光電技術(shù)第2講

1、主講人:張建寰 教授:-測(cè)控所2012.04.14光電技術(shù)第二講1輻射體分類及其溫度表示熱輻射體的分類灰體若輻射體的光譜輻射出射度與同溫度黑體的光譜為輻射出射度之比是與波長(zhǎng)無關(guān)的系數(shù)，則稱其為灰體。系數(shù)稱為灰體發(fā)射率。選擇性輻射體不服從黑體輻射定律的輻射體，稱為選擇性輻射體。其光譜發(fā)射率為波長(zhǎng)的函數(shù)，輻射分布曲線可能有幾個(gè)最大值。2熱輻射體的溫度表示輻射溫度T當(dāng)熱輻射體的總輻射通量與黑體的總輻射通量相等時(shí)，以黑體的溫度標(biāo)度該熱輻射體的溫度，這種溫度稱為輻射溫度Te。色溫Tf當(dāng)熱輻射體在可見光區(qū)域發(fā)射的光譜輻射分布，具有與某罷休的可見光的光譜輻射分布相同的形狀時(shí)，以黑體的溫度來標(biāo)度該熱輻射體的溫

2、度，稱為熱輻射體的色溫。亮溫度Tv當(dāng)熱輻射體在可見光區(qū)某一波長(zhǎng)輻射亮度等于黑體在同一波長(zhǎng)的輻射亮度時(shí)，以黑體的溫度來標(biāo)度該熱輻射體的溫度，稱為亮溫度Tv。3以上熱輻射體的三種溫度標(biāo)測(cè)中,色溫與實(shí)際工資溫度偏差最小,亮溫度次之,輻射溫度與實(shí)際溫度的偏差最大.因此,通常以測(cè)量色溫代表熾熱物體的溫度.4輻射度參量與光度參數(shù)的關(guān)系 輻射度學(xué)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)，在可見光區(qū)經(jīng)常相互使用，它們間存在一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，有些光電器件采用光度參數(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，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

3、的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進(jìn)行比較。5人眼的視覺靈敏度人眼的視網(wǎng)膜上布滿了大量的感官細(xì)胞，即桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。桿狀細(xì)胞靈敏度高，它能感受微弱光刺激，錐狀細(xì)胞感光靈敏度低，但能很好地區(qū)別顏色和辨別被視物的細(xì)節(jié)。視覺神經(jīng)對(duì)不同波長(zhǎng)光的感光靈敏度是不一樣的，對(duì)綠光最靈敏，而對(duì)紅、藍(lán)光靈敏度最低。國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)光的相對(duì)靈敏度，稱為“光譜光視效率或視見函數(shù)”，如圖2-1所示。在明視情況，即光亮度大于3cd/M2時(shí)，人眼的敏感波長(zhǎng)，即光譜光視效率峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在555nm處。在暗視情況下，即光亮度小于00Olcd/M2時(shí)，人眼的敏感波長(zhǎng)在507nm處，其光譜光

4、視效率曲線如圖中虛線所示。67光譜光視效率 用單色輻射分別刺激正常人眼的錐狀細(xì)胞時(shí)，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，波長(zhǎng)555nm的光譜輻射亮度小于其它波長(zhǎng)處的光譜輻射亮度。因此定義為正常人眼的明視覺光譜光視效率。還有暗視覺光譜光視效率。8人眼的光譜光視效能無論是錐狀細(xì)胞還是柱狀細(xì)胞，單色輻射對(duì)其刺激程度與V()Le,成正比，如果用復(fù)色光刺激時(shí)，刺激程度符合疊加原理，且與成正比。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)，人眼的暗視覺最靈敏波長(zhǎng)的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)9例題1、已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量。10輻射體的光視效能一個(gè)熱輻射體發(fā)出的總光

5、通量與總輻射通量之比K，稱為該輻射體的光視效能，即對(duì)發(fā)射連續(xù)光譜的熱輻射體，有則得到輻射體的光視效能V為輻射體的光視效率11例題對(duì)色溫為2856K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效能為17lm/W,當(dāng)鎢絲燈的功率為100W時(shí)，求鎢絲的光通量。12半導(dǎo)體對(duì)光的吸收13物質(zhì)對(duì)光吸收的一般規(guī)律用透射法測(cè)定光通量的衰減時(shí),得到以下結(jié)論:光能量變化與入射的光通量及路程的乘積成正比. 稱為吸收系數(shù).利用邊界條件解上面的微分方程,得到當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時(shí),透過的能量衰減到原能量的 時(shí)所通過的路程的倒數(shù)等于物質(zhì)的吸收系數(shù).14半導(dǎo)體對(duì)光吸收本征吸收、雜質(zhì)吸收、激子吸收、自由載流子吸收和晶格吸收本征吸收不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用

6、時(shí)，半導(dǎo)體中的電子基本上處于價(jià)帶中，導(dǎo)帶中的電子數(shù)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)帶中留一個(gè)自由空穴，即產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征吸收。本征吸收產(chǎn)生的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，這樣才能使價(jià)帶上的電子吸收足夠能量躍入導(dǎo)帶低能級(jí)之上，15發(fā)生本征吸收的光波長(zhǎng)波限為：只有波長(zhǎng)小于長(zhǎng)波限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。16雜質(zhì)吸收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，若光子能量大于施主電離能，雜質(zhì)原子

7、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。P型半導(dǎo)體中價(jià)帶上的電子吸收大于受主電離能的光子能量后，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。雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為吸收。雜質(zhì)吸收的長(zhǎng)波限為17由于禁帶寬度大于施主或受主電離能，雜質(zhì)吸收的長(zhǎng)波限總要長(zhǎng)于本征吸收的長(zhǎng)波限，雜質(zhì)吸收會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，會(huì)引起光電效應(yīng)。18激子吸收當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量小于禁帶寬度，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量小于雜質(zhì)電離能時(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

8、激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象，稱為激子吸收。激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。19自由載流子吸收對(duì)于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高，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)增大增強(qiáng)。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級(jí)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。20晶格吸收晶格原子對(duì)遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子能量的吸收，直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)動(dòng)能的增加，在宏觀上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。21這五種吸收，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應(yīng)。其他吸收都程度不同地把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，

9、使熱激發(fā)載流子運(yùn)動(dòng)的速度加快，而不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。22光電效應(yīng)23光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩種。被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)是半導(dǎo)體光電器件的核心技術(shù)，外光電效應(yīng)是真空光電倍增管、攝像管、變像管和像增強(qiáng)器的核心技術(shù)。24內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：本征光電導(dǎo)效應(yīng)和雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶,產(chǎn)生本征吸收,導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子,價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴.從而導(dǎo)

10、致半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化.這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng).25在弱輻射作用下,半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量成線性關(guān)系.弱輻射條件下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度:lbd26強(qiáng)輻射作用下:半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量間的關(guān)系為半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度:27半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)與入射輻射通量關(guān)系:在弱輻射條件下,光電導(dǎo)與入射輻射通量成線性關(guān)系;隨著輻射的增強(qiáng),線性關(guān)系變壞,當(dāng)輻射很強(qiáng)時(shí),關(guān)系曲線變?yōu)閽佄锞€.28光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng).當(dāng)射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時(shí),價(jià)帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在P

11、N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下分開,并分別向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng),形成光生伏特電壓或光生電流.入射輻射P內(nèi)建電場(chǎng)+-電子N空穴光生伏特效應(yīng)29當(dāng)將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL,入射輻射通量如為 ,則有電流通過負(fù)載,在負(fù)責(zé)兩端產(chǎn)生壓降U,流過負(fù)載電流為:把PN結(jié)短路,得到的短路電流即為光生電流開路電壓:30在圖像傳感器中常用具有光生伏特效應(yīng)的光電二極管作為像敏單元,此時(shí)的光電二極管采用反向偏置,此時(shí)光電二極管的電流為:一般暗電流遠(yuǎn)小于光電流,因此常將其略去.則光電二極管的電流與入射輻射成線關(guān)系.31丹倍效應(yīng)(Dember)光生載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的伏特現(xiàn)象半導(dǎo)體材料一部分被遮擋,一部分接受光照.受光面產(chǎn)生光生電子

12、和空穴濃度大于小遮光區(qū),載流子濃度差引起載流子向遮光區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),電子的遷移率大于空穴遷移率.這樣在受光面積累空穴,而遮光區(qū)積累電子,產(chǎn)生光生伏特現(xiàn)象.這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生的伏特現(xiàn)象,稱為32N0p0分別為熱平衡載流子濃度;n0半導(dǎo)體表面處的光生載流子的濃度,np分別為電子和空穴的遷移率.當(dāng)以適當(dāng)頻率的單色輻射照射到厚度為d的半導(dǎo)體樣品上時(shí),如果材料的吸收系數(shù)大于1/d,則背光面相當(dāng)于遮光面,迎光面產(chǎn)生的載流子遠(yuǎn)比背光面高.在擴(kuò)散力的作用下,形成雙極性擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),結(jié)果半導(dǎo)體的迎光面帶正電,背光面帶負(fù)電.產(chǎn)生光生伏特現(xiàn)象.33光磁電效應(yīng)半導(dǎo)體上外加磁場(chǎng),磁場(chǎng)的方向與光照方向垂直,當(dāng)半導(dǎo)體

13、受光照產(chǎn)生丹倍效應(yīng)時(shí),由于電子和空穴在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到洛倫茲力的作用,使它們的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn),空穴向半導(dǎo)體上方偏轉(zhuǎn),電子偏向下方.因此在垂直于光照方向和磁場(chǎng)方向的半導(dǎo)體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓,稱為光磁電場(chǎng).稱為半導(dǎo)體的光磁電效應(yīng).34光電牽引效應(yīng)當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí),光子把動(dòng)量傳遞給自由載流子,自由載流子將順著光線的傳播方向做相對(duì)于晶格的運(yùn)動(dòng),結(jié)果,在開路的情況下,半導(dǎo)體樣品將產(chǎn)生電場(chǎng),它阻止 載流子運(yùn)動(dòng),稱為光子牽引效應(yīng).35利用光子牽引效應(yīng)可以檢測(cè)低頻大功率的CO2激光器輸出功率,CO2激光器輸出光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過激光器鍺窗材料的本征吸收長(zhǎng)波限,不可能產(chǎn)生光電子發(fā)射,但激光

14、器鍺窗的兩端會(huì)產(chǎn)生伏特電壓,迎光面帶正電,出光面帶負(fù)電.室溫下,P型鍺光子牽引探測(cè)器的光電靈敏度為36光電發(fā)射效應(yīng)37當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量,電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子,這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng).只有光子能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值,才有電子飛出光電發(fā)射材料進(jìn)入真空.38導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶對(duì)于金屬材料有:對(duì)于半導(dǎo)體材料,導(dǎo)帶中的電子對(duì)于半導(dǎo)體材料,價(jià)帶中的電子對(duì)于半導(dǎo)體材料,光電發(fā)射長(zhǎng)波限為:39光電發(fā)射器件具有不同于內(nèi)光電效應(yīng)的特點(diǎn):1、光電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運(yùn)動(dòng)，因此，可以通過電場(chǎng)加速電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能或通過電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測(cè)靈敏度，使它能夠快速探測(cè)極其微弱的光信號(hào)，成為像增強(qiáng)器與變像器技術(shù)的基本單元。2、易制作大面積均勻的大面積光電發(fā)射器件，使其在光電成像器件方面有利于，一般