第1章 光电检测技术中的基础知识

J nD qD n d (n) dx
（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
p
J
pDห้องสมุดไป่ตู้
J
pE
qD
dp
p
dx
qp p E
总电流密度
J Jn J
p
五、半导体的光吸收效应
1、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。
2、吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子
吸收、激子吸收、晶体吸收 （1）本征吸收 电子由于吸收光子，从价带跃迁到导带，这个 吸收过程称为本征吸收，是最主要的光吸收。
第1章 光电检测 技术中的基础知识
第1章
1.1
光电检测技术中的基础知识
辐射度学和光度学基本概念
1.2 半导体基础知识 1.3 基本定律 1.4 光电探测器的噪声和特性参数
1.1 光度学与光辐射学基础知识

一、辐射度学
1、辐射度学：研究各种电磁辐射的传播和量度的学科，研 究范围包括可见光。
电磁波谱图
基本辐射度量的名称、符号和定义方程
符 号 Q Φ P 辐射度量名 称 辐射能 辐射通量， 辐射功率 辐射 度量 单位 J W 光度量名称 光度量单 位 lm.s,lm.h lm
dQ / dt
定义方程
光量 光通量， 光功率
Ｉ
Ｌ Ｍ Ｅ
辐射强度
辐射亮度
Wsr-1
Wm-2 sr-1
发光强度
亮度 光出射度 光照度

(4)辐射亮度Le ：由辐射表面定向发射的辐射强度 称为辐射亮度。它由单位面积的辐射表面所发射通 量的空间分布决定。单位：［W/(m2.sr)］ Le = d Ie /(dScosθ)=d2Φe/(dScosθdΩ) 如果辐射源的Le不随着方向变化，则这种特殊光 源称为余弦辐射体。

（5）辐射出射度Ｍe ：辐射体在单位面积内 所辐射的通量或者功率，用来度量物体的辐 射能力 。单位：［W/m2］ Me = dΦe/dS

J nE E x qn n E x

空穴的电流密度:
J
pE
E x qp p E x
3、如果扩散和漂移同时存在，则电子和空穴的总电流
密度分别为:
电子的总电流密度:
J n J nD J nE qD n
空穴的总电流密度:
dn dx
qn n E
J


1、半导体的定义
导体——电阻率10-6 ~10-3欧姆•厘米范围内 绝缘体——电阻率1012欧姆•厘米以上 半导体——电阻率介于导体和绝缘体之间

2、半导体的特性


（1）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，可制成热电探测 器件。 （2）导电性受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
Φ

(6)辐射照度Ee：单位面积上接收的辐射通量。 单位：［W/m2］
Ee = dΦe/ds
Φ
二、光度学


1、光度学：研究可见光的传播和量度. 2、视见函数 ：人眼对各种单色光的平均敏感度。
（描述在幅通量相同的情况下，人的眼睛对各种不同波长 的辐射产生的主观感觉。）
3、可见光的分布及特性
可见光的分布

（2）辐射通量Φe：单位时间内通过一定面 积流过的辐射能量，又称辐射功率Pe，是辐 射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］。 Φe=d Qe/dt

（3）辐射强度Ie：点辐射源在给定方向上通过 单位立体角内的辐射通量。单位：［W/sr］ Ie = dΦe/dΩ
立体角：球面上某部分与其球心所对应的空间。等于Ω相对应的球面面 积与球半径r的平方的比值。
hc

Ed或
hc

Ea
因此杂质吸收的长波限：
0
ch Ed

1 . 24 Ed
(m )

（3）自由载流子吸收

自由载流子在同一能带中不同能级之间的跃迁现 象，使得在本征吸收限长波侧还存在强度随着波长 增加的吸收，称为自由载流子吸收。
自由载流子的吸收不引起载流子浓度变化，但 由于电子的迁移效率依赖于能量，所以会导致迁移 率改变。

对于均匀光体：Φ v=4πIv

(3)亮度Lv ：由发光表面定向发射的光强度称为亮 度。它由单位面积的发光表面光通量的空间分布决 定。单位：lm/m2
意义：描述发光表面发光能力的强弱。
（4） 光出射度Mv：面光源表面给定点处单位 面积向空间所发出的光通量，称为光源在该点 的光出射度。单位为lx，或lm/m2
四、载流子的运动

载流子的运动形式分为扩散运动和漂移运动。 1、扩散运动 扩散运动是在载流子浓度不均匀的情况下，载流子由热运 动造成的由高浓度到低浓度的迁移运动。即产生浓度梯度。
如:半导体材料表面光照，
产生表面浓度高于半导体内 部的浓度。如图所示：
光照
0
x

2、一维扩散运动
（1）电子扩散电流密度
b、 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。
二、 半导体的能带结构


1、电子共有化
晶体中原子距离很近，不同原子之间的电子轨道产生交迭， 使得电子可以从一个原子转移到一个原子上，原先隶属于一 个原子的电子变成了共有，可以在整个晶体中运动，称之为 电子的共有化。
M e ( , T ) M ( , T )
( , T )
eB
三、普朗克辐射定律

普朗克辐射定律(Planck) 给出了黑体辐射的具体谱分 布:在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单 位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量.
eB
M
( , T ) c1 e
入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米)]

（3）半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用 的影响。
3、本征半导体与杂质半导体
（1）本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度 时，几乎不导电。 （2）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。 （3） 掺入的少量杂质的半导体称为杂质半导体或非本征半 导体。可以分为施主杂质和受主杂质。 a、 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。
产生本征吸收的条件：
h E g或 ch

Eg
因此本征吸收存在一个长波限，波长大于这个限时， 不能引起本征吸收。
0
ch Eg 1 . 24 Eg (m )
式中，h是普朗克常数，C是光速，λ是光的波长


（2）杂质吸收 杂质半导体在光照作用下，也可以吸收光子产生 电子的跃迁，这种吸收称为杂质吸收。产生杂质 吸收的条件：

1.3基本定律
1.3 .1 黑体辐射定律
一、绝对黑体：如果一物体在任何温度下对任何波长 的入射辐射能全部吸收,即没有反射，也没有透射， 则这一物体称为绝对黑体。


二、基尔霍夫定律 在热平衡状态的任何物体的单色辐射出射度和单色吸 收比，等于同一温度下绝对黑体的单色出射度,与物体 本身物性无关,只与波长和温度有关 。
M
v
d v / dS
意义：描述发光物体的发光能力
（5）光照度Ev：单位面积所接受的入射光通 量 ，单位：勒克斯[lx] 。
d dA
Ev
v
意义：描述受照物体被照明的程度。 点光源的照度与亮度的关系：
Ev I cos r
2
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
禁带 价带
图2-3 本征半导体的能带结构

4、杂质半导体的能带结构
导带
电 子 能 量 ΔEd
导带
电 子 能 量
禁带 价带
禁带
Δ Ea
价带
（a ）N型半导体
（b ）P型半导体
图2-4 杂质半导体的能带结构
三、平衡状态和非平衡状态下的载流子
1、平衡载流子浓度：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。 2、非平衡载流子浓度：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。这种处于非热平衡状态下的载 流子浓度，称为非平衡载流子浓度。
一一对应的。 ②辐射度量和光度量都是波长的函数。
2、两者的不同点： ①符号不同：辐射度量下标为e，例如Qe，
Φe，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，
Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。
②单位不同（略） ③研究范围不同，光度量只在可见光区 （３８０－７８０nm)才有意义。
1.2 半导体基础知识
一、半导体及其特性
3s 3s 3s 3s
2p
2p
2p
2p
图2-1 电子共有化运动示意图

2、晶体的能带
晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不 同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有 一定宽度的带，称为能带。
图2-2 能级分裂称能带的示意图

3、本征半导体的能带结构
导带
电 Ec 子 能 E v 量 Eg

可见光的特性
1）波长范围窄。
2）不同波长呈现不同颜色。


3）单一波长和波谱宽小于5nm的光称为单色光。 含两种或两种以上波长成分的光称为复合光。
4、光度量
（1） 光通量Φv：能够被人的视觉系统所感受 到的那部分光辐射功率的大小。单位：lm
v CV e
Φv-----光通量，lm C ------最大光视效能，683 lm/W Φe-----辐射通量，w 意义：描述客观幅通量在人的眼睛中引起的主 观视觉强度。
2、辐射与辐射的基本特性

（1）辐射：物体以电磁波或粒子流形式向周 围传递或交换能量的一种方式。 （2）特性:波粒二象性


a、波动性

b、粒子性
E h hc


h=6.626×10-34J.s,称为普朗克常数
3、辐射度量


（1）辐射能Qe ：一种以电磁波（紫外、可见光和 红外辐射等）的形式发射、传播或接收的能量。 单位：焦耳[J]