物體熱輻射PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1物體熱輻射物體熱輻射黑體光譜輻亮度Le,s,和光譜輻強(qiáng)度Ie,s,分別為) 1e (252s,e,kThchcL（1-41）) 1e (cos252s,e,kThchAcI第2頁(yè)/共32頁(yè)第1頁(yè)/共32頁(yè)第3頁(yè)/共32頁(yè)第2頁(yè)/共32頁(yè)將式（1-40）對(duì)波長(zhǎng)求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度 s , eM04, s , es , edTMM（1-42）式中，是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q定 4282345KWm1067. 5152chk由式（1-42），Me,s與T的四次方成正比 第4頁(yè)/共32頁(yè)第3頁(yè)/共32頁(yè)Tm2898(m) （1-43） 可見，峰值光譜輻出度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與絕對(duì)

2、溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值光譜輻射出射度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向位移，這就是維恩位移定律。 第5頁(yè)/共32頁(yè)第4頁(yè)/共32頁(yè)155se103091T.Mm,Wcm-2m-1K-5 以上三個(gè)定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。 第6頁(yè)/共32頁(yè)第5頁(yè)/共32頁(yè)24, s , em/W3 .5205 .309M第7頁(yè)/共32頁(yè)第6頁(yè)/共32頁(yè)Tm2898(m)=9.36m 峰值光譜輻射出射度為 155se103091T.Mm,Wcm-2m-1 =3.72 Wcm-2m-1 （3）人體發(fā)燒到38時(shí)峰值輻射波長(zhǎng)為 m32. 9382732898m發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻射出射度為 155, s , e10309.

3、 1TMm=3.81Wcm-2m-1 第8頁(yè)/共32頁(yè)第7頁(yè)/共32頁(yè)015. 1285628962898Tm(m) 峰值光譜輻射出射度為 155, s , e10309. 1TMm=1.3092856510-15 =248.7Wcm-2m-1 總輻射出射度為 24484, s , em/W1077. 328561067. 52856M第9頁(yè)/共32頁(yè)第8頁(yè)/共32頁(yè)光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)CCD21.4 輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系 輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對(duì)光輻射進(jìn)行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見光譜區(qū)）經(jīng)常相互使用，它們之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系；有些光

4、電傳感器件采用光度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，因此討論它們之間的轉(zhuǎn)換是很重要的。本節(jié)將重點(diǎn)討論它們的轉(zhuǎn)換關(guān)系，掌握了這些轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對(duì)用不同度量參數(shù)標(biāo)定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進(jìn)行比較。第10頁(yè)/共32頁(yè)第9頁(yè)/共32頁(yè)e,me,)(LLV（1-54） 第11頁(yè)/共32頁(yè)第10頁(yè)/共32頁(yè)第12頁(yè)/共32頁(yè)第11頁(yè)/共32頁(yè)V(）也是一個(gè)無(wú)量綱的相對(duì)值，它與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖1-5中的虛線所示。 e,nm507, e)(LLV(1-55) 對(duì)于正常人眼的圓柱細(xì)胞，以微弱的各種單色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長(zhǎng)為處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他

5、波長(zhǎng)的光譜輻射亮度 Le,。把 Le，507nm 與Le,的比值定義為正常人眼的暗視覺光譜光視效率，即第13頁(yè)/共32頁(yè)第12頁(yè)/共32頁(yè))(, em,vVXKX（1-56）式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長(zhǎng)的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。 第14頁(yè)/共32頁(yè)第13頁(yè)/共32頁(yè))(,VXKXemv式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長(zhǎng)的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為1725lm/W。 引進(jìn)，K（），并令 )()(m, e,vVKXXK（1-58）（1-57）)()(m, e,vVKXXK（1-59）第15頁(yè)/共32頁(yè)第14頁(yè)/共32頁(yè)CCD2重疊部分重疊部分第16頁(yè)

6、/共32頁(yè)第15頁(yè)/共32頁(yè)第17頁(yè)/共32頁(yè)第16頁(yè)/共32頁(yè)evevK 對(duì)發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，由上式及式（1-58）可得總光通量v為 d )(nm780nm380e,mvVK(1-60)(1-61)第18頁(yè)/共32頁(yè)第17頁(yè)/共32頁(yè)（1-62）式中式中,V是輻射體的光視效率。是輻射體的光視效率。 VKVKKm0, enm780nm380, emdd )( 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖1-7所示，圖中的曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的相對(duì)光譜輻射分 、光譜光視效率V（）和光譜光視效率與相對(duì)光譜輻射分布之積 ，積分 r, eXrVe,)X(reX,)d(780nmnm380e,VXrrVe,)

7、X(為曲線所圍的面積Al，而積分 第19頁(yè)/共32頁(yè)第18頁(yè)/共32頁(yè)d0e,rX面積A2。因此，由(1-62)可得標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的光視效能Kw為1 .1721mWAAKKlm/W 由式（1-60），已知某種輻射體的光視效能K和輻射量Xe，就能夠計(jì)算出該輻射體的光度量Xv，該式是輻射體的輻射量和光度量的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。 第20頁(yè)/共32頁(yè)第19頁(yè)/共32頁(yè)tEHvv第21頁(yè)/共32頁(yè)第20頁(yè)/共32頁(yè)（1-63）xdd式中，稱為吸收系數(shù)。 如圖1-8所示，利用初始條件x=0時(shí) ，解這個(gè)微分方程，可以找到通過(guò)x路程的光通量為 第22頁(yè)/共32頁(yè)第21頁(yè)/共32頁(yè)（1-64）xe0可見，當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時(shí)

8、，透過(guò)的能量衰減到原來(lái)能量的e-1時(shí)所透過(guò)的路程的倒數(shù)等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)，即 x1（1-65）另外，根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時(shí)，其電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律 exp(-xc-1)衰減。 )(jeecnxtcx0YEE)(j0eecnxtcxZHH第23頁(yè)/共32頁(yè)第22頁(yè)/共32頁(yè)（1-66）乘積的其實(shí)數(shù)部分應(yīng)是輻射通量隨傳播路徑x的變化關(guān)系。即 cx20e式中，稱為消光系數(shù)。 由此可以得出 42c（1-67） 半導(dǎo)體的消光系數(shù)與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，表明它對(duì)愈短波長(zhǎng)的光吸收愈強(qiáng)。第24頁(yè)/共32頁(yè)第23頁(yè)/共32頁(yè)（1-68） 普通玻璃的消光系數(shù)普通玻璃的消光系數(shù)也與波長(zhǎng)也與波

9、長(zhǎng)無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)，因此，它們對(duì)短波長(zhǎng)輻射的吸收比長(zhǎng)波長(zhǎng)強(qiáng)。因此，它們對(duì)短波長(zhǎng)輻射的吸收比長(zhǎng)波長(zhǎng)強(qiáng)。 當(dāng)不考慮反射損失時(shí)，吸收的光通量應(yīng)為當(dāng)不考慮反射損失時(shí)，吸收的光通量應(yīng)為 )e1 (00 x第25頁(yè)/共32頁(yè)第24頁(yè)/共32頁(yè) 在不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時(shí)，半導(dǎo)體中的電子基本上處于價(jià)帶中，導(dǎo)帶中的電子很少。當(dāng)光入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，原子外層價(jià)電子吸收足夠的光子能量，越過(guò)禁帶，進(jìn)入導(dǎo)帶，成為可以自由運(yùn)動(dòng)的自由電子。同時(shí)，在價(jià)帶中留下一個(gè)自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如圖1-9所示，半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征吸收。 d第26頁(yè)/共32頁(yè)第25頁(yè)/共32頁(yè)由此，可以

10、得到發(fā)生本征吸收的光波長(zhǎng)波限 （1-69）gEhv ggL24. 1EEhc（1-70）只有波長(zhǎng)短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。 第27頁(yè)/共32頁(yè)第26頁(yè)/共32頁(yè) N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級(jí)（施主能級(jí)）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。 同樣，P型半導(dǎo)體中，價(jià)帶上的電子吸收了能量hv大于EA（受主電離能）的光子后，價(jià)電子躍入受主能級(jí)，價(jià)帶上留下空穴。相當(dāng)于受主能級(jí)上的空穴吸收光子能量躍入價(jià)帶。 第28頁(yè)/共32頁(yè)第27頁(yè)/共32頁(yè)DL24. 1EAL24. 1E（1-71）（1

11、-72）由于EgED或EA ，因此，雜質(zhì)吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)總要長(zhǎng)于本征吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)。雜質(zhì)吸收會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會(huì)引起光電效應(yīng)。 第29頁(yè)/共32頁(yè)第28頁(yè)/共32頁(yè) 當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ED或EA）時(shí)，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來(lái)束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。 第30頁(yè)/共32頁(yè)第29頁(yè)/共32頁(yè) 對(duì)于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高時(shí)，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時(shí)，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大而增強(qiáng)。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級(jí)間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。 第31頁(yè)/共32頁(yè)第30頁(yè)/