1、輻射學(xué)和光度量學(xué)基本概念輻射度學(xué)單位是純粹物理量的單位，例如，熟悉的物理學(xué)單位焦耳和瓦特就是輻射能和輻射功率的單位，光度學(xué)所討論的內(nèi)容僅是可見光波的傳播和量度，因此光度學(xué)的單位必須考慮人眼的響應(yīng)，包含了生理因素。例如，光度學(xué)中光功率的單位不用瓦特而用流明。其它基本概念 點(diǎn)源：照度與距離之間的平方反比定律 擴(kuò)展源：朗伯源的輻出度與輻亮度間的關(guān)系 漫反射面：漫反射體的視亮度與照度間的關(guān)系 定向輻射體例題，已知太陽(yáng)輻亮度為2x107W/(m2.sr)，太陽(yáng)半徑6,957x108m，地球半徑6.374x106m，太陽(yáng)地球平均距離為1.496x1011m，求太陽(yáng)輻出度、輻強(qiáng)度、輻通量及地球接收的輻通量，

2、大氣邊沿的輻照度。黑體輻射定律絕對(duì)黑體：任何溫度、任何波長(zhǎng)的入射輻射的吸收比都等于1。任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比，等于同一溫度下絕對(duì)黑體的單色輻出度。 （強(qiáng)吸收體也必是強(qiáng)發(fā)射體。）光譜輻出度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)極大值；不同溫度的曲線彼此不相交；某一波長(zhǎng)上，溫度越高，光譜輻出度越大；隨溫度升高，曲線峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)；波長(zhǎng)小于m的部分能量約占25%，波長(zhǎng)大于m的能量約占75%；維恩位移定律 (Wiens Displacement Law )將普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)求微分后令其等于0，則可以得到峰值光譜輻出度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)m與絕對(duì)溫度T的關(guān)系。維恩位移定律 (Wiens D

3、isplacement Law )當(dāng)黑體溫度升高時(shí)，輻射曲線的峰值波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。黑體，灰體和選擇性發(fā)射體，發(fā)射率與材料的性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)，隨物體本身的溫度和輻射波長(zhǎng)而改變，并隨觀測(cè)方向而有不同。（光譜發(fā)射率、半球發(fā)射率、方向發(fā)射率）發(fā)射率不隨波長(zhǎng)變化且小于1的物體稱灰體；發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的物體稱為選擇性輻射體；例題，已知太陽(yáng)的峰值輻射波長(zhǎng)為0.48um，太陽(yáng)地球平均距離1.495x108km，太陽(yáng)半徑6.955x105km，如果將太陽(yáng)與地球均近似看出黑體，求太陽(yáng)的地球的表面溫度。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的能帶1、能級(jí)理論：晶體中的電子只能處于能帶的能級(jí)上，且每一個(gè)能帶中都有與原子總數(shù)相適

4、應(yīng)的能級(jí)數(shù)。2、泡利原理：在每一個(gè)能級(jí)上最多只能填充一個(gè)電子。即N為能級(jí)數(shù)。跟據(jù)能量最小原理，電子填充能帶時(shí)，總是從最低的能帶、最小能量的能級(jí)開始填充。滿帶：任何時(shí)間都填滿電子數(shù)。價(jià)帶：絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶為價(jià)電子占滿。而導(dǎo)帶中沒有電子。導(dǎo)帶：價(jià)帶中電子獲得足夠的熱能或輻射能后，就會(huì)越過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶。費(fèi)米分布函數(shù)半導(dǎo)體中的電子數(shù)：4*5*1022/cm3從整體看，熱平衡下，電子按能量大小具有一定統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律性，即此時(shí)電子在不同能量的量子態(tài)上統(tǒng)計(jì)分布幾率是一定的。Ef，費(fèi)米能級(jí)，與溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)含量等有關(guān)系。費(fèi)米能級(jí)可以看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限；一般可以認(rèn)為，在溫度不高時(shí)

5、，能量大于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)基本上沒有被電子占據(jù)，而能量小于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)基本上為電子所占據(jù)。費(fèi)米能級(jí)位置較高，說(shuō)明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。玻耳茲曼分布函數(shù) 表明，在一定溫度下，電子占據(jù)能量為E的量子態(tài)的幾率由指數(shù)因子所決定玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布；原因：Fermi 和 Boltzmann統(tǒng)計(jì)的主要差別，前者受到Pauli exclusion principle限制，但在E-EfkT條件下，泡利原理失去作用，兩者同一；半導(dǎo)體中的電子與空穴分布半導(dǎo)體中，最常遇到的情況是Ef位于禁帶內(nèi)，且其與導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于kT，故導(dǎo)帶中的電子分布可以用電子的Boltzmann分布函數(shù)描寫；即導(dǎo)帶中大

6、多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底附近；f(E)表示電子分布，則1- f(E)表示空穴分布；價(jià)帶中大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂附近；半導(dǎo)體的類型 I;P;雜質(zhì)1、I型半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體）： 1、I型半導(dǎo)體是完全純凈或結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體，是完全由基質(zhì)原子組成的晶體。在絕對(duì)零度時(shí)，不受外界影響的情況下，導(dǎo)帶沒有電子，價(jià)帶也沒有空穴，因此不能導(dǎo)電。在熱運(yùn)動(dòng)或外界的影響下，價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子和空穴，構(gòu)成導(dǎo)電載流子。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體對(duì)N型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)中的電子只要獲得很小的能量，就能脫離原子而參加導(dǎo)電，由于導(dǎo)帶中的電子在導(dǎo)電中起主要作用，因此也稱為“電子型半導(dǎo)體”。由能級(jí)圖可見，施主能級(jí)處于禁帶內(nèi)導(dǎo)帶底的下面。電

7、子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶所需的能量。 在常溫下，電子所具有的平均熱能就足以使施主原子電離。因此，對(duì)N型半導(dǎo)體具有較高的電導(dǎo)率。3、P型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體是以空穴為主導(dǎo)電的半導(dǎo)體，這樣的半導(dǎo)體也稱為“空穴型半導(dǎo)體”。由能級(jí)圖可見，受主能級(jí)處于禁帶內(nèi)價(jià)帶頂?shù)纳戏?，價(jià)帶電子躍遷到受主能級(jí)所需的電離能 。這時(shí)由于電子填充了共價(jià)鍵中的空位而出現(xiàn)空穴。在常溫下，電子所具有的平均熱能就足以使受主原子電離。因此，對(duì)P型半導(dǎo)體具有較高的電導(dǎo)率。從半導(dǎo)體載流子的濃度考慮，若在無(wú)輻射時(shí)電子和空穴的濃度分別為n和p，則當(dāng)np時(shí)，這種半導(dǎo)體稱為P本征半導(dǎo)體；當(dāng)np時(shí)，稱為N型半導(dǎo)體；當(dāng)np時(shí)，稱為I型半導(dǎo)體。光輻射與半導(dǎo)

8、體的相互作用 當(dāng)光輻射作用在半導(dǎo)體上時(shí)，半導(dǎo)體吸收光輻射能量，價(jià)帶的電子獲得輻射能后將躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，形成非平衡載流子，從而提高材料的電導(dǎo)率。半導(dǎo)體對(duì)光輻射的吸收分為本征吸收、雜質(zhì)吸收、載流子吸收、激子和晶格吸收五種光吸收效應(yīng)。本征吸收是指電子在輻射作用下，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的吸收。研究本征吸收時(shí)應(yīng)考慮半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。如前所述，對(duì)直接帶隙材料，電子所需的能量應(yīng)大于或等于能隙Eg；而對(duì)間接帶隙材料，電子除需要大于或等于能隙的能量外，還需要聲子的能量。雜質(zhì)吸收，在半導(dǎo)體禁帶內(nèi)存在雜質(zhì)能級(jí)時(shí)，在小于能隙能量的光子作用下，雜質(zhì)能級(jí)和相應(yīng)的能帶間出現(xiàn)電子躍遷而形成的非平衡載流子電子或空穴

9、。雜質(zhì)吸收的光譜區(qū)位于本征吸收的長(zhǎng)波方向，其光子能量應(yīng)大于或等于所需的電離能。載流子吸收載流子濃度很大時(shí)（1019-1020 cm-3），導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴產(chǎn)生帶內(nèi)能級(jí)間躍遷而出現(xiàn)的非選擇性吸收激子和晶格吸收 指所吸收輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裨拥恼駝?dòng)能量，或由庫(kù)倫力相互作用形成電子和空穴的能量。 這種吸收對(duì)光電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn)，甚至?xí)档凸怆娹D(zhuǎn)換效率。半導(dǎo)體中的非平衡載流子一般通過(guò)外部注入載流子或用光激發(fā)方式使半導(dǎo)體器件載流子濃度超過(guò)熱平衡時(shí)的濃度。這些超出部分的載流子稱為非平衡載流子或過(guò)剩載流子。半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生非平衡載流子是光電檢測(cè)器件的工作基礎(chǔ)。載流子的擴(kuò)散與漂移擴(kuò)散：當(dāng)材料的局部

10、位置受到光照時(shí)，在這局部位置的光生載流子濃度就比未照射部分載流子濃度要高。這時(shí)電子將濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為載流子擴(kuò)散。擴(kuò)散有一定方向，可以形成電流。在擴(kuò)散過(guò)程，流過(guò)單位面積的電流稱為擴(kuò)散電流密度，它正比于光生載流子的濃度梯度。由于載流子擴(kuò)散取載流子濃度減少方向，所以空穴形成的電流是負(fù)的。漂移：半導(dǎo)體受外電場(chǎng)作用時(shí)，其中的電子向正極運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，這種定向運(yùn)動(dòng)稱為載流子漂移。電流密度J正比于電場(chǎng)強(qiáng)度E；分析說(shuō)明本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)的機(jī)理光電效應(yīng)物質(zhì)在光的作用下，不經(jīng)升溫而直接引起物質(zhì)中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。

11、 在理解上述定義時(shí)，必須掌握以下三個(gè)要點(diǎn)： 原因：是輻射，而不是升溫； 現(xiàn)象：電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化； 結(jié)果：電導(dǎo)率變化、光生伏特、光電子發(fā)射。簡(jiǎn)單記為：輻射電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電子發(fā)射。光對(duì)電子的直接作用是物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的起因光電效應(yīng)的起因： 在光的作用下，當(dāng)光敏物質(zhì)中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時(shí)，電子就會(huì)從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)，脫離原子核的束縛，在外電場(chǎng)作用下參與導(dǎo)電，因而產(chǎn)生了光電效應(yīng)。 這里需要說(shuō)明的是，如果光子不是直接與電子起作用，而是能量被固體晶格振動(dòng)吸收，引起固體的溫度升高，導(dǎo)致固體電學(xué)性質(zhì)的改變，這種情況就不是光電效應(yīng)，而是熱電效應(yīng)。

12、光與物質(zhì)的相互作用：內(nèi)光電效應(yīng)：被光激發(fā)的載流子仍在物質(zhì)內(nèi)部，但使物質(zhì)的電導(dǎo)率變化or產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)；(半導(dǎo)體光電器件)外光電效應(yīng)：被光激光的電子逸出物質(zhì)表面，形成的效應(yīng)；(真空光電倍增管、攝像管、像增強(qiáng)器) 內(nèi)光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 丹培(Dember)效應(yīng) 光磁電效應(yīng) 光子牽引效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)一、光電導(dǎo)效應(yīng)：價(jià)帶電子吸收光子躍入導(dǎo)電，引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率變化由于對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大（電阻減小） ；光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)和入射輻通量的關(guān)系：弱輻射下為線性關(guān)系，隨輻射的增加，線性關(guān)系變壞，輻射很強(qiáng)時(shí)，變?yōu)閽佄锞€關(guān)系；I、本征半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)：

13、光照時(shí)，處在價(jià)帶中的電子吸收入射光子的能量，若光子能量大于禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶成為自由電子，同時(shí)在原來(lái)的價(jià)帶中留下空穴，外電場(chǎng)作用時(shí)，光激發(fā)的電子空穴對(duì)將同時(shí)參加導(dǎo)電。從而使電導(dǎo)率增加。II,雜質(zhì)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)N型光電導(dǎo)體，主要是光子激發(fā)施主能級(jí)中的電子躍遷到導(dǎo)帶中去，電子為主要載流子，增加了自由電子的濃度。P型光電導(dǎo)體，主要是光子激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷到受主能級(jí)，與受主能級(jí)中的空穴復(fù)合，而在價(jià)帶中留有空穴，作為主要載流子參加導(dǎo)電。增加了空穴的濃度。二、光生伏特效應(yīng)：基于pn結(jié)基礎(chǔ)上的一種把光能轉(zhuǎn)變成電能的效應(yīng)。pn結(jié)接觸,Femi能級(jí)差別Femi能級(jí)相同空間電荷區(qū)；(空間電

14、場(chǎng)：np) 在pn結(jié)區(qū)有光生載流子時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)電子向n+空穴向p；(p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，伏特電壓)丹培(Dember)效應(yīng):由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生的伏特現(xiàn)象；如下圖所示：1,半導(dǎo)體部分遮蔽、部分光照載流子向遮蔽區(qū)擴(kuò)散；2,電子遷移率大于空穴遷移率遮蔽區(qū)積累電子+光照區(qū)積累空穴；3,形成光生伏特現(xiàn)象；當(dāng)半導(dǎo)體較厚，迎光面帶正電，背光面帶負(fù)電；外光電效應(yīng)光電發(fā)射的基本定律1,愛因斯坦定律（光電發(fā)射第二定律）發(fā)射體發(fā)射的光電子的最大動(dòng)能，隨入射光頻率的增加而線性的增加，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。2, 斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）當(dāng)入射輻射的光譜分布不變時(shí)，入射輻射通量越大（攜帶的光子數(shù)越多

15、），激發(fā)電子逸出光電發(fā)射體表面的數(shù)量也越多，因而發(fā)射的光電流就增加，所以光電流正比于入射輻射通量。光電探測(cè)器噪聲與基本參數(shù)一般光電檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲包括三種：(1) 光子噪聲。包括：A信號(hào)輻射產(chǎn)生的噪聲；B背景輻射產(chǎn)生的噪聲。(2)探測(cè)器噪聲。包括：A熱噪聲，注意：熱噪聲雖然是溫度T的函數(shù)，但并不是溫度變化引起的溫度噪聲。；B散粒噪聲；C產(chǎn)生-復(fù)合噪聲；D.1f噪聲；E.溫度噪聲。(3)信號(hào)放大及處理電路噪聲熱噪聲：熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)熱激發(fā)的波動(dòng)而引起的無(wú)偏壓下的起伏電動(dòng)勢(shì)、或起伏電流。注意：熱噪聲雖然是溫度T的函數(shù)，但并不是溫度變化引起的溫度噪聲。散粒噪聲：由于粒子的隨機(jī)性出現(xiàn)而

16、構(gòu)成的噪聲。隨機(jī)事件有：物體輻射的或接收的光子數(shù)；陰極發(fā)射的電子數(shù)；半導(dǎo)體中的載流子數(shù)；光電倍增器的倍增系數(shù)等。 散粒噪聲的大小取決于：注意：散粒噪聲和熱噪聲都是與頻率無(wú)關(guān)的“白噪”聲。即：散粒噪聲和熱噪聲的大小與頻率的高低無(wú)關(guān)。等效噪聲功率：如果投射到探測(cè)器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）正好等于探測(cè)器本身的聲電壓（或電流），則這個(gè)輻射功率就叫做“噪聲等效功率”。意思是說(shuō)，它對(duì)探測(cè)器所產(chǎn)生的效果與噪聲相同通常，用符號(hào)“NEP”表示。探測(cè)率與比探測(cè)率：等效噪聲功率NEP與人們的習(xí)慣不一致。所以，通常用NEP的倒數(shù)，即探測(cè)率D作為探測(cè)器探測(cè)最小光信號(hào)能力的指標(biāo)。比探測(cè)率又稱歸一化探

17、測(cè)率，也叫探測(cè)靈敏度。實(shí)質(zhì)上就是當(dāng)探測(cè)器的敏感元件面為單位面積（Alcm2），放大器的帶寬f1Hz 時(shí)，單位功率的輻射所獲得的信號(hào)電壓與噪聲電壓之比，通用符號(hào)D表示。光電檢測(cè)中的常用光源一切能產(chǎn)生光熱輻射的輻射源，無(wú)論是天然的，還是人造的，都稱為光源。按照光波在時(shí)間、空間上的相位特征，一般將光源分成相干光源和非相干光源。按照發(fā)光機(jī)理，光源又可以分成熱輻射光源，氣體發(fā)光光源，固體發(fā)光光源和激光器四種。白熾燈：白熾燈是光電測(cè)量中最常用的光源之。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體輻射曲線相差約0.5，而在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2。此外，它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用和量值復(fù)現(xiàn)

18、方便，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。白熾燈有真空鎢絲燈、充氣鎢絲燈和鹵鎢燈等，光輻射是由鎢絲通電加熱發(fā)出的。真空鎢絲白熾燈的工作溫度為23002800K，發(fā)光效率約10lmW。白熾燈鹵鎢循環(huán)類白熾燈 （鹵鎢燈 ）：鹵鎢循環(huán)的過(guò)程：在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，從燈絲蒸發(fā)出來(lái)的鎢在玻殼內(nèi)壁與鹵素反應(yīng)，形成揮發(fā)性的鹵鎢化合物。由于玻殼內(nèi)壁溫度足夠高（大于250），鹵鎢化合物呈氣態(tài)，當(dāng)鹵鎢化合物擴(kuò)散到較熱的燈絲周圍區(qū)域時(shí)又分解成鹵素和鎢。釋放出來(lái)的鎢部分回到燈絲上，而鹵素則繼續(xù)參與循環(huán)過(guò)程。氟氯溴碘的各種鹵化物都能產(chǎn)生鎢的再生循環(huán)。它們之間的主要區(qū)別是發(fā)生循環(huán)反應(yīng)所需的溫度以及與燈內(nèi)其他物質(zhì)發(fā)

19、生作用的程度有所不同。為了使管壁處生成的鹵化鎢處于氣態(tài)，鹵鎢燈的管壁溫度要比普通白熾燈高得多。相應(yīng)地，鹵鎢燈大玻殼尺寸要小很多。例如，500W鹵鎢燈的體積是通常白熾燈的1%。這時(shí)普通玻璃承受不了，必須使用耐高溫的石英玻璃或硬料玻璃。由于玻殼尺寸小、強(qiáng)度高，燈內(nèi)允許氣壓就高，加之工作溫度高，故燈內(nèi)的工作氣壓要比普通充氣燈泡高很多。既然在鹵鎢燈中鎢的蒸發(fā)受到更有力的抑制，同時(shí)鹵鎢循環(huán)消除了玻殼的發(fā)黑，燈絲的工作溫度和光效大為提高，而燈大壽命并不縮短。3.白熾燈鹵鎢循環(huán)類白熾燈 （鹵鎢燈 ）：鹵鎢燈與白熾燈相比，具有體積小、壽命長(zhǎng)、光效高、光色好和光輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，鹵鎢燈大設(shè)計(jì)使

20、用電壓從6250V，功率從121000W。氣體放電光源利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。制作時(shí)在燈中充入發(fā)光用的氣體，如氦、氖、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鈉、鉈、鏑等，這些元素的原子在電場(chǎng)作用下電離出電子和離子。當(dāng)離子向陰極、電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電場(chǎng)中得到加速，當(dāng)它們與氣體原子或分子高速碰撞時(shí)會(huì)激勵(lì)出新的電子和離子。在碰撞過(guò)程中有些電子會(huì)躍遷到高能級(jí)，引起原子的激發(fā)。受激原子回到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)射出相應(yīng)的輻射，這樣的發(fā)光機(jī)制被稱為氣體放電原理。氣體放電光源具有下述特點(diǎn)；發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高210倍。由于不靠燈絲發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊，耐震、抗沖擊。壽命長(zhǎng)。一般比

21、白熾燈壽命長(zhǎng)210倍。光色適應(yīng)性強(qiáng)，可在較大范圍內(nèi)選擇。熒光燈熒光燈的工作原理 熒光燈通常為直管型，兩端各封有一個(gè)電極。燈內(nèi)充有低氣壓的汞蒸氣合少量的惰性氣體。燈管的內(nèi)表面涂有熒光粉層。燈內(nèi)的低氣壓汞蒸氣放電將60%左右的輸入電能轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)為253.7nm的紫外輻射。紫外輻射激發(fā)熒光粉變成可見光。管型熒光燈的主要部件有玻殼、熒光粉涂層、電極、填充氣體和燈頭. 影響熒光燈發(fā)光效率的因素 影響熒光燈發(fā)光效率的因素很多，這些因素有些是各不相關(guān)的，有些則是互相牽制的。發(fā)光效率主要取決于熒光粉的種類和質(zhì)量、燈管的幾何尺寸、單位表面的功率負(fù)荷、電極的損耗、惰性氣體的種類和充氣的壓力，以及燈的電源電流波形，

22、周圍環(huán)境溫度和電源電壓等。后面3點(diǎn)是外界因素，前面幾點(diǎn)則屬于燈管本身設(shè)計(jì)和制造范圍的因素。A，熒光粉層對(duì)發(fā)光效率的影響：對(duì)熒光燈的光效影響最大的是熒光粉的種類和質(zhì)量。不同種類熒光粉的發(fā)光效率相差很大。B，管壁溫度對(duì)光效的影響：如前所述，當(dāng)汞氣壓為0.8Pa時(shí)，熒光燈能最有效地產(chǎn)生253.7nm的輻射，高于或低于此氣壓值，對(duì)燈的發(fā)光效率都是不利的。而燈內(nèi)汞蒸氣是由管壁最冷部分的溫度所決定的，最佳汞蒸氣壓所對(duì)應(yīng)的溫度大約是40。影響熒光燈壽命的因素 熒光燈壽命終了，主要是由于兩端陰極上的堿金屬氧化物在啟動(dòng)和燃點(diǎn)時(shí)逐漸蒸發(fā)和飛濺造成的。當(dāng)陰極上的氧化物完全消失時(shí)，燈管就不能啟動(dòng)，熒光燈的壽命即告終結(jié)

23、。這個(gè)過(guò)程的長(zhǎng)短是由許多因素決定的，有的是屬于使用范圍的問(wèn)題，如電源電壓的變化、燈管電流的大小、電流的波形和啟動(dòng)的次數(shù)等。在一定工作狀態(tài)下，如電流增加，陰極溫度過(guò)高，壽命就縮短；電流減小，壽命就會(huì)延長(zhǎng)。如電流增加1%，壽命就要縮短1.7%，但如果電流小于0.2A時(shí)，燈壽命也要縮短，這時(shí)因?yàn)殛帢O的溫度過(guò)低，發(fā)射減小，陰極電位增高，濺射嚴(yán)重，壽命也要縮短。金屬鹵化物燈 金屬鹵化物燈是20世紀(jì)60年代在高壓汞燈和鹵鎢燈工作原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型高效光源。它光效高、光色好，而且可以根據(jù)不同需要設(shè)計(jì)制造出需要的光色，不僅在照明技術(shù)中應(yīng)用，還用于各種特殊需要的輻照加工中。 高壓汞燈發(fā)出的可見光主要是由4

24、條汞的特征譜線所組成，即由404.7nm、435.8nm、546.1nm和578nm組成，因此它的光色偏藍(lán)綠光，缺少紅光。為改進(jìn)高壓汞燈的光色，人們?cè)?0世紀(jì)60年代成功地將多種金屬以鹵化物的方式加到高壓汞燈的電弧管中，以使這些金屬原子象汞一樣電離、發(fā)光，發(fā)出自己的特征譜線以填補(bǔ)汞特征譜中的空白。一般情況下，金屬鹵化物的蒸氣壓都比相同溫度時(shí)該金屬本身的蒸氣壓高得多。幾乎所有的金屬鹵化物都不會(huì)與石英玻璃發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)。因此，金屬鹵化物的基本電性能與高壓汞燈相同，汞弧放電決定了它的電性能和熱損耗，而充入燈管內(nèi)的低氣壓金屬鹵化物，決定了燈的發(fā)光性能。所以金屬鹵化物燈兼具有高氣壓放電燈和低氣壓放電

25、燈的特點(diǎn)。 A，由幾種金屬原子發(fā)出線狀光譜分段疊加，以求得高光效，高顯色性典型的是充鈉、鉈、銦的金屬鹵化物系列。鈉的共振譜線在589-589.6nm，鉈的共振譜線在535nm，銦的共振譜線是451nm。燈的光譜由三者在視見函數(shù)的最大值附加組成。這類燈的光效約為70-80lm/W，色溫3800-4200K，顯色指數(shù)70-75，常用于一般照明，燈的壽命可達(dá)數(shù)千小時(shí)。B，充入鈧、鈉鹵化物的光譜，也呈多線光譜疊加鈧、鈉系金屬鹵化物燈是金屬鹵化物燈中光效最高（約90-100lm/W），同時(shí)顯色指數(shù)也較好的品種，Ra可達(dá)60-70，色溫范圍3600-4200K，因而使用較廣。C，充入能在可見光部分發(fā)出大量

26、密集譜線的金屬鹵化物燈稀土類金屬如鏑、鈥、銩的光譜譜線間隙很小，可以認(rèn)為是連續(xù)的。因此，采用這類金屬鹵化物的燈，顯色性很好。但是，稀土金屬鹵化物的蒸氣壓都比較低，為了提高燈內(nèi)稀土金屬鹵化物的分壓強(qiáng)，燈的管壁溫度就要提高，也就是說(shuō)管壁負(fù)載較大。這樣，燈的壽命就必然縮短。充鏑鈥鹵化物的燈，光效約在70-80lm/W，顯色指數(shù)為80-95，色溫3800-5600K。氣體放電現(xiàn)象:將一對(duì)平板電極放在密封的容器中，抽去空氣并充入一定量的其他氣體，并在兩電極間加上一個(gè)可變電壓，測(cè)量通過(guò)放電管的電流和電壓之間的關(guān)系，得到的曲線就稱為氣體放電的全伏-安特性。 從圖中可以看出，放電管兩端剛開始加上電壓時(shí)，電壓較

27、低，放電管中只有微弱的電流通過(guò)，其電流為管內(nèi)的原始電子或正離子產(chǎn)生，稱為剩余電離。這些帶電粒子在電場(chǎng)作用下形成的電流隨電壓的增加而增加，對(duì)應(yīng)圖中的OA段。當(dāng)電壓繼續(xù)上升時(shí)，因?yàn)閹щ娏Ｗ訑?shù)目不多，當(dāng)所有因?yàn)槭Ｓ嚯婋x產(chǎn)生的帶電粒子全部到達(dá)電極后，電流就飽和了。這就是說(shuō)，電壓升高，電流不再增加，對(duì)應(yīng)圖中的AB段。電壓再升高時(shí)，放電管中電子受電場(chǎng)加速，自由電子的速度越來(lái)越大，當(dāng)它們與中性原子、分子碰撞時(shí)，可能會(huì)使分子、原子電離。而電離產(chǎn)生的新的自由電子和離子也在電場(chǎng)中加速，并通過(guò)碰撞可能產(chǎn)生更多的分子、原子電離。對(duì)應(yīng)圖中的BD段，此段放電又稱為繁流放電或雪崩放電。當(dāng)電壓升高到B點(diǎn)時(shí)，由于雪崩放電，電流

28、突然增加，正離子質(zhì)量大能量高，猛烈轟擊陰極，可以使陰極發(fā)射足夠的電子來(lái)，這就是圖上的D點(diǎn)。這時(shí)我們稱為放電著火或擊穿，相應(yīng)于D點(diǎn)的電壓稱為著火電壓（Vz）。 當(dāng)放電達(dá)到D點(diǎn)以后，由于陰極在正離子轟擊下發(fā)出大量的電子，放電管電流突然增加，放電擊穿，電壓迅速下降，放電自動(dòng)地過(guò)渡到EF段。在這一段放電發(fā)出明亮的輝光，故此段被稱為輝光放電。在輝光放電EF段中，還只是有一部分陰極受正離子轟擊而發(fā)射電子，所以電流增加時(shí)，陰極發(fā)射也隨著增加，因此電壓不變或變化很小。這一段稱為正常輝光放電。當(dāng)整個(gè)陰極都用于發(fā)射后，再要增加電流，陰極發(fā)射電流密度必須增加，這時(shí)電壓就得升高。這就是圖上的FG段，這段放電稱為異常輝

29、光放電。其后，如果再要使放電電流增加，發(fā)射電極電子密度要高，也就是要大量正離子轟擊陰極，使陰極發(fā)熱而稱為熱電子發(fā)射。此時(shí)電流迅速增加，由于有熱陰極電子發(fā)射，電壓反而下降，這就是GH段。此段由于放電特性發(fā)生了突變，我們稱這段放電為弧光放電。在OC段，如果去掉剩余電離，電流立即停止，所以我們稱這段為非自持放電。在D點(diǎn)放電著火以后，如去掉剩余電離，放電仍將是穩(wěn)定的，我們稱著火以后的放電為自持放電。非自持放電由于沒有放電光輝，又稱它為暗放電。暗放電電流大約在10-6A以下，輝光放電電流在10-610-1A，而弧光放電的電流在10-1A以上。 固體發(fā)光光源 白光LED 發(fā)白光的LED有著最誘人的發(fā)展前景

30、，但半導(dǎo)體材料的發(fā)光機(jī)理決定了單一LED芯片不可能發(fā)出連續(xù)光譜的白光，要采用其它的方法來(lái)合成白光，目前有幾種方式發(fā)展較快：A，直接將紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED芯片組成一組，實(shí)現(xiàn)白光。其安裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且各色LED的驅(qū)動(dòng)電壓、發(fā)光效率及配色特性不同，溫度特性也存在差異。B，在藍(lán)色LED芯片種涂敷高效黃色熒光粉，藍(lán)光及被藍(lán)色激發(fā)的熒光粉所發(fā)射的黃光經(jīng)調(diào)控后可得到各種色溫的白光。其安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)光效率高。但低色溫LED顯色指數(shù)難以超過(guò)80。C，在紫外LED芯片中涂敷紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉，熒光粉被紫外光激發(fā)產(chǎn)生白光。和低壓熒光燈中利用253.7nm的紫外光激發(fā)熒光粉稍有不同的是，LED中要比三

31、基色熒光粉在更低能量紫外激發(fā)有較高的發(fā)光效率。半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本原理與特性與白熾燈和氣體放電發(fā)光不同，半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光原理是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。一般半導(dǎo)體發(fā)光二極管材料大部分為III-V族半導(dǎo)體以及II-VI族材料。配圖為III-V及II-VI族材料的能隙與晶格常數(shù)的關(guān)系圖，由圖可知這些材料包括的范圍由紅光到紫外線，目前紅光的材料主要是AlGaInP而藍(lán)綠光及紫外線主要材料是AlGaInN。雖然II-VI族材料也可以得到紅光及綠光，但是這些材料極為不穩(wěn)定，所以目前所用的發(fā)光材料大部分是III-V族。發(fā)光效率與材料是否為直接帶隙材料有關(guān)，GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs

32、與GaAs為直接帶隙材料，這些材料的導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)在k空間中是上下直接對(duì)應(yīng)的，所以電子與空穴可以進(jìn)行有效的復(fù)合而發(fā)光，如配圖a所示。配圖b為間接帶隙材料，其導(dǎo)帶的最低點(diǎn)與價(jià)帶的最高點(diǎn)在k空間不在同一位置，所以電子與空穴進(jìn)行復(fù)合時(shí)，還需要聲子的參加，所以發(fā)光效率低。目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙材料。發(fā)光二極管實(shí)際上是一個(gè)半導(dǎo)體的p-n結(jié)，當(dāng)一個(gè)正向偏壓施加到p-n結(jié)兩端時(shí)，使結(jié)勢(shì)壘降低，p區(qū)的正電荷將向n區(qū)擴(kuò)散，n區(qū)的電子也向p區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)在兩個(gè)區(qū)域形成非平衡電子的積累。對(duì)于p-n結(jié)系統(tǒng)，注入到價(jià)帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以自發(fā)輻射的方式輸出。對(duì)于GaA

33、s等半導(dǎo)體材料，其禁帶寬帶所對(duì)應(yīng)的放光波長(zhǎng)正好處于380-780nm的可見光區(qū)域，從而為L(zhǎng)ED的發(fā)展和應(yīng)用開辟了廣闊的空間。 色度學(xué)基礎(chǔ)Grassmann定律1854年Grassmannn總結(jié)關(guān)于顏色混合的定性性質(zhì)1，人的視覺只能分辨顏色的三種變化，明度，色調(diào)、飽和度；2，由兩種成分組成的混合色中，如果其中一種連續(xù)變化則混合色的外貌也連續(xù)變化；3，顏色外貌相同的光，不管其光譜組成是否一樣，在顏色混合中具有相同的效果。即凡是在視覺上相同的顏色都是等效的；4，混色是的總亮度等于組成此混合色之各種成分亮度的總和，此為亮度相加定律；顏色的三個(gè)特征：Luminance(亮度or明度) 、Hue(色相 o

34、r色調(diào)) 、Saturation(飽和度)。 明度是指刺激物的強(qiáng)度作用于眼睛所發(fā)生的效應(yīng)，人眼直接感受到的物體明亮程度。色調(diào)是彩色的最重要特征。由物體反射的光線中以哪種波長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì)來(lái)決定的。飽和度是指顏色的鮮明程度。如飽和度高，則物體呈現(xiàn)深色，如深紅、深綠。是顏色色調(diào)的表現(xiàn)程度，取決于反射光的波長(zhǎng)范圍的狹窄性（純度）?；焐伾铣桑┩愖V：光譜不同的光線，在某種條件下能引起人眼相同的顏色感覺。實(shí)驗(yàn)證明，全部光色都可以用紅、綠、藍(lán)三基色以適當(dāng)比例混合得到；加法混色同時(shí)加色法：R、G、B以適當(dāng)比例混合；（紅+綠=黃； 紅+藍(lán)=紫； 藍(lán)+綠=青）繼時(shí)加色法：將兩種以上的顏色以50Hz以上頻率交替作

35、用于視網(wǎng)膜，形成混色刺激狀態(tài)；（涂R、G、B的混色盤以2000-3000r/min轉(zhuǎn)，可得各種光譜色）空間加色法： R、G、B三個(gè)發(fā)光點(diǎn)靠的很近，到人眼不能分辨，則此發(fā)光點(diǎn)組在人眼中產(chǎn)生混色效應(yīng)；（彩色電視機(jī)的熒光屏）減法混色顏料、油漆的顏色是其吸收了一定波長(zhǎng)的光線后剩余光線的色調(diào)；（黃顏料：吸收白光中的藍(lán)光而反射紅和綠光）減色法的三原色：青（R補(bǔ)色）、品紅（G補(bǔ)色）、黃（B補(bǔ)色）；（彩色膠片）三原色：顏色匹配實(shí)驗(yàn)中選取三種顏色，有其相加混合能產(chǎn)生任意顏色，則稱此三種顏色為三原色；三刺激值：與待測(cè)色達(dá)到匹配時(shí)所需的三原色的能量，稱為三刺激值（tristimulus values）；光譜三刺激值

36、：匹配等能光譜色的三原色的能量，稱光譜三刺激值（r,g,b），又稱顏色匹配函數(shù)，其數(shù)值只決定于人眼的視覺特性；CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度圖實(shí)際中，非單色的三基色的配色問(wèn)題分布色系數(shù)：分布色系數(shù)還是出現(xiàn)負(fù)值，改用三個(gè)假想的基色(X)(Y)(Z)建立新的色度圖，并將配色的三基色的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化：“1931 CIE-XYZ計(jì)色系統(tǒng)”，a), 為避免色度座標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，人為選取三個(gè)自然不存在的基色(X)紅，(Y)綠，(Z)藍(lán)；配色三角要包含整個(gè)光譜軌跡；（所有實(shí)色色系數(shù)非負(fù)）b), 只有(Y)包含亮度，(X)(Z)不含有亮度；c), 構(gòu)成XYZ三角時(shí)，盡可能減少三角形所占面積；無(wú)光照時(shí)，伏安特性曲線與一般二極

37、管的伏安特性曲線相同，二極管就工作在這個(gè)狀態(tài)，伏安特性曲線處于第一象限。受光照后，光生電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下形成大于I0的光電流，并且方向與I0相同，曲線向下平移到第四象限，平移的幅度與光照的變化成正比，即Ip=SEE。光電池。p-n結(jié)上加反偏壓，暗電流隨反向偏壓的增大有所增大，最后等于反向飽和電流I0，而光電流Ip幾乎與反向電壓的高低無(wú)關(guān)。光電二極管和光電三極管。 光伏模式下光電二極管在無(wú)偏壓下工作，暗電流造成的散粒噪聲小，無(wú)1/f噪聲。光照下只有熱噪聲，信噪比好。光導(dǎo)模式時(shí)，二極管加反偏壓，光電流正比于光輻射強(qiáng)度，光電流的大小與負(fù)載無(wú)關(guān)，但反偏壓減弱了結(jié)電容，可以提高頻率特性。此外反偏壓

38、可增加長(zhǎng)波靈敏度及擴(kuò)展線性區(qū)上限。缺點(diǎn)：反偏壓引起的暗電流引起較大的散粒噪聲，且在頻率低于1kHz的時(shí)候有1/f噪聲。光伏式二極管用于超低噪聲、低頻及儀器方面；光導(dǎo)式二極管用來(lái)探測(cè)高速光脈沖和高頻調(diào)制光。硅光電池結(jié)構(gòu)：由鍍有上下電極的大面積PN結(jié)構(gòu)成。2DR：P型硅襯底，N摻雜pn結(jié)；2CR：N型硅襯底，P摻雜pn結(jié)；為使輸出電流大，光敏面積盡可能大，采用梳狀電極以減小載流子復(fù)合；典型參數(shù)：開路電壓0.55V； 短路電流35-40mA/cm2； 轉(zhuǎn)換效率10%，最高15.5-20%； 光譜響應(yīng)峰值0.7-0.9um，范圍0.4-1.1um； 響應(yīng)時(shí)間10-3-10-9s光伏探測(cè)器的頻響特性：響

39、應(yīng)時(shí)間取決于：光生載流子擴(kuò)散至結(jié)區(qū)的時(shí)間n；光生載流子在電場(chǎng)作用下通過(guò)結(jié)區(qū)的漂移時(shí)間d ；由結(jié)電容&負(fù)載電阻決定的c；通常pn結(jié)耗盡層薄+結(jié)區(qū)電場(chǎng)大漂移時(shí)間不計(jì)；為減小時(shí)間常數(shù)：光敏面薄、結(jié)面積?。惶岣叻磯?、小負(fù)載電阻；可達(dá)幾百M(fèi)Hz甚至更高；硅光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理與硅光電池相似，差別為：襯底材料的摻雜濃度：硅光電二極管比光電池較低;( 10121013/cm3 vs.10161019/cm3)光電池的電阻率低，約為0.10.01歐姆厘米，而硅光電二極管則為1000歐姆厘米，光電池在零偏置下工作，而硅光電二極管在反向偏置下工作；一般說(shuō)來(lái)光電池的光敏面面積都比硅光電二極管的光敏面大得多，因

40、此硅光電二極管的光電流小得多，通常在微安級(jí)。硅光電二極管通常用反偏的光電導(dǎo)工作模式。硅光電二極管在無(wú)光照條件下，若給p-n結(jié)加一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反向電壓加強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，使p-n結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，勢(shì)壘增大。當(dāng)硅光電二極管被光照時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被加強(qiáng)了的內(nèi)建電場(chǎng)拉開，光生電子被拉向n區(qū)，光生空穴被拉向p區(qū)，于是形成以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。顯然，光電流比無(wú)光照時(shí)的反向飽和電流大得多，如果光照越強(qiáng),表示在同樣條件下產(chǎn)生的光生載流子越多，光電流就越大。當(dāng)硅光電二極管與負(fù)載電阻RL串聯(lián)時(shí)，在RL的兩端便可得到隨光照度變化的電壓信號(hào)。從而完成了將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 Si光電

41、二極管兩種結(jié)構(gòu)：n型硅B擴(kuò)散(p+n)，2CU；p型硅P擴(kuò)散(pn+)，2DU；2DU表面有漏電流，在SiO2中做環(huán)型pn結(jié)包圍光敏面；Si光電二極管總是在反偏壓下工作。低反壓時(shí)，光電流隨電壓變化不敏感；高反壓時(shí)，光電流趨近飽和，僅取決于入射功率；典型電流響應(yīng)度：0.4-0.5A/w；硅光電三極管和普通晶體三極管相似-也具有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，還受光的控制。光電三極管的光電轉(zhuǎn)換是在集-基結(jié)區(qū)內(nèi)進(jìn)行的，而集電極、基極和發(fā)射極又構(gòu)成一個(gè)有放大作用的晶體管，所以在原理上完全可以把它看成是一個(gè)由硅光電二極管與普通晶體管結(jié)合而成的組合件。為改善頻率響應(yīng)，減小體積，

42、提高增益集成光電晶體管，它是在一塊硅片上制作一個(gè)硅光電二極管和三極管 ；按達(dá)林頓接法接成的復(fù)合管，這種管子的電流增益可達(dá)到幾百； 硅光電三極管與硅光電二極管-伏安特性 ；光電二極管、三極管輸出的光電流與所加偏壓的關(guān)系；1,相同照度下：硅光電三極管mA，硅光電二極管A； 2,零偏壓下：硅光電三極管無(wú)光電流輸出，硅光電二極管仍然有光電流輸出；(硅光電二極管具有光生伏特效應(yīng)，而硅光電三極管集電極雖然產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，但因集電極無(wú)偏置電壓，沒有電流放大作用，只有微小的電流；)3,當(dāng)工作電壓較低時(shí)輸出的光電流有非線性，但硅光電三極管的非線性較嚴(yán)重，這是因?yàn)楣韫怆娙龢O管的與工作電壓有關(guān)。(要線性好工作電壓

43、盡可能高些；) 4,在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安特性曲線在低照度時(shí)間隔較均勻，在高照度時(shí)曲線越來(lái)越密，硅光電三極管比二極管嚴(yán)重得多，這是因?yàn)楣韫怆娙龢O管的是非線性的；硅光電三極管與硅光電二極管-光照特性 ；1,硅光電二極管的光照特性的線性較好；2,硅光電三極管的光電流在弱光照時(shí)有彎曲，強(qiáng)光照時(shí)又趨向于飽和，只有在中間一段光照范圍內(nèi)線性較好；(由于硅光電三極管的電流放大倍數(shù)在小電流或大電流時(shí)都要下降而造成的。) 硅光電三極管與硅光電二極管-溫度特性 ；硅光電二極管和硅光電三極管的光電流和暗電流均隨溫度而變化，但硅光電三極管因有電流放大作用，所以它的光電流和暗電流受溫度影響比硅光電二極管大得

44、多。由于暗電流的增加，使輸出信噪比變差，必要時(shí)要采取恒溫或補(bǔ)償措施。 硅光電三極管與硅光電二極管-頻率響應(yīng)特性 ；硅光電二極管的頻率特性主要決定于光生載流子的渡越時(shí)間。光生載流子的渡越時(shí)間包括光生載流子向結(jié)區(qū)擴(kuò)散和在結(jié)(耗盡層或阻擋層)電場(chǎng)中的漂移。這時(shí)，決定硅光電二極管的頻率響應(yīng)上限的因素是結(jié)電容Cj和負(fù)載電阻RL。要改善硅光電二極管的頻率響應(yīng)，就應(yīng)減小時(shí)間常數(shù)RLCj ，也就是分別減小RL和Cj的數(shù)值。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)頻率響應(yīng)要求選擇最佳的負(fù)載電阻。硅光電三極管的頻率響應(yīng)，還受基區(qū)渡越時(shí)間和發(fā)射結(jié)電容的限制。使用時(shí)也要根據(jù)響應(yīng)速度和輸出幅值來(lái)選擇負(fù)載電阻RL。 PIN型光電二極管為提高

45、pn結(jié)硅光電二極管響應(yīng)，消除在pn結(jié)外光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，在p區(qū)n區(qū)間生產(chǎn)i型層；PIN型光電二極管在反向電壓的作用下，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)半導(dǎo)體使p-n結(jié)的結(jié)間距離拉大，結(jié)電容變小。隨著反偏電壓的增大，結(jié)電容變得更小，從而提高了PIN光電二極管的頻率響應(yīng)。目前PIN光電二極管的結(jié)電容一般為零點(diǎn)幾到幾個(gè)微微法，響應(yīng)時(shí)間 tr13ns，最高達(dá)0.1ns(1GHz);由于內(nèi)建電場(chǎng)基本上全集中于i層中，使耗盡層厚度增加，展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，量子效率提高了(70%0.8m); 增加了對(duì)長(zhǎng)波的吸收，提高了長(zhǎng)波靈敏度，其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍可以從0.41.1m ;可承受較高的反向偏壓，使線性輸出范圍變

46、寬;雪崩光電二極管(APD)：特性為了實(shí)現(xiàn)均勻倍增，襯底材料的摻雜濃度要均勻，缺陷要少；同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采用保護(hù)環(huán)。保護(hù)環(huán)的作用是增加高阻區(qū)寬度，減小表面漏電流，避免邊緣過(guò)早擊穿。 一般雪崩光電二極管有以下特征：1）靈敏度很高，電流增益可達(dá)102103；2）響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間只有0.5ns；3）噪聲等效功率很小，約為10-15W。4）反偏壓高,可達(dá)200V。接近于反向擊穿電壓； 雪崩光電二極管(APD)：增益電流增益G： ，IG:雪崩增益后的反向電流；有經(jīng)驗(yàn)公式： ，k與材料、pn結(jié)結(jié)構(gòu)有關(guān)； (Si: n+p:2; p+n:4, Ge: 2.5-8)暗電流、光電流與偏壓的關(guān)系；1,反壓較小時(shí)，

47、無(wú)雪崩過(guò)程，即無(wú)光電流倍增；2,反壓B點(diǎn)，雪崩倍增，光電流脈沖信號(hào)至最大；2,反壓超過(guò)B點(diǎn)后，暗電流快速增加，光電流減小；(最佳工作點(diǎn)在接近雪崩擊穿點(diǎn)附近； 為壓低暗電流，工作點(diǎn)向左移動(dòng)；)光電位置敏感器件(PSD)基于光伏器件的橫向效應(yīng)的器件(Position Sensing Detector)在光電位置測(cè)量上，比象限探測(cè)器優(yōu)越：對(duì)光斑形狀無(wú)嚴(yán)格要求，即輸出與光斑是否聚焦無(wú)關(guān)；光敏面無(wú)需分割，消除了象限探測(cè)器盲區(qū)的限制；可連續(xù)測(cè)量光斑在上面的位置，且分辨率高；(0.2m)。光耦光電耦合器件是發(fā)光器件和光接收器件組合的一種器件，它是以光作為媒質(zhì)把輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端，也稱光耦合器。根據(jù)光

48、耦的結(jié)構(gòu)與用途，可分為兩類：一類稱光電隔離器，其功能是在電路之間傳送信息，以便實(shí)現(xiàn)電路間的電氣隔離合消除噪聲影響；另一類稱為光電傳感器，是一種固體傳感器，主要用于檢測(cè)物體的位置或檢測(cè)物體有無(wú)的狀態(tài)。特點(diǎn)：體積小，壽命長(zhǎng)，無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸入與輸出之間隔離，可單向傳送模擬或者數(shù)字信號(hào)等。用途：有時(shí)可以取代繼電器，變壓器，斬波器等，廣泛用于隔離電路，開關(guān)電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，邏輯電路及長(zhǎng)線傳輸，高壓控制，線性放大，電平匹配等單元電路。結(jié)構(gòu)：發(fā)光件常采用LED，LD和微型鎢絲燈等。光電接收器常采用光電二級(jí)管、光電三極管，光電池及光敏電阻等。光電耦合器的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息連接

49、。（a) 發(fā)光器與接收器分別安裝在器件的兩臂上，目的是檢測(cè)兩臂間是否存在遮擋的物體，或者物體的運(yùn)動(dòng)速度，此種封裝常被稱為光電開關(guān)；（b）發(fā)光器件合接收器件封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，兩者的發(fā)射光軸與接收光軸成一銳角，發(fā)光器件的光被被測(cè)物反射，接收器接收，反光型光電耦合器；（c）發(fā)光器件合接收器件平行封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，發(fā)光器件的光被較遠(yuǎn)位置上的被測(cè)物反射，接收器接收，也是反光型光電耦合器，作用距離遠(yuǎn)；（d）發(fā)光器件合接收器件平行封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，做信號(hào)的隔離傳送；硅光電池的三種光電變換電路 硅三極管和鍺三極管導(dǎo)通時(shí)射極-基極電壓大小不同。圖中(a)所示電路是用鍺三極管放大光電流；圖(b)、(c)所示電路是

50、用硅三極管放大光電流。 光電二極管與運(yùn)算放大電路的連接方式電流放大型：運(yùn)算放大器兩輸入端間的輸入阻抗Zin是硅光電二極管的負(fù)載電阻； 電壓放大型：硅光電二極管與負(fù)載電阻RL并聯(lián)且硅光電二極管的正端接在運(yùn)算放大器的正端； 阻抗變換型：反向偏置的硅光電二極管和電池串聯(lián)在一體 ； 反向偏置電路的輸出特性所有的光生伏特器件都可進(jìn)行反向偏置，光電三極管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、復(fù)合光電三極管必須反偏壓；反偏壓狀態(tài)的光伏器件：結(jié)勢(shì)壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)線性范圍加寬+動(dòng)態(tài)范圍加寬；適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)RL，可以獲得所需的電流、電壓動(dòng)態(tài)范圍；典型光敏電阻CdSCdS光敏電阻是最常見的光敏電阻，它的光譜響應(yīng)特性最接近

51、人眼光譜光視效率，它在可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高，因此，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制，照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)光等。 CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52m，CdSe光敏電阻為0.72m，一般調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)大致控制在0.520.72m范圍內(nèi)。光敏面通常為蛇形光敏面；典型光敏電阻PbSPbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件；PbS光敏電阻在2m附近的紅外輻射的探測(cè)靈敏度很高，因此，常用于火災(zāi)的探測(cè)等領(lǐng)域；PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)和比探測(cè)率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波方向延伸，且比探測(cè)率D*增加。例如，室溫下

52、PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍為13.5m，峰值波長(zhǎng)為2.4m，峰值比探測(cè)率D*高達(dá)11011cmHzW-1。當(dāng)溫度降低到195K時(shí)，光譜響應(yīng)范圍為14m，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)移到2.8m，峰值波長(zhǎng)的比探測(cè)率D*也增高到21011cmHzW-1。典型光敏電阻InSbInSb光敏電阻是35m光譜范圍內(nèi)的主要探測(cè)器件之一。InSb材料不僅適用于制造單元探測(cè)器件，也適宜制造陣列紅外探測(cè)器件。InSb光敏電阻在室溫下的長(zhǎng)波長(zhǎng)可達(dá)7.5m，峰值波長(zhǎng)在6m附近，比探測(cè)率D*約為11011cmHzW-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時(shí)，其長(zhǎng)波長(zhǎng)由7.5m縮短到5.5m，峰值波長(zhǎng)也將移至5m，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探

53、測(cè)率D*升高到21011cmHzW-1。典型光敏電阻Hg1-xCdxTeHg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件是目前所有紅外探測(cè)器中性能最優(yōu)良最有前途的探測(cè)器件，尤其是對(duì)于48m大氣窗口波段輻射的探測(cè)更為重要。Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)體是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x標(biāo)明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時(shí)選用不同Cd的組分x，可以得到不同的禁帶寬度Eg，便可以制造出不同波長(zhǎng)響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測(cè)器件。一般組分x的變化范圍為0.180.4，長(zhǎng)波長(zhǎng)的變化范圍為130m。光敏電阻的變換電路電路光敏電阻的阻值隨入射輻射改變，但需把電阻的變換轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)

54、的變化；基本偏置電路()；恒流電路()；恒壓電路()；光電陰極極材料單堿與多堿銻化物光電陰極銻銫(Cs3Sb)是最常用的、量子效率很高的光電陰極。制作方法簡(jiǎn)單：先在玻璃管內(nèi)壁蒸鍍不到一個(gè)nm的銻膜，然后在一定溫度下通入銫蒸氣。如通入微量氧，則可進(jìn)一步提高靈敏度和長(zhǎng)波響應(yīng)。銻銫陰極的禁帶寬度為1.6eV，電子親和勢(shì)0.45eV，光電發(fā)射閾值為2eV左右。表面氧化后閾值稍微減小，閾值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，長(zhǎng)波限約為650nm，紅外不敏感。銻銫陰極的量子效率較高，一般可達(dá)20-30%，比銀氧銫陰極高30倍。光電陰極材料單堿與多堿銻化物光電陰極兩或三種堿金屬與銻化合形成多堿銻化物光電陰極。量子效率可達(dá)

55、30%，光譜響應(yīng)范圍寬，在傳統(tǒng)光電陰極中性能最佳。Na2KSb光電陰極的光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在藍(lán)光區(qū)；K2CsSb光電陰極的光譜響應(yīng)峰值在385nm，暗電流低；Na2KSb(Cs)光電陰極的電子親和勢(shì)由1eV降到0.55eV；通常含銫的光電陰極材料使用溫度不超過(guò)60，否則會(huì)發(fā)射蒸發(fā)，光譜靈敏度顯著降低；光電陰極材料銀氧銫與鉍銀氧銫光電陰極銀氧銫(Ag-O-Cs)勢(shì)最早使用的高效光電陰極。其特點(diǎn)為:對(duì)近紅外輻射靈敏較好,對(duì)可見光靈敏度低。制作過(guò)程：真空玻璃殼壁上涂銀膜再通入氧氣，輝光放電使銀表面氧化，再引入銫蒸氣進(jìn)行敏化。銀氧銫光電陰極的相對(duì)光譜響應(yīng)有兩個(gè)峰值，一個(gè)在350nm，一個(gè)在800nm，光

56、譜范圍為300-1200nm。量子效率為0.5-1%。工作溫度可達(dá)100oC，但暗電流大。光電陰極材料負(fù)電子親合勢(shì)材料光電陰極前面討論的材料都屬于正電子親和勢(shì)(PEA)類型材料，這些材料的真空能級(jí)位于導(dǎo)帶之上。如果將某些材料作特殊處理，使其表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢(shì)變?yōu)樨?fù)值，經(jīng)這種特殊處理的材料稱作負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極(NEA)材料 。負(fù)電子親合能材料主要是第-V族元素化合物和第-族元素化合物。最常用的是GaAs(Cs)和InGaAs(Cs)。 光電陰極材料負(fù)電子親合勢(shì)材料光電陰極其中GaAs(Cs)光電陰極的光譜響應(yīng)覆蓋了從紫外到930nm，光譜特性曲線的

57、平坦區(qū)從300nm延伸到850nm，900nm以后迅速截止。InGaAs(Cs)光電陰極的光譜響應(yīng)較GaAs(Cs)光電陰極向紅外進(jìn)一步擴(kuò)展。此外，在900nm到1000nm區(qū)域In-GaAs(Cs)光電陰極的信噪比要遠(yuǎn)高于Ag-O-Cs光電陰極。光電陰極材料負(fù)電子親合勢(shì)材料光電陰極相比于正電子親和勢(shì)材料，有以下優(yōu)點(diǎn)：1,量子效率高：一般的正電子親和勢(shì)光電陰極中，激發(fā)到導(dǎo)帶的電子必須克服表面勢(shì)壘才能移出表面，只有高能電子才能發(fā)射出去。負(fù)電子親和勢(shì)陰極因其無(wú)表面勢(shì)壘，所以受激電子躍遷到導(dǎo)帶并遷移到表面后，可以較容易地逸出表面。 2,光譜響應(yīng)率均勻，且光譜響應(yīng)延伸到紅外 ：正電子親和勢(shì)光電陰極的閾

58、值波長(zhǎng)為而負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極的閾值波長(zhǎng)為對(duì)于禁帶寬度比GaAs更小的多元V族化合物光電陰極來(lái)說(shuō)，響應(yīng)波長(zhǎng)還可向更長(zhǎng)的紅外延伸； 光電陰極材料負(fù)電子親合勢(shì)材料光電陰極3,熱電子發(fā)射小 :與光譜響應(yīng)范圍相同的正電子親和勢(shì)的光電發(fā)射材料相比，負(fù)電子親和勢(shì)材料的禁帶寬度一般比較寬，所以熱電子不容易發(fā)射，一般只有10-16A/cm2。4,光電子的能量集中：當(dāng)負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極受光照時(shí)，被激發(fā)的的電子在導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導(dǎo)帶底(壽命達(dá)10-9s)。熱化電子很容易擴(kuò)散到能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所發(fā)射光電子的能量基本上都等于導(dǎo)帶底的能量。這一點(diǎn)對(duì)提高光電成象器件的分辨力有很大意義

59、。 窗口光電倍增管窗口 光電倍增管常用的窗口材料有硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、藍(lán)寶石和MgF2, 硼硅玻璃:硼硅玻璃的透射范圍從300nm到紅外。有一些使用雙堿光陰極的端窗式光電倍增管采用特殊的無(wú)鉀硼硅玻璃，這種玻璃僅含有極少量的放射性同位素鉀(40K)，因而可以大大降低由鉀引起的背景噪聲，所以能較好地應(yīng)用于閃爍計(jì)數(shù)。透紫外玻璃: 透紫外玻璃的優(yōu)點(diǎn)是紫外短波透射截止波長(zhǎng)可延伸到185nm?？梢院涂品ズ辖鹬苯臃饨印Ｆ淙秉c(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性較差，長(zhǎng)期暴露在空氣中易風(fēng)化變質(zhì)。光電倍增管窗口熔融石英:優(yōu)點(diǎn)是在遠(yuǎn)紫外區(qū)有相當(dāng)好的透過(guò)率，短波截止波長(zhǎng)可達(dá)到160nm。它的缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)與用于管腳的科伐相差

60、太大，不適和作芯柱材料，僅用于管子的頭，需要通過(guò)過(guò)渡玻璃管殼才能封接到鉬組玻璃上。藍(lán)寶石:Al2O3晶體，它的特點(diǎn)是紫外透過(guò)率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，但紫外截止波長(zhǎng)比石英玻璃還要短，可以達(dá)到150nm。藍(lán)寶石經(jīng)金屬化處理以后，不需要過(guò)渡材料可用銅焊封接到科伐上，因此整個(gè)管子的長(zhǎng)度可以做得比較短。 MgF2:MgF2短波透射波長(zhǎng)可到115nm。 光電倍增管倍增極結(jié)構(gòu)光電倍增管按倍增極結(jié)構(gòu)可分為聚焦型和非聚焦型。1,非聚焦型光電倍增管有百葉窗型和盒柵式兩種結(jié)構(gòu)；2,聚焦型有瓦片靜電聚焦型和圓形鼠籠型；光電倍增管基本特性靈敏度：衡量光電倍增管的重要參數(shù)，反映光電陰極材料對(duì)入射光 敏感程度和倍增