辐射度量及探测基础知识

1、第三讲 辐射度量及探测基础知识,广学 明德 海纳 厚为,第一节 光辐射度量与光度量 第二节 半导体物理基础 第三节 光电效应,1.1 辐射度量与光度量及其单位,辐射度量学描述整个电磁波谱范围的电磁辐射，以辐射能量或 辐射功率为基本量。而光度学描述可见光谱范围的电磁辐射， 以光强为基本单位。光只是电磁波谱范围内一小段波谱。,一、辐射度量及其单位,1、辐射能和单位,辐射能指传播的电磁波的能量，用Qe表示，单位为焦耳， 符号为J。它是辐射度量学的基本量之一. 辐射能用于度量脉冲辐射较方便。每个脉冲的能量。,（一）、复色辐射度量及单位,2、辐射功率（通量）和单位,辐射功率（通量）定义为单位时间内辐射的

2、电磁波能量，单位为焦耳/秒，即瓦特，符号w。辐射通量用于度量连续辐射较方便。数学表示：,3、辐射强度和单位,辐射强度是对点光源而言的，它定义为点发光源在给定方向上 单位立体角内的辐射功率，单位W/Sr。数学表示：,式中，为球坐标系中的方位角。,4、辐射出射度和单位,辐射出射度是对扩展发射源定义的。它定义为单位面积辐射源 所辐射的辐射通量。单位为：瓦/米2（W/M2)。数学表示：,5、辐射亮度和单位,辐射亮度也是对扩展光源定义的。它定义为在给定方向上由单位 投影面积辐射源向单位立体角内辐射的通量。单位为瓦/米2/球面度， 符号为W/Sr/M2。数学表示：,6、辐射照度和单位,辐射照度对辐射接受体

3、定义，它定义为单位接收面积上所接受 到的辐射通量，单位为瓦/米2，符号W/M2。数学表示：,光谱辐射度量：光谱辐射度量也叫辐射量的光谱密度。辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射度量是单位波长间隔内的辐射度量。,（二）、光谱辐射度量及单位,1、单色辐射能和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射能。单位为J/M，数学表示：,2、单色辐射通量和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射通量，单位为W/M， 数学表示：,3、单色辐射强度和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射强度，单位为W/S

4、r/M， 数学表示：,4、单色辐射出射度和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射出射度，单位为W/M3， 数学表示：,5、单色辐射亮度和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射亮度，单位为W/Sr/M3， 数学表示：,6、单色辐射照度和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射照度，单位为W/M3， 数学表示：,（三）、光谱辐射度量及积分（复色）辐射度量的关系,任一光谱辐射度量Xe()与其对应的复色辐射度量Xe之间通过积分 关系连接：,所谓光度量指描述人眼可见电磁波段范围的电磁辐射的量。可 见电磁辐射通常称为“光”，所以，把描述可见电磁辐射的量称为光度量。光度量采用与辐射度量完全不同的另

5、一套单位。,二、光度量及其单位,由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最终是以人眼来评定的 ，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参数量即光度量来描述。 光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量相同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不相同的。,（一）、人眼的视觉特征,人眼就象一个探测器，它对不同波长的电磁辐射具有不同的灵敏 度。研究发现人眼对540*1012Hz或555nm的电磁辐射最灵敏，即 人眼对这一波长的单位辐射通量所产生的响应最大。国际照明委 员会规定这一最大响应值为683（流明/瓦）,1、光视效能,人眼对不同波长的单位辐射通量的响应，称为光视效能，用K() 表

6、示，其最大值为Km=683（流明/瓦）(lm/W)。,2、光视效率,归一化光视效能称为光视效率，记为V ()，V ()= K()/ Km,不同颜色的可见光不仅颜色感觉不同，而且亮度感觉也不同。,如果把能量相等的各种波长的光引向眼睛，则会发现：对波长为555纳米的黄绿色光看上去最亮，黄光和青光较亮，而红光和紫光就很弱。这就是说，人眼对黄绿色光感觉最灵敏，对黄、青光还相当灵敏，而对红、紫光就不灵敏。,人眼的这种感觉特性可以用曲线表示出来，如图所示，称为眼睛的光谱相对灵敏度曲线，我们通常把它叫做视见函数曲线。,图中实线为视线较亮时测得的，称为明视觉曲线。虚线为在视场较暗时测得的，称为暗视觉曲线。 所

7、有光度计量均以明视觉为基础。,（二）、光度量及单位,1、复色光度量,(1)、光通量v,它定义为光源单位时间内辐射的光功率，符号为v，单位为流明（lm）。基本单位组合表示为Cd.Sr，即1lm=1Cd.Sr,光度学中的基本量选为发光光强，其单位为坎德拉，简称坎， 符号为Cd。“坎德拉”是国际单位中七个基本单位之一。 一“坎德拉”定义为：点发光源向给定方向发出 540*1012Hz或 555nm的电磁辐射，其辐射强度为1/683W/Sr。 其它光度量的单位只能是“坎”和其它基本单位的组合。,它是光度学的基本量，单位为坎德拉。,(2)、光量Qv,它定义为光源辐射的光能量，单位lm.s,(3)、光强度

8、Iv(,),(4)、光出射度Mv,定义为面光源单位面积发射的光通量，单位lm/m2.数学表示：,(5)、发光亮度Lv,定义为单位投影面积光源向单位立体角内发射的光通量，单位 为坎/米2，记Cd/m2，又称尼特，符号nt。数学表示：,(6)、光照度Ev,定义为单位接受面积上所接收的光通量，单位为lm/m2，又称 勒克斯（Lux)。数学表示：,式中*号表示接收有关的量。,2、单色光度量,与光谱辐射度量定义类似，同样可以定义单色光度量，Qv()， v()， Iv()，Mv()，Lv()和Ev()六个单色光度量。,3、单色光度量与复色光度量的联系,任一单色光度量Xv()与其对应的复色光度量Xv之间存在

9、关系：,光度量与辐射度量之间通过光视效能联系起来。,光视效能 K(),单色辐射度量 Xe(),单色光度量 Xv(),X,复色辐射度量 Xe,复色光度量 Xv,三、光度量与辐射度量的转换,光度量只在光谱的可见波段(380-780nm)才有意义。,光辐射基本定律和公式,（1）朗伯定律 理想的漫射发光或漫反射面，在某方向上的辐射强度同该方向与表面法线夹角呈余弦函数关系，若发光面法线方向的发光强度为I0 ,则与法线夹角为的方向的发光强度为：I = I0 cos,（2）布给定律 被照射面上的照度E同垂直照明时照度E0的关系是： E = E0 cos （3）平方反比定律 由点光源形成的照度，与该光源在一定

10、方向上的发光强度成正比，而与被照面到点光源的距离平方成反比。即E = I/l2,（4）亮度守恒定律,光辐射能在两种介质边界面上没有吸收、反射等损失时，则在两种介质里的亮度满足关系： 在一般成像光学系统中，像面亮度L与物体亮度L有如下关系： L =(n/n)2L 式中n，n物、像空间折射率； 光学系统的透过率,光辐射能在同种传输介质中没有损失时，表面2的亮度和表面1的亮度是相等的。,（5）普朗克定律,黑体的光谱辐射出射度同波长、绝对温度T之间的关系式： 式中：c-光速；k-玻尔兹曼常数；h-普朗克常数。,（6）斯特芬玻尔兹曼定律,黑体辐射全部波长成分的总辐射出射度与黑体的绝对温度的四次方成正比。

11、即： MeB(T)=T4 式中=5.6710-8Wm-2K-4，称为斯特芬玻尔兹曼常数。,黑体的峰值辐射波长m随辐射体绝对温度T 的变化呈反比关系： m T=2897.8 mK,（7）维恩位移定律,光辐射源,按发光机理，光电检测系统中的光源分为： 热辐射光源：太阳；白炽灯；黑体辐射。 气体放电光源：汞灯；荧光灯；钠灯；氙灯；金属卤化物灯；氘灯；空心阴极灯。 固体发光光源：场致发光灯；发光二极管。 激光器：气体激光器；固体激光器；染料激光器；半导体激光器。,光源的基本特性参数,（1）辐射效率和发光效率 在给定波长范围内，某光源发出的辐射通量与所消耗的电功率之比称为该光源在此光谱范围内的辐射效率：

12、,某光源发射的光通量与产生这些光通量所消耗的电功率之比，就是该光源的发光效率：,常用光源的发光效率,物体按导电能力分：导体、绝缘体和半导体。做光电器件的主要材料为半导体，电阻率在106103cm范围之内的物质称为导体；电阻率大于1012cm 以上的物质称为绝缘体；介于它们之间的物质称为半导体,第二节、半导体物理基础, 半导体的电阻温度系数一般是负的。它对温度的变化非常敏感。 半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。 半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。,一、半导体的特性,导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，

13、这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。,绝缘体、半导体、金属的能带图 a) 绝缘体 b) 半导体 c) 金属,2、半导体的导电机制,半导体两端加电压后:,如果价带中填满了电子而没有空能级，在外电场的作用下，又没有足够的能量跃迁到导带，那么价带中的电子是不导电的。,如果价带中的电子在外界作用下，能够跃迁到导带中，则价带中留空位，邻近能级上的电子在电场作用下可以跃入这些空位，而在这些电子原来的能级上就出现空位。这样有些电子在原来热运动上迭加定向运动而形成电流。,由于导带中存在大量的空能级，所以在外电场的作用下，导带电子能够得到足够的能量

14、跃迁到空的能级上，形成电流，所以导带电子是可以导电的。,价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是：能给电子提供足够能量的外界作用、电子跃入的能级是空的。,单晶在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。 多晶只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。,现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列）。晶体分为单晶与多晶：,4、半导体的分类,本征半导体, 完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。 在没有外界作用和绝对零度时，本征半导体的导带中没有电子，价带中没有空穴，它是不导电的。

15、 由于半导体的禁带宽度较小，所以在外界作用下，价电子可以激发跃迁到导带中，这样本征半导体的导带中有电子，价带中有空穴，本征半导体就有了导电能力。,晶体总是含有缺陷和杂质的，而杂质原子上的能级和晶体其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶体能带的范围之内。,杂质半导体,N型半导体,P型半导体,N型半导体,在晶格中掺入某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。 ED位于禁带中，较靠

16、近材料的导带底EC 。 ED与EC间的能量差称为施主电离能。N型半导体由施主控制材料导电性。,P型半导体,晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA ，也位于禁带中。在价带顶EV附近， EA与EV间能量差称为受主电离能。P型半导体由受主控制材料导电性。,掺杂对半导体导电性能的影响： 半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的

17、电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。,(a)本征半导体(b)N型半导体(c)P型半导体,在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时的载流子成为热平衡载流子，它的浓

18、度即为某一稳定值。,热平衡载流子,根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。 在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占据的概率由费米-狄拉克函数给出，即,热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中能态（或能级）的分布，二是这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。,f(E)：费米分布函数，能量E的概率函数 k：波耳兹曼常数，1.3810-23J/K T：绝对温度 EF：费米能级,费米-狄拉克函数曲线,当E=EF时，f(E)=1/2,当E1/2,当EEF时，f(E)1/2,若(EEF) kT时,随着E的增加， f(E)迅速减小，所以导带中的大部分电子的能量是在导带底EC附近。同样价带中空穴的绝大部分都在价带顶EV附近。,EF为表征电子占据某能级E的概率的“标尺”，它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。常温下EF随材料掺杂程度而变化。对于本征半导体 EF (EC + EV )/2,当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均定向速度为零。一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。,载流子的运动,1、扩散,载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。,图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非