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光电检测技术 再次认识人眼 高灵敏度：光的辐射通量2*10-17—2*10-5W 高分辨力 P2 对不同波长光灵敏度不同：存在明暗视见函数 0.1s的视觉暂留时间和50ms的动态响应时间 第一章 光电检测技术基础 1.1 辐射度量和光度量 1.2 半导体物理基础 1.3 光电效应 1.1 辐射度量和光度量 一、光的基本性质 光的微粒流学说 牛顿，17世纪:反射、折射 光的波动学说:电磁波 惠更斯，杨氏，麦克斯韦（1860）：干涉、衍射、偏振 光的波粒二象性 电磁波(光传播时)：干涉、衍射、偏振、反射、折射 光子流 (与物质作用)：发射、吸收、色散、散射 一、光的基本性质 光的基本特性 光谱范围：1pm~1mm，波长短 可见光波长：380nm~780nm 真空中光速: 光在媒质中传播速度: v=λν/n 光子能量：E= hν 光子动量：p = hν/c = h/λ 普朗克常数: 二、光辐射度量 三、光谱辐射度量：光谱分布 四、光度量：可见光 根据人眼的视觉强度来定义 能量相同而波长不同的光引起人眼的视觉强度不同 光谱光视效率（视见函数）V(λ) 国际照明委员会CIE定义 明视觉时：555nm处最大，V（λ）=1 明视觉：白天正常光照 暗视觉：夜间弱光照射 1.2 半导体物理基础 电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。 一、半导体的特性 半导体特性 电阻温度系数是负的，对温度变化敏感。 导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。 半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发生显著的变化。 常见半导体材料有： 元素半导体：硅、锗、硒 化合物半导体：GaAs、铝砷化镓、InSb,CdS,PbS 氧化亚铜的氧化物：砷化镓－磷化镓固熔半导体 有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体 半导体器件:利用半导体的特殊电学特性制成的器件 二、能带理论 １．原子中电子的能级 原子由带正电的原子核与一些带负电的电子组成 电子绕核运动，具有完全确定的能量 能级：电子运动的每一量子态所具有的确定能量称为能级。 原子中的电子没有完全确定的轨道 泡利不相容原理： 在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子 ２．晶体中电子的能带 晶体：原子（粒子）以一定的周期重复排列所构成的物体 晶体中电子的共有化：原子之间距离很近，致使离原子核较远的电子轨道发生交叠，使电子不再属于某个原子，有可能转移到相邻原子及更远的原子壳层上去，成为整个晶体所共有 电子只能在能量相同的量子态之间转移 N个原子排列成晶体时，原来分属于N个原子的相同能级必须对应分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级 能带：与此相对应的能量密集的能级称为能带。 二、能带理论 二、能带理论 3. 半导体的导电机制 电流：电场作用电子的定向运动 导电条件: 1)向电子提供能量; 2)电子要跃入的能级是空的 价带中的电子离开所留空位称为空穴 电子和空穴统称为载流子 外加电场时，非满带载流子在无规则热运动中迭加了定向运动，形成电流；而满带不产生电流。 导带中电子越多，导电能力越强； 价带中空穴越多，导电能力越强 3. 半导体的导电机制 本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体称为本征半导体 本征激发：电子由价带直接激发跃迁到导带 本征半导体的载流子只能依靠本征激发产生 导带电子和价带空穴相等 3. 半导体的导电机构 杂质半导体： 半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很大（晶体的缺陷也有类似效果）。 杂质能级和晶体中其它能级不同，可处于晶体能带间的禁带中（对导电性影响巨大） N型半导体：主要由电子导电（此时电子又称为多子） 在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体，电子为多数载流子 通常，施主能级离导带底较近，导带中电子多于价带中空穴 P型半导体：主要由空穴导电（此时空穴被称为多子） 在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体，空穴为少数载流子 受主能级离价带顶较近，价带中空穴多于导带中电子 三、热平衡载流子 在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。载流子的激发和复合（电子找到空穴相互抵消）两种过程处于热平衡状态，载流子浓度为某一稳定值。 三、热平衡载流子 根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律，能量为E的能态被电子占据的概率f(E)由费米-狄拉克函数给出，即 导带电子浓度n和价带空穴浓度p 三、热平衡载流子 本征半导体中，电子和空穴浓度相等，即n=p, 本征载流子浓度为一恒定值 式中Eg=E_-E+为禁带宽度，说明热平衡时两种载流子浓度的乘积等于一个常数（杂质半导体