第1章 光电检测应用的基础知识

1、光电检测技术 主讲：吴禄慎 课程性质、目的和任务 课程性质：课程性质： 光电检测技术是研究光信号探测并转换 成电信号检测与处理的课程； 课程目的和任务课程目的和任务：是使学生掌握光电检测 的基本原理、光电信号变换及处理的技术， 了解光电检测技术在各个领域中的应用及 发展方向。 第1章 光电检测应用的基础知识 1.辐射度学和光度学的基础知识 2.半导体基础知识 3.基本定律 4.光电探测器的噪声和特性参数 11辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念 辐射度学：辐射度学：研究各种电磁辐射的传播和量度， 包括可见光区域。 单位：单位：纯粹物理量的单位，如，焦耳(J)和瓦特 (w)就是辐射能

2、和辐射功率的单位。 光度学：光度学：研究可见光波的传播和量度，单位必 须考虑人眼的响应，包含生理因素。 如，光功率的单位不用瓦特(w)而用流明(lm)。 虽然光度学采用另一套单位制，但各物理量的 定义及其物理意义和辐射度学是一致的。 为了区分，辐射度学和光度学各物理量分别加 脚标“e”和“V”表示。 3辐射亮度(或称辐射度)Le 对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置在 不同方向上的辐射特性。 如图12所示，一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的 方向上有一面元dA。若dA所对应的立体角内的辐通量 为 ，则面源在此方向上的辐亮度为 (13) 式中，dScos是面辐射源正

3、对dA的有效面积。 辐亮度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到 单位立体角的辐通量。 单位为W(srm2)(瓦每球面度平方米)。 ed dcosdS ed L e 辐强度与光谱辐强度的关系为 (1 6) 0 d II ee 12半导体基础知识 121固体的能带结构 固体中由于原子数量巨大且紧密排列，形成所谓“能带”。为了弄清 能带的形成原因，先要了解什么是电子的共有化。 电子的共有化的运动。 固体中电子的运动状态与孤立原子中的电子状态有所不同。在孤立原子 中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电 子。每个电子具有确定的分立能量值,也就是电子按能级分布。 固体中大量原

4、子紧密结合在一起，而且原子间距很小，以致使原子的各 个壳层之间有不同程度的交叠。最外面的电子壳层交叠最多，内层交叠 较少。 例如电子可以从某个原子的2p壳层转移到相邻原子的2p壳层，也可能转 移到相邻原子的邻原子运动到更远的原子的相近壳层上去。这样电子有 可能在整个晶体中运动。 晶体中电子十分显著。电子的共有化运动只能在原子中相似的壳层间进 行，如3s壳层上的电子只能在所有原子的3s壳层上做共有化运动。 143光电探测器的合理选择光电探测器的合理选择 在设计光电检测系统时，首先根据测量要求反复比较各种探 测器的主要特性参数，然后选定最佳的器件。最关心的问题有以 下5个方面。 根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即 探测器的动态范围。 探测器的光谱响应范围是否同待测光信号的相对光谱功率分布 一致，即探测器和光源的光谱匹配。 对某种探测器，它能探测的极限功率或最小分辨率是多少 需要知道探测器的等效噪声功率，需要知道所产生电信号的信噪 比。 当测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或频率