輻射度量及探測基礎(chǔ)知識

1、第三講第三講 輻射輻射度量及探測度量及探測基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識廣學(xué) 明德 海納 厚為1.11.1 輻射度量與光度量及其單位輻射度量與光度量及其單位輻射度量學(xué)描述整個電磁波譜范圍的電磁輻射，以輻射度量學(xué)描述整個電磁波譜范圍的電磁輻射，以輻射能量輻射能量或或輻射功率輻射功率為基本量。而光度學(xué)描述可見光譜范圍的電磁輻射，為基本量。而光度學(xué)描述可見光譜范圍的電磁輻射，以以光強(qiáng)光強(qiáng)為基本單位。光只是電磁波譜范圍內(nèi)一小段波譜。為基本單位。光只是電磁波譜范圍內(nèi)一小段波譜。一、輻射度量及其單位一、輻射度量及其單位1、輻射能和單位、輻射能和單位輻射能指傳播的電磁波的能量，用輻射能指傳播的電磁波的能量，用Qe表示，單

2、位為焦耳，表示，單位為焦耳，符號為符號為J。它是輻射度量學(xué)的基本量之一。它是輻射度量學(xué)的基本量之一.輻射能用于度量脈沖輻射較方便。每個脈沖的能量。輻射能用于度量脈沖輻射較方便。每個脈沖的能量。（一）、復(fù)色輻射度量及單位（一）、復(fù)色輻射度量及單位2、輻射功率（通量）和單位、輻射功率（通量）和單位輻射功率（通量）定義為單位時間內(nèi)輻射的電磁波能量，單位輻射功率（通量）定義為單位時間內(nèi)輻射的電磁波能量，單位為焦耳為焦耳/秒，即瓦特，符號秒，即瓦特，符號w。輻射通量用于度量連續(xù)輻射較。輻射通量用于度量連續(xù)輻射較方便。數(shù)學(xué)表示：方便。數(shù)學(xué)表示：)(WdtdQee3、輻射強(qiáng)度和單位、輻射強(qiáng)度和單位輻射強(qiáng)度是

3、對點光源而言的，它定義為點發(fā)光源在給定方向上輻射強(qiáng)度是對點光源而言的，它定義為點發(fā)光源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射功率，單位單位立體角內(nèi)的輻射功率，單位W/Sr。數(shù)學(xué)表示：。數(shù)學(xué)表示：)W/Sr(),(2dtdQdddIeee式中式中 ， 為球坐標(biāo)系中的方位角。為球坐標(biāo)系中的方位角。4、輻射出射度和單位、輻射出射度和單位輻射出射度是對擴(kuò)展發(fā)射源定義的。它定義為單位面積輻射源輻射出射度是對擴(kuò)展發(fā)射源定義的。它定義為單位面積輻射源所輻射的輻射通量。單位為：瓦所輻射的輻射通量。單位為：瓦/米米2（W/M2)。數(shù)學(xué)表示：。數(shù)學(xué)表示：)/(),(22MWdtdAQddAdyxMeee5、輻射亮度和單位

4、、輻射亮度和單位輻射亮度也是對擴(kuò)展光源定義的。它定義為在給定方向上由單位輻射亮度也是對擴(kuò)展光源定義的。它定義為在給定方向上由單位投影面積輻射源向單位立體角內(nèi)輻射的通量。單位為瓦投影面積輻射源向單位立體角內(nèi)輻射的通量。單位為瓦/米米2/球面度，球面度，符號為符號為W/Sr/M2。數(shù)學(xué)表示：。數(shù)學(xué)表示：)/(cos),(22SrMWdAddLee6、輻射照度和單位、輻射照度和單位輻射照度對輻射接受體定義，它定義為單位接收面積上所接受輻射照度對輻射接受體定義，它定義為單位接收面積上所接受到的輻射通量，單位為瓦到的輻射通量，單位為瓦/米米2，符號，符號W/M2。數(shù)學(xué)表示：。數(shù)學(xué)表示：)/(),(2*m

5、wdAdyxEee 光譜輻射度量光譜輻射度量：光譜輻射度量也叫輻射量：光譜輻射度量也叫輻射量的的光譜密度光譜密度。輻射源所輻射的能量往往由許。輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長的單色輻射所組成，為了研究各多不同波長的單色輻射所組成，為了研究各種波長的輻射通量，需要對某一波長的單色種波長的輻射通量，需要對某一波長的單色光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射度光譜輻射度量是單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。量是單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。 （二）、光譜輻射度量及單位（二）、光譜輻射度量及單位1、單色輻射能和單位、單色輻射能和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射能。單位為定義為

6、某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射能。單位為J/M，數(shù)學(xué)表示：，數(shù)學(xué)表示：)/()()(MJQQee2、單色輻射通量和單位、單色輻射通量和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射通量，單位為定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射通量，單位為W/M，數(shù)學(xué)表示：數(shù)學(xué)表示：)/()()()(mwdtdQeee3、單色輻射強(qiáng)度和單位、單色輻射強(qiáng)度和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射強(qiáng)度，單位為定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射強(qiáng)度，單位為W/Sr/M，數(shù)學(xué)表示：數(shù)學(xué)表示：)/()(),(),(MSrWddIIeee4、單色輻射出射度和單位、單色輻射出射度和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射出射

7、度，單位為定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度，單位為W/M3，數(shù)學(xué)表示：數(shù)學(xué)表示：)/()(),(),(3MWdAdyxMyxMeee5、單色輻射亮度和單位、單色輻射亮度和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射亮度，單位為定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射亮度，單位為W/Sr/M3，數(shù)學(xué)表示：數(shù)學(xué)表示：)/(cos)(),(),(32MSrWdAddLLeee6、單色輻射照度和單位、單色輻射照度和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射照度，單位為定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射照度，單位為W/M3，數(shù)學(xué)表示：數(shù)學(xué)表示：)/()(),(),(3*MWdAdyxEyxEeee（三

8、）、光譜輻射度量及積分（復(fù)色）輻射度量的關(guān)系（三）、光譜輻射度量及積分（復(fù)色）輻射度量的關(guān)系任一光譜輻射度量任一光譜輻射度量Xe( )與其對應(yīng)的復(fù)色輻射度量與其對應(yīng)的復(fù)色輻射度量Xe之間通過積分之間通過積分關(guān)系連接：關(guān)系連接：0)(dXXee所謂光度量指描述人眼可見電磁波段范圍的電磁輻射的量?？伤^光度量指描述人眼可見電磁波段范圍的電磁輻射的量?？梢婋姶泡椛渫ǔ７Q為見電磁輻射通常稱為“光光”，所以，把描述可見電磁輻射的量，所以，把描述可見電磁輻射的量稱為光度量。光度量采用與輻射度量完全不同的另一套單位。稱為光度量。光度量采用與輻射度量完全不同的另一套單位。二、光度量及其單位二、光度量及其單位

9、由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最終是以人眼來評定的終是以人眼來評定的 ，因此照明光源的光學(xué)特性必須用，因此照明光源的光學(xué)特性必須用基于人眼視覺的光學(xué)參數(shù)量即光度量來描述?；谌搜垡曈X的光學(xué)參數(shù)量即光度量來描述。 光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強(qiáng)度值。能量相光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強(qiáng)度值。能量相同而波長不同的光，對人眼引起的視覺強(qiáng)度是不相同的。同而波長不同的光，對人眼引起的視覺強(qiáng)度是不相同的。（一）、人眼的視覺特征（一）、人眼的視覺特征人眼就象一個探測器，它對不同波長的電磁輻射具有不同的靈敏人眼就象一個探測器，它對不同波長的電

10、磁輻射具有不同的靈敏度。研究發(fā)現(xiàn)人眼對度。研究發(fā)現(xiàn)人眼對540*1012Hz或或555nm的電磁輻射最靈敏，即的電磁輻射最靈敏，即人眼對這一波長的單位輻射通量所產(chǎn)生的響應(yīng)最大。國際照明委人眼對這一波長的單位輻射通量所產(chǎn)生的響應(yīng)最大。國際照明委員會規(guī)定這一最大響應(yīng)值為員會規(guī)定這一最大響應(yīng)值為683（流明（流明/瓦）瓦）1、光視效能、光視效能人眼對不同波長的單位輻射通量的響應(yīng)，稱為光視效能，用人眼對不同波長的單位輻射通量的響應(yīng)，稱為光視效能，用K( )表示，其最大值為表示，其最大值為Km=683（流明（流明/瓦）瓦）(lm/W)。2、光視效率、光視效率歸一化光視效能稱為光視效率，記為歸一化光視效能

11、稱為光視效率，記為V ( )，V ( )= K( )/ Km 如果把能量相等的各種波長的光引向眼睛，則會發(fā)現(xiàn)：如果把能量相等的各種波長的光引向眼睛，則會發(fā)現(xiàn)：對波長為對波長為555555納米的黃綠色納米的黃綠色光看上去最亮，黃光和青光較亮光看上去最亮，黃光和青光較亮，而紅光和紫光就很弱。這就是說，人眼對黃綠色光感覺最，而紅光和紫光就很弱。這就是說，人眼對黃綠色光感覺最靈敏，對黃、青光還相當(dāng)靈敏，而對紅、紫光就不靈敏。靈敏，對黃、青光還相當(dāng)靈敏，而對紅、紫光就不靈敏。 人眼的這種感覺特性可以用曲線表示出來，如圖所示，人眼的這種感覺特性可以用曲線表示出來，如圖所示，稱為眼睛的光譜相對靈敏度曲線，我

12、們通常把它叫做稱為眼睛的光譜相對靈敏度曲線，我們通常把它叫做視見函視見函數(shù)曲線數(shù)曲線。 圖中實線為視線圖中實線為視線較亮?xí)r測得的，稱較亮?xí)r測得的，稱為為明視覺曲線明視覺曲線。虛。虛線為在視場較暗時線為在視場較暗時測得的，稱為測得的，稱為暗視暗視覺曲線覺曲線。 所有光度計量均所有光度計量均以明視覺為基礎(chǔ)。以明視覺為基礎(chǔ)。（二）、光度量及單位（二）、光度量及單位1、復(fù)色光度量、復(fù)色光度量(1)、光通量、光通量 v它定義為光源單位時間內(nèi)輻射的光功率，符號為它定義為光源單位時間內(nèi)輻射的光功率，符號為 v，單位為流明（單位為流明（lm）?；締挝唤M合表示為）?；締挝唤M合表示為Cd.Sr，即，即1lm=

13、1Cd.Sr光度學(xué)中的基本量選為發(fā)光光強(qiáng)，其單位為坎德拉，簡稱坎，光度學(xué)中的基本量選為發(fā)光光強(qiáng)，其單位為坎德拉，簡稱坎，符號為符號為Cd?！翱驳吕驳吕笔菄H單位中七個基本單位之一。是國際單位中七個基本單位之一。一一“坎德拉坎德拉”定義為：點發(fā)光源向給定方向發(fā)出定義為：點發(fā)光源向給定方向發(fā)出 540*1012Hz或或555nm的電磁輻射，其輻射強(qiáng)度為的電磁輻射，其輻射強(qiáng)度為1/683W/Sr。其它光度量的單位只能是其它光度量的單位只能是“坎坎”和其它基本單位的組合。和其它基本單位的組合。它是光度學(xué)的基本量，單位為坎德拉。它是光度學(xué)的基本量，單位為坎德拉。(2)、光量、光量Qv它定義為光源輻射

14、的光能量，單位它定義為光源輻射的光能量，單位lm.s(3)、光強(qiáng)度、光強(qiáng)度Iv( , )(4)、光出射度、光出射度Mv定義為面光源單位面積發(fā)射的光通量，單位定義為面光源單位面積發(fā)射的光通量，單位lm/m2.數(shù)學(xué)表示：數(shù)學(xué)表示：dAdMvvddIvv(5)、發(fā)光亮度、發(fā)光亮度Lv定義為單位投影面積光源向單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，單位定義為單位投影面積光源向單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，單位為坎為坎/米米2，記，記Cd/m2，又稱尼特，符號，又稱尼特，符號nt。數(shù)學(xué)表示：。數(shù)學(xué)表示：cos),(dAdILvv(6)、光照度、光照度Ev定義為單位接受面積上所接收的光通量，單位為定義為單位接受面積上所接收

15、的光通量，單位為lm/m2，又稱，又稱勒克斯（勒克斯（Lux)。數(shù)學(xué)表示：。數(shù)學(xué)表示：*),(dAdEvv式中式中*號表示接收有關(guān)的量。號表示接收有關(guān)的量。2、單色光度量、單色光度量與光譜輻射度量定義類似，同樣可以定義單色光度量，與光譜輻射度量定義類似，同樣可以定義單色光度量，Qv( )， v( )， Iv( )，Mv( )，Lv( )和和Ev( )六個單色光度量。六個單色光度量。3、單色光度量與復(fù)色光度量的聯(lián)系、單色光度量與復(fù)色光度量的聯(lián)系任一單色光度量任一單色光度量Xv( )與其對應(yīng)的復(fù)色光度量與其對應(yīng)的復(fù)色光度量Xv之間存在關(guān)系：之間存在關(guān)系：dXXvv)(0光度量與輻射度量之間通過光視

16、效能聯(lián)系起來。光度量與輻射度量之間通過光視效能聯(lián)系起來。光視效能光視效能K( )單色輻射度量單色輻射度量Xe( )單色光度量單色光度量Xv( )X復(fù)色輻射度量復(fù)色輻射度量Xe復(fù)色光度量復(fù)色光度量XvdXv)(0dXe)(0三、光度量與輻射度量的轉(zhuǎn)換三、光度量與輻射度量的轉(zhuǎn)換 光度量只在光譜的光度量只在光譜的(380-780nm)(380-780nm)才有意義。才有意義。輻射度量輻射度量符號符號單位單位光度量光度量符號符號單位單位輻射能輻射能QeJ光量光量Qlm.s輻射通量輻射通量 eW光通量光通量lm（流明流明）輻射輻射 強(qiáng)度強(qiáng)度IeW/sr發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度Icd（坎德拉坎德拉）=lm/sr輻

17、射輻射 照度照度EeW/m2光照度光照度Elx(勒克斯勒克斯)=lm/m2輻射出射度輻射出射度MeW/m2光出射度光出射度Mlm/m2輻射亮度輻射亮度LeW/sr.m2光亮度光亮度Lcd/m2光輻射基本定律和公式光輻射基本定律和公式（1）朗伯定律v 理想的漫射發(fā)光或漫反射面，在某方向上的輻射強(qiáng)度同該方向與表面法線夾角呈余弦函數(shù)關(guān)系，若發(fā)光面法線方向的發(fā)光強(qiáng)度為I0 ,則與法線夾角為的方向的發(fā)光強(qiáng)度為：I = I0 cos（2）布給定律v 被照射面上的照度E同垂直照明時照度E0的關(guān)系是： E = E0 cos（3）平方反比定律v 由點光源形成的照度，與該光源在一定方向上的發(fā)光強(qiáng)度成正比，而與被照

18、面到點光源的距離平方成反比。即E = I/l2（4）亮度守恒定律）亮度守恒定律v光輻射能在兩種介質(zhì)邊界面上沒有吸收、反射等損失時，則在兩種介質(zhì)里的亮度滿足關(guān)系：v在一般成像光學(xué)系統(tǒng)中，像面亮度L與物體亮度L有如下關(guān)系： L =(n/n)2L 式中n，n物、像空間折射率； 光學(xué)系統(tǒng)的透過率222211nLnL光輻射能在同種傳輸介質(zhì)中沒有損失時，表面2的亮度和表面1的亮度是相等的。（5）普朗克定律）普朗克定律v黑體的光譜輻射出射度同波長、絕對溫度T之間的關(guān)系式：式中：c-光速；k-玻爾茲曼常數(shù)；h-普朗克常數(shù)。 1)exp(2),(52TkhchcTMeB（6）斯特芬）斯特芬玻爾茲曼定律玻爾茲曼定

19、律v 黑體輻射全部波長成分的總輻射出射度與黑體的絕對溫度的四次方成正比。即： MeB(T)=T4 式中=5.6710-8Wm-2K-4，稱為斯特芬玻爾茲曼常數(shù)。v 黑體的峰值輻射波長m隨輻射體絕對溫度T 的變化呈反比關(guān)系： m T=2897.8 mK（7）維恩位移定律）維恩位移定律 光輻射源光輻射源按發(fā)光機(jī)理，光電檢測系統(tǒng)中的光源分為：v 熱輻射光源：太陽；白熾燈；黑體輻射。v 氣體放電光源：汞燈；熒光燈；鈉燈；氙燈；金屬鹵化物燈；氘燈；空心陰極燈。v 固體發(fā)光光源：場致發(fā)光燈；發(fā)光二極管。v 激光器：氣體激光器；固體激光器；染料激光器；半導(dǎo)體激光器。光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)（1）

20、輻射效率和發(fā)光效率 在給定波長范圍內(nèi)，某光源發(fā)出的輻射通量與所消耗的電功率之比稱為該光源在此光譜范圍內(nèi)的輻射效率：21)(1dPPeee 某光源發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所消耗的電某光源發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所消耗的電功率之比，就是該光源的發(fā)光效率：功率之比，就是該光源的發(fā)光效率：dVPKPnmnmemvv)()(780380常用光源的發(fā)光效率常用光源的發(fā)光效率光源v /lmW-1光源v /lmW-1鎢絲燈818高壓汞燈3040鹵鎢燈1430高壓鈉燈90100普通熒光燈3560球形氙燈3040三基色熒光燈 5590高亮度LED70120金屬鹵化物燈 6080 物體按導(dǎo)電能力分：物體按導(dǎo)

21、電能力分：導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)體、絕緣體和和半導(dǎo)體半導(dǎo)體。做光電。做光電器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在106103cm范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻率大于范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻率大于1012cm 以上以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于它們之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體的物質(zhì)稱為絕緣體；介于它們之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體第二節(jié)、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第二節(jié)、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。它對溫度的半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。它對溫度的變化非常敏感。變化非常敏感。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。十分顯著的變

22、化。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會受熱、光、電、磁等半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會受熱、光、電、磁等外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運動（形成電流）導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運動（形成電流）來實現(xiàn)的，這種電流的載體稱為來實現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，子，半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖a) a) 絕緣體絕緣體 b) b) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體

23、c) c) 金屬金屬 半導(dǎo)體兩端加電壓后半導(dǎo)體兩端加電壓后:如果價帶中填滿了電子而沒有空能級，在外電場的作用下，如果價帶中填滿了電子而沒有空能級，在外電場的作用下，又沒有足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，那么價帶中的電子是不導(dǎo)電又沒有足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，那么價帶中的電子是不導(dǎo)電的。的。價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶E(滿帶滿帶)如果價帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導(dǎo)帶中，則價帶如果價帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導(dǎo)帶中，則價帶中留空位，鄰近能級上的電子在電場作用下可以躍入這些空位中留空位，鄰近能級上的電子在電場作用下可以躍入這些空位，而在這些電子原來的能級上就出現(xiàn)空位。這樣有些電子在原，而在這些電子原

24、來的能級上就出現(xiàn)空位。這樣有些電子在原來熱運動上迭加定向運動而形成電流。來熱運動上迭加定向運動而形成電流。價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶E由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級，所以在外電場的作用下，導(dǎo)帶由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級，所以在外電場的作用下，導(dǎo)帶電子能夠得到足夠的能量躍遷到空的能級上，形成電流，所以電子能夠得到足夠的能量躍遷到空的能級上，形成電流，所以導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶E 價電子的運動狀態(tài)發(fā)生變化價電子的運動狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級上的條使它躍遷到新的能級上的條件是：件是：能給電子提供足夠能量的外界作用、電子躍入的能級是空能給電子提供足夠能量

25、的外界作用、電子躍入的能級是空的的。價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶E 單晶單晶在一塊材料中，原子全部作有規(guī)則的在一塊材料中，原子全部作有規(guī)則的周期排列。周期排列。 多晶多晶只在很小范圍內(nèi)原子作有規(guī)則的排列只在很小范圍內(nèi)原子作有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開。界隔開。 現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料制備，半導(dǎo)體制備，半導(dǎo)體材料大多為材料大多為晶體晶體（晶體中原子有序排列，非晶體中原子無序排列（晶體中原子有序排列，非晶體中原子無序排列）。晶體分為單晶與多晶：）。晶體分為單晶與多晶： 完

26、全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 在沒有外界作用和絕對零度時，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中沒有電在沒有外界作用和絕對零度時，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中沒有電子，價帶中沒有空穴，它是不導(dǎo)電的。子，價帶中沒有空穴，它是不導(dǎo)電的。 由于半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，所以在外界作用下，價電子可由于半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，所以在外界作用下，價電子可以激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶中，這樣本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中有電子，價帶中以激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶中，這樣本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中有電子，價帶中有空穴，本征半導(dǎo)體就有了導(dǎo)電能力。有空穴，本征半導(dǎo)體就有了導(dǎo)電能力。EEgE 晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能級和晶晶

27、體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能級和晶體其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶體能帶的范圍之體其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶體能帶的范圍之內(nèi)。內(nèi)。N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在晶格中摻入某個硅原子被磷原子在晶格中摻入某個硅原子被磷原子所替代，五價原子用四個價電子與周圍所替代，五價原子用四個價電子與周圍的四價原子形成共價鍵，而多余一個電的四價原子形成共價鍵，而多余一個電子，此多余電子受原子束縛力要比共價子，此多余電子受原子束縛力要比共價鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五價原子釋放，游離躍遷到導(dǎo)帶上形成自

28、價原子釋放，游離躍遷到導(dǎo)帶上形成自由電子。易釋放電子的原子稱為由電子。易釋放電子的原子稱為施主施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施主能級施主能級ED。 ED位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底底EC 。 ED與與EC間的能量差稱為間的能量差稱為施主電施主電離能。離能。N N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。EEgEDEP P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 晶體中某個硅原子被硼原子所替代，硼晶體中某個硅原子被硼原子所替代，硼原子的三個價電子和周圍的硅原子中四個原子的三個價電子和周圍的硅原子中四個價電子要組成共價鍵，形成八個電子的穩(wěn)價電子要組

29、成共價鍵，形成八個電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尚缺一個電子。于是很容易從硅定結(jié)構(gòu)，尚缺一個電子。于是很容易從硅晶體中獲取一個電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼晶體中獲取一個電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼原子外層多了一個電子變成負(fù)離子，而在原子外層多了一個電子變成負(fù)離子，而在硅晶體中出現(xiàn)空穴。容易獲取電子的原子硅晶體中出現(xiàn)空穴。容易獲取電子的原子稱為稱為受主受主。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱為。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱為受主能級受主能級EA ，也位于禁帶中。在價帶頂，也位于禁帶中。在價帶頂EV附近，附近， EA與與EV間能量差稱為間能量差稱為受主電離能受主電離能。P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。EEg

30、EAE 摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響：摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響： 半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級，半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級，價帶中的電子若先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要價帶中的電子若先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)比電子直接從價帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴數(shù)目，從而顯著，卻會明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。EEgE)(aEE)(bgEDEEE)(cgEAE

31、(a)(a)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體(b)N(b)N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(c)P(c)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。電子從不斷熱振動的晶由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。電子從不斷熱振動的晶體中獲得一定的能量，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子體中獲得一定的能量，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時，電子也從，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時，電子也從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這

32、就是載流子的復(fù)合。在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩量，這就是載流子的復(fù)合。在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過程形成平衡，稱為種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)，此時的載流子成為，此時的載流子成為熱熱平衡載流子平衡載流子，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。熱平衡載流子熱平衡載流子 根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費米統(tǒng)計分根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費米統(tǒng)計分布規(guī)律。布規(guī)律。 在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費費米米- -狄拉克函數(shù)狄拉克函數(shù)給出，即給出，即 kTEEFeEf/11 熱平衡時

33、半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關(guān)：一是在熱平衡時半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中能帶中能態(tài)（或能級）的分布能態(tài)（或能級）的分布，二是這些能態(tài)中，二是這些能態(tài)中每一個能態(tài)可每一個能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率能被電子占據(jù)的概率。f(E)：費米分布函數(shù)，能量：費米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù)的概率函數(shù)k：波耳茲曼常數(shù)，：波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/KT：絕對溫度：絕對溫度EF：費米能級：費米能級費米費米- -狄拉克函數(shù)曲線狄拉克函數(shù)曲線當(dāng)當(dāng)E=EF時，時，f(E)=1/2當(dāng)當(dāng)E1/2當(dāng)當(dāng)EEF時，時，f(E)kT時時 kTEkTEkTEEkTEEeeeeEfFFF/11 隨著

34、隨著E的增加，的增加， f(E)迅速減小，所以導(dǎo)帶中的大部分電子的能量迅速減小，所以導(dǎo)帶中的大部分電子的能量是在導(dǎo)帶底是在導(dǎo)帶底EC附近。同樣價帶中空穴的絕大部分都在價帶頂附近。同樣價帶中空穴的絕大部分都在價帶頂EV附近附近。 EF為表征電子占據(jù)某能級為表征電子占據(jù)某能級E的概率的的概率的“標(biāo)尺標(biāo)尺”，它定性表示導(dǎo)帶，它定性表示導(dǎo)帶中電子或價帶中空穴的多少。常溫下中電子或價帶中空穴的多少。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。對隨材料摻雜程度而變化。對于本征半導(dǎo)體于本征半導(dǎo)體 EF (EC + EV )/2 當(dāng)沒有外加電場時，電子作無規(guī)則運動，其平均當(dāng)沒有外加電場時，電子作無規(guī)則運動，其平均定向速度

35、為零。一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的定向速度為零。一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱運動是不能引起載流子凈位移，從而也就沒有電熱運動是不能引起載流子凈位移，從而也就沒有電流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。成電流。載流子的運動載流子的運動 載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點向濃度低的點運動。度高的點向濃度低的點運動。 圖為光注入，非平衡載流子擴(kuò)圖為光注入，非平衡載流子擴(kuò)散示意圖。光在受照表面很薄一散示意圖。光在受照表面很薄一層內(nèi)即被吸收掉。受光部分將產(chǎn)層內(nèi)即被吸收掉。受光部分將產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度隨

36、離開生非平衡載流子，其濃度隨離開表面距離表面距離x x的增大而減小，因此非的增大而減小，因此非平衡載流子就要沿平衡載流子就要沿x x方向從表面向方向從表面向體內(nèi)擴(kuò)散，使自己在晶格中重新體內(nèi)擴(kuò)散，使自己在晶格中重新達(dá)到均勻分布。達(dá)到均勻分布。 載流子在外電場作用下，電子向正電極方向運動，空穴向負(fù)電載流子在外電場作用下，電子向正電極方向運動，空穴向負(fù)電極方向運動稱為極方向運動稱為漂移漂移。 在強(qiáng)電場作用在強(qiáng)電場作用下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會偏離歐姆定律偏離歐姆定律。在弱電場作用在弱電場作用下，半導(dǎo)體中載流子漂移運動下，半導(dǎo)體中載流子漂移運動服從歐姆定律服從歐姆定律

37、。I=V/RJ=E電導(dǎo)率電導(dǎo)率=nqn,E103105V/cm, n(E)E105V/cm, n(E) 由于光子的作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶而引起的吸收由于光子的作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶而引起的吸收稱為稱為本征吸收本征吸收。 物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，其余的光透過物體。其余的光透過物體。半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎(chǔ)。光電器件的工作基礎(chǔ)。半導(dǎo)體對光的吸收半導(dǎo)體對光的吸收 產(chǎn)生本征吸收的條件產(chǎn)生本征吸收的條件：即即gEhgggEchhEcEhmEEhcgg24. 1

38、0 雜質(zhì)能級上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收稱為躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。iVAiDCEchEEchEchEEch或 導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級遷移到高能級，這種吸收稱為它在本能帶內(nèi)由低能級遷移到高能級，這種吸收稱為自由自由載流子吸收載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。，表現(xiàn)為紅外吸收。 價帶中的電子吸收小于禁帶

39、寬度的光子能量也能離開價價帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時，帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時，電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電中電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電中性系統(tǒng)，稱為性系統(tǒng)，稱為激子激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收激子吸收。這。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。 半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝幽埽瑥亩?/p>

40、遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個連續(xù)的吸收帶，為晶格的振動能，從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為這種吸收稱為晶格吸收晶格吸收。 半導(dǎo)體對光的吸收主要是本征吸收半導(dǎo)體對光的吸收主要是本征吸收。對于硅材料，本征。對于硅材料，本征吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬倍，一般照明下只考慮本征吸收，可認(rèn)為硅對波長大于倍，一般照明下只考慮本征吸收，可認(rèn)為硅對波長大于1.15m的可見光透明。的可見光透明。 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。把半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。把N型型、P型和本征（型和本

41、征（i型）半導(dǎo)體配合起來，結(jié)成不均勻的半導(dǎo)體，型）半導(dǎo)體配合起來，結(jié)成不均勻的半導(dǎo)體，能制造各種半導(dǎo)體器件。能制造各種半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的PN結(jié)結(jié) 在無外電場或其它因素激發(fā)時在無外電場或其它因素激發(fā)時PNPN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒有電流流過?？臻g電荷區(qū)的寬度和電位差為恒定值。空有電流流過?？臻g電荷區(qū)的寬度和電位差為恒定值?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子，所以又稱間電荷區(qū)中沒有載流子，所以又稱耗盡層耗盡層，其寬度一般，其寬度一般為數(shù)微米。為數(shù)微米。 PNPN結(jié)加正向電壓的情況結(jié)加正向電壓的情況工作原理工作原理在外加電場的在外加電場的作用下，多子被推向耗盡層作用下，多子被推向耗盡層，

42、結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場，結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場被削弱，這有利于多子的擴(kuò)被削弱，這有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。多散而不利于少子的漂移。多子的擴(kuò)散電流通過回路形成子的擴(kuò)散電流通過回路形成正向電流。耗盡層兩端的電正向電流。耗盡層兩端的電位差變?yōu)槲徊钭優(yōu)閁 Ubobo-U-U。一般只有零。一般只有零點幾伏，所以不大的正向電點幾伏，所以不大的正向電壓就可以產(chǎn)生相當(dāng)大的正向壓就可以產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。通常在回路中串入一電流。通常在回路中串入一個電阻用以限制電流。個電阻用以限制電流。 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮NPN結(jié)加反向電壓的情況結(jié)加反向電壓的情況工作原理工作原理在外加電場在外加電場的

43、作用下，耗盡層變寬，的作用下，耗盡層變寬，內(nèi)電場被加強(qiáng)，結(jié)果阻止內(nèi)電場被加強(qiáng)，結(jié)果阻止了多子的擴(kuò)散，但促使少了多子的擴(kuò)散，但促使少子漂移，在回路中形成反子漂移，在回路中形成反向電流。因少子的濃度很向電流。因少子的濃度很低，并在溫度一定時少子低，并在溫度一定時少子的濃度不變，所以反向電的濃度不變，所以反向電流不僅很小，而且當(dāng)外加流不僅很小，而且當(dāng)外加電壓超過零點幾伏后，因電壓超過零點幾伏后，因少子的供應(yīng)有限，它基本少子的供應(yīng)有限，它基本上不隨外加電壓增加而增上不隨外加電壓增加而增加，故稱為反向飽和電流加，故稱為反向飽和電流 當(dāng)光照射到物體上使物體當(dāng)光照射到物體上使物體發(fā)射電子發(fā)射電子、或、或?qū)щ?/p>

44、率發(fā)生變化導(dǎo)電率發(fā)生變化，或，或產(chǎn)生光電動勢產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性的等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。 本世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一愛因斯坦以他在本世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一愛因斯坦以他在19051905年發(fā)表年發(fā)表的相對論而聞名于世，而他在的相對論而聞名于世，而他在19251925年獲得諾貝爾獎是由于年獲得諾貝爾獎是由于他對發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。他對發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。第三節(jié)、光電效應(yīng)第三節(jié)、光電效應(yīng) zz外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)物體受到光照后向真空中發(fā)射電子物體受到光照后向真空中發(fā)射電子的現(xiàn)象，也稱的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)。這種效應(yīng)

45、多發(fā)生在金屬和。這種效應(yīng)多發(fā)生在金屬和金屬氧化物。金屬氧化物。光電效應(yīng)分類：光電效應(yīng)分類： zz內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運動而不會溢出物體外部的現(xiàn)象。這種效應(yīng)在物質(zhì)內(nèi)部運動而不會溢出物體外部的現(xiàn)象。這種效應(yīng)多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)。多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)。 內(nèi)光電效應(yīng)又分為內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。 1 1、：光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時，材料吸收光當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)?/p>

46、傳導(dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。 半導(dǎo)體無光照時為半導(dǎo)體無光照時為暗態(tài)暗態(tài)，此，此時材料具有時材料具有暗電導(dǎo)暗電導(dǎo)；有光照時為；有光照時為亮態(tài)亮態(tài)，此時具有，此時具有亮電導(dǎo)亮電導(dǎo)。如果給。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過的電半導(dǎo)體材料外加電壓，通過的電流有流有暗電流與亮電流暗電流與亮電流之分。亮電之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)光電導(dǎo)，亮，亮電流與暗電流之差稱為電流與暗電流之差稱為光電流光電流。光電導(dǎo)體的靈敏度光電導(dǎo)體的靈敏度 在一定條件下，單位照度所引起的光電流稱為靈

47、敏度。在一定條件下，單位照度所引起的光電流稱為靈敏度。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。不同的表示法。 光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時間的。光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為 對光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時，常有上升時間常數(shù)對光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時，常有上升時間常數(shù)r 和下降時間常和下降時間常數(shù)數(shù)f 來描述弛豫過程的長短。來描述弛豫過程的長短。r表示表示光生載流子濃度光生載流子濃度從零增長到穩(wěn)態(tài)值從零增長到穩(wěn)態(tài)值63%63%時所需的時間，時所需的時間，f表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%37%時所需的時間。時所需的時間。矩形脈沖光照弛豫過程圖矩形脈沖光照弛豫過程圖光電