电效应的强弱既与入射光的强度有关 也与入射光的波长 频率有关 入射光的强弱反映入射光子数的多少 入射光的波长 频率不同 器件对其的响应度不同 结论 特点 速度快 从光照射到释放电子时间不超过10 9秒 需足够光能 光子能力 表面溢出功 原理 光 物体表面 光电子发射 应用 足够的光强 高速 光电开关器件 光电管 光电倍增管 外光电效应小结 当光照射在物体上 使物体的电阻率 发生变化 或产生光生电动势的现象叫做内光电效应 它多发生于半导体内 根据工作原理的不同 内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类 2 内光电效应 光电导效应光敏晶体管效应光生伏特效应 在光线作用下 物体电导性能发生变化或产生一定方向电动势的现象 内光电效应动画演示 1 光电导效应 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增大 因而导致材料电导率增大 电阻减小 这种现象称为光电导效应 基于这种效应的光电器件有光敏电阻 光敏电阻受到光照时 阻值减小 光敏电阻动画 当光照射到半导体材料上时 价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击 并使其由价带越过禁带跃入导带 使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加 从而使电导率变大 导带 价带 禁带 自由电子所占能带