光电检测(郭培源)第二章_图文.ppt.ppt

第二章 光电检测技术基础 光的基本性质 辐射与光度学量 半导体基础知识 光电效应 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 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 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 辐射度的基本物理量 辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳[J] 辐射通量Φe：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］ 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］ 辐射度的基本物理量 辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：［W/m2］ 辐射出射度Ｍe ：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：［W/m2］ 辐射亮度Ｌe ：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：［W/m2．Sr］ 光谱辐射通量Φe（λ）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。 光度量的最基本单位 发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）［cd］，它是国际单位制中七个基本单位之一。 光通量Φv：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明［lm］。 光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量 ，单位：勒克斯［lx］，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。 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。 半导体基础知识 导体、半导体和绝缘体 半导体的特性 半导体的能带结构 本征半导体与杂质半导体 平衡和非平衡载流子 载流子的输运过程 半导体的光吸收 PN结 导体、半导体和绝缘体 自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。 电阻率10-6 ~10-3欧姆?厘米范围内——导体 电阻率1012欧姆?厘米以上——绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体 半导体的特性 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，热电探测器件。 导电性受极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)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆?厘米)) 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。 本征和杂质半导体 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。 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。 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 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。 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。 平衡和非平衡载流子 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。 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，称为非平衡状态。 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。 非平衡载流子的产生方法 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。 其它方法：电注入、高能粒子辐照等。 载流子的输运过程 扩散 漂移 复合 半导体对光的吸收 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。 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 本征吸收——由于光子作用使电子由价带跃迁到导带 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发 杂质吸收和自由载流子吸收 引起杂质吸收