第一章光電技術(shù)基礎(chǔ)

第一章光電技術(shù)基礎(chǔ)第一頁，共105頁。教材和參考資料教材：王慶有等，《光電技術(shù)》，電子工業(yè)出版社參考資料：《光電技術(shù)概論》作者:安毓英等，

電子工業(yè)出版社；《光電技術(shù)》作者:江文杰施建華，科學(xué)出版社，2009；《光電子技術(shù)基礎(chǔ)教程》作者:郭培源梁麗北京航空航天大學(xué)。第二頁，共105頁。課程性質(zhì)：專業(yè)必修課程考核平時(shí)成績：30％期末考試：70%致謝承蒙參考書目、論文為課件提供了理論承蒙許多網(wǎng)站提供了各種資料聲明此課件僅僅用于課堂教學(xué)，不得用于其他商業(yè)用途成績考核&致謝第三頁，共105頁。基本內(nèi)容第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)第2章光電導(dǎo)器件第3章光生伏特器件第4章光電發(fā)射器件第5章熱輻射探測器件第6章發(fā)光器件與光電耦合器件第7章光電信息變換第8章圖像信息的光電變換第9章光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)第10章光電信息變換技術(shù)的典型應(yīng)用第11章光電技術(shù)的新發(fā)展

第四頁，共105頁。典型的光電器件：1.半導(dǎo)體激光器（GaAs/GaAlAs異質(zhì)結(jié)激光器）；2.PN結(jié)發(fā)光二極管；3.光電探測器（光敏電阻，紅外探測器、pn結(jié)光伏探測器）；4.光電池（非晶硅太陽能電池-硅光電池）第五頁，共105頁。5.光電成像系統(tǒng)（CCD電荷耦合器件：數(shù)碼攝像，CMOS攝像器件，紅外焦平面陣列）；6.顯示器：電致發(fā)光顯示技術(shù)（LED），液晶顯示；7.光纖通信；8.激光雷達(dá)；9.光纖傳感器等第六頁，共105頁。緒論(Introduction)光電技術(shù)是由光學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門嶄新的技術(shù)。

主要內(nèi)容是利用光電結(jié)合的原理和方法，實(shí)現(xiàn)信息的獲取、發(fā)送、探測、傳輸、變換、存儲(chǔ)、處理和重現(xiàn)等。光電技術(shù)是研究“光子”與物質(zhì)中“電子”相互作用的一門科學(xué)，它以光學(xué)和電子學(xué)為基礎(chǔ)，綜合利用光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械、儀器儀表、材料科學(xué)、控制科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)解決各種工程應(yīng)用課題的技術(shù)學(xué)科第七頁，共105頁。

21世紀(jì)的信息網(wǎng)絡(luò)是以IP（或IP/ATM）協(xié)議控制下的密集波分復(fù)用（DWDM）為基礎(chǔ)的光核心網(wǎng)，

包括有線（光纖或HFC）、無線等不同接入類型、不同業(yè)務(wù)規(guī)模的各種接入網(wǎng)所形成的一個(gè)靈活、大容量的綜合網(wǎng)。其中全光通信網(wǎng)（AON）是主體，

全光網(wǎng)中的傳輸和交換容量均達(dá)到Tb/s量級(jí)，將比現(xiàn)有傳輸速率提高100倍以上。

光纖通信及其相應(yīng)的光電子材料、器件、系統(tǒng)設(shè)備在內(nèi)的市場在今后15-20年內(nèi)仍會(huì)以高的速率持續(xù)增長。產(chǎn)品主要有連接器附件和元件、耦合器、衰減器、隔離器、波分復(fù)用器等。光電子產(chǎn)業(yè)1.信息光電子產(chǎn)業(yè)第八頁，共105頁。

由于具有相干性好、單色性好、高亮度等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，激光在工業(yè)和醫(yī)療方面的應(yīng)用前景非?？捎^，可用來切割、焊接、打孔、熱處理、劃片、光刻以及用來進(jìn)行手術(shù)、鎮(zhèn)痛、理療等治療。激光加工設(shè)備還將繼續(xù)沿高功率、高質(zhì)量、高可靠、低成本的方向發(fā)展。

2.能量光電子產(chǎn)業(yè)第九頁，共105頁。

光電子材料和元器件是光電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著決定性的作用。4.光子學(xué)及光通信器件

主要包括光子的產(chǎn)生、探測、控制和處理，因此，必須有相應(yīng)的光子學(xué)器件，光子學(xué)器件的時(shí)間響應(yīng)和單道超大容量要比電子學(xué)器件高得多，這對(duì)信息技術(shù)的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。

3.光電子材料和元器件產(chǎn)業(yè)

第十頁，共105頁。5.光存儲(chǔ)器件

20世紀(jì)末期興起的光存儲(chǔ)，特別是光盤存儲(chǔ)技術(shù)將對(duì)信息的存取產(chǎn)生重大影響。數(shù)字光盤存儲(chǔ)技術(shù)正向更高存儲(chǔ)密度和更高存儲(chǔ)速度方向發(fā)展。角度、波長、空間與移動(dòng)復(fù)用的全息存儲(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)和作為緩沖海量信息存儲(chǔ)。三維存儲(chǔ)技術(shù)，如光子引發(fā)的電子俘獲三維存儲(chǔ)光盤和光盤燒孔存儲(chǔ)等高密度存儲(chǔ)等。第十一頁，共105頁。5.光傳感器件

光電傳感器件在光信號(hào)的電學(xué)處理方面已經(jīng)在通信、工業(yè)過程控制、光電信號(hào)處理以及光計(jì)算領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，其蘊(yùn)涵的市場份額是極為巨大的。6.光顯示器件信息的顯示體現(xiàn)了真正的人機(jī)互動(dòng)關(guān)系。在光子與光電子材料與器件產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域占有極為重要的地位。在這一領(lǐng)域可發(fā)展液晶顯示(LCD)、等離子體顯示(PDP)，電致發(fā)光顯示（EL）、YAG激光顯示等產(chǎn)業(yè)化工程。

7.光能量轉(zhuǎn)換器件

8.光學(xué)圖像器件第十二頁，共105頁。第十三頁，共105頁。第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)

第十四頁，共105頁。光電器件構(gòu)成：光輻射源（光源）:外部產(chǎn)生（探測器）和內(nèi)部產(chǎn)生（發(fā)光）兩種；

光電轉(zhuǎn)換部分：光轉(zhuǎn)換為電，或電轉(zhuǎn)換為光；第十五頁，共105頁。光輻射源:可見光:太陽,白熾燈,日光燈,激光器,發(fā)光二極管,熒光燈,水銀燈,鈉等紅外線:紅外激光器,太陽,有機(jī)體即無機(jī)體紫外線:紫外燈,X射線,放射性金屬:射線第十六頁，共105頁。光探測器:光電效應(yīng),光電倍增管,可見光功率計(jì),光通量計(jì)紅外探測器紫外探測器熒光光譜儀納曼光譜儀紅外光譜儀單色儀第十七頁，共105頁。任何一種光電系統(tǒng)或光電子器件的使用和評(píng)價(jià)都離不開特定的光輻射源與光輻射探測器，所以光輻射和光電轉(zhuǎn)換原理是光電子技術(shù)的基本研究內(nèi)容之一。本章主要介紹光輻射的基本概念和原理，以及在光電子技術(shù)中應(yīng)用比較普遍的典型光輻射源。

第十八頁，共105頁。1.電磁波的性質(zhì)與電磁波譜

由麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，這樣就產(chǎn)生了電磁波。電視臺(tái)聲光電電磁波發(fā)射第十九頁，共105頁。⑴電磁波的電場E和磁場H都垂直于波的傳播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。E和H傳播方向構(gòu)成右手螺旋系。⑵沿給定方向傳播的電磁波，E和H分別在各自平面內(nèi)振動(dòng)，這種特性稱為偏振。電磁波的性質(zhì)第二十頁，共105頁。⑷在任一時(shí)刻空間任一點(diǎn)，E和H在量值上的關(guān)系為⑸電磁波在真空中傳播的速度為介質(zhì)中的傳播速度為⑶空間各點(diǎn)E和H都作周期性變化，而且相位相同，即同時(shí)達(dá)到最大，同時(shí)減到最小。第二十一頁，共105頁。電磁波譜第二十二頁，共105頁。第二十三頁，共105頁。2.光輻射光以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的能量?？捎霉鈱W(xué)元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過程稱為光輻射。一般認(rèn)為其波長在10nm~1mm，或頻率在31016Hz~31011Hz范圍內(nèi)。一般按輻射波長及人眼的生理視覺效應(yīng)將光輻射分成三部分：紫外輻射、可見光和紅外輻射。一般在可見到紫外波段波長用nm、在紅外波段波長用m表示。波數(shù)單位習(xí)慣用cm-1。第二十四頁，共105頁?？梢姽猓和ǔＨ藗兲岬降摹肮狻敝傅氖强梢姽?。波長在390~770nm范圍的光輻射，也是人視覺能感受到“光亮”的電磁波。當(dāng)可見光進(jìn)入人眼時(shí)，人眼的主觀感覺依波長從長到短表現(xiàn)為紅色、橙色、黃色、綠色、青色、藍(lán)色和紫色。紫外輻射：紫外輻射比紫光波長更短，人眼看不見，波長范圍是1~390nm。又分為近紫外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)紫外。極遠(yuǎn)紫外在空氣中幾乎會(huì)被完全吸收，只能在真空中傳播，又稱為真空紫外輻射。在進(jìn)行太陽紫外輻射的研究中，常分為A波段(近紫外)、B波段和C波段（遠(yuǎn)紫外）。第二十五頁，共105頁。紅外輻射：波長在0.77~1000m的是紅外輻射。通常分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外三部分。

在可見光云圖上，輻射越大，色調(diào)越白。輻射越小，色調(diào)越暗。通常云層越厚，反照率越大，色調(diào)也越白，而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表現(xiàn)為黑色，陸地反照率比海洋略大，表現(xiàn)為灰色，而潮濕或森林覆蓋的地區(qū)表現(xiàn)為灰暗的色調(diào)。在電視顯示的衛(wèi)星云圖上，地表和海洋常用綠色和藍(lán)色表示?？梢姽庠茍D第二十六頁，共105頁。對(duì)光輻射進(jìn)行定量描述，需引入計(jì)量光輻射的物理量。對(duì)于光輻射的探測和計(jì)量，存在著輻射度和光度學(xué)兩套不同的單位體系。1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)(1)在輻射度單位體系(2)光度單位體系第二十七頁，共105頁。輻射度單位體系:輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波段。光度單位體系:

反映視覺亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見光波段。第二十八頁，共105頁。兩類單位體系中的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)。為了區(qū)別，在對(duì)應(yīng)的物理量符號(hào)標(biāo)角“e”表示輻射度物理量，角標(biāo)“v”表示光度物理量。下面重點(diǎn)介紹輻射度單位體系中的物理量。光度單位體系中的物理量可對(duì)比理解。第二十九頁，共105頁。1.輻射量⑴輻射能：以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪芰浚ㄖ饕缸贤?、可見光和紅外輻射）。一般用符號(hào)Qe表示，其單位是焦耳（J）。⑵輻射通量：輻射通量e又稱為輻射功率。為單位時(shí)間內(nèi)流過的輻射能量，即單位：瓦特（W）或焦耳秒（Js）。第三十頁，共105頁。⑶輻射出射度Me:反映物體輻射能力的物理量。輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量，即單位：W/m2。⑷輻射強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量，用Ie表示，即單位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。

第三十一頁，共105頁。即SddSd圖2輻射亮度示意圖如果一個(gè)各向同性均勻介質(zhì)中的點(diǎn)輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是e，則該點(diǎn)輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度Ie是常量，有第三十二頁，共105頁。⑸輻射亮度:面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。如圖所示。SddSd圖2輻射亮度示意圖是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。單位：瓦特/球面度米2（W/sr·m2）。第三十三頁，共105頁。一般輻射體的輻射強(qiáng)度與空間方向有關(guān)。但是有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向上的分布滿足Ie0是面元dS沿其法線方向的輻射強(qiáng)度，又稱為余弦輻射體或朗伯體。(1)式代入(2)式得到余弦輻射體的輻射亮度為第三十四頁，共105頁。余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角無關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度為⑹輻射照度：在輻射接收面上的輻照度Ee定義為照射在面元dA上的輻射通量與該面元的面積之比。即單位：（W/m2）。第三十五頁，共105頁。輻出度Me為出射強(qiáng)度，輻照度Ee為物體接受的強(qiáng)度，注意區(qū)別。反射體接受輻射后，一部分反射，一部分吸收，則反射出射度為：

第三十六頁，共105頁。輻照量He：在一定時(shí)間內(nèi)照射到物體某一面元的輻照度。單位：J/m2曝光量Hv:物體表面在一定時(shí)間內(nèi)接收到的光照度Ev.

第三十七頁，共105頁。(7)輻射效率與發(fā)光效率光源所發(fā)射的總通量e與外界提供給光源的功率P之比，稱為光源的輻射效率；e=/P100%無量綱光源發(fā)射的總通量e與提供的功率P之比，稱為發(fā)光效率；

v=/P100%單位：流明每瓦（lm·W-1）

第三十八頁，共105頁。2.光源的光譜輻射參量光源發(fā)射的光能是按波長進(jìn)行分布的。在單位波長內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度在可見光區(qū)單位波長發(fā)射的光度量為光譜光度量

第三十九頁，共105頁。光源在波長λ1、λ2區(qū)間內(nèi)發(fā)射的輻通量量子流速率：光源發(fā)射的輻射功率是每秒發(fā)射光子能量的總和。若λ~λ+dλ區(qū)間的輻射通量為等de,除以該波長的光子能量h,為光源在λ處的光子總量，稱為光譜量子流速率dNλ第四十頁，共105頁。在λ1~λ2光譜量子流速率Nλ在可見光區(qū)，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)為第四十一頁，共105頁。由于人眼的視覺細(xì)胞對(duì)不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位不能正確反應(yīng)人對(duì)光輻射亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以用與輻度學(xué)的基本物理量對(duì)應(yīng)的來表示，其定義完全一一對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。第四十二頁，共105頁。

光度學(xué)的基本單位為坎德拉，也是國際單位制（SI）七個(gè)基本單位之一。定義為：一個(gè)光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色（黃色）輻射，若在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr,則該光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd.第四十三頁，共105頁。任何0K以上溫度的物體都會(huì)發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。1.3物體熱輻射熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠(yuǎn)紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要決定于物體的溫度。本節(jié)介紹熱輻射的一些基本定律。第四十四頁，共105頁。1.單色吸收比和單色反射比。任何物體向周圍發(fā)射電磁波的同時(shí)，也吸收周圍物體發(fā)射的輻射能。當(dāng)輻射從外界入射到不透明的物體表面上時(shí)，一部分能量被吸收，另一部分能量從表面反射（如果物體是透明的，則還有一部分能量透射）。吸收比：被物體吸收的能量與入射的能量之比稱為該物體的吸收比。在波長到+d范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比，用表示。第四十五頁，共105頁。若物體在任何溫度下，對(duì)任何波長的輻射能的吸收比都等于1，即，則稱該物體為絕對(duì)黑體（簡稱黑體）。反射比：反射的能量與入射的能量之比。在波長到+d范圍內(nèi)相應(yīng)的反射比稱為單色反射比，用（T）表示。對(duì)于不透明的物體，單色吸收比和單色反射比之和等于1，即第四十六頁，共105頁。2.基爾霍夫輻射定律在相同溫度下，不同物體對(duì)相同波長的單色輻射出射度(M)與單色吸收比(α)之比都相等，并等于該溫度下黑體對(duì)同一波長的單色輻射出射度。即式中

為黑體的單色輻射出射度。第四十七頁，共105頁。3.普朗克公式黑體處于溫度T時(shí)，在波長處的單色輻射出射度由普朗克公式給出式中h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，kB為波爾茲曼常數(shù)。令第四十八頁，共105頁。則(3)式可改寫為第四十九頁，共105頁。不同溫度條件下黑體的單色輻射出射度（輻射亮度）隨波長的變化曲線?？梢姡旱谖迨摚?05頁。⑴對(duì)應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度（即曲線下的面積）。⑵單色輻射出射度隨溫度的升高而增大。⑶單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動(dòng)。第五十一頁，共105頁。4.瑞利-瓊斯公式當(dāng)很大時(shí)，可得到適合于長波長區(qū)的瑞利-瓊斯公式

在時(shí)，瑞利-瓊斯公式與普朗克公式的誤差小于1%。5.維恩公式當(dāng)很小時(shí)，，可得到適合于短波長區(qū)的維恩公式

第五十二頁，共105頁。在區(qū)域內(nèi)，維恩公式與普朗克公式的誤差小于1%。

6.維恩位移定律單色輻射出射度最大值對(duì)應(yīng)的波長7.斯忒藩-玻爾茲曼定律其中為斯忒藩-玻爾第五十三頁，共105頁。茲曼常數(shù):斯忒藩-玻爾茲曼定律表明黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其他性質(zhì)無關(guān)。

8.色溫為了表示一個(gè)熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質(zhì)，常用到色溫度這個(gè)量，單位為K。第五十四頁，共105頁。色溫度是指在規(guī)定兩波長處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度。色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。第五十五頁，共105頁。由于色溫度是按規(guī)定的兩波長處的輻射比率來比較的，所以色溫度相同的熱輻射光源的連續(xù)譜也可能不相似，若規(guī)定的波長不同，色溫度往往也不相同。至于非熱輻射光源，色溫度只能給出這個(gè)光源光色的大概情況，一般來說，色溫高代表藍(lán)、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。第五十六頁，共105頁。1.4.1人眼的視覺靈敏度

用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波長=0.555μm處的光譜輻射亮度Le,λm小于其它波長的光譜輻亮度Le,λ。把波長=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λm被其它波長的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的V(λ)，即明視覺光譜光視效率第五十七頁，共105頁。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測定，在波長555nm處，L有最大值，其數(shù)值為Lm=683lm/W。單色光視效率是L用Lm歸一化的結(jié)果，其定義為第五十八頁，共105頁。第五十九頁，共105頁。對(duì)于正常人眼的圓柱細(xì)胞，以微弱的各種單色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長為507nm處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長λ的光譜輻射亮度Le,λ。把

Le，507nm與Le,λ的比值V`(λ）也是一個(gè)無量綱的相對(duì)值，它與波長的關(guān)系如上圖中的虛線所示。1.4.2暗視覺光譜光視效率第六十頁，共105頁。1.4.3輻射體光視效能

一個(gè)熱輻射體發(fā)射的總光通量Φv與總輻射通量Φe之比，稱為該輻射體的光視效能K，即

對(duì)發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，總光通量Φv為

第六十一頁，共105頁。由上面的式子可以得到

式中,V是輻射體的光視效率。

標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖所示，圖中的曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的相對(duì)光譜輻射分、光譜光視效率V（λ）和光譜光視效率與相對(duì)光譜輻射分布之積，積分

為曲線所圍的面積Al，而積分

第六十二頁，共105頁。

面積A2。因此，可得標(biāo)準(zhǔn)鎢絲

燈的光視效能Kw為lm/W

已知某種輻射體的光視效能K和輻射量Xe，就能夠計(jì)算出該輻射體的光度量Xv，該式是輻射體的輻射量和光度量的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

第六十三頁，共105頁。例如，對(duì)于色溫為2856K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效能為17lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為Φe＝100W時(shí)，其光通量為Φv=1710lm。由此可見，色溫越高的輻射體，它的可見光的成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢絲燈的供電電壓降低時(shí)，燈絲溫度降低，燈的可見光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計(jì)檢測光照度時(shí)，照度將顯著下降。第六十四頁，共105頁。例

已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？

解

He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)第六十五頁，共105頁。三、半導(dǎo)體的光電性質(zhì)1.半導(dǎo)體的光吸收(1)本征吸收光照下，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子的這種帶與帶間躍遷的吸收過程。本征吸收發(fā)生的必要條件：光子能量h大于等于禁帶寬度Eg,即hh0=Eg本征吸收限：當(dāng)光子頻率小于0(波長大于0)時(shí)，吸收系數(shù)迅速下降，對(duì)應(yīng)的頻率0或波長0為本征吸收限。第六十六頁，共105頁。hEg只有波長小于L的輻射才能產(chǎn)生本征吸收第六十七頁，共105頁。直接躍遷：躍遷過程中，價(jià)帶中的電子垂直躍遷到具有相同波矢k的導(dǎo)帶上。直接帶隙半導(dǎo)體：在本征吸收過程中，產(chǎn)生電子的直接躍遷過程間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值不具有相同的k的半導(dǎo)體。在本征吸收過程中，產(chǎn)生電子的間接躍遷過程第六十八頁，共105頁。（2）雜質(zhì)吸收在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子（施主或受主原子），在半導(dǎo)體的帶隙中引入雜質(zhì)能級(jí)，束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的電子吸收光能發(fā)生躍遷引起的光吸收。Si、Ge而言，施主通常是V族元素。電離能較小，在Si中約0.04～0.05eV，Ge中約0.01eV。施主雜質(zhì)：在半導(dǎo)體中產(chǎn)生導(dǎo)電電子，其摻雜的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體施主雜質(zhì)電離能ΔED：第六十九頁，共105頁。受主雜質(zhì)：能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì)。p型半導(dǎo)體：依靠價(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)電離能ΔEA：第七十頁，共105頁。如果光子的能量小于禁帶寬度Eg或小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時(shí)，電子不能躍遷到導(dǎo)帶稱為自由電子。但可以與價(jià)帶上的空穴形成一個(gè)束縛較弱的電子-空穴對(duì)，這種電子-空穴對(duì)稱為激子。激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。（3）激子吸收雜質(zhì)吸收限：雜質(zhì)吸收限波長總是大于本征吸收的波長限。第七十一頁，共105頁。（4）自由載流子吸收當(dāng)入射光子頻率較小，不能引起導(dǎo)帶-價(jià)帶間的躍遷，但導(dǎo)帶上的電子（空穴）在其所在的導(dǎo)帶（價(jià)帶）內(nèi)的能級(jí)上躍遷發(fā)生的光吸收，通常稱為帶內(nèi)躍遷。由于帶內(nèi)能級(jí)間隔很小，所以其吸收譜基本上為連續(xù)譜。（5）晶格吸收-又稱為聲子吸收晶格原子對(duì)遠(yuǎn)紅外普去的光子能量的吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)的動(dòng)能，宏觀上引起物體溫度的升高。第七十二頁，共105頁。1.6.光電效應(yīng)

光輻射的物理效應(yīng)分類：光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)光子效應(yīng)

探測器外光電效應(yīng)（1）光陰極發(fā)射光電子（2）光電子倍增；打拿極倍增通道電子倍增（1）光電管；（2）光電倍增管；（3）像增強(qiáng)管內(nèi)光電效應(yīng)（1）光電導(dǎo)（本征、非本征）；（2）光生伏特；pn結(jié)雪崩，肖特基勢壘光電池，光電二極管，雪崩二極管，肖特基勢壘光電二極管第七十三頁，共105頁。光熱效應(yīng)探測器（1）測輻射熱計(jì)（2）負(fù)電阻溫度系數(shù)；正電阻溫度系數(shù)超導(dǎo)（1）熱敏電阻測輻熱計(jì)；（2）金屬測輻熱計(jì)；（3）超導(dǎo)遠(yuǎn)紅外探測器（1）溫差電；（2）熱釋電其他熱電偶、熱電堆熱釋電探測器高萊盒，液晶等第七十四頁，共105頁。1.6.1內(nèi)光電效應(yīng)

1.光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種.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。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。種第七十五頁，共105頁。光電導(dǎo)現(xiàn)象——只發(fā)生在半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)，金屬?zèng)]有光電導(dǎo)效應(yīng)外電場作用下，載流子漂移運(yùn)動(dòng)：第七十六頁，共105頁。載流子濃度載流子的運(yùn)動(dòng)速度導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱（σ）在截面為S,長度為l的材料上流過電流I，則界面上的電流密度為J=I/S=E設(shè)導(dǎo)體的內(nèi)的電子數(shù)密度為n,電子的漂移速度vd,則電流強(qiáng)度為則電流密度為第七十七頁，共105頁。電場不很強(qiáng)時(shí)(E<103V/cm),Vd和E成正比，設(shè)比例系數(shù)為μ，則滿足關(guān)系式：Vd=μE,J=Eμ稱為載流子的遷移率，反映電子在晶體中運(yùn)動(dòng)能力的大小。第七十八頁，共105頁。電子電流：微觀角度：空穴電流：漂移電流宏觀角度：對(duì)半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率與遷移率成正比。第七十九頁，共105頁。載流子的漂移運(yùn)動(dòng)用半導(dǎo)體的電導(dǎo)率來描述：電導(dǎo)G半導(dǎo)體的電阻Rd：光照下在半導(dǎo)體中產(chǎn)生新的載流子，產(chǎn)生非平衡載流子n、p，第八十頁，共105頁。影響電導(dǎo)率因素：

1、載流子濃度相關(guān)影響因素2、載流子遷移率相關(guān)影響因素（平均自由時(shí)間）散射（碰撞）本征半導(dǎo)體:摻雜半導(dǎo)體:重?fù)诫s半導(dǎo)體近似:對(duì)n型半導(dǎo)體，n>>p,=nqn;對(duì)p型半導(dǎo)體，p>>n,=nqp;對(duì)本征半導(dǎo)體，p=n,=niq(n+p)第八十一頁，共105頁。光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長λ滿足如下條件：式中Eg是禁帶寬度,Ei是雜質(zhì)能帶寬度。第八十二頁，共105頁。n和p又稱之為光生載流子。顯然,n和p將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個(gè)量G,我們稱之為光電導(dǎo)。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別稱為本征和雜質(zhì)光電導(dǎo)。電導(dǎo)增量為電導(dǎo)的增加將在外電路電流增加iA=bxd第八十三頁，共105頁。在弱輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為材料有關(guān)性質(zhì)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長度l的平方成反比。

（1）在弱輻射作用下，光生載流子濃度Δny等于光生空穴濃度Δp，Δn=Δp，光電導(dǎo)靈敏度為可得

第八十四頁，共105頁。強(qiáng)輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性的。

（2）在強(qiáng)輻射的作用下

第八十五頁，共105頁。2.光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。

當(dāng)入射輻射作用在半導(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PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。

第八十六頁，共105頁。一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在其交接面處形成PN結(jié)。PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件，如結(jié)型晶體管、集成電路的心臟。pn結(jié)附近電離的受主、施主所帶電荷稱為空間電荷（不可移動(dòng)）。所在的區(qū)域?yàn)榭臻g電荷區(qū)第八十七頁，共105頁。熱平衡下，多數(shù)載流子的擴(kuò)散作用于少數(shù)載流子由于內(nèi)電場的漂移作用相抵消，沒有凈電流通過pn結(jié)。稱為零偏狀態(tài)。內(nèi)建電場空間電荷區(qū)PN空穴電子擴(kuò)散漂移如果pn結(jié)正向電壓偏置（p正，n負(fù)），則有較大正向電流流過pn結(jié)。若pn結(jié)反向電壓偏置，則有一很小的電流流過pn結(jié)。該電流在反向擊穿前幾乎不變，稱為反向飽和電流。第八十八頁，共105頁。pn結(jié)的伏安特性為：Id是暗電流，iso是反向飽和電流零偏條件下如果照射光的波長滿足條件：無論光照n區(qū)或p區(qū)，都會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。第八十九頁，共105頁。光照下，在P區(qū)光生空穴對(duì)空穴濃度影響很小，而對(duì)電子濃度影響很大，從P形成電子擴(kuò)散勢。若P區(qū)厚度小于電子擴(kuò)散長度，則電子進(jìn)入pn結(jié)，內(nèi)建電場掃向n區(qū)，光生電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場分開，p區(qū)、n區(qū)兩端形成負(fù)的開路電壓，稱為光生伏特效應(yīng)。第九十頁，共105頁。光伏現(xiàn)象——半導(dǎo)體材料的“結(jié)”效應(yīng)。光照下激發(fā)電子－空穴對(duì)時(shí)，內(nèi)建電場將電子空穴對(duì)分開，在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，形成光生伏特效應(yīng)。光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)——光伏效應(yīng)——光電池，u0=R0i0光照反偏工作時(shí)，觀察到的光電信號(hào)是光電流，不是光電壓，結(jié)型光電探測器的工作原理反偏pn結(jié)通常稱為光電二極管第九十一頁，共105頁。

當(dāng)內(nèi)建電場的方向?yàn)殡娏鞯恼较驎r(shí)，PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL，若入射輻射通量為Φe,λ作用于PN結(jié)上，在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過負(fù)載電阻的電流應(yīng)為

式中，IΦ為光生電流，Is為暗電流。

第九十二頁，共105頁。當(dāng)U=0（PN結(jié)被短路）時(shí)，輸出電流ISC即短路電流，并有

當(dāng)I=0時(shí)（PN結(jié)開路），PN結(jié)兩端的開路電壓UOC為

特殊：第九十三頁，共105頁。光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為

I=IΦ+Is

光電二極管的暗電流ID一般遠(yuǎn)小于光電流IΦ，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系

第九十四頁，共105頁。3.丹培(Dember)效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射，在曝光區(qū)由于本征吸收，產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。

由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。

第九十五頁，共105頁。丹培效應(yīng)產(chǎn)生的光生電壓n0、p0為熱平衡載流子的濃度；Δn0為半導(dǎo)體表面處的光生載流子濃度；μn=1400cm2/(V·s),μp=500cm2/(V·s)，顯然，μn>>μp。

半導(dǎo)體的迎光面帶正電，背光面帶負(fù)電，產(chǎn)生光生伏特電壓。這種由于雙極性載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速率不同而產(chǎn)生的光生伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。