2011新课件光检课件1 光电基础

1、 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 第一章 光电检测基础一辐射度量和光度量1234光辐射量 黑体辐射光度量 光学系统的光度学 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 1光辐射量立体角dW = s cosaR 2球面度Steradian(r)W = dW = 4p 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 1光辐射量p (R sin b ) 2b2SC= 2= p sin 2R 2W =R 2= p b 2Ss4 sin b= b22Sc 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 (一)光辐射量n 1.辐射能Qn 2.辐射通量 F =n .辐射强度dQdtI = dFF

2、4pI = FI=dWW 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 n 4.辐射亮度2FdIdA cosqdL =dW dA cosqn 5.辐射出射度= dFMdA 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 n .辐射照度dFE =dA7.辐射量HH= E(t)dtH = E t 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 光谱量子流速率dN = dF = Fl dlhnhnFl dl hnN =0Flldl780N =hc380 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础2黑体辐射 n 基尔霍夫定律dF(l)dF(l )单位波长光谱辐射通量吸收的光谱辐射通量a(l,T )= d

3、F(l)dF(l )光谱吸收比a(l,T ) M (l,T )M (l,T ) = Mf (l,T )=bla (a,T )物体的光谱辐射出射度和光谱吸收比的比值与物体的性质无关，都等于同一温度下绝对黑体的光谱辐射出射度 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础2黑体辐射 n 黑体辐射 a(l,T )= dF(l) = 1dF(l ) 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础2黑体辐射 n 黑体辐射定律普朗克定律 = 2phc21Mll5ehc / lkT- 1C1=3.74*10-16 W.M2C2=1,44*10-2 M.K= C l/ lT-1 )-1-5c(e21 南京理工大学

4、电光学院第一章 光电检测技术基础2黑体辐射 光谱辐射出射度Mb 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础2黑体辐射 n 黑体辐射定律维恩位移定律 lm= a / T =0ddM ldlc1=ll(-1)c /lT5de2= 5(1 - e-c2)c2lmT/ lmTc2lmT= 4.965114lmT = C2 / 4.965114 = 2897.95 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础2黑体辐射 黑体温度K峰值波长m黑体温度K峰值波长m300966420006901000294400065928001035460006303000096648000604320009065000

5、05803400085252000557360008055400053738000763560005174000072458000500 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础2黑体辐射 n 黑体辐射定律斯忒藩波尔滋曼定律 黑体辐射的总光辐射只和温度有关 1Mdl =0phcldlM =2-52l-1ehc2 / kT0 d (lT )0= c T 4(lT )5 (ec2/ lT1- 1)c p 4p4c= sT 4= 6 = 1 T 44 1T49015cc22L = s T 4p 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础3光度量 视见函数 光通量V (l)dllm(流明)F =

6、 KFlml发光强度:dFI=坎德拉candeladWF = IdW2ppI ()q,jsinqqjF =ddW00 10.90.80.70.60.50.40.30.20.10350400450500555600波长 (nm)650700750800850视见函数 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础3光度量 n 照度：投射到单位面积上的光通量dFE =dA单位：勒克斯（lx） 1lx=1lm/m2 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础3照度及距离平方反比定律 n 距离平方反比定律= dF = dFdFdA= IE = IR 2IdWdA / R 2R 2IcosaE =R 2

7、 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础3照度及距离平方反比定律 n 距离平方反比定律I=LAE =l 2l 2AW =E = LWl 2 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础3照度及距离平方反比定律 推论1:(光阑原理)S= LW = L Epd 2n 推论 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 3光度量n 亮度：单位面积上的发光强度dIL =dA2FdIdA cosqdL =L =dWdA cosqI= dFdW 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 3光度量F = Km P V (l) PV (l)Km= 683lm /W 110-3W 0.235L =(1

8、10-6 )m2 (110-3 )srA W= 1.6 108 lm / m 2 srn 例：e-Ne激光功率lmw，波长 633nm，光束的截面积A=1mm xmm,光束的发散角10-3sr，求激光的亮度L。 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 3光度量n 朗伯定律Iq= Lq A cosqIq= L A cosqIq= I 0cosqI 0= L A 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 3光度量n 出射度Mq2qF = 2pcosq sin q dqF = pI0sinq qI22q101F = pLAF = pIF = pIsin 2 q00F =pLM= pLAI=

9、LA1 =02 =901 =02 = 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 3光度量 n 非发光体的亮度r = F out= r A EF outFin= F outrE = pL= rEMAL =rEpF in= A E 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础 4光学系统的光度学n 阿贝定律 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础4光学系统的光度学 n 阿贝定律 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础4光学系统的光度学 象面上轴上点的照度 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础4光学系统的光度学 例DW 南京理工大学电光学院第一章 光电检测技术基础4光学系统的

10、光度学 n 轴外象点照度 第一半章导光体电基检础测知技术识基础南京理工大学电光学院 光电器件的物理基础 第一半章导光体电基检础测知技术识基础南京理工大学电光学院 1.2.3.4.能带理论 热平衡态下的载流子非平衡态下的载流子半导体对光的吸收 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 能带理论1原子能级与晶体能带能级（Enegy Level）： 能带（Enegy Band）： 禁带（Forbidden Band）： 价 带 （Valence Band）： 导带（Conduction Band）： 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 导电机构导带EC禁带 Eg

11、Ev价带 n 绝缘体、半导体、金属的能带图n a) 绝缘体b) 半导体c) 金属 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院n 2本征半导体与杂质半导体 晶体构造示意图 石结构（Ge、Si晶体）(a)(b) 闪锌矿结构（GaAs晶体） 晶体实物图 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 N型半导体P型半导体杂质硅的原子图象和能带图N型半导体PKP型半导体 半导体 所掺杂质 多数载流子 （多子） 少数载流子 （少子） 特性 N型 施主杂质 电子 空穴 电子浓度nn空穴浓度pnP型 受主杂质 空穴 电子 电子浓度np空穴浓度pp 第一半章导光体电基检础测知技识术基础

12、南京理工大学电光学院热平衡态下的载流子电子占据某一能量状态E的几率 1f ( E ) =E - E FEF费米能级1 + ekT费米-狄拉克函数曲线 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 以EF来定性表示两能带中载流子的浓度a) 重掺杂P型 b) 轻掺杂P型 c) 本征型 d) 轻掺杂N型e) 重掺杂N型 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 非平衡态下的载流子非平衡载流子电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。 n 光注入：光注入下产生非平衡载流子表现为价带中的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量的空穴。 第一半

13、章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 非平衡态下的载流子nnnn0+nn1产生与复合在非平衡状态下载流子浓度为： pnpn0+pnnnpnnnpn nn0pn0n 2i强光注入nnnpn 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 非平衡态下的载流子 n 2复合与非平衡载流子寿命 n 三种复合机制： n 直接复合：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。 n 通过复合中心复合通过复合中心进行的复合-产生过程 1电子俘获 2空穴俘获 3电子发射 4空穴发射 n 表面复合 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 半导体对光的吸收Ix=I0(1-r)e-x光垂射于半导体表面时发生反射与吸收 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 n 本征吸收:产生本征吸收的条件：入射光子的能量 （h）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即h0Eg有0Eg/h0hc/Eg=1.24/Eg （ m） 第一半章导光体电基检础测知技识术基础南京理工大学电光学院 几种重要半导体材料的波长阈值材料 温度/KEg /eV/mSe3001.80.69Ge3000.811.5Si2901.091.1PbS2950.432.9b3000.186.9GaAs3001.350.