光电检测基础知识

辐射度参数与光度参数的关系：

（13）

式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，其值为683lm/W。

V（λ)为人眼的光谱光视效率。

例: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，根据式（13）可以计算出它发出的光通量为 Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ =683×0.24×3×10-3 =0.492(lm) 基础知识（续） 2.物体热辐射

物体通常以两种不同形式发射辐射能量。

热辐射:辐射是温度的函数，发射连续光谱。如，太阳，钨丝白炽灯等，为热辐射体。 发光：靠外部能量激发的辐射，主要为线光谱或带光谱。如，电致发光，光致发光，化学发光等。 (1) 黑体

黑体: 能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数为1，发射系数也为1。 (2)普朗克辐射定律

? 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗

克公式表示为

2 2πchMe,s,??hc（22）

5?kT?(e?1)

? 式中，k为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；T为绝对温度；c为真空中的光速。 黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为 22ch Le,s,??hc5?kT ?(e?1)

2 2chAcos?Ie,s,??hc（23）

5?kT?(e?1)

图1-2 绘出了不同温度下，黑体辐射的相对光谱辐亮度Le,s,λr与波长的关系曲线。图中每一条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。

Xv,??KmXe,?V(?)(3)斯忒藩-波尔兹曼定律

将式（22）对波长λ求积分，得到黑体发射的总辐射出射度 ?Me,s??M0d???Te,s,?4（24）

式中，σ是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定 542πk?8?2?4 ???5.67?10WmK3215hc

黑体发射的总辐射出射度 Me,s与T的四次方成正比 。 (4) 维恩位移定律

将普朗克公式（22）对波长λ求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐射出射度所对应的波长λm与绝对温度T的关系为

2898?m?(μm) （25）

T

可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。 （5）辐射体的温度表示

绝大多数辐射体是非黑体：灰体（发射率小于1）和选择性辐射体（光谱发射率是波长的函数）。

热辐射体可用三种温度来标测：辐射温度，色温和亮温度。

辐射温度Te：当热辐射体的总辐射通量与黑体的总辐射通量相等时,以黑体的温度标度热辐射体的温度，即为辐射温度。

色温Tf ：当热辐射体在可见区发射的光谱辐射分布与黑体的相同时，以黑体的温度标度热辐射体的温度，称为热辐射体的色温。 亮温度Tv ：当热辐射体在可见区某一波长的辐亮度与黑体的相等时，以黑体的温度标度热辐射体的温度，称为亮温度。

三种温度标测中，色温与实际温度的偏差最小，亮温度次之，辐射温度偏差最大。因此，通常测量色温来代表炽热物体的温度。 晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx

晴天室内北窗附近照度约为2000lx 晴天室内中央照度约为200lx 晴天室内角落照度约为20lx 阴天室外50—500lx 阴天室内5—50lx 月光（满月）2500lx 日光灯5000lx

电视机荧光屏100lx

阅读书刊时所需的照度50~60lx

在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx 晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜0.001lx

3.半导体基础知识

? 导体、半导体和绝缘体 ? 半导体的特性 ? 半导体的能带结构

? 本征半导体与杂质半导体 ? 平衡和非平衡载流子 ? 载流子的输运过程 ? 半导体的光吸收 ? PN结

导体、半导体和绝缘体

? 自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。

? 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。 ? 电阻率10-6 ~10-3欧姆?厘米范围内——导体 ? 电阻率1012欧姆?厘米以上——绝缘体 ? 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体

? 半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电

探测器件。

? 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为

5*10-6/(欧姆?厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆?厘米)) ? 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。 本征和杂质半导体

? 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。

? 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。 ? 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。 ? 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。

? 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导

体成为电子导电的n型半导体。

? 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导

体成为空穴导电的p型半导体。

平衡和非平衡载流子

? 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态

下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。

? 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热

平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。

? 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一

部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。

非平衡载流子的产生

? 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。

? 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产

生电子－空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。 ? 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 ? 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。 ? 其它方法：电注入、高能粒子辐照等。

载流子的输运过程

? 扩散 ? 漂移

? 产生与复合 半导体对光的吸收

? 物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。 ? 吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收 ? 本征吸收——由于光子作用使电子由价带跃迁到导带

? 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发 本征吸收:

h??Eg??Eg/hv?c/???hc/Eg?1.24Eg(?m)?0?hc/Eg?1.24Eg本征吸收的长波限杂质吸收和自由载流子吸收

? 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能

? 由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区

1.24

?? ?Ed(?Ea)? 自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。 杂质吸收:

N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能ΔED，杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为自由电子。

同样，P型半导体中，价带上的电子吸收了能量hv大于ΔEA（受主电离能）的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴吸收光子能量跃入价带。

? 这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生电离的过程称为杂质吸收。 显然，杂质吸收的长波限

1.24

?L? ?ED

1.24?L?

?EA

由于Eg>ΔED或ΔEA ，因此，杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质吸收会改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。 自由载流子吸收