光電檢測技術(shù)1

光電檢測技術(shù)聯(lián)系電話：88876183教材：編，光電檢測技術(shù)，中國計(jì)量出版社，1997,2010參考教材：

編，光電檢測技術(shù)，北航出版社，1995編，光電探測技術(shù)及應(yīng)用,機(jī)械工業(yè)出版社,19921時(shí)間：1-8周，星期三1、2節(jié)(單)，星期四1、2節(jié)地點(diǎn)：新校區(qū)C-407（周2）；實(shí)驗(yàn)：3次6學(xué)時(shí)機(jī)械樓1樓B-107光電檢測實(shí)驗(yàn)室成績?cè)u(píng)定考試：70%，閉卷，考試資格平時(shí)表現(xiàn)：15%出勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)實(shí)驗(yàn):15%2光電檢測的基本特點(diǎn)將載荷有被測目標(biāo)信息的光輻射通過光電檢測器件接收后轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)輸入放大、濾波等檢測電路處理后提取有用信息的過程,用于計(jì)數(shù)、顯示、記錄、控制、跟蹤等光電檢測的應(yīng)用普遍性日常生活、光通信、光傳感、光測量、光加工、激光制導(dǎo)、遙感遙測光電檢測的非接觸特性無機(jī)械摩擦光電檢測的精密性光電制造、激光測量、激光多普勒測振儀、激光干涉儀激光位移測量、光學(xué)全息照相醫(yī)學(xué)檢查光電檢測的快速性34第一章

光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)1.1輻射度量和光度量1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3光電效應(yīng)51.1輻射度量和光度量

一、光的基本性質(zhì)光的微粒流學(xué)說牛頓，17世紀(jì):反射、折射光的波動(dòng)學(xué)說:電磁波惠更斯，楊氏，麥克斯韋（1860）：干涉、衍射、偏振光的波粒二象性電磁波(光傳播時(shí))：干涉、衍射、偏振、反射、折射光子流(與物質(zhì)作用)：發(fā)射、吸收、色散、散射67光的基本特性光譜范圍：1pm~1mm，波長短可見光波長：380nm~780nm真空中光速:光在媒質(zhì)中傳播速度:v=λν/n光子能量：E=hν光子動(dòng)量：p=hν/c=h/λ

普朗克常數(shù):一、光的基本性質(zhì)1.1輻射度量和光度量 8二、光輻射度量1.1輻射度量和光度量 名稱符號(hào)定義單位輻射能Qe

以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量。焦耳(J)輻射能密度We光源在單位體積內(nèi)的輻射能。We=dQe/dV.焦耳/米3(J/m3)輻射通量Φe

單位時(shí)間內(nèi)通過某一定面積的輻射能。Φe=dQe/dt．瓦特(W)輻射出射度Μe

輻射體在單位面積上輻射的通量或功率。Μe=dΦe/dA瓦/平方米(W·m-2)輻射強(qiáng)度

Ιe

在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)點(diǎn)光源所輻射出的能量。Ιe=dΦe/dω瓦/球面度(W·sr-1)輻射亮度Le

由輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度。Le=dΙe/(dA·cosθ)瓦/球面度平方米(W·sr-１·m-2)輻射照度Εe

單位面積內(nèi)所接收到的輻射通量。Εe＝dΦe/dA瓦/平方米(W·m-2)9名稱符號(hào)定義式單位單位符號(hào)光譜輻射通量Φλ

dΦe/dλ瓦/微米W/μm光譜輻射通量ΦνdΦe/dν.瓦/赫Ｗ/Hz光譜輻射出射度Ｍλ

dMe/dλ瓦/米2．微米W/m2.μm光譜輻照度Ｅ

λ

dＥe/dλ瓦/米2．微米W/m2.μm光譜輻射強(qiáng)度

ＩλdＩe/dλ瓦/球面度．微米W/sr.μm光譜輻射亮度dLλ

dＬe/dλ瓦/米2.球面度．微米W/m2.sr·μm三、光譜輻射度量：光譜分布1.1輻射度量和光度量 10四、光度量：可見光根據(jù)人眼的視覺強(qiáng)度來定義能量相同而波長不同的光引起人眼的視覺強(qiáng)度不同光譜光視效率（視見函數(shù)）V(λ)國際照明委員會(huì)CIE定義555nm處最大，V（λ）=1明視覺：白天正常光照暗視覺：夜間弱光照射11名稱符號(hào)定義單位光通量

Φ

光通量是光輻射通量對(duì)人眼所引起的視覺強(qiáng)度值。流明(lm)

發(fā)光強(qiáng)度

Ι

光源在給定方向上單位立體角內(nèi)的所發(fā)出的光通量，I=dΦ/dω，單位為坎德拉cd。cd的意義為：頻率為540×1012Hz的單色輻射在給定方向上的輻射強(qiáng)度Ιe=1/683W·sr-1時(shí)，規(guī)定為1cd?？驳吕?cd)

光出射度

Μ

光源表面給定點(diǎn)處單位面積向半空間內(nèi)發(fā)出的光通量。M=dΦ/dA流明/平方米(lm·m-2)光照度Ε被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量。E=dΦ/dA勒克斯(lx)光亮度

L

由光源表面定向發(fā)射的發(fā)光強(qiáng)度。L=dΦ/（dA·cosθ)坎德拉/平方米(cd·m-2)光量H光通量對(duì)時(shí)間的積分。流明秒(lx·s)1.1輻射度量和光度量 121.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。一、半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體特性電阻溫度系數(shù)是負(fù)的，對(duì)溫度變化敏感。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。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會(huì)受熱、光、電、磁等外界作用的影響而發(fā)生顯著的變化。常見半導(dǎo)體材料有：元素半導(dǎo)體：硅、鍺、硒化合物半導(dǎo)體：GaAs、鋁砷化鎵、InSb,CdS,PbS氧化亞銅的氧化物：砷化鎵－磷化鎵固熔半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體、玻璃半導(dǎo)體、稀土半導(dǎo)體半導(dǎo)體器件:利用半導(dǎo)體的特殊電學(xué)特性制成的器件13二、能帶理論１．原子中電子的能級(jí)能級(jí)：在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個(gè)殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級(jí)分布。２．晶體中電子的能帶能帶：以一定的周期重復(fù)排列所構(gòu)成的物體稱為晶體．原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的電子軌道發(fā)生交疊，使電子不再屬于某個(gè)原子，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子及更遠(yuǎn)的原子殼層上去，成為整個(gè)晶體所共有，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對(duì)應(yīng)的能級(jí)擴(kuò)展為能帶。1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

14原子的能限和結(jié)晶格中的能帶之比較圖1.1.1-3導(dǎo)體內(nèi)的能帶半導(dǎo)體內(nèi)的能帶15二、能帶理論1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 價(jià)帶：價(jià)電子填滿的能帶稱為價(jià)帶?？諑В簝r(jià)帶以上每一個(gè)能級(jí)上都沒有電子的允許能帶。

導(dǎo)帶：價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。禁帶：價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的區(qū)域是不允許電子占據(jù)的，稱為禁帶。16二、能帶理論3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)導(dǎo)電條件:1)向電子提供能量;2)電子要躍入的能級(jí)是空的外加電場時(shí)，價(jià)帶中電子可躍遷至導(dǎo)帶，電子在熱運(yùn)動(dòng)中迭加了定向運(yùn)動(dòng)，形成電流價(jià)帶中電子越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)；價(jià)帶中電子空位越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)價(jià)帶中的電子空位稱為空穴電子和空穴統(tǒng)稱為載流子1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 173.半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征激發(fā)：電子由價(jià)帶直接激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶本征半導(dǎo)體的載流子只能依靠本征激發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴相等二、能帶理論1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 183.半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)雜質(zhì)半導(dǎo)體：半導(dǎo)體中人為地?fù)饺肷倭侩s質(zhì)形成摻雜半導(dǎo)體，雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大雜質(zhì)能級(jí)和晶體中其它能級(jí)不同，可處于晶體能級(jí)的禁帶N型半導(dǎo)體：在四價(jià)原子硅（Si）晶體中摻入五價(jià)原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半導(dǎo)體，電子為多數(shù)載流子施主能級(jí)離導(dǎo)帶底較近，導(dǎo)帶中電子多于價(jià)帶中空穴P型半導(dǎo)體：在四價(jià)原子硅（Si）晶體中摻入三價(jià)原子，例如硼（B），形成P型半導(dǎo)體，空穴為少數(shù)載流子受主能級(jí)離價(jià)帶頂較近，價(jià)帶中空穴多于導(dǎo)帶中電子1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 19三、熱平衡載流子在一定溫度下，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。載流子的激發(fā)和復(fù)合兩種過程處于熱平衡狀態(tài)，載流子濃度為某一穩(wěn)定值。根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率f(E)由費(fèi)米-狄拉克函數(shù)給出，即導(dǎo)帶電子濃度n和價(jià)帶空穴濃度pf(E)：費(fèi)米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù)k：波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/KT：絕對(duì)溫度EF：費(fèi)米能級(jí)1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) N_：導(dǎo)帶的有效能級(jí)密度N+：價(jià)帶的有效能級(jí)密度E_：導(dǎo)帶底E+：價(jià)帶頂

20本征半導(dǎo)體中，電子和空穴濃度相等，即n=p,本征載流子濃度為一恒定值

式中Eg=E_-E+為禁帶寬度，說明熱平衡時(shí)兩種載流子濃度的乘積等于一個(gè)常數(shù)。本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 三、熱平衡載流子21熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體內(nèi)部電子和空穴的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等，系統(tǒng)保持相對(duì)平衡狀態(tài)半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場作用、溫度變化）時(shí)，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)。非熱平衡時(shí)導(dǎo)帶和價(jià)帶中電子和空穴的濃度為n=n0+Δnp=p0+Δp保持外界條件不變，系統(tǒng)將逐漸達(dá)到新的平衡狀態(tài)，載流子濃度增加。撤掉外界條件，系統(tǒng)又將恢復(fù)原來的平衡狀態(tài)四、非平衡載流子1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 22四、非平衡載流子描述復(fù)合的參數(shù)----壽命使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)稱為產(chǎn)生使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動(dòng)稱為復(fù)合

復(fù)合率：=Δn/τ(或Δp/τ)非平衡載流子壽命τ：非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時(shí)間它表征復(fù)合的強(qiáng)弱，τ小表示復(fù)合快，τ大表示復(fù)合慢它決定了光電器件的時(shí)間特性非平衡載流子的產(chǎn)生隨時(shí)間的變化關(guān)系1.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 23非平衡載流子的復(fù)合直接復(fù)合：導(dǎo)帶中電子直接跳回到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。間接復(fù)合：通過復(fù)合中心復(fù)合復(fù)合中心指禁帶中雜質(zhì)及缺陷間接復(fù)合包括四種情況：電子從導(dǎo)帶落入到復(fù)合中心稱電子俘獲；電子從復(fù)合中心落入價(jià)帶稱空穴俘獲；電子從復(fù)合中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱電子發(fā)射；電子從價(jià)帶被激發(fā)到復(fù)合中心稱空穴發(fā)射。表面復(fù)合：材料表面在研磨、拋光時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過程稱為表面復(fù)合。四、非平