光电信息技术第一章总复习

1、光电信息技术总复习光电信息技术总复习第一章第一章 光电信息技术物理基础光电信息技术物理基础1 半导体理论基础半导体理论基础 理解掌握理解掌握2 光学基础光学基础 了解了解3电路基础电路基础1.1 1.1 原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带 电子共有化，能级扩展为能带电子共有化，能级扩展为能带a)单个原子单个原子 b)N个原子个原子最外层电子最外层电子自由电子自由电子价带价带Ev导带导带Ec禁带禁带Eg3.价电子-自由电子， 要吸收能量特别指出：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绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体、金属的能带图 SiO Eg=5.2ev

2、 Si Eg=1.1ev Eg=0电阻率电阻率1012cm 10-31012cm 10-610-3cm半导体具有独特光电特性半导体具有独特光电特性重要应用价值重要应用价值NN和和P P型半导体能带型半导体能带N N型半导体型半导体 本征半导体本征半导体 本征吸收本征吸收1.2半导体对光的半导体对光的吸收吸收非本征吸收非本征吸收本征吸收：本征吸收： 光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带 ggEchEhv或m24. 1gg0EEhc截止波长截止波长(a)本征半导体；本征半导体； (b)N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 产生产生电子空穴电

3、子空穴 对对条件：条件：特点：特点：本征吸收：本征吸收：(a)本征半导体；本征半导体； (b)N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 本征半导体和杂质半导体内部，都有可能发生本征吸收！特别注意：特别注意：非本征吸收：非本征吸收：m24.1m24.1aa0dd0EEhcEEhc 或或(a)本征半导体；本征半导体； (b)N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 光子能量不足以使价带中的电子激发到导带光子能量不足以使价带中的电子激发到导带 ，包括，包括杂质吸收、杂质吸收、自由载流子吸收自由载流子吸收、激子吸收激子吸收、晶格吸收晶格吸收 杂质吸收：杂质吸收：N N型半导体型半导

4、体 施主施主束缚电子束缚电子导带导带P P型半导体型半导体 受主受主束缚空穴束缚空穴价带价带 本征吸收本征吸收电子电子 空穴空穴 对对杂质吸收杂质吸收m24. 1gg0EEhc本征吸收本征吸收杂质吸收杂质吸收0波长增大波长增大m24. 1m24. 1aa0dd0EEhcEEhc 或或本征吸收与非本征吸收比较：本征吸收与非本征吸收比较：电子电子 或或 空穴空穴非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子非平衡载流子 （过剩载流子）（过剩载流子） 光生载流子光生载流子热生载流子热生载流子非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子的注入和复合产生：产生：复合：复合：使非平衡载流子浓度增加的

5、运动使非平衡载流子浓度增加的运动 使非平衡载流子浓度减小的运动使非平衡载流子浓度减小的运动 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移 1扩散扩散 2漂移漂移 载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称为扩散。为扩散。载流子受电场作用所发生的运动称为漂移。载流子受电场作用所发生的运动称为漂移。 1.3 1.3 半导体的光电效应半导体的光电效应 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：外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内光电效应：内部电子能量状态发生变化光电效应分为：光电效应分为：光电导效应

6、、光伏效应、光电子发射效应光电导效应、光伏效应、光电子发射效应、光子牵引效应和光磁电效应光子牵引效应和光磁电效应1.3.1 光电发射效应光电发射效应金属或半导体受到光照时，电子从材料表面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。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又称外光电效应。逸出物质表面的电子叫做光电子。叫做光电子。 电子光学系统电子光学系统典型代表：光电倍增管典型代表：光电倍增管1.3.2 光电导效应光电导效应当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收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，因而导致材料电导引起载流子

7、浓度的变化，因而导致材料电导率变化，这种现象称为率变化，这种现象称为光电导效应光电导效应。 典型代表：光敏电阻典型代表：光敏电阻1.3.3 光伏效应光伏效应 N PPN结结光PNPN结受到光照时，可在结受到光照时，可在PNPN结的两端产生电势差，这结的两端产生电势差，这种现象则称为种现象则称为光伏效应光伏效应。 典型代表：光电池、光敏典型代表：光电池、光敏二极管、光敏三极管二极管、光敏三极管1.3.4 光电器件的特性参数光电器件的特性参数1 1光电特性光电特性光电特性是指电学参量与光辐射参量之间的函光电特性是指电学参量与光辐射参量之间的函数关系。数关系。例如：例如：I=f（） I=f（E）例例

8、1： 光电倍增管的光电倍增管的 光电特性光电特性线性度线性度- -重要性重要性2. 2. 灵敏度与光谱特性灵敏度与光谱特性灵敏度灵敏度是表征探测器将入射光信号转换成电信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号能力的特性参数。 USUISI光光电流随波长电流随波长的变化的变化关系称为探测器的关系称为探测器的光光谱特性谱特性（曲线）。（曲线）。 硅光电器的光谱特性硅光电器的光谱特性2 光学基础光学基础 电磁空间安全电磁空间安全 光学波段光学波段 光学谱区光学谱区 0.01m1000m可见光区可见光区 0.38m0.78m红外区红外区 0.78m1000m紫外区紫外区 0.01m0.38

9、m光电技术光电技术常用的光波波段常用的光波波段远红外波段远红外波段远近紫外波段远近紫外波段可见光波段可见光波段近红外波段近红外波段中红外波段中红外波段8 导弹羽烟导弹羽烟警用紫外成像警用紫外成像红外制导红外制导红外预警红外预警激光雷达激光雷达激光通信激光通信光电技术光电技术常用的光波波段常用的光波波段远红外波段远红外波段远近紫外波段远近紫外波段可见光波段可见光波段近红外波段近红外波段中红外波段中红外波段已开发利用波段已开发利用波段待开发利用波段82.1 辐射度量辐射度量辐射度学辐射度学是一门研究电磁辐射能测量是一门研究电磁辐射能测量的学科。的学科。本课程限于本课程限于光学波段光学波段的研究讨论

10、。的研究讨论。辐射度学辐射度学 电磁波电磁波 客观客观光度学光度学 可见光可见光 主观主观（生理、心理）（生理、心理）电磁波电磁波（Emission ） 可见光可见光（Visible light ）辐射度量，辐射度量， Xe 光度量，光度量， Xv 2.1 辐射度量辐射度量 1辐射能辐射能Qe 2辐射通量辐射通量e又称辐射功率，又称辐射功率， 简称功率简称功率 单位：单位： W 计算计算光电探测器光电探测器的光电转换能力常用的光电转换能力常用辐射功率辐射功率 分析分析强光强光对光电探测器破坏机理常用对光电探测器破坏机理常用辐射能量辐射能量 单位：单位： J2.1 辐射度量辐射度量3 3辐射强度

11、辐射强度 ),(eI在给定方向上的立体角元内，辐射源发出的辐射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通量与立体角元之比 Idd,ee单位：单位：W/sr(瓦瓦/球面度球面度) 辐射强度反映了辐射源辐射强度反映了辐射源能量分布的什么特点？能量分布的什么特点？Intensity辐射源多为各向异性的，即辐射源多为各向异性的，即Ie随随 方向而改变方向而改变),(4辐射出度辐射出度Me与辐射亮度与辐射亮度Le辐射出度辐射出度Me SMddee辐射亮度辐射亮度Le cosdddcosdd,e2eeSSIL面辐射源元的辐射面辐射源元的辐射能力能力面辐射源沿不同方向的辐射能力面辐射源沿

12、不同方向的辐射能力的差异的差异 5辐射照度辐射照度Ee辐射接收面上单位面积辐射接收面上单位面积接受的辐射通量接受的辐射通量 单位：单位：W/m2 （瓦（瓦/平方米）平方米） eeddESSMddee比比 较：较：辐射照度辐射照度Ee辐射出度辐射出度Me6 6光谱辐射量光谱辐射量光谱辐射量是该辐射量在波长光谱辐射量是该辐射量在波长处的单位波长间隔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。长的变化率。光谱辐射通量光谱辐射通量e()： 光谱辐射通量与波长的关光谱辐射通量与波长的关系：系： 2.2 光度量光度量u 人眼只能感知波

13、长在人眼只能感知波长在0.380.380.78m0.78m之间的辐射之间的辐射u 人眼对不同波长的感光灵敏度不同人眼对不同波长的感光灵敏度不同2.2.12.2.1光谱光视效率光谱光视效率 或视见函数或视见函数 最大值在最大值在555 nm 明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率/nm V() /nm V() 385 6E-05 595 0.69490 395 0.00022 615 0.44120 415 0.00218 635 0.21700 485 0.16930 655 0.08160 495 0.25860 685 0.00572 535 0.91485 725 0.00074 555

14、1 745 0.00017 565 0.97860 775 0.00002 2.2.12.2.1光谱光视效率或视见函数光谱光视效率或视见函数 2 2光度量的基本物理量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光度量的基本物理量与辐射度量一一对应 辐射度量符号单位名称光度量符号单位名称辐射能Qe焦耳 (J)光能Qv流明秒 (lms)辐射通量或辐射功率e瓦 (W)光通量或光功率v流明 (lm)辐射照度Ee瓦/平方米 (Wm-2)光照度Ev勒克斯 (lx=lmm-2)辐射出度Me瓦/平方米 (Wm-2)光出度Mv流明/平方米 (lmm-2)辐射强度Ie瓦/球面度 (Wsr-1)发光强度Iv坎德拉 (cd=lmsr-1)辐射亮度Le瓦/平方米球面度 (Wm-2 sr-1)光亮度Lv坎德拉/平方米 (cdm-2)发光强度单位发光强度单位坎德拉（坎德拉（Candela），记作），记作cd。即即=555 nm时，有时，有W/sr6831srlm 1cd1vI国际单位制中七个基本单位之一国际单位制中七个基本单位之一 ：3 3辐射度量与光度量间的换算关系辐射度量与光度量间的换算关系=555 nm时时1W683lm=？ nm时时 1W683lmV3 3辐射度量与光度量间的换算关系辐射度量与光