光电技术总复习

第一章

紫外区 0.01μm~0.38μm 可见光区 0.38μm~0.78μm 红外区 0.78μm~1000μm 光学谱区0.01μm~1000μm 光子能量公式

()eV c

h h λ

λ

νε24

.1=

?=

?=

可见光光子的能量范围为3.2～1.6eV ；太赫兹波30～3000μm 辐射度学是一门研究电磁辐射能测量的科学，辐射度量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量。

光度学是一门研究光度测量的科学，光度学量是描述光辐射能为平均人眼接收所引起的视觉刺激大小的强度。

电磁波（Emission ） －－辐射度量， Xe 可见光（Visible light ）－－光度量， Xv

1．辐射能Qe 以辐射的形式发射、传播或接受的能量。单位： J

2．辐射通量Φe 单位时间内通过某截面的所有波长的总电磁辐射量，又称辐射功率，是辐射能的时间变化率。单位：W ［J/s ］ dt

dQ e

e =

Φ 3．辐射强度 在给定方向上的立体角元内，辐射源发出的辐射通量与立体角元之比

()Ω

Φ=

d d I e

e ?θ, 立体角：一个锥面所围成的空间部分称为“立体角”。以锥体的顶点为心作球面，锥体在球表面上所截得的表面积和球半径平方之比度量。 2r

S =Ω 计算辐射强度时注意三种情况：

a.所有方向上辐射强度都相同的点辐射源，有限立体角内发射的辐射通量为：Ω?=Φe e I

b.所有方向上辐射强度都相同的点辐射源，在空间所有方向上发射的辐射通量：e e I π4=Φ

c. 各向异性的辐射源，其辐射强度随方向而变化，即 ()θ?,e e I I = ， 点辐射源

在整个空间发射的辐射通量为：()()θθθ??θ?π

π

d I d d I

e e e sin ,,20

?

??=

Ω=Φ.

4．辐射出度Me 与辐射亮度Le

5． 辐射出度Me ：单位面发出的辐射通量 6. 辐射亮度Le ：垂直辐射方向上单位面积、单位立体角发出的辐射通量

光谱辐射量是该辐射量在波长λ处的单位波长间隔内的大小，又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率。

d d

e e ΦM S

=

()

θθ?θcos d d d cos d d ,e

2e e ??=

==ΩS ΦS I L

辐射度量与光度量间的换算关系 发光强度单位—坎德拉（Candela ），记作cd, 定义为555nm 辐射光在给定方向上的辐射强度为1/683W/sr 即λ=555 nm 时，有

例1-１ 已知某He-Ne 激光器的输出功率为3mW ，试计算其发出的光通量为多少lm ？ 解 He-Ne 激光器输出的光为光谱辐射通量，它发出的光通量为

辐射度学与光度学的两条基本定律

“余弦辐射体”或“朗伯辐射体”

2．距离平方反比定律

1.2 半导体的基础知识

1．原子能级与晶体能带 1.价带中电子，价电子－－不能参与导电 2.导带中电子，自由电子－－能参与导电 3.价电子--自由电子， 要吸收能量

本征半导体 结构完整、纯净的半导体称为本征半导体，又称I 型半导体。 杂质半导体 半导体中可人为掺入少量杂质包括N 型半导体 和 P 型半导体 N 型半导体：施主能级 P 型半导体：受主能级 总结：N 型半导体与P 型半导体的比较 半导体 所掺杂质 多数载流子（多子） 少数载流子（少子） 特性 N 型 施主杂质 电子 空穴 电子浓度nn>>空穴浓度pn P 型 受主杂质 空穴 电子 电子浓度np<<空穴浓度pp

1.2.2热平衡状态下的载流子

热平衡态 一个不受外界影响的封闭系统，其状态参量（如温度、载流子浓度等）与时间无关的状态称为热平衡态。

载流子的分布 导带中电子的浓度 价带中空穴的浓度 载流子的分布 服从费米统计分布规律

－－热平衡条件下，能量为E 的能级被电子占据的概率为： W/sr

6831sr lm 1cd 1v ===I ()683()()v e -3V = 6830.24310 = 0.492(lm)λλλ

Φ=?*Φ???0cos I I L S S ??θ==

?0cos I I θ

=2d cos d ΦI E S d θ==)

exp(

11

)(f

n kT

E

E E f -+=

Ef －－费米能级

Ef 的意义是电子占据率为50%时所对应的能级

1.2.3半导体对光的吸收

Φ(x)=Φ0(1－r)e-α

x μ为消光系数

本征吸收：光子能量足够大，价带中的电子激发到导带 产生电子－空穴 对

非本征吸收：光子能量不足以使价带中的电子激发到导带 ，包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收 .

1.2.4非平衡状态下的载流子

产生：－－使非平衡载流子浓度增加的运动 复合：－－使非平衡载流子浓度减小的运动 2.非平衡载流子的寿命

2. 非平衡载流子的寿命

τc 的物理意义： ① 表征复合的强弱

②τc 决定线性光电导探测器的时间特性

③τc 的大小与材料的微观复合结构、掺杂及缺陷 等因素有关。 τc 的适应条件：

－－本征吸收和杂质吸收，弱注入 1.2.5 载流子的扩散与漂移

1．扩散 载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称为扩散。扩散系数D 和扩散长度L 2．漂移 载流子受电场作用所发生的运动称为漂移。 电子迁移率 μ

1)PN 结的形成 浓度差异，扩散，形成：离子区 耗尽区 空间电荷区 ， 内建电场 (结电场)， 漂移，扩散==漂移 。 一个平衡系统只能有一个费米能级 黑体辐射和光辐射源

能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对黑体－－简称黑体

f E E =5

.0)(n

=E f 4πμαλ

=)

,(),(),(eb eb T E T T M λλαλ?=

1.基尔霍夫定律2．普朗克辐射定律3．维恩位移定律4．斯蒂芬—玻尔兹曼定律

普朗克辐射公式

－－光谱辐射能分布

维恩位移定律

－－峰值波长

斯蒂芬－玻尔兹曼定律

－－总辐射出度

必须满足上述三个激光产生的条件：

发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)和半导体激光器(laser Diode，简称LD)都属于发光器件，都采用pn结或异质结的注入式场致发光的方法发光。它们之间的主要区别是：发光二极管靠注入的载流子自发复合的自发辐射，发射的是非相干光；而半导体激光器靠受激辐射，发射的是相干光，光的单色性、方向性和亮度等都比发光二极管的好得多。

与其它发光器件相比，半导体发光器件具有体积小、工作电压低、功耗低、机械性能好、调制方便等优点。因而有着广阔的应用前景，目前主要用在信息的传递、处理、存贮和显示方面。LED多用于各种仪器仪表的指示器，数字、文字及其它符号的显示，光通信、精密测距及其它物理检测的光源。LD在通信、测距、光集成、信息的存贮和处理等方面具有重要的应用。可是这两类器件，目前还存在发光效率低、成本高、寿命还不够长等缺点，尚待进一步研究解决。

第二章

2.1 半导体的光电效应

光电效应：入射光辐射与光电材料中的电子相互作用，改变电子的能量状态，从而引起各种电学参量的变化。

包括：光电导效应、光伏效应、光电子发射效应、光子牵引效应和光磁电效应

利用光电效应制成的光电探测器称为光子探测器，如光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器等。

1.光电导效应

当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，因而导致材料电导率变化，这种现象称为光电导效应。

2.光伏效应

PN结受到光照时，可在PN结的两端产生电势差，这种现象则称为光伏效应。

3.光电子发射效应

金属或半导体受到光照时，电子从材料表面逸出这一现象称为光电发射效应。

－－又称外光电效应。逸出物质表面的电子叫做光电子。

真空能级E0 电磁真空中静止电子能量（体外自由电子最小能量）

2.2 光电探测器的噪声

噪声的表示方法用均方噪声

探测器的噪声1．热噪声(Johnson噪声) 2. 散粒噪声3．产生－复合噪声4．1/f 噪声5．温度噪声

1．热噪声(Johnson噪声)（白噪声）

2. 散粒噪声（Shot 噪声）

光电探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发下引起光电子或载流子的随机起伏 。

3．产生－复合噪声－－又称为g －r 噪声

半导体器件中由于载流子的产生与复合而引起的平均载流子浓度的随机起伏。

I

总的平均电流；M 为光电增益

4．1/f 噪声

1/f 噪声通常又称为电流噪声

－－也称为闪烁噪声或过剩噪声 5．温度噪声

热探测器中由于器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏 。 2.3 光探测器的特性参数

光电特性是指电学参量与光辐射参量之间的函数关系。

灵敏度是表征探测器将入射光信号转换成电信号能力的特性参数，又称为响应度（率）。

灵敏度是表征探测器将入射光信号转换成电信号能力的特性参数，又称为响应率。 SU(

λ)或SI(λ)随波长λ的变化关系称为探测器的光谱特性（曲线）。 灵敏度与量子效率

3．噪声等效功率

当探测器输出的信号电流I (或电压U)等于探测器本身的噪声电流(或电压)均方根值时，入射到探测器上的信号辐射通量称为噪声等效功率（简称NEP ） 噪声等效功率

－－又称为最小可探测功率 4

用单位带宽和单位面积的噪声电流来衡量探测器的探测能力 。

/W

Hz cm 1/2?

第三章光电导探测器

本征型 硫化镉CdS 碲镉汞Hg1-xCdxTe 锑化铟InSb 硫化铅PbS

杂质型 锗掺汞

Ge ：Hg 锗掺铜Ge ：Cu 锗掺锌Ge ：Zn 硅掺砷Si ：As 本征型光敏电阻：

杂质型光敏电阻：

光照时：

无光时：

（1）响应时间（上升时间） 等于载流子寿命且为常数

（2）稳态光电导 与产生率成线性关系，即与辐射通量成正比

光电导探测器平均光电流 ：

由此可得到两个结论：(1). 光电导探测器为受控恒流源 (2). 光电导探测器光敏面做成蛇形

光电阻Rp0--平均光照时

光敏电阻的阻值 U-- 光电阻Rp0上的分电压。 使用条件：光通量变化较小

0 1.240

()g g hc um E E λ

==0 1.24

()

hc um E E λ==??c

c Δ()(1e

)

t /p t g ττ-=-c

c

Δ()e

t /p t g ττ-=p n c 2z U e I hv l

ημτΦ

=

光敏电阻的光电流与入射光通量（光照度）之间的关系称光电特性 .

强光－－γ为0.5

弱光－－γ为1 α为电压指数，～1 Sg 比例系数，与材料有关

弱光－－线性（测量） 强光－－非线性（控制）

光电导探测器总的响应时间由探测器本身响应时间决定 ，与外接负载电阻大小无关。 光敏电阻噪声：

减小噪声途径：

－－光调制技术 －－致冷

－－合理偏置电路

(1)光电导器件在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降时间。( F ) (2)在测量某光电导器件的γ值时，背景光照越强，其γ值越小。( T )

(3)光敏电阻的恒压偏置电路比恒流偏置电路的电压灵敏度 要高一些。( F )

（4）光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高光敏电阻的阻值也随之升高。( F )

第四章

光伏效应：光照使不均匀的半导体或者均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电势差的现象称为光伏效应。

光伏探测器：利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探测器，简称PV （Photovoltaic ）探测器，也称结型光电器件。 常见的光伏探测器

1. 光电池

2. 光电二极管

3. 光电三极管

4. PIN 管

5. 雪崩二极管

4)

γαΦ

U S I g

=p β

αf f cI f eMI R f kT i i i i ?+?+?=++=442

nf 2ngr 2nr 2n

暗电流的影响：

1.弱光的测量

2.增大散粒噪声 暗电流减小方法： 1.降低温度 2.偏压为零或为负 等效电路 （意义：分析与计算）

负载电阻RL →∞，光伏探测器两端的电压称为开路电压

负载电阻RL=0，流过光伏探测器称为短路电流

光伏探测器的噪声主要包括器件中的散粒噪声和热噪声。

信噪比

噪声等效功率

6. 响应时间和频率特性

()

/0p d p

1eU kT I I

e

I I I =--=-oc 0ln /T U U SE I =（）

oc

p 0ln /1kT

U I I e =+（）sc p I I S E =-=-?2

n p d

L

42()kT f i e I I f R ?=+?+22

2

n p d

L 42()p p

I I SNR kT f

i e I I f R ==

?+?+2dn

i NEP S =

e L j R C

τ=HC e

12πf

τ=