光电检测基础知识综述.docx

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光电检测基础知识综述

第1章光电检测基础知识

1.光辐射的度量

2.物体的热辐射

3.半导体基础知识

4.光电效应

光辐射：

•光的最基本理论:

光是电磁波,具有波粒二象性。

•光的本质是物质，它具有粒子性.

•光子的能量：

E=hv

式中,h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；v为光的振动频率（s-1）；

•光在真空中的传播速度（c=3×108m·s-1）。

•光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。

图1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁波谱）。

电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。

光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。

在这个范围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。

1.光辐射的度量

光辐射的度量有两种方法:

Ø辐射度学参量:

一种客观的度量方法,适用于整个电磁谱区.

Ø光度学参量:

是主观的计量方法,以人眼见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法,适用于可见光谱区.

Ø人眼对不同波长的辐能有不同的灵敏度,不同波长的可见光即使辐射功率相同,引起的视觉感受强度不同.

Ø为了区分,辐射度和光度学量分别加角标”e”和“v”表示.

（1）辐（射）通量和光通量

•辐通量Φe：

以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能。

又称辐（射）功率。

•其计量单位为瓦（W）。

•光通量Φv：

从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度；单位时间内，人眼所感受到的光能。

与辐射波长及人眼的视见函数有关。

•Φv的计量单位为流（明）（lm）。

显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，而光通量对时间的积分称为光能。

（2）辐（射）出（射）度和光出（射）度

辐出度Me:

对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐出度，即

（1）

单位:

W／m2。

光出度Mv:

对于可见光，面光源A单位面积发射的光通量。

即

（2）

其单位为勒（克司）lx。

（3）辐射强度和发光强度

•辐射强度Ie：

对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，即

（3）

计量单位为瓦（特）每球面度[W／sr]。

•发光强度：

（4）

发光强度的单位：

坎德拉（Candela），简称为坎[cd]。

•它是国际单位制中七个基本单位之一。

•1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉定义为：

在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源，在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。

•由式（4），对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度（sr）内发射的光通量定义为1流明（lm）。

（4）辐（射）亮度和亮度

•辐射亮度Le:

光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为，即

（5）

式中，θ为所给方向与面元法线之间的夹角。

辐亮度Le的计量单位为瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2）]。

•亮度Lv:

对可见光,光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即

（6）

Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。

（5）辐照度与照度

辐照度Ee是照射到物体（或接收器）表面某一点处面元的辐通量dΦe除以该面元的面积dA的商，即

（7）

Ee的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。

•若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则上式简化为

（8）

•注意:

不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。

虽然两者单位相同，但物理意义不同。

辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的；辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。

v本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。

若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度Mer（λ）（r代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度Ee（λ）的关系为

（9）

v式中,ρe（λ）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。

对式（15）的波长积分，得到反射体的辐出度

•对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即

（10）

Ev的计量单位是勒（克司）[lx]。

•对接收光的反射体，同样有

（11）

式中，ρv（λ）为光度光谱反射比，是波长的函数。

辐射度量和光度量的对照表

辐射度量

符号

单位

光度量

符号

单位

辐射能

光能

辐射通量或

辐射功率

光通量

辐射照度

光照度

辐射出度

光出射度

辐射强度

发光强度

辐射亮度

光亮度

光谱光视效率

辐射度参量与光度参量的关系

辐射度参量与光度参量是从不同角度对光辐射进行度量的参量。

•光度量只在可见光区（３８０~７８０nm）才有意义。

•辐射度量和光度量都是波长的函数。

•有些光电传感器件采用光度参量标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参量标定其特性参数。

•这些参量可见光区经常相互使用，它们之间存在着一定的转换关系.掌握了它们之间的转换关系，就可以对用不同参量标定的光电器件的特性参数进行比较。

人眼的视觉灵敏度

v用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长0.555μm处的光谱辐射亮度Le,λm小于其它波长的光谱辐亮度Le,λ。

把波长=0.555μm的光谱辐射亮度Le,λm被其它波长的光谱辐亮度Le,λ除得的商，定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率V（λ），即

v

（12）

•如图所示为人眼的光谱光视效率V（λ）。

•它为与波长有关的相对值。

辐射度参数与光度参数的关系：

（13）

式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，其值为683lm/W。

V（λ）为人眼的光谱光视效率。

例:

已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？

解He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式（13）可以计算出它发出的光通量为

Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV（λ）Φe,λ

=683×0.24×3×10-3

=0.492（lm）

基础知识（续）

2.物体热辐射

物体通常以两种不同形式发射辐射能量。

热辐射:

辐射是温度的函数，发射连续光谱。

如，太阳，钨丝白炽灯等，为热辐射体。

发光：

靠外部能量激发的辐射，主要为线光谱或带光谱。

如，电致发光，光致发光，化学发光等。

（1）黑体

黑体:

能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。

显然，黑体的吸收系数为1，发射系数也为1。

（2）普朗克辐射定律

•黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示为

（22）

•式中，k为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；T为绝对温度；c为真空中的光速。

黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为

（23）

图1-2绘出了不同温度下，黑体辐射的相对光谱辐亮度Le,s,λr与波长的关系曲线。

图中每一条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。

（3）斯忒藩-波尔兹曼定律

将式（22）对波长λ求积分，得到黑体发射的总辐射出射度

（24）

式中，σ是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定

黑体发射的总辐射出射度Me,s与T的四次方成正比。

（4）维恩位移定律

将普朗克公式（22）对波长λ求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐射出射度所对应的波长λm与绝对温度T的关系为

（μm）（25）

可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。

当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。

（5）辐射体的温度表示

绝大多数辐射体是非黑体：

灰体（发射率小于1）和选择性辐射体（光谱发射率是波长的函数）。

热辐射体可用三种温度来标测：

辐射温度，色温和亮温度。

辐射温度Te：

当热辐射体的总辐射通量与黑体的总辐射通量相等时,以黑体的温度标度热辐射体的温度，即为辐射温度。

色温Tf：

当热辐射体在可见区发射的光谱辐射分布与黑体的相同时，以黑体的温度标度热辐射体的温度，称为热辐射体的色温。

亮温度Tv：

当热辐射体在可见区某一波长的辐亮度与黑体的相等时，以黑体的温度标度热辐射体的温度，称为亮温度。

三种温度标测中，色温与实际温度的偏差最小，亮温度次之，辐射温度偏差最大。

因此，通常测量色温来代表炽热物体的温度。

晴天阳光直射地面照度约为100000lx

晴天背阴处照度约为10000lx

晴天室内北窗附近照度约为2000lx

晴天室内中央照度约为200lx

晴天室内角落照度约为20lx

阴天室外50—500lx

阴天室内5—50lx

月光（满月）2500lx

日光灯5000lx

电视机荧光屏100lx

阅读书刊时所需的照度50~60lx

在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx

晴朗月夜照度约为0.2lx

黑夜0.001lx

3.半导体基础知识

•导体、半导体和绝缘体

•半导体的特性

•半导体的能带结构

•本征半导体与杂质半导体

•平衡和非平衡载流子

•载流子的输运过程

•半导体的光吸收

•PN结

导体、半导体和绝缘体

•自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。

•固体按导电能力可分为：

导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。

•电阻率10-6~10-3欧姆•厘米范围内——导体

•电阻率1012欧姆•厘米以上——绝缘体

•电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体

•半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。

根据这一特性，热电探测器件。

•导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。

（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/（欧姆•厘米）。

掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2/（欧姆•厘米））

•半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。

本征和杂质半导体

•本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。

•在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。

•在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。

•掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。

•施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。

•受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。

平衡和非平衡载流子

•处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。

这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。

•半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。

如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。

•处于非平衡状态的半