第01章光辐射探测的理论基础.ppt
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1、第01章 光辐射探测的理论基础,辐射度量学基础,半导体基础,光电探测器概述,掌握,了 解,理 解,1.1 辐射度学与光度学的基础知识,1.1.1 光的基本概念,1.1.2 辐射度量,1.1.4 两条基本定律,1.1.3 光度量,1.1.1 光的基本概念,领土安全、领空安全、领海安全、太空安全、电磁空间安全,国家安全新概念:,1.1.1光的基本概念,电磁空间安全 光学波段,国家安全新概念:,1.1.1光的基本概念,光学谱区 0.01m1000m,可见光区 0.38m0.78m,红外区 0.78m1000m,紫外区 0.01m0.38m,光电技术常用的光波波段,远红外波段,远近紫外波段,可见光波段
2、,近红外波段,中红外波段,8,导弹羽烟警用紫外成像,红外制导红外预警,激光雷达激光通信,光电技术常用的光波波段,远红外波段,远近紫外波段,可见光波段,近红外波段,中红外波段,已开发利用波段,待开发利用波段,8,3光子能量公式,光既是电磁波(波动性)又是光子流(粒子性),可见光光子的能量范围为3.21.6eV,太赫兹波303000m,能量范围为?eV,1.1.1光的基本概念,太赫兹波303000m,与X射线比较:,1.1 辐射度学与光度学的基础知识,1.1.1 光的基本概念,1.1.2 辐射度量,1.1.4 两条基本定律,1.1.3 光度量,1.1.2 辐射度量,辐射度学是一门研究电磁辐射能测量
3、的学科。,本课程限于光学波段的研究讨论。,辐射度学 电磁波 客观光度学 可见光 主观(生理、心理),电磁波(Emission),可见光(Visible light),辐射度量,Xe,光度量,Xv,1.1.2 辐射度量,1辐射能Qe,2辐射通量e,又称辐射功率,简称功率 单位:W,计算光电探测器的光电转换能力常用辐射功率 分析强光对光电探测器破坏机理常用辐射能量,单位:J,1.1.2 辐射度量,3辐射强度,在给定方向上的立体角元内,辐射源发出的辐射通量与立体角元之比,单位:W/sr(瓦/球面度),辐射强度反映了辐射源能量分布的什么特点?,3辐射强度,辐射源多为各向异性的,即Ie随 方向而改变,超
4、高压球形氙灯辐射强度分布,4辐射出度Me与辐射亮度Le,辐射出度Me,面辐射源元的辐射能力,4辐射出度Me与辐射亮度Le,辐射出度Me,辐射亮度Le,面辐射源元的辐射能力,面辐射源沿不同方向的辐射能力的差异,5辐射照度Ee,辐射接收面上单位面积接受的辐射通量,单位:W/m2(瓦/平方米),比 较:,辐射照度Ee,辐射出度Me,例:常见的几种显示器,为了反映显示屏的特性,用上述哪个参数描述合适?为什么?,为了描述显示器的每个局部面元在各个方向的辐射能力,最适合的辐射度量是()A 辐射照度 B 辐射强度 C 辐射出度 D 辐射亮度,6光谱辐射量,辐射源 多波长的辐射,氘灯的光谱能量分布图,6光谱辐
5、射量,辐射源 多波长的辐射,荧光灯的光谱能量分布图,6光谱辐射量,光谱辐射量是该辐射量在波长处的单位波长间隔内的大小,又叫辐射量的光谱密度,是辐射量随波长的变化率。,光谱辐射通量e():,光谱辐射通量与波长的关系:,1辐射能Qe,2辐射通量e,3辐射强度,4辐射出射度Me与辐射亮度Le,5辐射照度Ee,6光谱辐射量,光电技术中最常用:,辐射照度,辐射通量,1.1.2 辐射度量,1.1.3 光度量,人眼只能感知波长在0.380.78m之间的辐射 人眼对不同波长的感光灵敏度不同,1光谱光视效率 或视见函数,最大值在555 nm,表11,1光谱光视效率或视见函数,2光度量的基本物理量,光度量的基本物
6、理量与辐射度量一一对应,发光强度单位坎德拉(Candela),记作cd。即=555 nm时,有,国际单位制中七个基本单位之一:,3辐射度量与光度量间的换算关系,=555 nm时,=?nm时,3辐射度量与光度量间的换算关系,=555 nm时,=?nm时,任意波长:,其光度量,3辐射度量与光度量间的换算关系,日元,美元,光度量,辐射度量,光度量单位举例:,例2:无月夜天光 照度310-4lx(微光夜视)白天办公室光 照度 2100lx 对CCD摄像机 黑白图像照度0.02lx 彩色图像照度2lx,例3:海平面太阳光平均 亮度 1.6109 cd.m-2 10mW氦氖激光器亮度6.661011cd.
7、m-2,例1:教室投影仪器 光通量2000lm2500lm 高档的 光通量3500lm,辐射度与光度量总结:,e,M,e,I,e,L,e,S,v,M,v,I,v,L,v,S,cos q,cos q,1.1 辐射度学与光度学的基础知识,1.1.1 光的基本概念,1.1.2 辐射度量,1.1.4 两条基本定律,1.1.3 光度量,1.1.4辐射度学与光度学的两条基本定律,1辐射强度余弦定律,2距离平方反比定律,1辐射强度余弦定律,“余弦辐射体”或“朗伯辐射体”,特点:各方向的辐射亮度是一样的,例如:太阳 荧光屏 毛玻璃灯罩 坦克表面,两条基本定律,1辐射强度余弦定律,“余弦辐射体”或“朗伯辐射体”
8、,特点:各方向的辐射亮度是一样的,重要结论:(自行推导),两条基本定律,2距离平方反比定律,意义:计算面元接收到光能量,点光源A,距离光源为R微面元dS,照度:,应用条件:光源尺寸远小于距离R,两条基本定律,第01章 光辐射探测的理论基础,辐射度量学基础,半导体基础,光电探测器概述,半导体基础,许多光电探测器都是由半导体材料制作的,半导体材料具有许多独特物理性质专门学科:半导体物理学,1.2 半导体的基础知识,1.2.1 能带理论,1.2.2 热平衡状态下的载流子,1.2.3 半导体对光的吸收,1.2.4 非平衡状态下的载流子,1.2.4 载流子的扩散与漂移,1.2.1 能带理论,1原子能级与
9、晶体能带,电子共有化,能级扩展为能带,1.2 半导体的基础知识,a)单个原子 b)N个原子,最外层电子,自由电子,1原子能级与晶体能带,价带Ev,导带Ec,禁带Eg,价电子(最外层电子)能级相对应的能带,1.2.1 能带理论,1原子能级与晶体能带,价带Ev,导带Ec,禁带Eg,3.价电子-自由电子,要吸收能量,特别指出:,1.价带中电子,价电子不能参与导电,2.导带中电子,自由电子能参与导电,1.2.1 能带理论,1原子能级与晶体能带,价带Ev,导带Ec,禁带Eg,为什么只考虑导带与价带之间的禁带?,1.2.1 能带理论,电磁波谱与原子内部电子运动,绝缘体、半导体、金属的能带图,SiO2 Eg
10、=5.2ev Si Eg=1.1ev Eg=0电阻率1012cm 10-31012cm 10-610-3cm,半导体具有独特光电特性重要应用价值,1.2.1能带理论,本征半导体,结构完整、纯净的半导体称为本征半导体,又称I型半导体。,杂质半导体,半导体中可人为掺入少量杂质包括N型半导体 和 P型半导体,1.2.1能带理论,2.半导体分类,2半导体能带,以硅晶体为例,1.2.1能带理论,共价键,电子空穴对,载流子,本征激发,室温或光照射,2半导体能带,1.2.1能带理论,室温或光照射,共价键结构示意图,本征半导体能带图,N型半导体能带,N型半导体,本征半导体,1.2.1能带理论,施主能级?,N型
11、半导体,含有三种载流子:,自由电子数空穴数目?(多子)(少子),“Negative”N型半导体,P,P,1.2.1能带理论,N型半导体,含有三种载流子:,自由电子数空穴数目?(多子)(少子),“Negative”N型半导体,P,P,1.2.1能带理论,P型半导体能带,N型半导体,P型半导体,本征半导体,1.2.1能带理论,P型半导体,含有三种载流子:,空穴数目自由电子数目?(多子)(少子),B,B,B,B,B,1.2.1能带理论,2半导体能带,1.2.1能带理论,三者的差异?,N型半导体:施主能级,P型半导体:受主能级,掺杂百万分之一的杂质,载流子浓度提高百万倍?,1.2.1能带理论,总结:N
12、型半导体与P型半导体的比较,1.2.1能带理论,1.2 半导体的基础知识,1.2.1 能带理论,1.2.2 热平衡状态下的载流子,1.2.3 半导体对光的吸收,1.2.4 非平衡状态下的载流子,1.2.4 载流子的扩散与漂移,1.2.2热平衡状态下的载流子,热平衡态,1.2 半导体的基础知识,一个不受外界影响的封闭系统,其状态参量(如温度、载流子浓度等)与时间无关的状态称为热平衡态。,载流子的分布,导带中电子的浓度,价带中空穴的浓度,1.2.2热平衡状态下的载流子,热平衡条件下,能量为E的能级被电子占据的概率为:,Ef费米能级,载流子的分布 服从费米统计分布规律,费米能级Ef的物理意义,1.2
13、.2热平衡状态下的载流子,Ef的意义是电子占据率为0.5时所对应的能级,1.2.2热平衡状态下的载流子,电子占据概率:,空穴占据概率:,1.2.2热平衡状态下的载流子,载流子的分布,导带中电子的浓度,价带中空穴的浓度,占据概率:,导带中电子占据的概率:,导带中总的电子浓度:,导带 电子浓度:,价带 空穴浓度:,1.2.2热平衡状态下的载流子,载流子的分布,本征和杂质半导体中的费米能级:,用费米能级描述载流子分布“标尺”,1.2.2热平衡状态下的载流子,半导体费米能级推导,练习:画出轻掺杂N型和重掺杂N型费米能级示意图,1.2.2热平衡状态下的载流子,热平衡态,1.2 半导体的基础知识,载流子的
14、分布,导带中电子的浓度,价带中空穴的浓度,用费米能级Ef描述:,本征半导体,N型半导体,P型半导体,总 结:,1.2 半导体的基础知识,1.2.1 能带理论,1.2.2 热平衡状态下的载流子,1.2.3 半导体对光的吸收,1.2.4 非平衡状态下的载流子,1.2.4 载流子的扩散与漂移,1.2.3半导体对光的吸收,1吸收定律,(x)=0(1r)e-x,=4/,1.2 半导体的基础知识,1.2.3半导体对光的吸收,本征吸收,半导体对光的吸收,非本征吸收,1.2.3半导体对光的吸收,本征吸收:光子能量足够大,价带中的电子能激发到导带,截止波长,产生电子空穴 对,条件:,特点:,1.2.3半导体对光
15、的吸收,本征吸收:,本征半导体和杂质半导体内部,都有可能发生本征吸收!,特别注意:,1.2.3半导体对光的吸收,非本征吸收:,光子能量不足以使价带中的电子激发到导带,包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收,杂质吸收:,N型半导体 施主束缚电子导带,P型半导体 受主束缚空穴价带,1.2.3半导体对光的吸收,本征吸收,电子 空穴 对,杂质吸收,本征吸收,杂质吸收,波长增大,本征吸收与非本征吸收比较:,电子 或 空穴,1.2 半导体的基础知识,1.2.1 能带理论,1.2.2 热平衡状态下的载流子,1.2.3 半导体对光的吸收,1.2.4 非平衡状态下的载流子,1.2.4 载流子的扩散与漂
16、移,1.2.4非平衡状态下的载流子,1 非平衡载流子的注入和复合,2.非平衡载流子的寿命,1.2 半导体的基础知识,1非平衡载流子的注入和复合,非平衡载流子,(过剩载流子),1.2.4非平衡状态下的载流子,光生载流子,热生载流子,1非平衡载流子的注入和复合,产生:,复合:,使非平衡载流子浓度增加的运动,使非平衡载流子浓度减小的运动,寿命?,1.2.4非平衡状态下的载流子,2.非平衡载流子的寿命,光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命,用c表示。,以N型为例,少子的寿命?,1.2.4非平衡状态下的载流子,2.非平衡载流子的寿命,以N型为例,计算弱注入条件下少子的寿命,1.2.4非平衡状态下
17、的载流子,复合率:,(热)产生率:,r为复合系数,热平衡时,为什么?,2.非平衡载流子的寿命,以N型为例,计算弱注入条件下少子的寿命,1.2.4非平衡状态下的载流子,光生电子空穴对的直接复合率可用材料中少子的变化率表示为,弱注入n(t)=p(t)n0,2.非平衡载流子的寿命,以N型为例,计算弱注入条件下少子的寿命,1.2.4非平衡状态下的载流子,弱注入条件下,载流子寿命与热平衡时多子电子的浓度成反比,并且在一定温度下是一个常数。,表明:,2.非平衡载流子的寿命,表征复合的强弱c决定线性光电导探测器的时间特性c的大小与材料的微观复合结构、掺杂及缺陷 等因素有关。,c的物理意义:,1.2.4非平衡
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