光輻射探測的理論基礎

光輻射探測的理論基礎第1頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.1輻射度學與光度學的基礎知識1.1.1光的基本概念1.1.2輻射度量1.1.4兩條基本定律1.1.3光度量第2頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.1.1光的基本概念

領土安全、領空安全、領海安全、太空安全、電磁空間安全國家安全新概念：第3頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.1.1光的基本概念

電磁空間安全－－光學波段國家安全新概念：第4頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

1.1.1光的基本概念光學譜區(qū)0.01μm~1000μm可見光區(qū)0.38μm~0.78μm紅外區(qū)0.78μm~1000μm紫外區(qū)0.01μm~0.38μm第5頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三光電技術常用的光波波段遠紅外波段遠近紫外波段可見光波段近紅外波段中紅外波段8導彈羽煙警用紫外成像紅外制導紅外預警激光雷達激光通信第6頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三光電技術常用的光波波段遠紅外波段遠近紫外波段可見光波段近紅外波段中紅外波段已開發(fā)利用波段待開發(fā)利用波段8第7頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3．光子能量公式光既是電磁波（波動性）又是光子流（粒子性）可見光光子的能量范圍為3.2～1.6eV

太赫茲波30～3000μm能量范圍為？～？eV1.1.1光的基本概念第8頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

太赫茲波30～3000μm與X射線比較：第9頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.1輻射度學與光度學的基礎知識1.1.1光的基本概念1.1.2輻射度量1.1.4兩條基本定律1.1.3光度量第10頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.1.2輻射度量輻射度學是一門研究電磁輻射能測量的學科。本課程限于光學波段的研究討論。輻射度學電磁波客觀光度學可見光主觀（生理、心理）第11頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三電磁波（Emission

）可見光（Visiblelight）－－輻射度量，Xe

－－光度量，Xv

1.1.2輻射度量第12頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

1．輻射能Qe

2．輻射通量Φe又稱輻射功率，簡稱功率單位：W計算光電探測器的光電轉換能力常用輻射功率

分析強光對光電探測器破壞機理常用輻射能量單位：J1.1.2輻射度量第13頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3．輻射強度

在給定方向上的立體角元內，輻射源發(fā)出的輻射通量與立體角元之比單位：W/sr(瓦/球面度)輻射強度反映了輻射源能量分布的什么特點？第14頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3．輻射強度輻射源多為各向異性的，即Ie隨方向而改變超高壓球形氙燈輻射強度分布第15頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三4．輻射出度Me與輻射亮度Le輻射出度Me

面輻射源元的輻射能力第16頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三4．輻射出度Me與輻射亮度Le輻射出度Me

輻射亮度Le

面輻射源元的輻射能力面輻射源沿不同方向的輻射能力的差異第17頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三5．輻射照度Ee輻射接收面上單位面積接受的輻射通量單位：W/m2

（瓦/平方米）比較：輻射照度Ee輻射出度Me第18頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三例：常見的幾種顯示器為了反映顯示屏的特性，用上述哪個參數(shù)描述合適？為什么？為了描述顯示器的每個局部面元在各個方向的輻射能力，最適合的輻射度量是（）

A輻射照度B輻射強度

C輻射出度D輻射亮度第19頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三6．光譜輻射量

輻射源－－多波長的輻射氘燈的光譜能量分布圖第20頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三6．光譜輻射量

輻射源－－多波長的輻射熒光燈的光譜能量分布圖第21頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三6．光譜輻射量光譜輻射量是該輻射量在波長λ處的單位波長間隔內的大小，又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長的變化率。光譜輻射通量Φe(λ)：光譜輻射通量與波長的關系：第22頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

1．輻射能Qe

2．輻射通量Φe3．輻射強度

4．輻射出射度Me與輻射亮度Le

5．輻射照度Ee6．光譜輻射量光電技術中最常用：輻射照度輻射通量1.1.2輻射度量第23頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.1.3光度量人眼只能感知波長在0.38～0.78μm之間的輻射人眼對不同波長的感光靈敏度不同1．光譜光視效率或視見函數(shù)

最大值在555nm表1－1第24頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．光譜光視效率或視見函數(shù)

2．光度量的基本物理量光度量的基本物理量與輻射度量一一對應輻射度量符號單位名稱光度量符號單位名稱輻［射］能Qe焦耳(J)光能Qv流明秒(lm·s)輻［射］通量或輻［射］功率Φe瓦(W)光通量或光功率Φv流明(lm)輻［射］照度Ee瓦/平方米(W·m-2)[光]照度Ev勒克斯(lx=lm·m-2)輻［射］出度Me瓦/平方米(W·m-2)[光]出度Mv流明/平方米(lm·m-2)輻［射］強度Ie瓦/球面度(W·sr-1)發(fā)光強度Iv坎德拉(cd=lm·sr-1)輻［射］亮度Le瓦/平方米球面度(W·m-2sr-1)[光]亮度Lv坎德拉/平方米(cd·m-2)第25頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)光強度單位—坎德拉（Candela），記作cd。即λ=555nm時，有國際單位制中七個基本單位之一：3．輻射度量與光度量間的換算關系λ=555nm時λ=？nm時第26頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3．輻射度量與光度量間的換算關系λ=555nm時λ=？nm時任意波長：－－其光度量第27頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3．輻射度量與光度量間的換算關系日元美元光度量輻射度量第28頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三光度量單位舉例：例2：無月夜天光照度～3×10-4lx（微光夜視）白天辦公室光照度

2～100lx

對CCD攝像機黑白圖像照度≥0.02lx

彩色圖像照度≥2lx例3：海平面太陽光平均亮度

1.6×109cd.m-210mW氦－氖激光器亮度6.66×1011cd.m-2

例1：教室投影儀器光通量2000lm～2500lm

高檔的光通量3500lm第29頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三輻射度與光度量總結：ΦeMeIeLeSΩΦvMvIvLvSΩcosqcosq第30頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.1輻射度學與光度學的基礎知識1.1.1光的基本概念1.1.2輻射度量1.1.4兩條基本定律1.1.3光度量第31頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.1.4輻射度學與光度學的兩條基本定律1．輻射強度余弦定律2．距離平方反比定律第32頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．輻射強度余弦定律“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”

特點：各方向的輻射亮度是一樣的

例如：太陽熒光屏毛玻璃燈罩坦克表面

兩條基本定律第33頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．輻射強度余弦定律“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”

特點：各方向的輻射亮度是一樣的

重要結論：（自行推導）兩條基本定律第34頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2．距離平方反比定律意義：

計算面元接收到光能量點光源A，距離光源為R微面元dS，照度：應用條件：

光源尺寸遠小于距離R兩條基本定律第35頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三第01章光輻射探測的理論基礎輻射度量學基礎半導體基礎光電探測器概述第36頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三半導體基礎許多光電探測器都是由半導體材料制作的

半導體材料具有許多獨特物理性質－專門學科：半導體物理學第37頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2半導體的基礎知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴散與漂移第38頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.1能帶理論1．原子能級與晶體能帶電子共有化，能級擴展為能帶1.2半導體的基礎知識a)單個原子b)N個原子最外層電子自由電子第39頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．原子能級與晶體能帶價帶Ev導帶Ec禁帶Eg價電子（最外層電子）能級相對應的能帶1.2.1能帶理論第40頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．原子能級與晶體能帶價帶Ev導帶Ec禁帶Eg3.價電子--自由電子，要吸收能量特別指出：1.價帶中電子，價電子－－不能參與導電2.導帶中電子，自由電子－－能參與導電1.2.1能帶理論第41頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．原子能級與晶體能帶價帶Ev導帶Ec禁帶Eg為什么只考慮導帶與價帶之間的禁帶？1.2.1能帶理論第42頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三電磁波譜與原子內部電子運動第43頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三絕緣體、半導體、金屬的能帶圖

SiO2Eg=5.2evSiEg=1.1evEg=0電阻率1012Ω·cm10-3—1012Ω·cm10-6—10-3Ω·cm半導體具有獨特光電特性－－重要應用價值1.2.1能帶理論第44頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三本征半導體結構完整、純凈的半導體稱為本征半導體，又稱I型半導體。雜質半導體半導體中可人為摻入少量雜質包括N型半導體和P型半導體

1.2.1能帶理論2.半導體分類第45頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2．半導體能帶以硅晶體為例1.2.1能帶理論共價鍵電子—空穴對－－載流子－－本征激發(fā)室溫或光照射第46頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2．半導體能帶1.2.1能帶理論室溫或光照射共價鍵結構示意圖本征半導體能帶圖第47頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三N型半導體能帶N型半導體本征半導體1.2.1能帶理論施主能級？第48頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三N型半導體含有三種載流子：

自由電子數(shù)>>空穴數(shù)目?(多子)(少子)

“Negative”——N型半導體PP1.2.1能帶理論第49頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三N型半導體含有三種載流子：

自由電子數(shù)>>空穴數(shù)目?(多子)(少子)

“Negative”——N型半導體PP1.2.1能帶理論第50頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三P型半導體能帶N型半導體P型半導體本征半導體1.2.1能帶理論第51頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三P型半導體含有三種載流子：空穴數(shù)目>>自由電子數(shù)目？

(多子)(少子)BBBBB1.2.1能帶理論第52頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2．半導體能帶1.2.1能帶理論－－三者的差異？？？第53頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三N型半導體：施主能級P型半導體：受主能級摻雜百萬分之一的雜質,載流子濃度提高百萬倍？1.2.1能帶理論第54頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三總結：N型半導體與P型半導體的比較半導體所摻雜質多數(shù)載流子（多子）少數(shù)載流子（少子）特性

N型施主雜質電子空穴電子濃度nn>>空穴濃度pn

P型受主雜質空穴電子電子濃度np<<空穴濃度pp1.2.1能帶理論第55頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2半導體的基礎知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴散與漂移第56頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡態(tài)1.2半導體的基礎知識一個不受外界影響的封閉系統(tǒng)，其狀態(tài)參量（如溫度、載流子濃度等）與時間無關的狀態(tài)稱為熱平衡態(tài)。

載流子的分布導帶中電子的濃度價帶中空穴的濃度第57頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子－－熱平衡條件下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為：Ef－－費米能級載流子的分布服從費米統(tǒng)計分布規(guī)律

第58頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三費米能級Ef

的物理意義

1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子Ef的意義是電子占據(jù)率為0.5時所對應的能級

第59頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子電子占據(jù)概率：

空穴占據(jù)概率：

第60頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子載流子的分布導帶中電子的濃度價帶中空穴的濃度占據(jù)概率：

第61頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三導帶中電子占據(jù)的概率：導帶中總的電子濃度：第62頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三導帶電子濃度：價帶空穴濃度：1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子載流子的分布第63頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三本征和雜質半導體中的費米能級：

用費米能級描述載流子分布－－“標尺”1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子半導體費米能級推導練習：畫出輕摻雜N型和重摻雜N型費米能級示意圖第64頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡態(tài)1.2半導體的基礎知識載流子的分布導帶中電子的濃度價帶中空穴的濃度用費米能級Ef描述：本征半導體

N型半導體

P型半導體總結：第65頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2半導體的基礎知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴散與漂移第66頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導體對光的吸收1．吸收定律Φ(x)=Φ0(1－r)e-αx

α=4πμ/λ

1.2半導體的基礎知識第67頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導體對光的吸收本征吸收半導體對光的吸收非本征吸收第68頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導體對光的吸收本征吸收：

光子能量足夠大，價帶中的電子能激發(fā)到導帶

－截止波長產(chǎn)生電子－空穴對條件：特點：第69頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導體對光的吸收本征吸收：本征半導體和雜質半導體內部，都有可能發(fā)生本征吸收！??！特別注意：第70頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導體對光的吸收非本征吸收：光子能量不足以使價帶中的電子激發(fā)到導帶，包括雜質吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格吸收

雜質吸收：N型半導體施主束縛電子導帶P型半導體受主束縛空穴價帶第71頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導體對光的吸收本征吸收電子－空穴對雜質吸收本征吸收雜質吸收波長增大本征吸收與非本征吸收比較：電子或空穴第72頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2半導體的基礎知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴散與漂移第73頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1．非平衡載流子的注入和復合2.非平衡載流子的壽命1.2半導體的基礎知識第74頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．非平衡載流子的注入和復合非平衡載流子（過剩載流子）1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子光生載流子熱生載流子第75頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．非平衡載流子的注入和復合產(chǎn)生：復合：－－使非平衡載流子濃度增加的運動－－使非平衡載流子濃度減小的運動壽命？？？

1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子第76頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.非平衡載流子的壽命光生載流子的平均生存時間稱為光生載流子的壽命，用τc表示。以N型為例，少子的壽命？？？

1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子第77頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.非平衡載流子的壽命以N型為例，計算弱注入條件下少子的壽命1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子復合率：（熱）產(chǎn)生率：

r為復合系數(shù)

熱平衡時為什么？？？第78頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.非平衡載流子的壽命以N型為例，計算弱注入條件下少子的壽命1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子光生電子－空穴對的直接復合率可用材料中少子的變化率表示為

弱注入Δn(t)=Δp(t)<<n0第79頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.非平衡載流子的壽命以N型為例，計算弱注入條件下少子的壽命1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子弱注入條件下，載流子壽命與熱平衡時多子電子的濃度成反比，并且在一定溫度下是一個常數(shù)。

表明：第80頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.非平衡載流子的壽命①表征復合的強弱②τc決定線性光電導探測器的時間特性③τc的大小與材料的微觀復合結構、摻雜及缺陷等因素有關。τc的物理意義：1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子τc的適應條件：－－本征吸收和雜質吸收，弱注入第81頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2半導體的基礎知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴散與漂移第82頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.2.5載流子的擴散與漂移

1．擴散載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運動稱為擴散。擴散系數(shù)D和擴散長度L1.2半導體的基礎知識第83頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2．漂移載流子受電場作用所發(fā)生的運動稱為漂移。電子遷移率

μ電子電流：空穴電流：1.2.5載流子的擴散與漂移第84頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三第01章光輻射探測的理論基礎輻射度量學基礎半導體基礎光電探測器概述第85頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測器概述光電效應光熱效應第86頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測器概述光輻射非傳導電子--傳導電子光輻射--電信號(廣義)光電探測器:光電探測器的分類方法第87頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測器概述1.3.1半導體的光電效應1.3.2光探測器的噪聲1.3.3光探測器的性能參數(shù)第88頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.1半導體的光電效應光電效應：光電導效應、光伏效應、光電子發(fā)射效應、光子牽引效應和光磁電效應利用光電效應制成的光電探測器稱為光子探測器，如光電導探測器、光伏探測器、光電子發(fā)射探測器等。1.3光電探測器概述第89頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.1半導體的光電效應1.光電導效應2.光伏效應3.光電發(fā)射效應4.光電轉換的基本規(guī)律第90頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.光電導效應當半導體材料受光照時，由于對光子的吸收引起載流子濃度的變化，因而導致材料電導率變化，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。非本征光電導效應本征光電導效應1.3.1半導體的光電效應(雜質光電導效應)－－雜質吸收－－本征吸收第91頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.光電導效應

本征光電導

暗電導率：亮電導率：光電導率：光電導率的相對值：

第92頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.光電導效應

本征光電導

光電導率的相對值：

要制成（相對）光電導高的器件，應該使n0和p0有較小數(shù)值。因此，光電導器件一般是由高阻材料制成或者在低溫下使用。

第93頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.光電導效應

本征光電導

光電導率：

非本征光電導

光電導率：第94頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.1半導體的光電效應1.光電導效應2.光伏效應3.光電發(fā)射效應4.光電轉換的基本規(guī)律第95頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應

N

PPN結光一塊半導體，P區(qū)與N區(qū)的交界面稱為PN結。PN結受到光照時，可在PN結的兩端產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應。1.3.1半導體的光電效應第96頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1)PN結的形成擴散

形成：離子區(qū)耗盡區(qū)空間電荷區(qū)阻擋層內建電場

(結電場)濃度差異E2.光伏效應第97頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應1)PN結的形成漂移內建電場自建電場E擴散與漂移方向相反第98頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應1)PN結的形成擴散==漂移平衡PN結第99頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應1)PN結的形成（多子）擴散（少子）漂移濃度差異內建電場第100頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應PN結的形成摘自教育部新世紀網(wǎng)絡課程《電子技術》—大連海事大學制作第101頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應2)PN結能帶與勢壘結合前結合后費米能級與導帶或價帶的相對位置由材料摻雜決定一個平衡系統(tǒng)只能有一個費米能級第102頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應2)PN結能帶與勢壘結合后一個平衡系統(tǒng)只能有一個費米能級例如：長沙－－就業(yè)率較低，收入較低深圳－－就業(yè)率較高，收入較高人才怎樣流動？第103頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應2)PN結能帶與勢壘*

E電場力類比:小球滾上山坡速度方向重力分力mgh第104頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3)PN結電流方程、耗盡區(qū)寬度與結電容2.光伏效應偏壓：外加在PN結兩端的電壓方向由P區(qū)指向N區(qū)正向電流：第105頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三正向偏壓:負離子數(shù)減少正離子數(shù)減少外加電場3)PN結電流方程、耗盡區(qū)寬度與結電容正向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變小第106頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3)PN結電流方程、耗盡區(qū)寬度與結電容電流方程：正向偏壓繼續(xù)增大，耗盡層越來越薄·······第107頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三反向偏壓:負離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場3)PN結電流方程、耗盡區(qū)寬度與結電容反向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變大第108頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三反向偏壓:負離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場3)PN結電流方程、耗盡區(qū)寬度與結電容反向電流:－－數(shù)值較?。?？？第109頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三PN結的單向導電性摘自教育部新世紀網(wǎng)絡課程《電子技術》—大連海事大學制作第110頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3)PN結電流方程、耗盡區(qū)寬度與結電容電流方程：正向電流和反向電流：第111頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3)PN結電流方程、耗盡區(qū)寬度與結電容耗盡區(qū)寬度：單位面積結電容：減小結電容對提高光伏器件的響應速度有重要的意義！第112頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應4)PN結光電效應平均擴散長度電子—空穴對分離電子—空穴對光照光生電勢差討論：光－電轉換時間第113頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三光生電動勢與光電流＋－光電流方向光生電動勢方向光電流方向與普通二極管電流相反4)PN結光電效應第114頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三光電流光照下PN結的電流方程：普通二極管電流4)PN結光電效應2.光伏效應第115頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三思考題：PN結加正向偏壓，如何影響光伏效應？正向偏壓：4)PN結光電效應結論：PN結加正向偏壓，不利于結區(qū)光生電子、空穴對的分離，光電效應不明顯。第116頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三4)PN結光電效應總結：光生電動勢光生電流（光電流）正反向偏壓對光電效應的影響光伏效應光照下PN結的電流方程第117頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三4)PN結光電效應PN結受到光照時，若入射光子能量大于材料禁帶寬度，可在PN結的兩端產(chǎn)生光生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應。

第118頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.1半導體的光電效應1.光電導效應2.光伏效應3.光電發(fā)射效應4.光電轉換的基本規(guī)律第119頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3.光電發(fā)射效應金屬或半導體受到光照時，電子從材料表面逸出這一現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應。－－又稱外光電效應。逸出物質表面的電子叫做光電子。

1.3.1半導體的光電效應第120頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3.光電發(fā)射效應1)愛因斯坦定律W-逸出功截止波長（長波限）第121頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三－－光電發(fā)射－－本征吸收－－雜質吸收結論：3.光電發(fā)射效應－－截止波長對比波長增大光電發(fā)射雜質吸收本征吸收第122頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3.光電發(fā)射效應2)金屬逸出功和半導體的發(fā)射閾值金屬逸出功:

半導體發(fā)射閾值:第123頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三基本概念：真空能級E0

電磁真空中靜止電子能量（體外自由電子最小能量）電子親和勢EA

真空能級與導帶底能級之差稱為電子親和勢2)金屬逸出功和半導體的發(fā)射閾值電子親和勢的物理意義？第124頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3.光電發(fā)射效應2)金屬逸出功和半導體的發(fā)射閾值金屬逸出功:

半導體發(fā)射閾值:第125頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.1半導體的光電效應1.光電導效應2.光伏效應3.光電發(fā)射效應4.光電轉換的基本規(guī)律第126頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.1半導體的光電效應4.光電轉換的基本規(guī)律量子效率轉換規(guī)律－－適應范圍：光子探測器第127頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三4.光電轉換的基本規(guī)律量子效率：

－－原因：反射、透射、散射等

探測器類型η（％）光電導探測器（本征）～60光電導探測器（非本征）～30光伏探測器～60光電子發(fā)射探測器～10第128頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

量子效率進一步分析：

距表面位置x處Δx的長度內，單位時間吸收的光子數(shù)為：單位體積內電子－空穴對的產(chǎn)生率（m?3s?1）4.光電轉換的基本規(guī)律第129頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

量子效率進一步分析：

單位體積內電子－空穴對的產(chǎn)生率（m?3s?1）x方向的電流密度（A/m2）為4.光電轉換的基本規(guī)律第130頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

量子效率進一步分析：

x方向的電流密度（A/m2）為4.光電轉換的基本規(guī)律第131頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

量子效率進一步分析：

提高量子效率：－－反射率r低，－－吸收系數(shù)α大，－－吸收厚長度lx要大例如，在探測器入射面鍍上高透射率的抗反射層；利用微型諧振腔的光場諧振以增強吸收等。中科院已研制出量子效率高達85.6％GaN基PIN結構紫外探測器4.光電轉換的基本規(guī)律第132頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

光子探測器光－電轉換基本規(guī)律：（1）光電流與入射光平均功率成正比（2）光電流與光電場強度的平方成正比－－光子探測器為平方律器件4.光電轉換的基本規(guī)律第133頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三

光照時每產(chǎn)生一個光電子，在探測器的外電路中都輸出一個電子外電路中單位時間內輸出的電子數(shù)大于甚至遠大于單位時間內產(chǎn)生的光電子數(shù)－－光電增益M

4.光電轉換的基本規(guī)律光電增益M比較：光電增益與量子效率第134頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測器概述1.3.1半導體的光電效應1.3.2光電探測器的噪聲1.3.3光電探測器的性能參數(shù)第135頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.2光電探測器的噪聲1.3光電探測器概述噪聲的基本概念噪聲的表示方法探測器噪聲分類第136頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三信號平均值處有隨機起伏－－含有噪聲

例如：放音機的噪聲激光器的噪聲1.3.2光電探測器的噪聲噪聲的基本概念噪聲影響信號（特別是弱信號）的測量和處理第137頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三用均方噪聲多個噪聲源（互不相關）1.3.2光電探測器的噪聲噪聲的表示方法噪聲功率譜第138頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三光電探測系統(tǒng)噪聲：1.3.2光電探測器的噪聲噪聲影響信號（特別是弱信號）的測量和處理第139頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.2光電探測器的噪聲探測器的噪聲1．熱噪聲(Johnson噪聲)2.散粒噪聲3．產(chǎn)生－復合噪聲

4．1/f噪聲

5．溫度噪聲

第140頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．熱噪聲(Johnson噪聲)熱噪聲是由于載流子的熱運動而引起電流或電壓的隨機起伏。1.3.2光電探測器的噪聲為測量的頻帶寬度熱噪聲：白噪聲第141頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.散粒噪聲（Shot噪聲）光電探測器的散粒噪聲是由于探測器在光輻射作用或熱激發(fā)下引起光電子或載流子的隨機起伏I為器件輸出平均電流散粒噪聲：白噪聲1.3.2光電探測器的噪聲第142頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三3．產(chǎn)生－復合噪聲－－又稱為g－r噪聲（GenerationRecombination）半導體器件中由于載流子的產(chǎn)生與復合而引起的平均載流子濃度的隨機起伏。I為總的平均電流；M為光電增益1.3.2光電探測器的噪聲產(chǎn)生－復合噪聲不再是“白”噪聲？？第143頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三4．1/f噪聲1/f噪聲通常又稱為電流噪聲－－也稱為閃爍噪聲或過剩噪聲低頻區(qū)：1kHz以下機理目前尚不清楚1.3.2光電探測器的噪聲第144頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三5．溫度噪聲熱探測器中由于器件本身吸收和傳導等的熱交換引起的溫度起伏G為器件的熱導1.3.2光電探測器的噪聲第145頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.2光探測器的噪聲1．熱噪聲(Johnson噪聲)2.散粒噪聲3．產(chǎn)生－復合噪聲

4．1/f噪聲

5．溫度噪聲

實際的光電探測器所含的噪聲種類及大小，后面各章結合器件介紹。第146頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測器概述1.3.1半導體的光電效應1.3.2光電探測器的噪聲1.3.3光電探測器的性能參數(shù)第147頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1.3.3光探測器的特性參數(shù)主要特性參數(shù)：1．光電特性2.靈敏度與光譜特性3．等效噪聲功率和比探測率4．響應時間與頻率特性第148頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三1．光電特性光電特性是指電學參量與光輻射參量之間的函數(shù)關系。例如：I=f（Ф）

I=f（E）1.3.3光探測器的特性參數(shù)例1：P109

光電倍增管的

光電特性線性度-重要性第149頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.靈敏度與光譜特性靈敏度是表征探測器將入射光信號轉換成電信號能力的特性參數(shù)，又稱為響應率。1.3.3光探測器的特性參數(shù)第150頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.靈敏度與光譜特性光譜靈敏度：例1：人眼

光譜靈敏度例2：硅光電器件

光譜靈敏度S1.3.3光探測器的特性參數(shù)第151頁，共163頁，2023年，2月20日，星期三2.靈敏度與光譜特性靈敏度是表征探測器將入射光信號轉換成電信號能力的特性參數(shù)，又稱為響應率。