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 ϕθ, 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 ()θϕ,e e I I = ， 点辐射源

在整个空间发射的辐射通量为：()()θθθϕϕθϕπ

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

=

()

θθϕθcos 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⋅=