第01章光辐射探测的理论基础

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
意义： 计算面元接收到光能量 应用条件： 光源尺寸远小于距离R
第01章 光辐射探测的理论基础
辐射度量学基础 半导体基础 光电探测器概述
理学院 光电子与物理学系
许多光电探测器都是 由半导体材料制作的
半导体基础
半导体材料具有许多 独特物理性质－专门 学科：半导体物理学
理学院 光电子与物理学系
1.2 半导体的基础知识
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 ( , )
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？
3．辐射强度
I e ( , )
( , ) 方向而改变
(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？
1.2.1能带理论
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
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
简单介绍，课后自学
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两条基本定律
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
例如：太阳 荧光屏 毛玻璃灯罩 坦克表面
第01章 光辐射探测的理论基础
辐射度量学基础 半导体基础 光电探测器概述
理学院 光电子与物理学系
了解 理解
掌握
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
理学院 光电子与物理学系
1.1.1 光的基本概念
1.1.1光的基本概念
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。 导带中电子的浓度
载流子的分布
价带中空穴的浓度
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1.2.2热平衡状态下的载流子
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：
1 fn (E) E Ef 1 exp( ) kT
1W V 683lm
λ=？ nm时
3．辐射度量与光度量间的换算关系
λ=555 nm时 λ=？ nm时
1W 683lm
1W V 683lm
任意波长：
Φv ( ) 683 V ( )Φe ( )
－－其光度量
3．辐射度量与光度量间的换算关系
1 lm 1 I v 1cd W/sr sr 683
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．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？
电子能量
电磁波谱与 原子内部电子运动
……
N个原子
导带 Ec
禁 禁 (a) (b) 带 带 Eg
价带 Ev
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
1．光谱光视效率 或视见函数
最大值在555 nm
表1－1
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 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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. 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）
Ef－－费米能级
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1.2.2热平衡状态下的载流子
费米能级Ef 的物理意义
1 fn (E) E Ef 1 exp( ) kT
1.2.1能带理论
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
2．半导体能带
室温或光照射
Ec Eg Ev
共价键结构示意图 本征半导体能带图
导带
价带
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1.2.1能带理论
N型半导体能带
本征半导体
N型半导体
施主能级？
理学院 光电子与物理学系
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
1.2.4 载流子的扩散与漂移
理学院 光电子与物理学系
1.2.1 能带理论
1．原子能级与晶体能带
1.2 半导体的基础知识
……
电子能 量
自由电子 最外层电子
N个原子
导带 Ec
禁 禁 带 带 Eg
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
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
辐射度与光度量总结：
Φ
S e
Ω
cos
I e
Me
Le
Φv ( ) 683 V ( )Φe ( )
Lv
Φ
S v Ω
cos
Iv
Mv
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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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辐射源多为各向异性的，即Ie随
超高压球形氙灯辐射强度分布
4．辐射出度Me与辐射亮度Le
辐射出度Me
dΦe Me dS
面辐射源元的辐射 能力
4．辐射出度Me与辐射亮度Le
辐射出度Me
Me dΦe dS
辐射亮度Le
dI e d 2Φe Le , dS cos dS dΩ cos
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
氘灯的光谱能量分布图
辐射源 －－ 多波长的辐射
6．光谱辐射量
荧光灯的光谱能量分布图
辐射源 －－ 多波长的辐射
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)：
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
1.2.1 能带理论
1．原子能级与晶体能带
……
电子能量
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
价电子（最外层电子）能级相对应的能带
1．原子能级与晶体能带
……
电子能量
1.2.1 能带理论
Si Eg=1.1ev 10-3—1012Ω·cm
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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1.1. 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
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)
" Positive" P型半导体
1.2.1能带理论
2．半导体能带
(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
面辐射源沿不同方向的辐射能力 的差异
面辐射源元的辐射 能力
5．辐射照度Ee
dΦe Ee dS
单位：W/m2 （瓦/平方米）
dΦe Me dS
辐射接收面上单位面积 接受的辐射通量
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？
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
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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？～？eV

hc


1.24

( eV )
太赫兹波30～3000μm 与X射线比较：
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
N型
P型
受主杂质
空穴
电子
理学院 光电子与物理学系
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
1.2.4 载流子的扩散与漂移
理学院 光电子与物理学系
1.2 半导体的基础知识
1.2.2热平衡状态下的载流子
热平衡态
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
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
理学院 光电子与物理学系
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

I
dS
两条基本定律
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：

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
光谱辐射通量与波长的关系：
1.1. 2 辐射度量
1．辐射能Qe 3．辐射强度 2．辐射通量Φe
I e ( , )
4．辐射出射度Me与辐射亮度Le 5．辐射照度Ee
6．光谱辐射量
光电技术中最常用：
辐射通量 辐射照度
1.1.3 光度量
人眼只能感知波长在0.38～0.78μm之间的辐射

人眼对不同波长的感光灵敏度不同