光电检测技术与应用详解
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光电检测技术
第二章
第二章 光电检测技术基础
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 能带理论、载流子及其运动(重点难点) 2.4 光电效应
2.1 光的基本性质
牛顿——微粒说
根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振
－1•cm-1，当掺入硅原子数的百万分
二、半导体特性
之一的杂质时，电导率却上升至2Ω1•cm-1，几乎增加了一百万倍。
1、电阻温度系数一般都是负的，对温度的变化十
分敏感；
2、导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显 著的变化；
3、导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作 用的影响而发生非常重要的变化。
瓦特
W
瓦特／球面度 Wsr-1
瓦特／球面度 Wm-2
平方米
sr-1
瓦特／平方米 Wm-2
瓦特／平方米 Wm-2
2.2 辐射与光度学量
光度量的最基本单位 发在光 给强 定度 方I向v：上发的出发波光长强为度5规55定nm为的1单cd色。辐单射位，：
坎德拉（Candela）［cd］，它是国际单位制 中七个基本单位之一。 光发通 出量 的Φ光v通：量光。强单度位为：1c流d的明均［匀lm点］光。源在1sr内 光单照 位度 ：E勒v：克单斯位［面lx］积，所相接当收于的入1平射方光米的面量积，上 接受到1个流明的光通量。
第二章 光电检测技术基础
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应
wk.baidu.com
2.3 半导体基础知识
一、定义 以电阻率界限定义
导体
半导体
绝缘体
10－6 Ω•cm
铜， 10－3
银 等
硅， 锗 等
硫化镉
1012
云母， 琥珀
2.3 半导体基础知识 纯硅在室温下的电导率为5×10－6Ω
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应
2.2 辐射与光度学量
辐射度的基本物理量 辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、
传播或接收的能量。单位：焦耳[J] 辐射通量Φe：光源在单位时间内辐射的
总能量称为光源的辐射通量，也记为辐 射 位功：率瓦P[We，] 是辐射能的时间变化率。单 辐 单射位强立度体I角e：内点的辐辐射射源通在量给。定单方位向：上[W通/S过r]
3）电子的共有化只发生在能量相同的量子态之间。
2.3 半导体基础知识
三、能带理论
3.晶体中电子的能带(Flash演示)
1) 能量区域中密集的能级形象称为能带； 2) 能量最高的价电子填满的能带称为价带； 3) 能量最低的能带为导带，中间为禁带； 4) 绝缘体、半导体、导体的能带情况。
2.3 半导体基础知识
四、载流子的运动 1、几个概念 (1) 本征半导体：完全纯净＆结构完整的半导体。 (2) 本征激发：电子由价带直接激发跃迁到导带。 (3) N型半导体＆P型半导体：主要由电子导电的半
导体称为？？？ (4) 空穴：价带中的电子空位。
2.3 半导体基础知识 电子＆空穴都能导电，我们通称 他们为载流子。在N型半导体中， 一般把电子称为多数载流子，而
2.2 辐射与光度学量
光度的基本物理量 光度量和辐射度量的定义、定义方程是
一一对应的。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。 光度量只在可见光区（380~780nm)才有 意义。 辐射度量和光度量都是波长的函数。
晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx
自旋方向相反的电子。
2.3 半导体基础知识
三、能带理论
2、电子共有化运动（Flash演示）：
1）原子以一定的周期重复排列所构成的物体称为 晶体；
2）晶体中的不同原子的电子轨道发生不同程度的 交迭，使原来隶属于某一原子的电子，不再是此 原子私有，而是在整个晶体中运动，成为整个晶 体所共有，这种现象称作电子的共有化；
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
波动理论
惠更斯、杨氏和费涅耳等 解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波
2.1 光的基本性质
光量子说
1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的 量子论
1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出 光量子的概念
光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性
第二章 光电检测技术基础
沉积在绝缘板上的硫 化镉(CdS)层不受光照 时的阻抗可高达几十 甚至几百兆欧，但一 旦受到光照，电阻就 会下降到几十千欧。
2.3 半导体基础知识
三、能带理论
1、电子运动的三个特点： 1）具有稳定的运动状态（量子态），每一个量子态
所确定的能量称为能级。越外层能量越高；
2）严格讲原子中没有完全确定的轨道； 3）泡利不相容原理：每一个能级中，最多容纳两个
基本辐射度量的名称、符号和定义方程
名称 辐射能 辐射能密度 辐射通量， 辐射功率 辐射强度
辐射亮度
辐射出射度 辐射照度
符号 Qe
we
e
Pe
Ie
Le
Me
Ee
定义方程
w dQ / dv
dQ / dt
I d / d
＝dI / dAcos
M d / dA
E d / dA
单位 焦耳
符号 J
焦耳／立方米 Jm-3
2.2 辐射与光度学量
辐射度的基本物理量 辐通射 量出 或射 功度率M称e为：辐辐射射出体射在度单（位也面称积辐内射所本辐领射）的。
用来量度物体辐射能力的物理量。单位： [W/m2] 辐单射 位亮 ：[度WL/me ：2.S辐r] 射表面定向发射的辐射强度。 辐单射 位照 ：[度WE/me：2] 投射在单位面积上的辐射通量。 光单谱 位辐 波射 长通 间量 隔内Φe的(λ)：辐辐射射通通量量。的光谱密度，即
第二章
第二章 光电检测技术基础
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 能带理论、载流子及其运动(重点难点) 2.4 光电效应
2.1 光的基本性质
牛顿——微粒说
根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振
－1•cm-1，当掺入硅原子数的百万分
二、半导体特性
之一的杂质时，电导率却上升至2Ω1•cm-1，几乎增加了一百万倍。
1、电阻温度系数一般都是负的，对温度的变化十
分敏感；
2、导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显 著的变化；
3、导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作 用的影响而发生非常重要的变化。
瓦特
W
瓦特／球面度 Wsr-1
瓦特／球面度 Wm-2
平方米
sr-1
瓦特／平方米 Wm-2
瓦特／平方米 Wm-2
2.2 辐射与光度学量
光度量的最基本单位 发在光 给强 定度 方I向v：上发的出发波光长强为度5规55定nm为的1单cd色。辐单射位，：
坎德拉（Candela）［cd］，它是国际单位制 中七个基本单位之一。 光发通 出量 的Φ光v通：量光。强单度位为：1c流d的明均［匀lm点］光。源在1sr内 光单照 位度 ：E勒v：克单斯位［面lx］积，所相接当收于的入1平射方光米的面量积，上 接受到1个流明的光通量。
第二章 光电检测技术基础
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应
wk.baidu.com
2.3 半导体基础知识
一、定义 以电阻率界限定义
导体
半导体
绝缘体
10－6 Ω•cm
铜， 10－3
银 等
硅， 锗 等
硫化镉
1012
云母， 琥珀
2.3 半导体基础知识 纯硅在室温下的电导率为5×10－6Ω
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应
2.2 辐射与光度学量
辐射度的基本物理量 辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、
传播或接收的能量。单位：焦耳[J] 辐射通量Φe：光源在单位时间内辐射的
总能量称为光源的辐射通量，也记为辐 射 位功：率瓦P[We，] 是辐射能的时间变化率。单 辐 单射位强立度体I角e：内点的辐辐射射源通在量给。定单方位向：上[W通/S过r]
3）电子的共有化只发生在能量相同的量子态之间。
2.3 半导体基础知识
三、能带理论
3.晶体中电子的能带(Flash演示)
1) 能量区域中密集的能级形象称为能带； 2) 能量最高的价电子填满的能带称为价带； 3) 能量最低的能带为导带，中间为禁带； 4) 绝缘体、半导体、导体的能带情况。
2.3 半导体基础知识
四、载流子的运动 1、几个概念 (1) 本征半导体：完全纯净＆结构完整的半导体。 (2) 本征激发：电子由价带直接激发跃迁到导带。 (3) N型半导体＆P型半导体：主要由电子导电的半
导体称为？？？ (4) 空穴：价带中的电子空位。
2.3 半导体基础知识 电子＆空穴都能导电，我们通称 他们为载流子。在N型半导体中， 一般把电子称为多数载流子，而
2.2 辐射与光度学量
光度的基本物理量 光度量和辐射度量的定义、定义方程是
一一对应的。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。 光度量只在可见光区（380~780nm)才有 意义。 辐射度量和光度量都是波长的函数。
晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx
自旋方向相反的电子。
2.3 半导体基础知识
三、能带理论
2、电子共有化运动（Flash演示）：
1）原子以一定的周期重复排列所构成的物体称为 晶体；
2）晶体中的不同原子的电子轨道发生不同程度的 交迭，使原来隶属于某一原子的电子，不再是此 原子私有，而是在整个晶体中运动，成为整个晶 体所共有，这种现象称作电子的共有化；
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
波动理论
惠更斯、杨氏和费涅耳等 解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波
2.1 光的基本性质
光量子说
1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的 量子论
1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出 光量子的概念
光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性
第二章 光电检测技术基础
沉积在绝缘板上的硫 化镉(CdS)层不受光照 时的阻抗可高达几十 甚至几百兆欧，但一 旦受到光照，电阻就 会下降到几十千欧。
2.3 半导体基础知识
三、能带理论
1、电子运动的三个特点： 1）具有稳定的运动状态（量子态），每一个量子态
所确定的能量称为能级。越外层能量越高；
2）严格讲原子中没有完全确定的轨道； 3）泡利不相容原理：每一个能级中，最多容纳两个
基本辐射度量的名称、符号和定义方程
名称 辐射能 辐射能密度 辐射通量， 辐射功率 辐射强度
辐射亮度
辐射出射度 辐射照度
符号 Qe
we
e
Pe
Ie
Le
Me
Ee
定义方程
w dQ / dv
dQ / dt
I d / d
＝dI / dAcos
M d / dA
E d / dA
单位 焦耳
符号 J
焦耳／立方米 Jm-3
2.2 辐射与光度学量
辐射度的基本物理量 辐通射 量出 或射 功度率M称e为：辐辐射射出体射在度单（位也面称积辐内射所本辐领射）的。
用来量度物体辐射能力的物理量。单位： [W/m2] 辐单射 位亮 ：[度WL/me ：2.S辐r] 射表面定向发射的辐射强度。 辐单射 位照 ：[度WE/me：2] 投射在单位面积上的辐射通量。 光单谱 位辐 波射 长通 间量 隔内Φe的(λ)：辐辐射射通通量量。的光谱密度，即