第一章 光电技术基础教学教材.ppt

面积A2。因此，可得标准钨丝 灯的光视效能Kw为 lm/W 已知某种辐射体的光视效能K和辐射量Xe，就能够计算出该辐射体的光度量Xv，该式是辐射体的辐射量和光度量的转换关系式。 例如，对于色温为 2 856 K的标准钨丝灯其光视效能为17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为Φe＝100W时，其光通量为 Φv = 1710lm。 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降。 例 已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？ 解 He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，可以计算出它发出的光通量为 Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ =683×0.24×3×10-3 =0.492(lm) 三、 半导体的光电性质 1. 半导体的光吸收 (1) 本征吸收 光照下，价带中的电子吸收光子能量后从价带跃迁到导带， 产生电子-空穴对。电子的这种带与带间跃迁的吸收过程。 本征吸收发生的必要条件：光子能量h?大于等于禁带宽度Eg, 即 h?? h?0=Eg 本征吸收限：当光子频率小于?0(波长大于?0)时，吸收系数迅速下降，对应的频率?0或波长?0为本征吸收限。 h?? Eg? 只有波长小于?L的辐射才能产生本征吸收 直接跃迁：跃迁过程中，价带中的电子垂直跃迁到具有相同波矢k的导带上。 直接带隙半导体：在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁过程 间接带隙半导体：导带极小值和价带极大值不具有相同的k的半导体。在本征吸收过程中，产生电子的间接跃迁过程 （2）杂质吸收 在半导体中掺入杂质原子（施主或受主原子），在半导体的带隙中引入杂质能级，束缚在杂质能级上的电子吸收光能发生跃迁引起的光吸收。 Si、Ge而言，施主通常是V族元素。电离能较小，在Si中约0.04～0.05eV，Ge中约0.01eV。 施主杂质：在半导体中产生导电电子，其掺杂的半导体称为n型半导体 施主杂质电离能ΔED： 受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴的杂质。 p型半导体： 依靠价带空穴导电的半导体。 受主杂质电离能ΔEA： 如果光子的能量小于禁带宽度Eg或小于杂质电离能（ΔED或ΔEA）时，电子不能跃迁到导带称为自由电子。但可以与价带上的空穴形成一个束缚较弱的电子-空穴对，这种电子-空穴对称为激子。激子吸收不会改变半导体的导电特性。 （3） 激子吸收 杂质吸收限： 杂质吸收限波长总是大于本征吸收的波长限。 （4） 自由载流子吸收 当入射光子频率较小，不能引起导带-价带间的跃迁，但导带上的电子（空穴）在其所在的导带（价带）内的能级上跃迁发生的光吸收，通常称为带内跃迁。由于带内能级间隔很小，所以其吸收谱基本上为连续谱。 （5）晶格吸收-又称为声子吸收 晶格原子对远红外普去的光子能量的吸收，转变为晶格振动的动能，宏观上引起物体温度的升高。 1.6.光电效应 光辐射的物理效应分类：光子效应和光热效应 光子效应 探测器 外光电效应 （1）光阴极发射光电子 （2）光电子倍增； 打拿极倍增 通道电子倍增 （1）光电管； （2）光电倍增管； （3）像增强管 内光电效应 （1）光电导（本征、非本征）； （2）光生伏特；pn结 雪崩，肖特基势垒 光电池，光电二极管，雪崩二极管，肖特基势垒光电二极管 ⑶ 辐射出射度Me : 反映物体辐射能力的物理量。辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即 单位：W/m2。 ⑷辐射强度：点辐射源在给 定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表示，即 单位：瓦特?球面度-1（W?sr-1）。 即 S ? d? dS d? 图2 辐射亮度示意图 如果一个各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是?e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有 ⑸ 辐射亮度: 面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图所示。 S ? d? dS d? 图2 辐射亮度示意图 ?是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。 单位：瓦特/球面度?米2（W/sr·m2）。 一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。 但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度，又称为余弦辐射体或朗伯体。(1)式代入(2)式得到余弦辐射体的辐射亮度为 余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角?无关。余弦辐射体的辐射出射度为 ⑹辐射照度：在辐射接收面上的辐照度Ee定义为照射在面元dA