光电检测技术与应用 第二章 光电检测器件工作原理及特性.ppt
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第二章 光电检测器件工作原理及特性;2.1辐射度量和光度量;电磁波的范围很广,波长从几个皮米到数千米
光波波长区间约从几个纳米到1毫米左右
可见光:0.38nm~0.78nm;;光波波速
其中v是光波频率,n为介质折射率
电磁理论能很好的解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和光在各向异性介质中的船舶等现象。但是无法解释光的吸收、散射和色散。
1900年,普朗克提出辐射的量子论
1905年,爱因斯坦提出光量子的概念
波动性?光的传播
量子性?与物质的相互作用;二、光辐射度量
辐射是一种能的形式。
光源一般指发光的物体。分为天然光源和人造光源。
辐射能可以转换为其他形式的能量,从而可以用辐射能引起的能量或有效物理量来测量。
光源的辐射特性可以用以下辐射量来表征:
辐射能、辐射能密度、辐射通量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐照度。
;1、辐射能Qe
以辐射的形式发射、传播或接收的能量
单位:焦耳 (J)
2、辐射能密度we
光源在单位体积内的辐射能
;4、辐射强度Ie
从一个点光源发出的,在单位时间内单位立体角所辐射的能量;6、辐射亮度 Le
由辐射表面定向发射的辐射强度;7、辐照度 Ee
单位面积内所接收到的辐射通量;三、光谱辐射度量(辐射量的光谱密度)
1、光谱辐射通量
光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量
;2、光谱辐射出射度
;5、光谱辐照度
;;四、光度量
光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。
人眼的光谱敏感特性可以由光谱光视效率
(视见函数)来描述。;1、光通量
光辐射通量对人眼所引起的视觉度值;2、发光强度 I
光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量;4、光照度 E
被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量;5、光亮度
光源表面一点处的面元在给定方向上的发光强度与该面元在垂直于给定发向的平面上的正投影面积之比;;6、光量 Q
光通量对时间的积分;辐射度量与光度量
半导体物理基础
光电检测器件的物理基础
光电检测器件的特性参数;固体材料按其电阻率分为三类:
固体 电阻率 10-6~10-3Ω.cm
绝缘体 电阻率 1012Ω.cm以上
半导体 电阻率 10-3~1012Ω.cm
常见半导体材料:元素半导体、化合物半导体、氧化物半导体、固熔体半导体、有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体等。
;一、半导体的特性
1、半导体的电阻温度系数一般为负,对
温度的变化非常敏感。
2、导电性能可受微量杂质的影响而发生十分显著的变化。
3、半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用影响而发生非常重要的变化。;二、能带理论
1、原子能级与晶体能级
1)能级(Energy Level)
在孤立原子中,原子核外的电子按照一定的壳层排列,每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值,也就是电子按能级分布。
用一条条高低不同的水平线表示电子的能级 ;2)能带(Energy Band)
原子核较远的壳层发生交叠,壳层交叠使
电子不再局限于某个原子上,有可能转移到相邻原子的相似壳层上去,也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去,这种现象称为电子的共有化。
共有化使能级发生扩展,扩展后的多个相邻很近的能级统称为能带。;3)禁带(Forbidden Band)
允许被电子占据的能带称为允许带。
允许带之间的范围不允许电子占据称为禁带。
电子中是先占据原子壳层中的内层允许带,然后再向高能量的外面一层允许带填充。
被电子占满的允许带称为满带。
每一个能级上都没有电子的能带称为空带。;4)价带(Valence Band)
原子中最外层的电子称为价电子,与价电
子能级相对应的能带称为价带。
5)导带(Conduction Band)
价带以上能量最低的允许带称为导带。
导带的底能级 Ec
价带的顶能级 Ev
禁带 Eg= Ec- Ev;6)载流子
导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动(形成电流)来实现的,这种电流的载体称为载流子(carrier)。
导体中的载流子为自由电子
半导体中的载流子为带负电的电子和带正电的空穴。
导带中的电子数目和禁带宽度决定了材料的导电性能。;2、本征半导体与杂质半导体
1)本征半导体
结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。
自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的,所以电子浓度n等于空穴浓度p,并称之为本征载流子浓度ni,ni随温度升高而增加,随禁带宽度的增加而减小 。;2)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。
3)掺杂对半导体导电性能的影响
半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级,因此会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目,从而显著地影响半导体的电导率。 ;N型半导体
P型半导体;3、热平衡态下的
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