光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ)

光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ)第1頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.1.1光的基本概念

領(lǐng)土安全、領(lǐng)空安全、領(lǐng)海安全、太空安全、電磁空間安全國(guó)家安全新概念：第3頁(yè)，共163頁(yè)，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(xué)波段國(guó)家安全新概念：第4頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

1.1.1光的基本概念光學(xué)譜區(qū)0.01μm~1000μm可見(jiàn)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光電技術(shù)常用的光波波段遠(yuǎn)紅外波段遠(yuǎn)近紫外波段可見(jiàn)光波段近紅外波段中紅外波段8導(dǎo)彈羽煙警用紫外成像紅外制導(dǎo)紅外預(yù)警激光雷達(dá)激光通信第6頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光電技術(shù)常用的光波波段遠(yuǎn)紅外波段遠(yuǎn)近紫外波段可見(jiàn)光波段近紅外波段中紅外波段已開(kāi)發(fā)利用波段待開(kāi)發(fā)利用波段8第7頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．光子能量公式光既是電磁波（波動(dòng)性）又是光子流（粒子性）可見(jiàn)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

太赫茲波30～3000μm與X射線比較：第9頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.1.2輻射度量輻射度學(xué)是一門(mén)研究電磁輻射能測(cè)量的學(xué)科。本課程限于光學(xué)波段的研究討論。輻射度學(xué)電磁波客觀光度學(xué)可見(jiàn)光主觀（生理、心理）第11頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電磁波（Emission

）可見(jiàn)光（Visiblelight）－－輻射度量，Xe

－－光度量，Xv

1.1.2輻射度量第12頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

1．輻射能Qe

2．輻射通量Φe又稱(chēng)輻射功率，簡(jiǎn)稱(chēng)功率單位：W計(jì)算光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換能力常用輻射功率

分析強(qiáng)光對(duì)光電探測(cè)器破壞機(jī)理常用輻射能量單位：J1.1.2輻射度量第13頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．輻射強(qiáng)度

在給定方向上的立體角元內(nèi)，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(qiáng)度反映了輻射源能量分布的什么特點(diǎn)？第14頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．輻射強(qiáng)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(qiáng)度分布第15頁(yè)，共163頁(yè)，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(yè)，共163頁(yè)，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(yè)，共163頁(yè)，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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例：常見(jiàn)的幾種顯示器為了反映顯示屏的特性，用上述哪個(gè)參數(shù)描述合適？為什么？為了描述顯示器的每個(gè)局部面元在各個(gè)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(qiáng)度

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

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

輻射源－－多波長(zhǎng)的輻射熒光燈的光譜能量分布圖第21頁(yè)，共163頁(yè)，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(zhǎng)λ處的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的大小，又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長(zhǎng)的變化率。光譜輻射通量Φe(λ)：光譜輻射通量與波長(zhǎng)的關(guān)系：第22頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

1．輻射能Qe

2．輻射通量Φe3．輻射強(qiáng)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(shù)中最常用：輻射照度輻射通量1.1.2輻射度量第23頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.1.3光度量人眼只能感知波長(zhǎng)在0.38～0.78μm之間的輻射人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的感光靈敏度不同1．光譜光視效率或視見(jiàn)函數(shù)

最大值在555nm表1－1第24頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．光譜光視效率或視見(jiàn)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(duì)應(yīng)輻射度量符號(hào)單位名稱(chēng)光度量符號(hào)單位名稱(chēng)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(qiáng)度Ie瓦/球面度(W·sr-1)發(fā)光強(qiáng)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三發(fā)光強(qiáng)度單位—坎德拉（Candela），記作cd。即λ=555nm時(shí)，有國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一：3．輻射度量與光度量間的換算關(guān)系λ=555nm時(shí)λ=？nm時(shí)第26頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．輻射度量與光度量間的換算關(guān)系λ=555nm時(shí)λ=？nm時(shí)任意波長(zhǎng)：－－其光度量第27頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．輻射度量與光度量間的換算關(guān)系日元美元光度量輻射度量第28頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光度量單位舉例：例2：無(wú)月夜天光照度～3×10-4lx（微光夜視）白天辦公室光照度

2～100lx

對(duì)CCD攝像機(jī)黑白圖像照度≥0.02lx

彩色圖像照度≥2lx例3：海平面太陽(yáng)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三輻射度與光度量總結(jié)：ΦeMeIeLeSΩΦvMvIvLvSΩcosqcosq第30頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.1.4輻射度學(xué)與光度學(xué)的兩條基本定律1．輻射強(qiáng)度余弦定律2．距離平方反比定律第32頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．輻射強(qiáng)度余弦定律“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”

特點(diǎn)：各方向的輻射亮度是一樣的

例如：太陽(yáng)熒光屏毛玻璃燈罩坦克表面

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

特點(diǎn)：各方向的輻射亮度是一樣的

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

計(jì)算面元接收到光能量點(diǎn)光源A，距離光源為R微面元dS，照度：應(yīng)用條件：

光源尺寸遠(yuǎn)小于距離R兩條基本定律第35頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第01章光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ)輻射度量學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)光電探測(cè)器概述第36頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體基礎(chǔ)許多光電探測(cè)器都是由半導(dǎo)體材料制作的

半導(dǎo)體材料具有許多獨(dú)特物理性質(zhì)－專(zhuān)門(mén)學(xué)科：半導(dǎo)體物理學(xué)第37頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)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(dǎo)體對(duì)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(kuò)散與漂移第38頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.1能帶理論1．原子能級(jí)與晶體能帶電子共有化，能級(jí)擴(kuò)展為能帶1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)a)單個(gè)原子b)N個(gè)原子最外層電子自由電子第39頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．原子能級(jí)與晶體能帶價(jià)帶Ev導(dǎo)帶Ec禁帶Eg價(jià)電子（最外層電子）能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶1.2.1能帶理論第40頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．原子能級(jí)與晶體能帶價(jià)帶Ev導(dǎo)帶Ec禁帶Eg3.價(jià)電子--自由電子，要吸收能量特別指出：1.價(jià)帶中電子，價(jià)電子－－不能參與導(dǎo)電2.導(dǎo)帶中電子，自由電子－－能參與導(dǎo)電1.2.1能帶理論第41頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．原子能級(jí)與晶體能帶價(jià)帶Ev導(dǎo)帶Ec禁帶Eg為什么只考慮導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的禁帶？1.2.1能帶理論第42頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電磁波譜與原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)第43頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三絕緣體、半導(dǎo)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(dǎo)體具有獨(dú)特光電特性－－重要應(yīng)用價(jià)值1.2.1能帶理論第44頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體，又稱(chēng)I型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中可人為摻入少量雜質(zhì)包括N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

1.2.1能帶理論2.半導(dǎo)體分類(lèi)第45頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．半導(dǎo)體能帶以硅晶體為例1.2.1能帶理論共價(jià)鍵電子—空穴對(duì)－－載流子－－本征激發(fā)室溫或光照射第46頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．半導(dǎo)體能帶1.2.1能帶理論室溫或光照射共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖本征半導(dǎo)體能帶圖第47頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三N型半導(dǎo)體能帶N型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體1.2.1能帶理論施主能級(jí)？第48頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三N型半導(dǎo)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(dǎo)體PP1.2.1能帶理論第49頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三N型半導(dǎo)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(dǎo)體PP1.2.1能帶理論第50頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三P型半導(dǎo)體能帶N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體1.2.1能帶理論第51頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三P型半導(dǎo)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．半導(dǎo)體能帶1.2.1能帶理論－－三者的差異？？？第53頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三N型半導(dǎo)體：施主能級(jí)P型半導(dǎo)體：受主能級(jí)摻雜百萬(wàn)分之一的雜質(zhì),載流子濃度提高百萬(wàn)倍？1.2.1能帶理論第54頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三總結(jié)：N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子（多子）少數(shù)載流子（少子）特性

N型施主雜質(zhì)電子空穴電子濃度nn>>空穴濃度pn

P型受主雜質(zhì)空穴電子電子濃度np<<空穴濃度pp1.2.1能帶理論第55頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)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(dǎo)體對(duì)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(kuò)散與漂移第56頁(yè)，共163頁(yè)，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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)一個(gè)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(shí)間無(wú)關(guān)的狀態(tài)稱(chēng)為熱平衡態(tài)。

載流子的分布導(dǎo)帶中電子的濃度價(jià)帶中空穴的濃度第57頁(yè)，共163頁(yè)，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(jí)被電子占據(jù)的概率為：Ef－－費(fèi)米能級(jí)載流子的分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律

第58頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三費(fèi)米能級(jí)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(shí)所對(duì)應(yīng)的能級(jí)

第59頁(yè)，共163頁(yè)，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(yè)，共163頁(yè)，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(dǎo)帶中電子的濃度價(jià)帶中空穴的濃度占據(jù)概率：

第61頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三導(dǎo)帶中電子占據(jù)的概率：導(dǎo)帶中總的電子濃度：第62頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三導(dǎo)帶電子濃度：價(jià)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)：

用費(fèi)米能級(jí)描述載流子分布－－“標(biāo)尺”1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)推導(dǎo)練習(xí)：畫(huà)出輕摻雜N型和重?fù)诫sN型費(fèi)米能級(jí)示意圖第64頁(yè)，共163頁(yè)，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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)載流子的分布導(dǎo)帶中電子的濃度價(jià)帶中空穴的濃度用費(fèi)米能級(jí)Ef描述：本征半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體總結(jié)：第65頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)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(dǎo)體對(duì)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(kuò)散與漂移第66頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收1．吸收定律Φ(x)=Φ0(1－r)e-αx

α=4πμ/λ

1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)第67頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收非本征吸收第68頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征吸收：

光子能量足夠大，價(jià)帶中的電子能激發(fā)到導(dǎo)帶

－截止波長(zhǎng)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)條件：特點(diǎn)：第69頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征吸收：本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)部，都有可能發(fā)生本征吸收?。。√貏e注意：第70頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收非本征吸收：光子能量不足以使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格吸收

雜質(zhì)吸收：N型半導(dǎo)體施主束縛電子導(dǎo)帶P型半導(dǎo)體受主束縛空穴價(jià)帶第71頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征吸收電子－空穴對(duì)雜質(zhì)吸收本征吸收雜質(zhì)吸收波長(zhǎng)增大本征吸收與非本征吸收比較：電子或空穴第72頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)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(dǎo)體對(duì)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(kuò)散與漂移第73頁(yè)，共163頁(yè)，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(fù)合2.非平衡載流子的壽命1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)第74頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．非平衡載流子的注入和復(fù)合非平衡載流子（過(guò)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．非平衡載流子的注入和復(fù)合產(chǎn)生：復(fù)合：－－使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)－－使非平衡載流子濃度減小的運(yùn)動(dòng)壽命？？？

1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子第76頁(yè)，共163頁(yè)，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(shí)間稱(chēng)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(yè)，共163頁(yè)，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(jì)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(fù)合率：（熱）產(chǎn)生率：

r為復(fù)合系數(shù)

熱平衡時(shí)為什么？？？第78頁(yè)，共163頁(yè)，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(jì)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(duì)的直接復(fù)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(yè)，共163頁(yè)，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(jì)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(shí)多子電子的濃度成反比，并且在一定溫度下是一個(gè)常數(shù)。

表明：第80頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.非平衡載流子的壽命①表征復(fù)合的強(qiáng)弱②τc決定線性光電導(dǎo)探測(cè)器的時(shí)間特性③τc的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜及缺陷等因素有關(guān)。τc的物理意義：1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子τc的適應(yīng)條件：－－本征吸收和雜質(zhì)吸收，弱注入第81頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)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(dǎo)體對(duì)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(kuò)散與漂移第82頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.2.5載流子的擴(kuò)散與漂移

1．?dāng)U散載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散。擴(kuò)散系數(shù)D和擴(kuò)散長(zhǎng)度L1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)第83頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．漂移載流子受電場(chǎng)作用所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)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(kuò)散與漂移第84頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第01章光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ)輻射度量學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)光電探測(cè)器概述第85頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測(cè)器概述光電效應(yīng)光熱效應(yīng)第86頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測(cè)器概述光輻射非傳導(dǎo)電子--傳導(dǎo)電子光輻射--電信號(hào)(廣義)光電探測(cè)器:光電探測(cè)器的分類(lèi)方法第87頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測(cè)器概述1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.3.2光探測(cè)器的噪聲1.3.3光探測(cè)器的性能參數(shù)第88頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光電子發(fā)射效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)利用光電效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱(chēng)為光子探測(cè)器，如光電導(dǎo)探測(cè)器、光伏探測(cè)器、光電子發(fā)射探測(cè)器等。1.3光電探測(cè)器概述第89頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.光電導(dǎo)效應(yīng)2.光伏效應(yīng)3.光電發(fā)射效應(yīng)4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律第90頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的變化，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。非本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)(雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng))－－雜質(zhì)吸收－－本征吸收第91頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.光電導(dǎo)效應(yīng)

本征光電導(dǎo)

暗電導(dǎo)率：亮電導(dǎo)率：光電導(dǎo)率：光電導(dǎo)率的相對(duì)值：

第92頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.光電導(dǎo)效應(yīng)

本征光電導(dǎo)

光電導(dǎo)率的相對(duì)值：

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

第93頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.光電導(dǎo)效應(yīng)

本征光電導(dǎo)

光電導(dǎo)率：

非本征光電導(dǎo)

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

N

PPN結(jié)光一塊半導(dǎo)體，P區(qū)與N區(qū)的交界面稱(chēng)為PN結(jié)。PN結(jié)受到光照時(shí)，可在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象則稱(chēng)為光伏效應(yīng)。1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)第96頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1)PN結(jié)的形成擴(kuò)散

形成：離子區(qū)耗盡區(qū)空間電荷區(qū)阻擋層內(nèi)建電場(chǎng)

(結(jié)電場(chǎng))濃度差異E2.光伏效應(yīng)第97頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應(yīng)1)PN結(jié)的形成漂移內(nèi)建電場(chǎng)自建電場(chǎng)E擴(kuò)散與漂移方向相反第98頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應(yīng)1)PN結(jié)的形成擴(kuò)散==漂移平衡PN結(jié)第99頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應(yīng)1)PN結(jié)的形成（多子）擴(kuò)散（少子）漂移濃度差異內(nèi)建電場(chǎng)第100頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應(yīng)PN結(jié)的形成摘自教育部新世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程《電子技術(shù)》—大連海事大學(xué)制作第101頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應(yīng)2)PN結(jié)能帶與勢(shì)壘結(jié)合前結(jié)合后費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶或價(jià)帶的相對(duì)位置由材料摻雜決定一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)第102頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應(yīng)2)PN結(jié)能帶與勢(shì)壘結(jié)合后一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)例如：長(zhǎng)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(dòng)？第103頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應(yīng)2)PN結(jié)能帶與勢(shì)壘*

E電場(chǎng)力類(lèi)比:小球滾上山坡速度方向重力分力mgh第104頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容2.光伏效應(yīng)偏壓：外加在PN結(jié)兩端的電壓方向由P區(qū)指向N區(qū)正向電流：第105頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三正向偏壓:負(fù)離子數(shù)減少正離子數(shù)減少外加電場(chǎng)3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容正向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變小第106頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容電流方程：正向偏壓繼續(xù)增大，耗盡層越來(lái)越薄·······第107頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三反向偏壓:負(fù)離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場(chǎng)3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容反向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變大第108頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三反向偏壓:負(fù)離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場(chǎng)3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容反向電流:－－數(shù)值較??？？？第109頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉越逃啃率兰o(jì)網(wǎng)絡(luò)課程《電子技術(shù)》—大連海事大學(xué)制作第110頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容電流方程：正向電流和反向電流：第111頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容耗盡區(qū)寬度：?jiǎn)挝幻娣e結(jié)電容：減小結(jié)電容對(duì)提高光伏器件的響應(yīng)速度有重要的意義！第112頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.光伏效應(yīng)4)PN結(jié)光電效應(yīng)平均擴(kuò)散長(zhǎng)度電子—空穴對(duì)分離電子—空穴對(duì)光照光生電勢(shì)差討論：光－電轉(zhuǎn)換時(shí)間第113頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光生電動(dòng)勢(shì)與光電流＋－光電流方向光生電動(dòng)勢(shì)方向光電流方向與普通二極管電流相反4)PN結(jié)光電效應(yīng)第114頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光電流光照下PN結(jié)的電流方程：普通二極管電流4)PN結(jié)光電效應(yīng)2.光伏效應(yīng)第115頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三思考題：PN結(jié)加正向偏壓，如何影響光伏效應(yīng)？正向偏壓：4)PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)論：PN結(jié)加正向偏壓，不利于結(jié)區(qū)光生電子、空穴對(duì)的分離，光電效應(yīng)不明顯。第116頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4)PN結(jié)光電效應(yīng)總結(jié)：光生電動(dòng)勢(shì)光生電流（光電流）正反向偏壓對(duì)光電效應(yīng)的影響光伏效應(yīng)光照下PN結(jié)的電流方程第117頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4)PN結(jié)光電效應(yīng)PN結(jié)受到光照時(shí)，若入射光子能量大于材料禁帶寬度，可在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生光生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象則稱(chēng)為光伏效應(yīng)。

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

1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)第120頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.光電發(fā)射效應(yīng)1)愛(ài)因斯坦定律W-逸出功截止波長(zhǎng)（長(zhǎng)波限）第121頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三－－光電發(fā)射－－本征吸收－－雜質(zhì)吸收結(jié)論：3.光電發(fā)射效應(yīng)－－截止波長(zhǎng)對(duì)比波長(zhǎng)增大光電發(fā)射雜質(zhì)吸收本征吸收第122頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.光電發(fā)射效應(yīng)2)金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值金屬逸出功:

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

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

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

－－原因：反射、透射、散射等

探測(cè)器類(lèi)型η（％）光電導(dǎo)探測(cè)器（本征）～60光電導(dǎo)探測(cè)器（非本征）～30光伏探測(cè)器～60光電子發(fā)射探測(cè)器～10第128頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

量子效率進(jìn)一步分析：

距表面位置x處Δx的長(zhǎng)度內(nèi)，單位時(shí)間吸收的光子數(shù)為：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)電子－空穴對(duì)的產(chǎn)生率（m?3s?1）4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律第129頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

量子效率進(jìn)一步分析：

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

量子效率進(jìn)一步分析：

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

量子效率進(jìn)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(zhǎng)度lx要大例如，在探測(cè)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(chǎng)諧振以增強(qiáng)吸收等。中科院已研制出量子效率高達(dá)85.6％GaN基PIN結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律第132頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

光子探測(cè)器光－電轉(zhuǎn)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(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比－－光子探測(cè)器為平方律器件4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律第133頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

光照時(shí)每產(chǎn)生一個(gè)光電子，在探測(cè)器的外電路中都輸出一個(gè)電子外電路中單位時(shí)間內(nèi)輸出的電子數(shù)大于甚至遠(yuǎn)大于單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)－－光電增益M

4.光電轉(zhuǎn)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(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測(cè)器概述1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.3.2光電探測(cè)器的噪聲1.3.3光電探測(cè)器的性能參數(shù)第135頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3.2光電探測(cè)器的噪聲1.3光電探測(cè)器概述噪聲的基本概念噪聲的表示方法探測(cè)器噪聲分類(lèi)第136頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三信號(hào)平均值處有隨機(jī)起伏－－含有噪聲

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

4．1/f噪聲

5．溫度噪聲

第140頁(yè)，共163頁(yè)，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(yùn)動(dòng)而引起電流或電壓的隨機(jī)起伏。1.3.2光電探測(cè)器的噪聲為測(cè)量的頻帶寬度熱噪聲：白噪聲第141頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.散粒噪聲（Shot噪聲）光電探測(cè)器的散粒噪聲是由于探測(cè)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(jī)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(cè)器的噪聲第142頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．產(chǎn)生－復(fù)合噪聲－－又稱(chēng)為g－r噪聲（GenerationRecombination）半導(dǎo)體器件中由于載流子的產(chǎn)生與復(fù)合而引起的平均載流子濃度的隨機(jī)起伏。I為總的平均電流；M為光電增益1.3.2光電探測(cè)器的噪聲產(chǎn)生－復(fù)合噪聲不再是“白”噪聲？？第143頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4．1/f噪聲1/f噪聲通常又稱(chēng)為電流噪聲－－也稱(chēng)為閃爍噪聲或過(guò)剩噪聲低頻區(qū)：1kHz以下機(jī)理目前尚不清楚1.3.2光電探測(cè)器的噪聲第144頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5．溫度噪聲熱探測(cè)器中由于器件本身吸收和傳導(dǎo)等的熱交換引起的溫度起伏G為器件的熱導(dǎo)1.3.2光電探測(cè)器的噪聲第145頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3.2光探測(cè)器的噪聲1．熱噪聲(Johnson噪聲)2.散粒噪聲3．產(chǎn)生－復(fù)合噪聲

4．1/f噪聲

5．溫度噪聲

實(shí)際的光電探測(cè)器所含的噪聲種類(lèi)及大小，后面各章結(jié)合器件介紹。第146頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3光電探測(cè)器概述1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.3.2光電探測(cè)器的噪聲1.3.3光電探測(cè)器的性能參數(shù)第147頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.3.3光探測(cè)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(cè)率4．響應(yīng)時(shí)間與頻率特性第148頁(yè)，共163頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．光電特性光電特性是指電學(xué)參量與光輻射參量之間的函數(shù)關(guān)系。例如：I=f（Ф）

I=f（E）1.3.3光探測(cè)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(yè)，共163頁(yè)，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(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)能力的特性參數(shù)，又稱(chēng)為響應(yīng)率。1.3.3光探測(cè)器的特性參數(shù)第150頁(yè)，共163頁(yè)，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(cè)器的特性參數(shù)第151頁(yè)，共163頁(yè)，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(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)能力的特性參數(shù)，又稱(chēng)為響應(yīng)率。