第01章_光辐射探测的理论基础
第一章-光辐射与发光源
W／(m2·μm)
二、光度的基本物理量
• 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光 辐射计量单位。
（人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射
度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）
• 辐射度学的基本物理量Qe、Φe、Ie、Me、Le、Ee • 光频区光度基本物理量Qv、Φv、Iv、Mv、Lv、Ev
• 定义完全一一对应，其关系如表l—2所示。
光视 效 率
0.4
0.2
0.0 400
500
600
700
800
波 长 (nm)
• 光通量与辐射通量之间的关系
v Kme V
• 光度量与辐射度量的关系式的一般函数式
X v
Km
780 380
X
e
V
d
• 在光度学体系中，基本单位是发光强度Iv，其单位 是坎德拉cd。
• 坎德拉cd定义： • 当单色辐射光源频率为540×1012Hz，
表1-2 辐射度量和光度量之间的对应关系
辐射度物理量
光度量物理量
物理量名称
符号 定义或定义式
单位
物理量名称 符号 定义或定义式
单位
辐射能
Qe
hν
J
辐射通量
Φe
Φe=d Qe/dt
W
光量
Qv
Qv=∫Φvdt
lm·s
光通量
Φv
Φv=∫ IvdΩ
lm
辐射出射度
Me Me＝dΦe／dS W／m2
光出射度
Mv Mv＝dΦv／dS lm／m2
3. 绝对黑体(简称黑体)：
• 在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收 率等于l，即αλ（T）≡l
三度学习题与思考题(理论部分)
《辐射度、光度与色度及其测量》习题及思考题第一章辐射度量、光辐射度量基础1.通常光辐射的波长范围可分为哪几个波段？2.简述发光强度、亮度、光出射度、照度等定义及其单位。
3.试述辐射度量与光度量的联系和区别。
4.人眼视觉的分为哪三种响应？明暗和色彩适应各指什么？5.何为人眼的绝对视觉阈、阈值对比度和光谱灵敏度？6.试述人眼的分辨力的定义及其特点。
7.简述人眼对间断光的响应特性，举例利用此特性的应用。
8.人眼及人眼－脑的调制传递函数具有什么特点？9.描述彩色的明度、色调和饱和度是怎样定义的，如何用空间纺锤体进行表示？10.什么是颜色的恒常性、色对比、明度加法定理和色觉缺陷。
11.简述扬-赫姆霍尔兹的三色学说和赫林的对立颜色学说。
12.朗伯辐射体是怎样定义的？其有哪些主要特性？13.太阳的亮度L＝1.9⨯109 cd/m2，光视效能K＝100，试求太阳表面的温度。
14.已知太阳常数(大气层外的辐射照度)E=1.95 cal/min/cm2，求太阳的表面温度(已知太阳半径R s=6.955⨯105 km，日地平均距离L=1.495⨯109 km)。
15.某一具有良好散射透射特性的球形灯，它的直径是20cm，光通量为2000lm，该球形灯在其中心下方l=2m处A点的水平面上产生的照度E等于40lx，试用下述两种方法确定这球形灯的亮度。
(1)用球形灯的发光强度；(2) 用该灯在A点产生的照度和对A点所张的立体角。
16.假定一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气灯泡在各方向均匀发光，求其发光强度。
17.有一直径d=50mm的标准白板，在与板面法线成45︒角处测得发光强度为0.5cd，试分别计算该板的光出射度M v、亮度L和光通量Φv。
18.一束光通量为620lm，波长为460nm的蓝光射在一个白色屏幕上，问屏幕上在1分钟内接受多少能量？19.一个25W的小灯泡离另一个100W的小灯泡1m，今以陆米－布洛洪光度计置于两者之间，为使光度计内漫射“白板”T的两表明有相等的光照度，问该漫射板T应放在何处？20.氦氖激光器发射出波长632nm的激光束3mW，此光束的光通量为多少？若激光束的发散半角1mrad，放电毛细管的直径为1mm，并且人眼只能观看1cd/cm的亮度，问所戴保护眼镜的透射比应为多少？21.在离发光强度为55cd的某光源2.2m处有一屏幕，假定屏幕的法线通过该光源，试求屏幕上的光照度。
光学辐射探测
光学辐射探测的应用——基于红外成像的生命探测仪1光学辐射探测简介光学辐射是波长10nm～1mm之间的电磁辐射，包括紫外光、红外光以及可见光，可见光波长380～780nm，由于光波是电磁波的一种，因而它具有电磁波的基本特性。
以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，可以用平面镜、透镜或棱镜之类的光学元件反射、成像或色散，这种能量传播的过程称为辐射。
辐射度学：是一门测量电磁辐射的科学和技术。
在整个电磁辐射波谱范围内，不同波段的辐射能可以用不同的测量方法进行测量[1]。
光辐射探测器是一种用来探测光辐射的器件（军用光学中最常用的是可见光和红外辐射），它通过把光辐射转换成易于测量的电量来实现对光辐射的探测，是光探测系统的重要组成部分。
为了深入研究光辐射的探测过程以及对光探测系统的性能进行正确的分析计算，首先要了解光辐射探测器赖以工作的物理效应、光电转换的基本规律和光辐射探测器的特性参数。
从不同的角度出发可以将光辐射探测器分为不同的类型。
按其是否成像可以分为成像型和非成像型辐射探测器，按工作方式可以分为相干探测和非相干探测，按其反应机理可以分为光子探测器和热探测器，按其结构可分为单元和多元探测器，下面就部分类型进行介绍：热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。
这是一类研究最早并且较早得到实际应用的探测器。
由于其中的相当多探测器不需制冷，以及在全部波长上具有平坦响应两大特点，一直有广泛的应用。
而另外由于其在红外热辐射领域具有较好的大气传输特性，因此，红外热辐射的探测近年已经成为军事及民用发展的重要方向。
2红外热成像技术红外热成像技术最早在军事领域得到广泛应用，并且已经成为军事应用中具有重要战略地位的高新技术手段。
除此之外，红外成像技术还应用于各个方面，比如：应用于卫星的侦查、遥感和预警，对国家安全和经济利益有重大的影响；应用于战场系统中，避免电磁干扰，获取战场信息优势，成为获得胜利的主要技术；服务于飞机、舰艇、车辆的夜间导航与侦查，现代装备大部分装有红外仪器；应用于导弹的精确制导方面，成为重要反坦克导弹和肩射地空导弹发射的热瞄具；广泛应用于海上巡逻与救援、编队航行等方面。
第一章辐射度与光度基础教材
图1 电磁辐射波谱
8
2. 光辐射
以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可
以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程 称为光辐射。 一 般 认 为 其 波 长 在 10nm~1mm ， 或 频 率 在 31016Hz~31011Hz范围内。 一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三 部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。
单位：瓦特/球面度米2（W/sr m2）。
d
d
dS S
图2 辐射亮度示意图
22
⑹ 辐射照度：在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA 上的辐射通量与该面元的面积之比。即
Ee
de dA
单位：（W/m2）。
(1.2-9)
⑺ 单色辐射度量：对于单色光辐射，同样可以采用上述物 理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量， 并且对所有辐射量X来说单色辐射度量与辐射度量之间均满 足
Iθ=I0cosθ θ=90°时，Iθ=0
35
二、距离平方反比定律: 描述点辐射源产生的照度的规律。
设：点辐射源的辐射强度为I;源到被照表面P点的距离为d （P点为小面 元dA）;小面元dA的法线与到辐射源之间的夹角为θ， 求：点辐射源在P点产生的照度
X e 0 X e, d
(1.2-10)
23
§ 1-2. 光度的基本物理量
由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射 度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在 光频区域，光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的 来表示，其定义完全一一对应。
9
光电探测基础全面讲解
1 m
1 nm
。
1A
1 X射 线 单 位
。
1 A
图 1.1-1 电磁波谱图
第1章 光电探测基础
表1.1-1 光波段单光子能量表
第1章 光电探测基础
1.1.1 光电系统的基本模型
与电子系统载波相比， 光电系统载波的频率提高了几个量级。
这种频率量值上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变， 在功能上
第1章 光电探测基础
第1章 光电探测基础
1.1 光电系统描述 1.2 光接收机视场 1.3 光电探测器的物理效应 1.4 光电转换定律和光电子计数统
计 1.5 光电探测器的性能参数 1.6 光电探测器的噪声
第1章 光电探测基础
1.7 辐度学与光度学 1.8 背景辐射 1.9 探测器主要性能参数测试 习题与思考题
第1章 光电探测基础
均匀光源当发光面积为As， 辐射角为Ωs时， 所辐射的总功率为
Ps=LAsΩs
(1.1-1)
对于辐射对称型光源， 立体角Ωs与平面辐射角θs的关系为(参见
图1.1-5)
Ωs=2π［1-cos(θs/2)］
(1.1-2)
第1章 光电探测基础
光束形 成系统
光源
dt
透 镜 直径
光束角
Gr
4 b
4d
t
2
(1.1-6)
第1章 光电探测基础
14 0
13 0
0.5 m
12 0
10 m
122 dB
11 0
光 束 /角rad 4
增 益 / dB 1 GHz
10 0
40
95 dB
90
80
光学辐射探测课件
光学辐射探测课件第一章绪论二十一世纪是光的世纪，这句话实际上在数十年前已经提出，但当时大多数人似乎还难于理解它的含义，事实上在以前由于受到器件、技术以及设备等等的限制，光学技术在高新技术领域的应用范围还是非常窄的，当时的光电领域所提及的光电产品无非是一些最常用的器件、设备和仪器，譬如说是电灯、电话、电视等，而随着现代科技的飞速发展，光学技术的应用领域正以惊人的速度扩展，光学技术的应用主要是在光探测领域的应用，包括从紫外到超远红外波段乃至亚毫米波段的成像探测与非成像探测；光通信技术中的应用，由于光通信所用的波长在0.8～1.7μm，之间，其频率比微波要高3～4个数量级，因此其通信容量也有要高3～4个数量级，事实也证明是一种效率极高的通信方式；计量学中的应用，如干涉测长，激光测速；全息技术应用，如全息干涉度量技术信息的全息存储、全息瞄准等；光纤传感技术，有光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤光谱传感器、光纤磁场传感器等；光盘技术，有光盘的记录与读取；激光加工：有激光打孔、切割、焊接、激光热处理等激光加工技术；激光武器：当前欧美等国都倾向于应用高能化学激光器。
化学激光器在各类激光器中亮度、连续平均功率最高，输出功率最高达兆瓦级。
在波段及化学激光器应用方面，现有波长 1.31μm的氧化碘(IO)、2.8μm的氟化氢(HF)及3.8μm氟化氘(DF)三种激光器。
氧碘型高能激光器的工作波段低于水蒸气吸收截止波长（1.72μm)，可用于机载或地面作战平台(如空军机载激光器采用氧碘型)，氟氢型的波段正处于大气吸收严重的2.6～3μm范围内，用于天基反导武器，而氟氘型的波长正处于3.6～4μm大气窗口波段，用于舰载及陆军的综合反导武器。
中国在2000年以前就已经实现了化学激光武器的重大突破，而这话出自于范滇元之口，权威性是毋庸置疑的，因为范滇元是我国强激光领域的权威，“神光”2号和3号的总工程师。
化学激光器是用化学反应來产生激光的．如氟原子和氢原子发生化学反应时, 能生成处於激发状态的氟化氢分子．這样, 当两种气体迅速混合后, 便能产生激光, 因此不需要别的能量, 就能直接从化学反应中获得很强大的光能．這类激光器比较适合於野外工作, 或用於军事目的, 令人畏惧的死光武器就是应用化学激光器的一项成果．从这里我们也可以看出，有相当数量的光学技术或其应用是同光学辐射的探测技术紧密相关的，如光探测、干涉计量、光纤通信、光纤传感等等，因此光学辐射探测学应该说是一门在当今科学技术高度发展的社会非常重要的课程，本课程的地位是十分重要的。
光电子学教程_课后作业答案
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
2. 说明相干长度相干时间与光源的关系：相干面积，相干体积的 物理意义。 答：根据
lc c c , c 1 1 c c , lc
故：光源频率宽度 越窄，相干时间越长，相干长度也越长。 根据P49(3-1-12),相干面积的物理意义：从单位面积光源辐射出的 光波，在其传播方向上发生相干现象的任一截面面积范围为辐 射波长λ与该截面至光源距离R的乘积的平方。
好好学习，天天上上
9. 经典物理观点：跃迁所发出的电磁波不是单色波，而是分 布在中心频率附近的一个小的频率范围的单色波的组合， 在谱图上正好表现为一定宽度。 量子力学观点：由测不准关系，在某一时刻，粒子所处的 能级也是不确定的，即能级不是单一的，跃迁的结果也就 相当发出了多种不同频率的光子，形成了谱线宽度。自发 辐射过程中这种增宽效益是不可避免的，也是谱线宽度所 能达到的最低值，因而决不存在线宽为0的情况，即不可 能发出绝对的单色光。 由此可见，没有绝对单一波长的光波存在。
1好好学习天天上上03电子科学与技术光电子学课程作业光电子学课程作业参考用标准答案参考用标准答案202162203电子科学与技术章节目录第五章第五章光辐射的探测光辐射的探测第四章第四章光辐射在介质中波导中的传播光辐射在介质中波导中的传播第三章第三章激光振荡与工作特性激光振荡与工作特性第二章第二章介质中的光增益介质中的光增益第一章第一章光与物质相互作用基础光与物质相互作用基础第六章第六章发光器件发光器件第七章第七章光电转换器件光电转换器件第八章第八章第八章第八章光波调制光波调制03电子科学与技术电子科学与技术companylogo好好学习天天
1 I ( x) G ln x I0
1 1 ln 2 ln 8 5 x
光电子器件 第1章_光电导探测
th
hc
Ei
1.24 (m)
Ei (eV )
光电导探测器
1.2 光电导探测器原理
❖ 内光电效应: 材料在吸收光子能量后，出现 光生电子空--穴，由此引起电导率变化或电 流电压现象，称之为内光电效应，是相对于 外光电效应而言的。
❖ 光电导效应：当半导体材料受光照时，吸收 光子引起载流子浓度增大，产生附加电导率 使电导率增加，这个现象称为光电导效应。
的带宽等，测量 值的D(T, f,f)如(500, 900,
5) 。
为了描述单色情况，还引入光谱探测率 D* (, f , f )
它表示器件对波长为 的辐射的探测率.
D 目前基本上用D
取代了D，若无特殊说明，本书所称的
探测率均指
而言。
1.1.3 光吸收系数
❖ 光入射到材料，会发生吸收、色散、反射、 折射等现象。对半导体而言，材料吸收光的 原因，在于光与处在各种状态的电子、晶格 原子和杂质原子的相互作用。
I I0e x
如果样品厚度为d，则样品吸收的光强度ΔI为：
I I0 (1 e d )
可见吸收系数大，光吸收主 要发生在材料的表层。吸收 系数小，光入射得深。
❖ 当36厚%，度此d=时1/的α时厚，度光称强为I=吸I收0/e厚, 约度为，入有射64光%强的的光在 1/α厚度内被吸收，即在吸收厚度内吸收了大部分 的光，如图1-5。
场强度成正比。
Vd =μE
μ称为电子迁移率，表示单位电场下电子的平均漂
移速度，单位m2/V·s， μ值与材料特性有关，
❖ 电导率和迁移率间的关系
J neE E
ne
3．半导体的电导率
E0
E
电子漂移方向
光辐射探测器
d ( ∆n ) ∆n =− dt τ 光照下的稳态值） t=0时 t=0时, ∆n = τG（光照下的稳态值）
停光时
∆n = τGe
−t / τ
光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命τ 光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命
2.半导体材料受正弦型光照 2.半导体材料受正弦型光照 即正弦调制光） （即正弦调制光）: d (∆n) ∆n i ωt = Ge − dt τ τG 可得出 ∆n = e iωt 1 + iωτ ∆n ∆n0 τG ∆n = = 2 2 1 + (ωτ ) 1 + (ωτ ) 1 1 当 ω= ∆n = ∆n0 τ 2 上限截止频率 1 1 fc : 2πf c = fc = 3dB 带宽 τ 2πτ
n = Nce
[ − ( Ec − E f ) / kT ]
p = Nve
[ − ( E f − Ev ) / kT ]
np = N c N v e
− ( Ec − Ev ) / kT
= Nc Nve
− E g / kT
上式表明：禁带愈小，温度升高， 上式表明：禁带愈小，温度升高， np就愈大 导电性愈好。 就愈大， np就愈大，导电性愈好。 在本征半导体中， 在本征半导体中， ni = pi = ( N c N v ) 则有
I: ni = pi N:
nn > pn
室温下 n n ≈ N（施主浓度） D 施主浓度）
P: n p < p p 全电离时 p p ≈ N（受主浓度） A 受主浓度）
一、热平衡状态下的载流子浓度 1 1.26） 由（1.26）式， f ( E ) = ( E − E f ) / kT 1+ e
辐射探测学复习要点
辐射探测学复习要点第一章辐射与物质的相互作用〔含中子探测一章〕1.什么是射线？由各种放射性核素发射出的、具有特定能量的粒子或光子束流。
2.射线与物质作用的分类有哪些？重带电粒子、快电子、电磁辐射〔γ射线与*射线〕、中子与物质的相互作用3.电离损失、辐射损失、能量损失率、能量歧离、射程与射程歧离、阻止时间、反散射、正电子湮没、γ光子与物质的三种作用电离损失：对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。
辐射损失：快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；辐射损失率与带电粒子静止质量m 的平方成反比。
所以仅对电子才重点考虑辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射而损失的能量。
能量损失率：指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领。
按能量损失作用的不同，能量损失率可分为"电离能量损失率〞和"辐射能量损失率〞能量歧离(Energy Straggling)：单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的〔对一组粒子而言〕，而发生了能量的离散。
电子的射程比路程小得多。
射程：带电粒子在物质中不断的损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿初始运动方向所行径的最大距离称作射程，R。
实际轨迹叫做路程P。
射程歧离(Range Straggling)：由于带电粒子与物质相互作用是一个随机过程，因而与能量歧离一样，单能粒子的射程也是涨落的，这叫做能量歧离。
能量的损失过程是随机的。
阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体所需要的时间可由射程与平均速度来估算。
与射程成正比，与平均速度成反比。
反散射：由于电子质量小，散射的角度可以很大，屡次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。
正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射γ光子与物质的三种作用：光电效应〔吸收〕、康普顿效应〔散射〕、电子对效应〔产生〕电离损失、辐射损失：P1384.中子与物质的相互作用，中子探测的特点、根本方法和根本原理中子本身不带电，主要是与原子核发生作用，与γ射线一样，在物质中也不能直接引起电离，主要靠和原子核反响中产生的次级电离粒子而使物质电离。
第1章光辐射探测的理论基础
第1章 光辐射探测的理论基础1-1 若取X 射线的波长为10-4μm ，分别计算X 射线和太赫兹波光子能量范围。
设想用太赫兹波进行人体透视检查，对人体有没有副作用？为什么？1-2* 用目视观察发射波长分别为435.8nm 和546.1nm 的两个发光体，它们的亮度相同，均为3cd ／m 2。
如果在这两个发光体前分别加上透射比为10-4的光衰减器，问此时目视观察的亮度是否相同?为什么?（提示：利用图1-5分析）1-3 一支氦-氖激光器(波长为632.8nm)发出激光的功率为2mW 。
该激光束的平面发散角为1mrad ，激光器的放电毛细管直径为1mm 。
求该激光束的光亮度，并与太阳光在海平面的亮度比较。
1-4 一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m 的高处，用照度计测得正下方地面上的照度为30lx ，求出该白炽灯的光通量。
、1-5* 试证明：N 型半导体受强光照射后突然停光，材料中的非平衡载流子随时间的变化关系为()()()1001p t p r p t ∆=∆∆+ 式中，()0p ∆为光照刚停时(t=0)的光生载流子浓度；r 为电子-空穴复合概率。
由此得到强注入条件下，载流子寿命为多少？它与弱注入条件时有何区别？1-6对于N 型半导体来说，以下说法正确的是（ ）： A 费米能级靠近于价带顶；B 空穴为多子；C 电子为少子；D 费米能级靠近导带底。
1-7 为什么量子效率一般小于1，而光电增益可以大于甚至远大于1？二者有何区别？1-8 PN 结加正向偏压，不利于结区光生电子-空穴对的分离，光电效应不明显，为什么？1-9 依据光照产生光电子是否逸出材料表面，光电效应可以分为内光电效应和外光电效应。
所学过的光电效应中，哪些属于内光电效应？哪些属于外光电效应？为什么外光电效应对应的截止波长比较短？1-10 何谓“白噪声” ? 何谓“1／f 噪声”?采用什么措施可降低电阻的热噪声和1／f 噪声?1-11 探测器的D *=1011cm·Hz 1/2·W -1，探测器光敏面的直径为0.5cm ，用于Δf = 5×103Hz 的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少?1-12 某一干涉测振仪的最高频率为20MHz ，选用探测器的时间常数应小于多少?1-13 某一金属光电发射体有2.5eV的逸出功，并且导带底在真空能级下7.5eV；试计算：(a)产生光电效应的长波限。
第1章 光电检测技术中的基础知识
（2）空穴扩散电流密度
J
pD
qD
d ( p )
p
dx
Dn和Dp是电子和空穴的扩散系数,式中负号表示空穴扩 散方向由高浓度向低浓度运动。
2、漂移运动
漂移运动是在电场作用下，除了热运动之外获得的 附加运动。 如在外加电场的作用下，电子的电流密度：
（2） 发光强度Iv：点光源单位立体角内所发出的光 通量，称为光源在该方向上的发光强度。
I v d v / d
单位：cd ，是国际单位制中七个基本单位之一。 1cd是指光源在给定方向上发出波长为555nm的单 色辐射，且其辐射强度是1/683W/sr。
意义：描述光源发出的光通量在空间一定范围内的分布 值。
cd,lm/sr
nt, cd/m2 lx,lm/m2 lx,lm/m2
I d / d
L d / d dA cos
2
＝ dI / dA cos
辐射出射度 Wm-2 辐射照度 Wm-2
M d / dA
E d / dA
辐射度学与光度学的比较 1、两者的相同点： ①光度量和辐射度量的定义、定义方程是
3、非平衡载流子的产生 产生非平衡载流子的方式：光照、电注入或其他能 量传递方式。 如：光照产生非平衡载流子的过程，如图所示：
n
光照
p
在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度 小很多，如n型材料，△n≤n0, △p≤n0,满足这个条件称小注入。
4、非平衡少数载流子寿命
有光等外界影响发生时，载流子产生率大于复合率，并最 终平衡；光等外界因素消除时，复合率大于产生率，并最后 趋于平衡。 当给半导体材料去掉外界条件（停止光照）时，由于净复 合的作用，非平衡载流子会逐渐衰减以致消失，最后载流子 浓度恢复到平衡状态时的值。但非平衡载流子不是立刻消失， 而是有一个过程，即他们在导带和价带上有一定的生存时间。 这些非平衡少数载流子在半导体内平均存在的时间称为非平 衡载流子的寿命，简称少子寿命， 用τ 表示。非平衡少数 载流子寿命的衰减规律成指数衰减
半导体物理基础-光辐射探测的理论基础
或
0
hc Ea
1.24 μm
Ea
本征吸收
0 杂质吸收
波长增大
本征吸收与非本征吸收比较：
本征吸收
0 杂质吸收 0 波长增大
本征吸收
0
0 波长增大
杂质吸收
???
1.2 半导体的基础知识
1.2.1 能带理论 1.2.2 热平衡状态下的载流子 1.2.3 半导体对光的吸收 1.2.4 非平衡状态下的载流子 1.2.5 载流子的扩散与漂移
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 半导体的基础知识
1.2.1 能带理论 1.2.2 热平衡状态下的载流子 1.2.3 半导体对光的吸收 1.2.4 非平衡状态下的载流子 1.2.5 载流子的扩散与漂移
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
光生电子－空穴对的直接复合率可用材料中少子的 变化率表示为
dp(t) dp(t)
dt
dt
G0 R
rn0 p0 rn0 n(t) p0 p(t)
弱注入
dΔp(t)
Δn(t) =Δp(t)<< n0
dt rn0Δp(t)
2.非平衡载流子的寿命
以N型为例，计算弱注入条件下少子的寿命
dΔp(t) dt rn0Δp(t)
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．扩散
定向运动： 浓度高
浓度低
扩散电流：因扩散形成的电流
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
电子电流： n nen
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自由电子数>>空穴数目 ? (多子) (少子) “Negative”——N型半导体
1.2.1能带理论
P型半导体能带
本征半导体
N型半导体
P型半导体
P型半导体
B
1.2.1能带理论
B
B
B
B
含有三种载流子：
( 本征）自由电子 （本征）空穴 （杂质）空穴
空穴数目>>自由电子数目？ (多子) (少子)
Qe Φe Ee Me Ie Le
Qv Φv Ev Mv Iv Lv
3．辐射度量与光度量间的换算关系
国际单位制中七个基本单位之一 ： 发光强度单位—坎德拉（Candela），记作cd。 即λ=555 nm时，有
1 lm 1 I v 1cd W/sr sr 683
λ=555 nm时
1W 683lm
比 较： 辐射照度Ee 辐射出度Me
例：常见的几种显示器
为了反映显示屏的特性，用上述哪个参数描述 合适？为什么？
为了描述显示器的每个局部面元在各个方向的辐射能力，最适合的辐射度量是 （ ） A 辐射照度 B 辐射强度 C 辐射出度 D 辐射亮度
6．光谱辐射量
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。 光谱辐射通量Φe(λ)： 光谱辐射通量与波长的关 系：
1．辐射强度余弦定律
“余弦辐射体”或“朗伯辐射体” 特点：各方向的辐射亮度是一样的
I0 I L dS dS cos
N I0
I I 0cos
重要结论：（自行推导）
I
dS
M πL
2．距离平方反比定律
两条基本定律
点光源A，距离光源为R微面元dS，照度：
dΦ Icos E 2 dS R
2．半导体能带
以硅晶体为例
室温或光照射
共价键 电子—空穴对 －－载流子 －－本征激发
1.2.1能带理论
两种载流子
摘自教育部新世纪 网络课程《电子技 术》—大连海事大 学制作
巢湖学院
College of Chaohu
1.2.1能带理论
N型半导体能带
本征半导体
巢湖学院
N型半导体
施主能级？
College of Chaohu
1．原子能级与晶体能带
……
电子能量
1.2.1 能带理论
N个原子
导带 Ec
禁 禁 (a) (b) 带 带 Eg
导带Ec 禁带Eg 价带Ev
价带 Ev
为什么只考虑导带与价带之间的禁带？
1.2.1能带理论
绝缘体、半导体、金属的能带图
SiO Eg=5.2ev 电阻率1012Ω·cm
Si Eg=1.1ev 10-3—1012Ω·cm
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
dΦe I e , dΩ
单位：W/sr(瓦/球面度) 辐射强度反映了辐射源 能量分布的什么特点？ 辐射源多为各向异性的，即Ie随
( , ) 方向而改变
4．辐射出度Me与辐射亮度Le
辐射出度Me
Me dΦe dS
" Positive" P型半导体
1.2.1能带理论
(a)I型；
(b)N型；
(c)P型
N型半导体：施主能级 P型半导体：受主能级
掺杂百万分之一的杂质, 载流子浓度提高百万倍
2．半导体能带
1.2.1能带理论
(a) 本征半导体
(b) N型半导体
(c) P型半导体
－－三者的差异？？？
1.2.1能带理论
N个原子
导带 Ec
禁 禁 带 带 Eg
价带 Ev
a)单个原子
b)N个原子
电子共有化，能级扩展为能带
1．原子能级与晶体能带
……
电子能量
1.2.1 能带理论
N个原子
导带 Ec
禁 禁 (a) (b) 带 带 Eg
导带Ec 禁带Eg 价带Ev
价带 Ev
特别指出：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
1.1.1 光的基本概念
1.1.2 辐射度量 1.1.3 光度量 1.1.4 两条基本定律
巢湖学院 College of Chaohu
1.1. 2 辐射度量
辐射度学是一门研究电磁辐射能测量 的学科。 本课程限于光学波段的研究讨论。 辐射度学 电磁波 客观
光度学
可见光
主观（生理、心理）
1.1. 2 辐射度量 电磁波（Emission ） －－辐射度量， Xe 可见光（Visible light ）
－－光度量， Xv
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1.1. 2 辐射度量
1．辐射能Qe
单位： J
2．辐射通量Φe 又称辐射功率， 简称功率 单位： W
计算光电探测器的光电转换能力常用辐射功率
分析强光对光电探测器破坏机理常用辐射能量
3．辐射强度
I e ( , )
Intensity
光电技术常用的光波波段
远近紫外波段 近红外波段 远红外波段
8
可见光波段
中红外波段
导弹羽烟 警用紫外成像
红外制导 红外预警
激光雷达 激光通信
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光电技术常用的光波波段
远近紫外波段 近红外波段 远红外波段
8
可见光波段
中红外波段
已开发利用波段
待开发利用波段
巢湖学院
Eg=0 10-6—10-3Ω·cm
半导体具有独特光电特性－－重要应用价值
1.2.1能带理论
2. 半导体分类
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
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1.2.1能带理论
1.1.1 光的基本概念
国家安全新概念：
领土安全、领空安全、领海安全、太空安全、电磁空间安全
1.1.1光的基本概念 国家安全新概念：
电磁空间安全 －－光学波段
1.1.1光的基本概念
光学谱区 可见光区
红外区
0.01μm~1000μm 0.38μm~0.78μm
0.78μm~1000μm
紫外区
0.01μm~0.38μm
1.1 辐射度学与光度学的基础知识
1.1.1 光的基本概念
1.1.2 辐射度量 1.1.3 光度量 1.1.4 两条基本定律
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1.1.4辐射度学与光度学的两条基本定律
1．辐射强度余弦定律
2．距离平方反比定律
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两条基本定律
College of Chaohu
1.1.1光的基本概念
3．光子能量公式
光既是电磁波（波动性）又是光子流（粒子性）
可见光光子的能量范围为3.2～1.6eV 太赫兹波30～3000μm
能量范围为0.04？～4e-4？eV
hc
1.24
( eV )
太赫兹波30～3000μm 与X射线比较：
1.1 辐射度学与光度学的基础知识
总结：N型半导体与P型半导体的比较
半导体
多数载流 少数载流 所掺杂质 子（多子） 子（少子） 施主杂质 电子 空穴
特性 电子浓度 nn>>空穴 浓度pn 电子浓度 np<<空穴 浓度pp
N型
P型
受主杂质
空穴
电子
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1.2 半导体的基础知识
1.2.1 能带理论
1.2.2 热平衡状态下的载流子
光度量 辐射度量
Φv ( ) 683 V ( )Φe ( )
日元 美元
光度量单位举例：
例1：教室投影仪器 光通量2000lm～2500lm 高档的 光通量3500lm
例2：无月夜天光 照度～3×10-4lx （微光夜视） 白天办公室光 照度 2～100lx 对CCD摄像机 黑白图像照度≥0.02lx 彩色图像照度≥2lx 例3： 海平面太阳光平均 亮度 1.6×109 cd.m-2 10mW氦－氖激光器亮度6.66×1011cd.m-2
1．光谱光视效率或视见函数
2．光度量的基本物理量 光度量的基本物理量与辐射度量一一对应
辐射度量 辐［射］能 辐［射］通量 或 辐［射］功率 辐［射］照度 辐［射］出度 辐［射］强度 辐［射］亮度 符号 单位名称 焦耳 (J) 瓦 (W) 瓦/平方米 (W· -2) m 瓦/平方米 (W· -2) m 瓦/球面度 (W· -1) sr 瓦/平方米球面度 (W· -2 m sr-1) 光度量 光能 光通量或 光功率 [光]照度 [光]出度 发光强度 [光]亮度 符号 单位名称 流明秒 (lm· s) 流明 (lm) 勒克斯 (lx=lm· -2) m 流明/平方米 (lm· -2) m 坎德拉 (cd=lm· -1) sr 坎德拉/平方米 (cd· -2) m
N型半导体
1.2.1能带理论
P
P
含有三种载流子：
( 本征）自由电子 （本征）空穴 （杂质）自由电子
自由电子数>>空穴数目 ? (多子) (少子) “Negative”——N型半导体
N型半导体
1.2.1能带理论
P
P
含有三种载流子：