光电检测技术基础讲解PPT文件格式下载.pptx

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红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,10,光的基本特性光谱范围：

1pm1mm，波长短可见光波长：

380nm780nm真空中光速:

光在媒质中传播速度:

v=/n光子能量：

E=h光子动量：

p=h/c=h/普朗克常数:

一、光的基本性质,11,1.1辐射度量和光度量,二、光辐射度量,1.1辐射度量和光度量,12,13,三、光谱辐射度量：

光谱分布,1.1辐射度量和光度量,四、光度量：

可见光,）,根据人眼的视觉强度来定义能量相同而波长不同的光引起人眼的视觉强度不同光谱光视效率（视见函数V（）国际照明委员会CIE定义明视觉时：

555nm处最大，V（）=1明视觉：

白天正常光照暗视觉：

夜间弱光照射,14,1.1辐射度量和光度量,15,1.辐射度学,对各种电磁辐射进行定量评价,工具：

光接收器件结果：

与光能量相关的各种物理量,评价对象：

电磁辐射,2.光度学,对象：

可见光辐射工具：

人眼,对可见辐射作用于人眼所引起的“光”感觉进行定量评价，是一种生理效应,结果：

对人眼刺激大小的各种物理量,用下标（e）,无（e）下标或用下标（v）,辐射度学和光度学物理量的定义比较,16,1.辐射功率（辐射通量）,对于辐射源说-单位时间内向空间各个方向发射的总能量。

对于电磁波的传播-单位时间通过某一截面的电磁波能量对于电磁波的接收-单位时间内某一截面接收到的电磁,单位：

W（瓦特）,能,发射,A1,A2传播,如果是多波长辐射，则有：

A,接收,光谱功率谱密度,辐射度学基本物理量,17,点光源:

在某一方向上，在单位立体角内发出的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特性）。

2、辐射强度,单位：

如果辐射是多波长的电磁波则：

向空间各个方向辐射均匀的点光源：

如果辐射不均匀，则方向上的辐射强度，可表示为：

d,18,3、辐射亮度,单位：

-表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量。

面元dS在方向的光亮度定义为：

此面元在方向d体积角内的的辐射通量de除立体角的大小d和此面元在观测方向上的表观面积cos（dS）。

N,如果是多波长辐射则：

如果辐射不均匀，则方向上的辐亮度，可表示为：

19,4、辐射出射度,-光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的辐通量。

用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。

dA1,dA2,单位：

W/m2,-受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。

5、辐照度,单位：

W/m2,dA,1,dA2,同样有：

20,同样有：

光度学基本物理量,相同波长（）不同,产生对人眼不同的刺激程度,的感受是光波长的函数,

（一）光度学量和辐射度学量的关系1.光谱灵敏度K及视见函数V

（1）光谱灵敏度人眼对光,单位时间内发射、传播或接收的光谱光量（人眼）,单位时间内发射、传播或接收的光量（人眼）,K（lm/W）光谱灵敏度,光通量（lm流明）,21,定义:

视见函数,明视,1,0.38,0.55m0.7,明视,暗视,0.55m0.507m,0.7,Km=683（lm/W）,0.38,不同波长的光谱灵敏度，如图所示（P24）,C,

（2）视见函数,22,23,

（二）光度学量,A1,A2,A1,A2,辐射通量,单位时间内发射、传播或接收的辐射能量。

复色光时,-单位时间内发射、传播或接收的光量。

复色光时,1、光通量,24,A,lm（流明）,W（瓦特）,-点光源在某一方向上，单位立体角内发出的辐射通量。

-点光源在某一方向上，单位立体角内的光通量。

2、发光强度单位：

辐射强度单位：

（cd坎德拉）,d,25,辐射亮度,3、光亮度单位：

-面元dS在方向d体积角内的的光通量dv除立体角的大小d和此面元在观测方向上的表观面积cos（dS）。

2,-面元dS在方向d体积角内的的辐通量de除立体角的大小d和此面元在观测方向上的表观面积cos（dS）。

N,2,26,dA1,dA2,4、光出射度单位：

lm/m2-光源单位时间由单位表面积辐射出的光量（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的光通量。

辐射出射度,单位：

W/m2-光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的辐通量。

27,dA1,dA2,-受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。

辐照度,单位：

W/m2,5、（光）照度单位：

lm/m2（lx勒克斯）-受照面上单位时间单位表面积接受的光量，或单位表面积接受的光通量。

28,其它基本概念,1.点源,dA,I,r某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比-平方反比定律同时也与面源的方向有关,对于沿各方向匀均辐射,的点源点源对面的（光）照度-（与强度的关系）dA,光源S,29,总光通量为：

2.扩展源-有一定面积的辐射源,向空间各个方向的辐射朗伯源亮度相同，理想化的扩展源或称为发光强度I与方向角满足余余弦辐射体弦定律的发光体。

大部分发光体都有此性质,S,30,I,I0,余弦定律,常数,根据辐射出射度的定义,根据亮度的定义,dS,dA,可证：

31,3.漫反射面-把入射光向各个方向均匀的散射的各种表面,朗伯辐射体,设某一漫反射面dS所受的光照度为E，则此面接收到的光通量为：

设此反射面的反射系数为K，则它反射的光通量为：

不透明漫反射体透明漫反射体亮度减半,32,4.定向辐射体,-光线的发射方向比较集中,如：

激光器,太阳的辐射亮度只有3*108W/（sr.m2）,33,1.2半导体物理基础,34,电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。

一、半导体的特性半导体特性,电阻温度系数是负的，对温度变化敏感。

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显著的变化。

常见半导体材料有：

元素半导体：

硅、锗、硒化合物半导体：

GaAs、铝砷化镓、InSb,CdS,PbS氧化亚铜的氧化物：

砷化镓磷化镓固熔半导体有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体半导体器件:

利用半导体的特殊电学特性制成的器件,二、能带理论,35,1.2半导体物理基础,原子中电子的能级原子由带正电的原子核与一些带负电的电子组成电子绕核运动，具有完全确定的能量能级：

电子运动的每一量子态所具有的确定能量称为能级。

原子中的电子没有完全确定的轨道泡利不相容原理：

在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子,晶体中电子的能带,36,晶体：

原子（粒子）以一定的周期重复排列所构成的物体晶体中电子的共有化：

原子之间距离很近，致使离原子核较远的电子轨道发生交叠，使电子不再属于某个原子，有可能转移到相邻原子及更远的原子壳层上去，成为整个晶体所共有电子只能在能量相同的量子态之间转移N个原子排列成晶体时，原来分属于N个原子的相同能级必须对应分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级能带：

与此相对应的能量密集的能级称为能带。

二、能带理论,1.2半导体物理基础,能级,3s,2p,允带禁带允带禁带允带,37,原子的能限和结晶格中的能带之比较,半导体内的能带,外加电场时，非满带形成电流；

而严格满带不产生电流。

半导体在有限温度时，理论的严格满带会变得不满。

38,二、能带理论,价带价带中的空穴,导带禁带,导带中的电子,39,3.半导体的导电机制电流：

电场作用电子的定向运动导电条件:

1）向电子提供能量;

2）电子要跃入的能级是空的,价带中的电子离开所留空位称为空穴电子和空穴统称为载流子外加电场时，非满带载流子在无规则热运动中迭加了定向运动，形成电流；

而满带不产生电流。

导带中电子越多，导电能力越强；

价带中空穴越多，导电能力越强为什么半导体在有限温度时，理论的严格满带会变得不满，导带的电子及价带的空穴如何产生：

分两种情况讨论（本征半导体和杂质半导体）。

3.半导体的导电机制本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体称为本征半导体本征激发：

电子由价带直接激发跃迁到导带本征半导体的载流子只能依靠本征激发产生导带电子和价带空穴相等,二、能带理论,1.2半导体物理基础,价带,导带,禁带,低温下,价带,导带,禁带,40,本征激发（热或者光等外界因素）,常温下,不导电,弱导电性,3.半导体的导电机构杂质半导体：

半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很大（晶体的缺陷也有类似效果）。

杂质能级和晶体中其它能级不同，可处于晶体能带间的禁带中（对导电性影响巨大）N型半导体：

主要由电子导电（此时电子又称为多子）,在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），,形成N型半导体，电子为多数载流子通常，施主能级离导带底较近，导带中电子多于价带中空穴P型半导体：

主要由空穴导电（此时空穴被称为多子）在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体，空穴为少数载流子,受主能级离价带顶较近，价带中空穴多于导带中电子,1.2半导体物理基础,41,价带,导带,施主能级禁带,本征激发+杂质激发,价带,导带,杂质能级禁带,低温下,常温下,处于共价键之外,42,N型半导体,价带,导带,杂质能级,P型半导体,B,低温下,受主能级价带,导带,杂质激发+本征激发,43,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。

载流子的激发和复合（电子找到空穴相互抵消）两种过程处于热平衡状态，载流子浓度为某一稳定值。

1.2半导体物理基础,三、热平衡载流子本征半导体中的载流子,价带,导带,禁带,本征激发,（载流子浓度增大）,一段时间后：

激发=复合（载流子浓度稳定）热平衡状态,设由低温到高温的过程开始时：

激发复合复合,44,三、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，能量为E的能态被电子占据的概率f（E）由费米-狄拉克函数给出，即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/KT：

绝对温度EF：

费米能级（一般认为：

低于费米能级处满带）,导带电子浓度n和价带空穴浓度pN_：

导带的有效能级密度N+：

价带的有效能级密度E_：

导带底E+：

价带顶,45,1.2半导体物理基础,本征半导体中，电子和空穴浓度相等，即n=p,本征载流子浓度为一恒定值,式中Eg=E_-E+为禁带宽