光電檢測(cè)技術(shù)

光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測(cè)技術(shù)。它以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，綜合利用光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)解決各種工程應(yīng)用課題的技術(shù)學(xué)科。初步了解光電檢測(cè)技術(shù)21世紀(jì)具有代表意義的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)第一是光電子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)，第三是健康和福利產(chǎn)業(yè)，第四是環(huán)境和新能源產(chǎn)業(yè)。光電子產(chǎn)業(yè)對(duì)其它許多產(chǎn)業(yè)而言，將起到“基礎(chǔ)材料”的作用。

光是人類生存的基礎(chǔ)，光是美化世界信使，光是生產(chǎn)發(fā)展的工具。對(duì)地球而言，太陽是最大的光源，宇宙間的恒星全都是發(fā)光體。雖然我們生活在光的世界里，時(shí)刻感覺到光的存在，但是，對(duì)于光的本性的認(rèn)識(shí)卻經(jīng)歷了漫長的歲月，這種認(rèn)識(shí)過程直到現(xiàn)在還在繼續(xù)著。

一、對(duì)光的認(rèn)識(shí)過程

在十七世紀(jì)以前，人們?cè)陂L期生產(chǎn)實(shí)踐中積累了不少對(duì)光的知識(shí)，當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)主要局限于敘述一些光的現(xiàn)象或光的傳播規(guī)律，并未觸及到“光的本性”。因此，人們對(duì)“光的本性”這個(gè)問題雖經(jīng)歷了幾十個(gè)世紀(jì)的認(rèn)識(shí)過程，可是，人們對(duì)它還是處于感性認(rèn)識(shí)階段。

十七世紀(jì)之前

我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期，墨翟(公元前468~376年)及其弟子提出了一系列經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，因此《墨經(jīng)》稱得上是有關(guān)光學(xué)知識(shí)的最早記錄。

一百多年后，希臘數(shù)學(xué)家歐幾里德(公元前330~275年)研究了平面鏡成象問題，指出反射角等于入射角的反射定律，同時(shí)提出了將光當(dāng)作類似觸須的投射學(xué)說。

羅馬帝國的滅亡(公元475年)大體上標(biāo)志著黑暗時(shí)代的開始，在此之后，歐洲在很長一段時(shí)間里科學(xué)發(fā)展緩慢，光學(xué)亦是如此。

早在13世紀(jì)，英國牛津大學(xué)的羅杰爾·培根就對(duì)透鏡做過很多的試驗(yàn)，并且得出結(jié)論說：“若是從一個(gè)曲面—凸的或凹的，去透視一件物體，所得到的現(xiàn)象是不同的，它能夠變成這樣：大的使我們看成了小的，或者相反，小的看成大的；遠(yuǎn)的看成近的，隱蔽的變成看得見的”。許多人都認(rèn)為他是第一個(gè)近代意義上的科學(xué)家。他似乎已經(jīng)有了用透鏡來改正視覺的想法，并且甚至暗示過把透鏡組合起來構(gòu)成一具望遠(yuǎn)鏡的可能性。培根對(duì)光線穿過透鏡的方式也有一些了解。

十七世紀(jì)可以稱為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這時(shí)期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。同時(shí)為了擴(kuò)大人眼的觀察能力，出現(xiàn)了光學(xué)儀器，第一架望遠(yuǎn)鏡的誕生促進(jìn)了天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明使生物學(xué)的研究有了強(qiáng)有力的工具。

十七世紀(jì)

利佩爾茲海出生在韋塞爾的米德爾堡。他是一位眼鏡制造商，他家里自然有各式各樣的玻璃鏡片。一天，他兒子拿著玻璃鏡片玩耍，無意中，把兩塊鏡片嵌在一個(gè)紙筒的兩端，并舉著這個(gè)紙筒向遠(yuǎn)處觀看。突然，他兒子興奮地喊道：“爸爸，快來看呀！太有趣了?！?/p>

“你看見什么了？”

“我看見那邊尖塔上的風(fēng)標(biāo)了。”

“那是你的幻覺，在這樣遠(yuǎn)的地方，你怎么可能看見風(fēng)標(biāo)呢？”

“不信，你自己來瞧瞧吧！”正是這個(gè)偶然的機(jī)遇，荷蘭的這位眼鏡制造商發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡。

1608年10月2日，他向荷蘭專利局提出了專利申請(qǐng)，他的有關(guān)望遠(yuǎn)鏡制造的專利文件，在海牙檔案館一直被保存下來?！詈商m的利佩爾茲海在1608年發(fā)明了第一架望遠(yuǎn)鏡。機(jī)遇只偏愛有準(zhǔn)備的頭腦☆開普勒（1571~1630）是德國近代著名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家。

他為了看清天體的運(yùn)行狀況，就在望遠(yuǎn)鏡的研制上，狠下了一番功夫，由于他研制的望遠(yuǎn)鏡是用于觀測(cè)天體的，所以人們把開普勒望遠(yuǎn)鏡稱為天文望遠(yuǎn)鏡。開普勒于1611年發(fā)表了他的著作《折光學(xué)》，提出照度定律，指出光的強(qiáng)度和光源的距離的平方成反比。他還發(fā)現(xiàn)當(dāng)光以小角度入射到界面時(shí)，入射角和折射角近似地成正比關(guān)系。開普勒還對(duì)人的視覺進(jìn)行了研究，糾正了以前人們所認(rèn)為的視覺是由眼睛的發(fā)射出光的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。他認(rèn)為人看見物體是因?yàn)槲矬w所發(fā)出的光通過眼睛的水晶體投射在視網(wǎng)膜上，并且解釋了產(chǎn)生近視眼和遠(yuǎn)視眼的原因。1621年斯涅耳在他的一篇文章中指出，入射角的余割和折射角的余割之比是常數(shù)。

1630年笛卡兒在《折光學(xué)》中給出了用正弦函數(shù)表述的折射定律。

1657年費(fèi)馬指出光在介質(zhì)中傳播時(shí)所走路程取極值的原理，并根據(jù)這個(gè)原理推出光的反射定律和折射定律。☆折射定律的精確公式則是斯涅耳和笛卡兒提出的。十七世紀(jì)末

牛頓于公元1704年出版的《光學(xué)》中提出了光是微粒流的理論，他認(rèn)為這些微粒從光源飛出來。在真空或均勻物質(zhì)內(nèi)由于慣性而作勻速直線運(yùn)動(dòng)，并以此觀點(diǎn)解釋光的反射和折射定律。

1678年惠更斯創(chuàng)建了“光的波動(dòng)說”。他認(rèn)為光是在“以太”中傳播的波。光的傳播取決于“以太”的彈性和密度。運(yùn)用他的波動(dòng)理論中的次波原理，惠更斯不僅成功地解釋了反射和折射定律，還解釋了雙折射現(xiàn)象。

光的理論在十八世紀(jì)實(shí)際上沒有什么進(jìn)展。大多數(shù)科學(xué)家采納了光的微粒學(xué)說。

十八世紀(jì)1801年楊格最先用干涉原理令人滿意地解釋了白光照射下薄膜顏色的由來和用雙縫顯示了光的干涉現(xiàn)象，并第一次成功地測(cè)定了光的波長。十九世紀(jì)1815年菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形成了惠更斯—菲涅耳原理。運(yùn)用這個(gè)原理不僅解釋光在均勻的各向同性介質(zhì)中的直線傳播而且還能解釋光通過障礙物時(shí)所發(fā)生的衍射現(xiàn)象，因此它成為波動(dòng)光學(xué)的一個(gè)重要原理。

1856年韋伯做的電學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電荷的電磁單位和靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度即3×108米／秒。從這些發(fā)現(xiàn)中，人們得到了啟示，即在研究光學(xué)現(xiàn)象時(shí)，必須和其它物理現(xiàn)象聯(lián)系起來考慮。

1845年法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在強(qiáng)磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)，揭示了光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。

電磁波與光的速度完全一樣，并且都不需要傳播媒質(zhì)；電磁波的理論都可以用來描述光的各種現(xiàn)象。理論與實(shí)踐在許多方面的充分吻合。光的電磁論揭示了光的電磁本質(zhì)，使人們對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)大大提高了一步。

1860年麥克斯韋提出光是電磁波的理論。波峰波谷

周期T的倒數(shù)是波的頻率，用符號(hào)f表示，是指單位時(shí)間內(nèi)波前進(jìn)距離內(nèi)完整波的數(shù)目，(單位用次／秒，叫做赫茲)。

一個(gè)完整的波的長度，叫做波長，用符號(hào)λ表示。

波前進(jìn)一個(gè)波長所需要的時(shí)間，叫做波的周期，用符號(hào)T表示。它也等于媒質(zhì)中的點(diǎn)振動(dòng)一次的時(shí)間(單位用秒)。

波傳播的速度(簡(jiǎn)稱波速)V和波長λ，周期T(或頻率f)的關(guān)系是：

電磁波在不同媒質(zhì)中傳播時(shí)，它的速度是不同的，但都比真空中的速度C要小。光在空氣中的速度略小于C，通?？捎肅來近似，光在水中的傳播速度只有C的四分之三，在玻璃中的傳播速度是C的三分之二。

在真空中，電磁波的速度、波長、頻率之間的關(guān)系為：

電磁波譜分為長波區(qū)、光學(xué)區(qū)、射線區(qū)。光電技術(shù)只涉及光學(xué)譜區(qū)。長波區(qū)射線區(qū)光學(xué)區(qū)

由于光波的波長很短，用米或厘米做單位都嫌太大，而采用更小的單位微米，毫微米和埃，它們之間的換算關(guān)系為：二十世紀(jì)初

十九世紀(jì)末、甘世紀(jì)初是物理學(xué)發(fā)生偉大革命的時(shí)代。從牛頓力學(xué)到麥克斯韋的電磁理論，經(jīng)典物理學(xué)形成一套嚴(yán)整的理論體系。光學(xué)的研究深入到的微觀機(jī)構(gòu)中。光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用。

光的電磁理論的主要困難是不能解釋光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象，例如熾熱黑體輻射中能量隨波長分布的問題，特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)。

光電效應(yīng):光線在投到某些金屬表面時(shí)，會(huì)使金屬表面釋放電子，這種現(xiàn)象稱為“光電效應(yīng)”。并發(fā)現(xiàn)光電子的發(fā)射率，與照射到金屬表面的光線強(qiáng)度成正比。但是如果用不同波長的光照射金屬表面時(shí)，照射光的波長增加到一定限度時(shí)，既使照射光的強(qiáng)度再強(qiáng)也無法從金屬表面釋放出電子。1900年普朗克提出了量子假說，認(rèn)為各種頻率的電磁波(包括光)，只能象微粒似地以一定最小份的能量發(fā)生(它稱為能量子，正比于頻率），成功地解釋了黑體輻射問題，開始了量子光學(xué)時(shí)期。1925年獲諾貝爾獎(jiǎng)1905年愛因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子假說，把量子論貫穿到整個(gè)輻射和吸收過程中，建立了他的光子學(xué)說，他認(rèn)為光波的能量應(yīng)該是“量子化”的。輻射能量是由許許多多分立能量元組成，這種能量元稱之為“光子”。

光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光子流。波粒二象性是光的客觀屬性，反映了“光”這個(gè)統(tǒng)一物兩個(gè)矛盾著的側(cè)面，在某些情況下，它主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；而在另一些情況下，它又主要表現(xiàn)為粒子性。例如，光的傳播過程中主要表現(xiàn)為波動(dòng)性，但當(dāng)光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時(shí)就突出地顯示出光的粒子性。光子能量公式：光子動(dòng)量公式：E：光子的能量h：普郎克常數(shù)ν：頻率λ：波長【光】

嚴(yán)格地說，光是人類眼睛所能觀察到的一種輻射。由實(shí)驗(yàn)證明光就是電磁輻射，這部分電磁波的波長范圍約在紫光的0.38微米到紅光的0.78微米之間。

二、光的基本概念【光源】

物理學(xué)上指能發(fā)出一定波長范圍的電磁波（包括可見光與紫外線、紅外線和X光線等不可見光）的物體。通常指能發(fā)出可見光的發(fā)光體。凡物體自身能發(fā)光者，稱做光源，又稱發(fā)光體。光源主要可分為：熱輻射光源，例如太陽、白熾燈、炭精燈等；氣體放電光源，例如，水銀燈、熒光燈等。激光器是一種新型光源，具有發(fā)射方向集中、亮度高，相干性優(yōu)越和單色性好的特點(diǎn)?！竟馑佟?/p>

一般指光在真空中的傳播速度，它的特征是：

[一切電磁輻射在真空中傳播的速率相同，且與輻射的頻率無關(guān)；

[無論在真空中還是在其他物質(zhì)媒質(zhì)中，無論用什么方法也不能使一個(gè)信號(hào)以大于光速C的速率傳播；

[真空中光速與用以進(jìn)行觀測(cè)的參照系無關(guān)。這就是相對(duì)論的基礎(chǔ)；

[光在真空中的速度為C，在其他媒質(zhì)中，光的速度均小于C，且隨媒質(zhì)的性質(zhì)和光波的波長而不同。【色散】

復(fù)色光被分解為單色光，而形成光譜的現(xiàn)象，稱之為“色散”。色散可通過棱鏡或光柵等作為“色散系統(tǒng)”的儀器來實(shí)現(xiàn)。

各種色光依一定順序排列而成的光帶叫做光譜。最基本的光譜有二種：一種是太陽光那樣的從紅到紫所有色光的光譜，各種色光緊密排列，中間沒有界線，這種光譜就稱為連續(xù)光譜。另一種是象汞燈那樣的光譜，在從紅到紫的波長區(qū)域內(nèi)，只有幾根彩色的亮線，這種光譜稱為線光譜。【光譜】

復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案?！竟獾念伾坎ㄩL在0.40微米左右的光呈紫色，隨著波長的增加，依次呈現(xiàn)藍(lán)，青、綠、黃、橙，紅各色。波長大于0.78微米的光，因?yàn)樵诩t光的外端，所以稱為紅外光。同樣，波長短于0.38微米的光由于處在紫光外端，也就稱為紫外光。紫外光和紅外光雖然不能為眼睛所感覺，但對(duì)眼睛還是有作用的，過量的紫外光和紅外光對(duì)人眼都有損害作用，我們應(yīng)該注意適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。

嚴(yán)格說來，不同波長所反映的顏色應(yīng)該是不同的，所以用波長來鑒別光波比用顏色來鑒別光波更為科學(xué)而且定量。光的顏色大致的波長范圍（納米為單位）紅色橙色黃色綠色青色藍(lán)色紫色760——630630——600600——570570——500500——450450——430430——400不同顏色的可見光不僅顏色感覺不同，而且亮度感覺也不同。

如果把能量相等的各種波長的光引向眼睛，則會(huì)發(fā)現(xiàn)：對(duì)波長為555納米的黃綠色光看上去最亮，黃光和青光較亮，而紅光和紫光就很弱。這就是說，人眼對(duì)黃綠色光感覺最靈敏，對(duì)黃、青光還相當(dāng)靈敏，而對(duì)紅、紫光就不靈敏。

人眼的這種感覺特性可以用曲線表示出來，如圖所示，稱為眼睛的光譜相對(duì)靈敏度曲線，我們通常把它叫做視見函數(shù)曲線。

圖中實(shí)線為視線較亮?xí)r測(cè)得的，稱為明視覺曲線。虛線為在視場(chǎng)較暗時(shí)測(cè)得的，稱為暗視覺曲線。所有光度計(jì)量均以明視覺為基礎(chǔ)。

如果一種顏色光再不能分解為其它顏色的光，這種光稱為單色光。而由單色光合成的光則稱為復(fù)色光。顯然，白光是一種復(fù)色光，但復(fù)色光并不一定是白光。嚴(yán)格說來，單色光是指只含有一種波長的光，但實(shí)際上是不可能的，它總包含有一定的波長范圍。三、光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

光電檢測(cè)技術(shù)從原理上講可以檢測(cè)一切能夠影響光量或光特性的非電量。例如：位移、振動(dòng)、液位、液體濃度……等等。四、光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成五、光電檢測(cè)工作原理⑴把待測(cè)量變換為光信息量：光電探測(cè)器的輸出往往與入射到它光敏面上的光通量成正比。所以光電探測(cè)器的光電流大小可以反映待測(cè)量的大小。

特點(diǎn)：光電流與待測(cè)量有關(guān)；與光源的強(qiáng)度有關(guān)，與光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)；與光電探測(cè)器的性能有關(guān)。要求：光源的發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定；光電探測(cè)器的性能穩(wěn)定；光學(xué)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。

⑵把待測(cè)量變換為光信息脈沖：以光脈沖或條紋數(shù)的多少來反映待測(cè)量的大小。光電探測(cè)器的輸出為低電平和高電平兩個(gè)狀態(tài)組成的一系列脈沖數(shù)字信息。

特點(diǎn)：數(shù)字信息量只取決于光通量的有無，與光通量的大小無關(guān)。要求：有足夠的光通量能區(qū)分“0”和“1”兩個(gè)狀態(tài)，對(duì)光源和光電探測(cè)器的性能要求較低。六、光電變換的基本形式⑴反射式

測(cè)量轉(zhuǎn)速；物體表面；測(cè)距；激光制導(dǎo)……⑵透射式

測(cè)量液體和氣體濃度、透明度、混濁度；檢測(cè)透明薄膜的厚度和質(zhì)量……⑶輻射式

輻射高溫計(jì)、火警報(bào)警器、熱成像儀……⑷遮擋式

測(cè)量物體大小、位移量、運(yùn)動(dòng)速度、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、光控開關(guān)、防盜報(bào)警……⑸干涉式

檢測(cè)位移量、振動(dòng)、流體的濃度、折射率、運(yùn)動(dòng)速度……

靈敏度和精度高，動(dòng)態(tài)范圍大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高★光學(xué)技術(shù)處理的是空間光強(qiáng)信息，它具有多維、并行、快速數(shù)據(jù)處理等能力。

★電子技術(shù)處理的是一維電量隨時(shí)間的變化，它有較高的運(yùn)算靈活性和變換精度。七、光電檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)★非接觸式檢測(cè)★檢測(cè)速度快、精度高；★檢測(cè)對(duì)象范圍寬；★大量的相關(guān)應(yīng)用；優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)★沾污影響大；★外界干擾光影響大；★使用溫度范圍??；八、光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)★現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)檢測(cè)技術(shù)的要求：

非接觸化、小型化、集成化、數(shù)字化、智能化的檢測(cè)系統(tǒng)。⑴光電檢測(cè)就相當(dāng)于人的眼睛。雖然在靈敏度、精度、測(cè)量范圍方面優(yōu)于人眼，但在其它方面還遜于人眼（如它只能反映單一或少量復(fù)合信息）。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，形成相似于人眼視網(wǎng)膜的器件，使光電檢測(cè)向人眼進(jìn)一步靠近。⑵通過更高程度的集成化，不斷向著具有二維或三維空間圖形，甚至包含有時(shí)序在內(nèi)的四維功能探測(cè)器件發(fā)展。應(yīng)用這些器件就能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人視覺或人工智能。

⑶光導(dǎo)纖維傳感器的出現(xiàn)，為光電檢測(cè)技術(shù)的小型化開辟了廣闊前景，光纖檢測(cè)技術(shù)可以解決傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以解決或無法解決的許多問題；光柵和莫爾條紋的應(yīng)用，對(duì)光電檢測(cè)的數(shù)字化提供了有力條件。

⑷隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展以及光電檢測(cè)技術(shù)與它的緊密結(jié)合，光電檢測(cè)技術(shù)將越來越智能化。作為機(jī)器人的視覺系統(tǒng)已提到議事日程上，它直接影響著機(jī)器人的發(fā)展和完善。第一節(jié)光輻射度量與光度量第二節(jié)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第三節(jié)光電效應(yīng)第一章光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

光輻射：通常把對(duì)應(yīng)于真空中的波長在0.38微米到0.78微米范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。廣義地講，X射線、紫外輻射、可見光和紅外輻射都可以叫光輻射。光源：發(fā)出光輻射的物體叫光源。光電技術(shù)中的光源可分為自然光源和人造光源兩類。第一節(jié)、光輻射度量與光度量★另一類是生理的，叫作光度學(xué)量，是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強(qiáng)度，即光度量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性的人眼所接受到輻射量的度量。在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類:★一類是物理的，叫作輻射度學(xué)量，是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；一、輻射度學(xué)量

1、輻射能Qe：輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J(焦耳)。當(dāng)輻射能被物質(zhì)吸收時(shí)，可以轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，如熱能、電能等。當(dāng)物質(zhì)吸收了強(qiáng)度調(diào)制的輻射能后，可以以檢測(cè)熱波、聲波等形式的能量來研究物質(zhì)的性質(zhì)。

2、輻射能密度we

:光源在單位體積內(nèi)的輻射能稱為光源的輻射能密度。

3、輻射通量Φe：輻射通量又稱輻射功率，是輻射能的時(shí)間變化率，單位為瓦(1W=1J/s)，是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能。4、輻射強(qiáng)度

Ie：輻射強(qiáng)度定義為從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，在單位時(shí)間內(nèi)、給定方向上單位立體角內(nèi)所輻射出的能量，單位為W／sr(瓦每球面度)，5、輻射亮度Le：由輻射表面定向發(fā)射的的輻射強(qiáng)度，除于該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積。單位為(瓦每球面度平方米)。6、輻射出射度Me：輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量或功率稱為輻射出射度（輻射發(fā)射度或輻射能力），dΦe

是擴(kuò)展源表面dA在各方向上(通常為半空間立體角)所發(fā)出的總的輻射通量，單位為瓦/米2(瓦每平方米)。

7、輻射照度Ee：輻射照度為投射在單位面積上的輻射通量，單位為(瓦每平方米)。dA是投射輻射通量的面積元。

★輻射照度和輻射出射度的單位相同，其區(qū)別僅在于前者是描述輻射接收面所接收的輻射特性，而后者則為描述擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射特性。

對(duì)于理想的散射面，有Ee=Me

光譜輻射度量：光譜輻射度量也叫輻射量的光譜密度。輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長的單色輻射所組成，為了研究各種波長的輻射通量，需要對(duì)某一波長的單色光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射度量是單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。

二、光譜輻射度量1、光譜輻射通量Φλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射通量，也稱光譜密度或單色輻射通量。單位為(瓦每微米)或(瓦每納米)。

在波長λ

處的光譜輻射通量為

在整個(gè)光譜內(nèi)，總的輻射通量為3、光譜輻射強(qiáng)度Iλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射強(qiáng)度。

2、光譜輻射出射度Mλ：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度。4、光譜輻射亮度Lλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射亮度。

5、光譜輻射照度Eλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射照度。三、光度學(xué)量

★由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最終是以人眼來評(píng)定的，因此照明光源的光學(xué)特性必須用基于人眼視覺的光學(xué)參數(shù)量即光度量來描述。

★光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量的視覺強(qiáng)度值。能量相同而波長不同的光，對(duì)人眼引起的視覺強(qiáng)度是不相同的。

光度量只在光譜的可見波段(380-780nm)才有意義。輻射度量符號(hào)單位光度量符號(hào)單位輻射能QeJ光量Qlm.s輻射通量Φ

eW光通量Φlm（流明）輻射強(qiáng)度IeW/sr發(fā)光強(qiáng)度Icd（坎德拉）=lm/sr輻射照度EeW/m2光照度Elx(勒克斯)=lm/m2輻射出射度MeW/m2光出射度Mlm/m2輻射亮度LeW/sr.m2光亮度Lcd/m2

光度量中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度單位——坎德拉(Candela)，記作cd，它是國際單位制中七個(gè)基本單位之一。其定義是發(fā)出頻率為540×1012Hz(對(duì)應(yīng)在空氣中555nm波長)的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1／683Wsr-1時(shí)，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為lcd。

光通量的單位是流明(lm)，它是發(fā)光強(qiáng)度為lcd的均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。光照度的單位是勒克斯(lx)，它相當(dāng)于lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。

人眼對(duì)各種波長的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對(duì)綠光最靈敏，對(duì)紅光靈敏度較差。

視見函數(shù)：國際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對(duì)各種波長的光的平均相對(duì)靈敏度，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率V(λ),或稱視見函數(shù)。1、光通量Φ

：光輻射通量對(duì)人眼所引起的視覺強(qiáng)度值。

例：若在波長λ到λ＋dλ間隔之內(nèi)的光源輻射通量為Φe，λ

dλ

。則光通量為

Km為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流明/瓦，Km＝683lm/W，它表示在波長為555nm處，即人眼光譜光視效率最大（V(λ)=1）處,與1w的輻射能通量相當(dāng)?shù)墓馔繛?83lm；換句話，此時(shí)1lm相當(dāng)于1/683W2、發(fā)光強(qiáng)度I：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度。3、光出射度M：光源表面給定點(diǎn)處單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該點(diǎn)的光出射度。4、光照度E：被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量，稱為該點(diǎn)的光照度。距離平方反比定律

☆用點(diǎn)光源照明時(shí)，被照面的照度E與光源的發(fā)光強(qiáng)度I成正比，而與被照面到光源的距離l的平方成反比。

原因：立體角內(nèi)點(diǎn)光源發(fā)出的輻射通量不隨傳輸距離而變化，輻射照度與面積成反比，面積與距離的平方成正比，所以輻射照度和該點(diǎn)到點(diǎn)光源的距離平方成反比。?如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為θ，則：?對(duì)于受到光照后成為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比，其中ρ為漫反射率，它小于1，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。5、光亮度L：光源表面一點(diǎn)處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。θ為給定方向與面元法線間的夾角。6、光量Q：光通量Φ對(duì)時(shí)間的積分，稱為光量。習(xí)題01一、填空題：1、通常把對(duì)應(yīng)于真空中波長在（0.38μm）到（0.78μm）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。2、在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類，一類是（輻射度學(xué)量

），另一類是（光度學(xué)量

）。3、光具有波粒二象性，既是（電磁波

），又是（光子流）。光的傳播過程中主要表現(xiàn)為（波動(dòng)性

），但當(dāng)光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時(shí)就突出地顯示出光的（粒子性

）。

二、概念題：視見函數(shù)、輻射通量、輻射亮度、輻射強(qiáng)度三、簡(jiǎn)答題：1、輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？2、輻射照度和輻射出射度的區(qū)別是什么？

四、計(jì)算及證明題：1、證明點(diǎn)光源照度的距離平方反比定律，兩個(gè)相距10倍的相同探測(cè)器上的照度相差多少倍？?物體按導(dǎo)電能力分：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。做光電器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在10－6～10－3Ω?cm范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻率大于1012Ω?cm

以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于它們之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。

第二節(jié)、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)?半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。它對(duì)溫度的變化非常敏感。?半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。?半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會(huì)受熱、光、電、磁等外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。一、半導(dǎo)體的特性二、能帶理論1、原子中電子的能級(jí)★能級(jí)：在孤立原子中，原子核外的電子繞原子核運(yùn)動(dòng)，它們具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級(jí)。介于各能級(jí)之間的量子態(tài)是不存在的。★“軌道”：電子出現(xiàn)幾率最高的部分區(qū)域?！锱堇幌嗳菰恚涸谝粋€(gè)原子或原子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)相同的電子同屬于一個(gè)量子態(tài)，即在每一個(gè)能級(jí)中，最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。電子首先填滿最低能級(jí)，而后依次向上填，直到所有電子填完為止。2、晶體中電子的能帶★能帶：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對(duì)應(yīng)的能級(jí)擴(kuò)展為能帶。

★禁帶：晶體中允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個(gè)能級(jí)上都沒有電子的能帶稱為空帶。

★價(jià)帶：原子中最外層的電子稱為價(jià)電子，與價(jià)電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶稱為價(jià)帶。

★導(dǎo)帶：價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。

允許帶（導(dǎo)帶）允許帶（價(jià)帶）允許帶（滿帶）禁帶禁帶★導(dǎo)帶的底能級(jí)表示為Ec（或E-），價(jià)帶的頂能級(jí)表示為Ev（或E+）

，Ec與Ev之間的能量間隔稱為禁帶Eg。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶

導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（形成電流）來實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖a)絕緣體

b)半導(dǎo)體

c)金屬3、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制?半導(dǎo)體兩端加電壓后:★如果價(jià)帶中填滿了電子而沒有空能級(jí)，在外電場(chǎng)的作用下，又沒有足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，那么價(jià)帶中的電子是不導(dǎo)電的。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶(滿帶)★如果價(jià)帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導(dǎo)帶中，則價(jià)帶中留空位，鄰近能級(jí)上的電子在電場(chǎng)作用下可以躍入這些空位，而在這些電子原來的能級(jí)上就出現(xiàn)空位。這樣有些電子在原來熱運(yùn)動(dòng)上迭加定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶★由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級(jí)，所以在外電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶電子能夠得到足夠的能量躍遷到空的能級(jí)上，形成電流，所以導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶?價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級(jí)上的條件是：能給電子提供足夠能量的外界作用、電子躍入的能級(jí)是空的。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶

單晶——在一塊材料中，原子全部作有規(guī)則的周期排列。

多晶——只在很小范圍內(nèi)原子作有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開。

現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由半導(dǎo)體材料制備，半導(dǎo)體材料大多為晶體（晶體中原子有序排列，非晶體中原子無序排列）。晶體分為單晶與多晶：4、半導(dǎo)體的分類⑴本征半導(dǎo)體

?完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體?！镌跊]有外界作用和絕對(duì)零度時(shí)，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中沒有電子，價(jià)帶中沒有空穴，它是不導(dǎo)電的?！镉捎诎雽?dǎo)體的禁帶寬度較小，所以在外界作用下，價(jià)電子可以激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶中，這樣本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中有電子，價(jià)帶中有空穴，本征半導(dǎo)體就有了導(dǎo)電能力。?晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能級(jí)和晶體其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶體能帶的范圍之內(nèi)。⑵雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

在晶格中摻入某個(gè)硅原子被磷原子所替代，五價(jià)原子用四個(gè)價(jià)電子與周圍的四價(jià)原子形成共價(jià)鍵，而多余一個(gè)電子，此多余電子受原子束縛力要比共價(jià)鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五價(jià)原子釋放，游離躍遷到導(dǎo)帶上形成自由電子。易釋放電子的原子稱為施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)ED。

ED位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底EC

。ED與EC間的能量差稱為施主電離能。N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。P型半導(dǎo)體

晶體中某個(gè)硅原子被硼原子所替代，硼原子的三個(gè)價(jià)電子和周圍的硅原子中四個(gè)價(jià)電子要組成共價(jià)鍵，形成八個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尚缺一個(gè)電子。于是很容易從硅晶體中獲取一個(gè)電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼原子外層多了一個(gè)電子變成負(fù)離子，而在硅晶體中出現(xiàn)空穴。容易獲取電子的原子稱為受主。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)EA

，也位于禁帶中。在價(jià)帶頂EV附近，EA與EV間能量差稱為受主電離能。P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子（多子）少數(shù)載流子（少子）特性N型施主雜質(zhì)電子空穴nn≥pnP型受主雜質(zhì)空穴電子np≤pp摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響：

半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，價(jià)帶中的電子若先躍遷到這些能級(jí)上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會(huì)明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。(a)本征半導(dǎo)體(b)N型半導(dǎo)體(c)P型半導(dǎo)體三、熱平衡載流子

l在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。電子從不斷熱振動(dòng)的晶體中獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時(shí)，電子也從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這就是載流子的復(fù)合。在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)，此時(shí)的載流子成為熱平衡載流子，它的濃度即為某一穩(wěn)定值?！锔鶕?jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律?！镌谀硿囟认聼崞胶鈶B(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費(fèi)米-狄拉克函數(shù)給出，即

l熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中能態(tài)（或能級(jí)）的分布，二是這些能態(tài)中每一個(gè)能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。f(E)：費(fèi)米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù)k：波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/KT：絕對(duì)溫度EF：費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米-狄拉克函數(shù)曲線當(dāng)E=EF時(shí)，f(E)=1/2當(dāng)E<EF時(shí)，f(E)>1/2當(dāng)E>EF時(shí)，f(E)<1/2★若(E－EF)>>kT時(shí)

隨著E的增加，f(E)迅速減小，所以導(dǎo)帶中的大部分電子的能量是在導(dǎo)帶底EC附近。同樣價(jià)帶中空穴的絕大部分都在價(jià)帶頂EV附近。EF為表征電子占據(jù)某能級(jí)E的概率的“標(biāo)尺”，它定性表示導(dǎo)帶中電子或價(jià)帶中空穴的多少。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。對(duì)于本征半導(dǎo)體

EF≈(EC+EV

)/2

一般，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中，(E－EF)比kT

大得多。所以半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子濃度n和價(jià)帶空穴濃度p分別為：N－為導(dǎo)帶的有效能級(jí)密度N＋為價(jià)帶的有效能級(jí)密度ni稱為半導(dǎo)體的本征載流子濃度對(duì)本征半導(dǎo)體而言n=p

對(duì)于一種確定的半導(dǎo)體，不管它是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體，也不管摻雜的程度如何，在熱平衡狀態(tài)下，兩種載流子的濃度乘積必定等于一個(gè)常數(shù)——本征載流子濃度的平方。a)重?fù)诫sP型

b)輕摻雜P型

c)本征型

d)輕摻雜N型

e)重?fù)诫sN型四、非平衡載流子

l半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場(chǎng)作用、溫度變化）時(shí)，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)。載流子濃度對(duì)于熱平衡狀態(tài)時(shí)濃度的增量稱為非平衡載流子。★電注入：通過半導(dǎo)體界面把載流子注入半導(dǎo)體，使熱平衡受到破壞。★光注入：光注入下產(chǎn)生非平衡載流子表現(xiàn)為價(jià)帶中的電子吸收了光子能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下等量的空穴。光注入分為強(qiáng)光注入與弱光注入：滿足

nnpn>>nn0pn0＝ni2

nn0<Δnn＝Δpn條件的注入稱為強(qiáng)光注入；滿足

nnpn>nn0pn0＝ni2

nn0>Δnn＝Δpn條件的注入稱為弱光注入。對(duì)于弱光注入

nn=nn0+Δnn≈nn0

pn=pn0+Δpn≈Δpn此時(shí)受影響最大的是少子濃度，可認(rèn)為一切半導(dǎo)體光電器件對(duì)光的響應(yīng)都是少子行為。例如：一N型硅片，室溫下，nn0=5.5×1015cm-3，pn0=3.5×104cm-3；弱光注入下，Δn=Δp=1010cm-3，此時(shí)非平衡載流子濃度

nn=nn0+Δnn=1015+1010≈1015cm-3

pn=pn0+Δpn=104+1010≈1010cm-3

使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)稱為產(chǎn)生，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)增加的電子空穴對(duì)數(shù)目稱為產(chǎn)生率G。

使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動(dòng)稱為復(fù)合，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對(duì)數(shù)目稱為復(fù)合率R。1、非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合

在光照過程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時(shí)存在，在恒定持續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水平，同時(shí)復(fù)合率也隨非平衡載流子的增加而增加，直至二者相等，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。當(dāng)光照停止，光產(chǎn)生率為零，系統(tǒng)穩(wěn)定態(tài)遭到破壞，復(fù)合率大于產(chǎn)生率，使非平衡載流子濃度逐漸減少，復(fù)合率隨之下降，直至復(fù)合率等于熱致的產(chǎn)生率時(shí)，非平衡載流子濃度將為零，系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡狀態(tài)?？偨Y(jié)2、復(fù)合與非平衡載流子壽命非平衡載流子壽命τ：非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時(shí)間。它表征復(fù)合的強(qiáng)弱，τ小表示復(fù)合快，τ大表示復(fù)合慢。它決定了光電器件的時(shí)間特性，采用光激發(fā)方式的光生載流子壽命與光電轉(zhuǎn)換的效果有直接關(guān)系。τ的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜、缺陷有關(guān)。復(fù)合是指電子與空穴相遇時(shí)，成對(duì)消失，以熱或發(fā)光方式釋放出多余的能量。復(fù)合種類

通過復(fù)合中心復(fù)合：復(fù)合中心指禁帶中雜質(zhì)及缺陷。通過復(fù)合中心間接復(fù)合包括四種情況：電子從導(dǎo)帶落入到復(fù)合中心稱電子俘獲；電子從復(fù)合中心落入價(jià)帶稱空穴俘獲；電子從復(fù)合中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱電子發(fā)射；電子從價(jià)帶被激發(fā)到復(fù)合中心稱空穴發(fā)射。表面復(fù)合：材料表面在研磨、拋光時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過程稱為表面復(fù)合。直接復(fù)合：導(dǎo)帶中電子直接跳回到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。五、載流子的運(yùn)動(dòng)

當(dāng)沒有外加電場(chǎng)時(shí)，電子作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，其平均定向速度為零。一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱運(yùn)動(dòng)是不能引起載流子凈位移，從而也就沒有電流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。1、擴(kuò)散

載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖為光注入，非平衡載流子擴(kuò)散示意圖。光在受照表面很薄一層內(nèi)即被吸收掉。受光部分將產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度隨離開表面距離x的增大而減小，因此非平衡載流子就要沿x方向從表面向體內(nèi)擴(kuò)散，使自己在晶格中重新達(dá)到均勻分布。2、漂移

載流子在外電場(chǎng)作用下，電子向正電極方向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)稱為漂移。

在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會(huì)偏離歐姆定律。在弱電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中載流子漂移運(yùn)動(dòng)服從歐姆定律。

半導(dǎo)體晶格原子和雜質(zhì)離子在晶格點(diǎn)陣附近作熱運(yùn)動(dòng)，而載流子則在晶格間作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過程中不斷與原子和雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞，從而改變其運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向，這種現(xiàn)象成為散射。在N型半導(dǎo)體中，漂移所引起的電流密度為：j電流密度;n為載流子密度；q為電子電荷；υ為載流子平均漂移速度歐姆定律的微分形式為：

有一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，就有一定的電流密度，因而也就有一定的平均漂移速度。因此電場(chǎng)強(qiáng)度與平均漂移速度有關(guān)系。

遷移率表示載流子在單位電場(chǎng)作用下所取得的漂移速度。

在電場(chǎng)中電子所獲得的加速度為在漂移運(yùn)動(dòng)中，因電子與晶格碰撞發(fā)生散射，故每次碰撞后漂移速度降到零。如兩次碰撞之間的平均時(shí)間為τf，則經(jīng)τf后載流子的平均漂移速度為

遷移率與載流子的有效質(zhì)量和平均自由時(shí)間有關(guān)。由于空穴的有效質(zhì)量比電子的有效質(zhì)量大，所以空穴的遷移率比電子的遷移率小。六、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

由于光子的作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而引起的吸收稱為本征吸收。

物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，其余的光透過物體。半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎(chǔ)。1、本征吸收

產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁帶寬度。即2、雜質(zhì)吸收

雜質(zhì)能級(jí)上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價(jià)帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。3、自由載流子吸收

導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級(jí)遷移到高能級(jí)，這種吸收稱為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。4、激子吸收

價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價(jià)帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)，稱為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。5、晶格吸收

半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝?dòng)能，從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個(gè)連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。

[半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要是本征吸收。對(duì)于硅材料，本征吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬倍，一般照明下只考慮本征吸收，可認(rèn)為硅對(duì)波長大于1.15μm的可見光透明。七、半導(dǎo)體的PN結(jié)

半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。把N型、P型和本征（i型）半導(dǎo)體配合起來，結(jié)成不均勻的半導(dǎo)體，能制造各種半導(dǎo)體器件。1、PN結(jié)原理

在無外電場(chǎng)或其它因素激發(fā)時(shí)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒有電流流過。空間電荷區(qū)的寬度和電位差為恒定值?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子，所以又稱耗盡層，其寬度一般為數(shù)微米。

2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓的情況工作原理——在外加電場(chǎng)的作用下，多子被推向耗盡層，結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，這有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。多子的擴(kuò)散電流通過回路形成正向電流。耗盡層兩端的電位差變?yōu)?。一般只有零點(diǎn)幾伏，所以不大的正向電壓就可以產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。通常在回路中串入一個(gè)電阻用以限制電流。PN結(jié)加反向電壓的情況工作原理——在外加電場(chǎng)的作用下，耗盡層變寬，內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，結(jié)果阻止了多子的擴(kuò)散，但促使少子漂移，在回路中形成反向電流。因少子的濃度很低，并在溫度一定時(shí)少子的濃度不變，所以反向電流不僅很小，而且當(dāng)外加電壓超過零點(diǎn)幾伏后，因少子的供應(yīng)有限，它基本上不隨外加電壓增加而增加，故稱為反向飽和電流。習(xí)題02一、填空題：1、物體按導(dǎo)電能力分（）（）（）。2、價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級(jí)上的條件是（）、（）。3、熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中（），二是這些能態(tài)中（）。4、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收有（）（）（）（）（）。半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要是（）。二、概念題：1、禁帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶2、熱平衡狀態(tài)3、強(qiáng)光注入、弱光注入4、非平衡載流子壽命τ三、簡(jiǎn)答題：1、摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響是什么？2、為什么空穴的遷移率比電子的遷移率小？3、產(chǎn)生本征吸收的條件是什么？

當(dāng)光照射到物體上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化，或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。

本世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一愛因斯坦以他在1905年發(fā)表的相對(duì)論而聞名于世，而他在1925年獲得諾貝爾獎(jiǎng)是由于他對(duì)發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。第三節(jié)、光電效應(yīng)z外光電效應(yīng)——物體受到光照后向真空中發(fā)射電子的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)。這種效應(yīng)多發(fā)生在金屬和金屬氧化物。光電效應(yīng)分類：z內(nèi)光電效應(yīng)——物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而不會(huì)溢出物體外部的現(xiàn)象。這種效應(yīng)多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1、光電導(dǎo)效應(yīng)：光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。

半導(dǎo)體無光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)；有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。⑴光電導(dǎo)體的靈敏度

在一定條件下，單位照度所引起的光電流稱為靈敏度。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。

光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時(shí)間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。

對(duì)光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時(shí)，常有上升時(shí)間常數(shù)τr和下降時(shí)間常數(shù)τf來描述弛豫過程的長短。τr表示光生載流子濃度從零增長到穩(wěn)態(tài)值63%時(shí)所需的時(shí)間，τf表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時(shí)所需的時(shí)間。矩形脈沖光照弛豫過程圖⑵光電導(dǎo)弛豫2、光生伏特效應(yīng)：簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。

結(jié)有多種：P-N結(jié)、P-I結(jié)、N-I結(jié)、P+-P結(jié)、N+-N結(jié)等。I型指本征型，P+、N+分別指相對(duì)于p、n型半導(dǎo)體受主、施主濃度更大些。⑴熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)在熱平衡條件下，結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠(yuǎn)離結(jié)區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關(guān)系與結(jié)形成前狀態(tài)相同。N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)，EFN與EFP有一定差值。當(dāng)N型與P型兩者緊密接觸時(shí)，電子要從費(fèi)米能級(jí)高的一方向費(fèi)米能級(jí)低的一方流動(dòng)，空穴流動(dòng)的方向相反。同時(shí)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)方向?yàn)閺腘區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，EFN將連同整個(gè)N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整個(gè)P區(qū)能帶一起上移，直至將費(fèi)米能級(jí)拉平為EFN=EFP，載流子停止流動(dòng)為止。在結(jié)區(qū)這時(shí)導(dǎo)帶與價(jià)帶則發(fā)生相應(yīng)的彎曲，形成勢(shì)壘。勢(shì)壘高度等于N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)費(fèi)米能級(jí)之差。⑵光照下的P-N結(jié)

當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)，因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢(shì)壘阻擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場(chǎng)使勢(shì)壘降低，其減小量即光生電勢(shì)差，P端正，N端負(fù)。3、光電發(fā)射效應(yīng)：光敏物質(zhì)吸收光子后被激發(fā)的電子能溢出光敏物質(zhì)的表面，并且在外電場(chǎng)的作用下形成光電子流。

也稱斯托列托夫定律。當(dāng)入射光線的頻譜成分不變時(shí)，光電陰極的飽和光電發(fā)射電流IK與被陰極所吸收的光通量φK成正比。⑴光電發(fā)射第一定律⑵光電發(fā)射第二定律

也稱愛因斯坦定律。發(fā)射出光電子的最大動(dòng)能隨入射光頻率的增高而線性地增大，而與入射光的光強(qiáng)無關(guān)。⑶光電發(fā)射的紅限

在入射光線頻譜范圍內(nèi)，光電陰極存在臨界波長，當(dāng)光波波長等于這個(gè)臨界波長時(shí)，電子剛剛能從陰極溢出。這個(gè)波長通常稱為光電發(fā)射的“紅限”，或稱為光電發(fā)射的閾波長。習(xí)題03一、概念題：1、光電效應(yīng)2、光電發(fā)射第一定律3、光電發(fā)射第二定律二、簡(jiǎn)答題：1、外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的區(qū)別是什么？

三、計(jì)算題1、本征半導(dǎo)體材料鍺在297K下其禁帶寬度Eg=0.67(eV)，現(xiàn)將其摻入雜質(zhì)汞，摻入汞后其成為電離能Ei=0.09(eV)的非本征半導(dǎo)體。試計(jì)算本征半導(dǎo)體鍺和非本征半導(dǎo)體鍺汞所制成的光電導(dǎo)探測(cè)器的截止波長。2、某種光電材料的逸出功為1eV，試計(jì)算該材料的紅限波長。（普朗克常數(shù)h＝6.626×10-34(J.s)，光速C＝2.998×108(m/s)，電子電量e＝1.6×10-19庫侖）

光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。它是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測(cè)量信號(hào)，并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。第二章、光電檢測(cè)器件光輻射探測(cè)器熱電探測(cè)器光電探測(cè)器真空光電器件半導(dǎo)體光電器件熱電偶和熱電堆熱敏電阻熱釋電探測(cè)器真空光電管光電倍增管充氣光電管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管熱電探測(cè)器特點(diǎn)：①響應(yīng)波長無選擇性，它對(duì)從可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感。②響應(yīng)慢，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間長，一般在幾毫秒以上。光電探測(cè)器特點(diǎn)：①響應(yīng)波長有選擇性，存在某一截止波長λ0，超過此波長，器件沒有響應(yīng)。②響應(yīng)快，一般在納秒到幾百微秒。1.響應(yīng)度（或靈敏度)

光電探測(cè)器的輸出電壓或輸出電流與入射光功率之比，它描述器件的光電轉(zhuǎn)換效能。第一節(jié)、基本特性參數(shù)⑴光譜響應(yīng)度

光電探測(cè)器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測(cè)器上的單色輻射通量之比，光譜響應(yīng)度愈大，表示光電探測(cè)器愈靈敏。

⑵積分響應(yīng)度

光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應(yīng)度。積分靈敏度表示探測(cè)器對(duì)連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。2．響應(yīng)時(shí)間

當(dāng)入射輻射到光電探測(cè)器后或入射輻射遮斷后，光電探測(cè)器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。上升時(shí)間和下降時(shí)間3．頻率響應(yīng)

光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。4．暗電流Id

光電探測(cè)器在沒有輸入信號(hào)和背景輻射時(shí)所流過的電流(加電源時(shí))。一般測(cè)量其直流值或平均值。5．信噪比(S／N)

它是在負(fù)載電阻上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比，即若用分貝(dB)表示，則為6．噪聲等效功率(NEP)

或稱最小可探測(cè)功率Pmin。

信噪比為1時(shí)，入射到探測(cè)器上的輻射通量。即習(xí)題2－1一、概念題1、光電探測(cè)器的響應(yīng)度（或靈敏度）2、信噪比3、最小可探測(cè)功率二、簡(jiǎn)答題熱電檢測(cè)器件和光電檢測(cè)器件的特點(diǎn)是什么？

第二節(jié)、真空光電探測(cè)器件光電管分真空光電管和充氣光電管兩種。若球內(nèi)充低壓惰性氣體就成為充氣光電管。一、光電管1、結(jié)構(gòu)及分類光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料。當(dāng)光線照射到光敏材料上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。若在外電路串入一定阻值的電阻，則在該電阻上的電壓降或電路中的電流大小都與光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。2、工作原理優(yōu)點(diǎn)：光電陰極面積大，靈敏度較高；暗電流小，最低可達(dá)10-14A；光電發(fā)射弛豫過程極短。3、優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等。目前已基本被固體光電器件所代替。建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子，并獲倍增的器件。二、光電倍增管（PMT）㈠、基本結(jié)構(gòu)與原理光入射窗口光電陰極電子光學(xué)輸入系統(tǒng)二次發(fā)射電子倍增器陽極

光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種，它是入射光的通道。由于光窗對(duì)光的吸收與波長有關(guān)，波長越短吸收越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料。1．光入射窗側(cè)窗式端窗式2．光電陰極

光電陰極由光電發(fā)射材料制作。光電發(fā)射材料大體可分為三類：純金屬材料、表面吸附一層其他元素原子的金屬和半導(dǎo)體材料。⑴光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)（真空中靜止電子能量）的激發(fā)態(tài)。⑵受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。⑶達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。光電發(fā)射大致可分三個(gè)過程：⑴光吸收系數(shù)大，以便體內(nèi)有較多的電子受到激發(fā)；⑵光電子在體內(nèi)傳輸過程中受到的能量損失小，使其溢出深度大；⑶材料的逸出功要小，使到達(dá)真空界面的電子能夠比較容易地逸出；⑷另外，作為光電陰極，其材料還要有一定的電導(dǎo)率，以便能夠通過外電源來補(bǔ)充因光電發(fā)射所失去的電子。

良好的光電發(fā)射材料應(yīng)具備下述條件：★金屬吸收效率很低；★金屬中光電子逸出深度很淺，只有幾納米；★金屬逸出功大多為大于3eV，對(duì)λ>410nm的可見光來說，很難產(chǎn)生光電發(fā)射，量子效率低；金屬材料是否滿足良好的光電發(fā)射材料的條件？半導(dǎo)體材料是否滿足良好的光電發(fā)射材料的條件？★光吸收系數(shù)比金屬大；★體內(nèi)自由電子少，散射能量變小——故量子效率比金屬大；★光發(fā)射波長延伸至可見光、近紅外波段?！?0年代后期，發(fā)展了負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）光電陰極，長波可至1.6μm。

(1)使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會(huì)聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散電子散射掉，提高信噪比；(2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時(shí)間，以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。光電陰極聚焦極3．電子光學(xué)系統(tǒng)

倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個(gè)倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。4．二次發(fā)射倍增系統(tǒng)

陽極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級(jí)倍增極附近，用來收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來的電子。光入射窗口光電陰極電子光學(xué)輸入系統(tǒng)二次發(fā)射電子倍增器陽極5．陽極工作原理1、光子透過入射窗入射到光電陰極K上。2、光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中。3、光電子通過電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增后，光電子就放大N次。4、經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極a收集起來，形成陽極光電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓。㈡、基本特性參數(shù)1．光譜響應(yīng)度

PMT的光譜響應(yīng)曲線與光電陰極的相同，主要取決于光電陰極材料的性質(zhì)。2．放大倍數(shù)(電流增益)

在一定工作電壓下，光電倍增管的陽極電流與陰極電流之比稱為管子的放大倍數(shù)M或電流增益G。3.暗電流

它限制了可測(cè)直流光通量的最小值，同時(shí)也是產(chǎn)生噪聲的重要因素，是鑒別管子質(zhì)量的重要參量。應(yīng)選取暗電流較小的管子。

4.伏安特性

光電倍增管的伏安特性曲線分為陰極伏安特性曲線與陽極伏安特性曲線。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，一般使用陽極伏安特性曲線來進(jìn)行負(fù)載電阻、輸出電流、輸出電壓的計(jì)算。

5.頻率響應(yīng)

由于PMT是光電發(fā)射型器件，而光電發(fā)射的延遲時(shí)間≤3×10－13S，所以PMT有很高的頻率響應(yīng)。6.噪聲

主要來源是光電陰極、光電發(fā)射的隨機(jī)性和各倍增極二次電子發(fā)射的隨機(jī)性，同時(shí)也與背景光或信號(hào)光中的直流分量有關(guān)。㈢、PMT的供電電路倍增管各電極要求直流供電，從陰極開始至各級(jí)的電壓要依次升高，一般多采用電阻鏈分壓辦法來供電。一般情況下，各級(jí)間電壓均相等，約80～100V，總電壓約1000～1300V。

對(duì)電源電壓穩(wěn)定性要求較高。如果電源電壓不穩(wěn)，會(huì)引起許多參量的變化，特別是電流增益變化，從而直接影響輸出特性。目前已有光電倍增管專用的電源穩(wěn)壓塊。1)電源電壓穩(wěn)定性的要求

電源電壓的變化和放大倍數(shù)變化的關(guān)系為：

因倍增管中的電流與電阻鏈中的電流是并聯(lián)關(guān)系，要保證各級(jí)電壓穩(wěn)定，要求流過電阻鏈的電流IR至少要比陽極電流Ia大20倍以上。一般說，IR越大，對(duì)穩(wěn)定極間電壓UD越有利。但I(xiàn)R也不能太大，因?yàn)镮R太大會(huì)增大電阻的功耗，加重電源負(fù)擔(dān)。當(dāng)UD給定后，分壓電阻R的最大值應(yīng)取決于陽極的最大平均電流，R最小值應(yīng)取決于高壓電源輸出的功率。一般常用分壓器的阻值選擇范圍為20～500KΩ2)電阻鏈分壓電阻的確定

倍增管的輸出電流主要是來自于最后幾級(jí)，探測(cè)脈沖光時(shí)，為了不使陽極脈動(dòng)電流引起極間電壓發(fā)生大的變化，常在最后幾級(jí)的分壓電阻上并聯(lián)電容器。3)并聯(lián)電容的確定

倍增管供電電路與其后續(xù)信號(hào)處理電路必須要有一個(gè)共用的參考電位，即接地點(diǎn)。倍增管的接地方式有兩種，即陰極接地或陽極接地。

4)接地方式陰極接地陽極接地優(yōu)點(diǎn)：便于屏蔽，光、磁、電的屏蔽罩可以跟陰極靠得近些，屏蔽效果好；暗電流小，噪聲低。

缺點(diǎn)：但這時(shí)陽極要處于正高壓，會(huì)導(dǎo)致寄生電容大，匹配電纜連接復(fù)雜，特別是后面若接直流放大器，整個(gè)放大器都處于高電壓，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，則必須接一個(gè)耐壓很高的隔直電容器，而一般耐壓很高的電容器體積大而且價(jià)格高。

陰極接地的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不僅可以通過一個(gè)低壓耦合電容與交流放大器相接，也可以直接與直流放大器相接。缺點(diǎn)：但這時(shí)陰極要處于負(fù)高壓，屏蔽罩不能跟陰極靠得很近，至少要間隔1～2cm，因此屏蔽效果差一些，暗電流和噪聲都比陰極接地時(shí)大，而且整個(gè)倍增管裝置的體積也要大些。陽極接地的特點(diǎn)

使用前應(yīng)了解器件的特性。真空光電器件的共同特點(diǎn)是靈敏度高、惰性小、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差。

使用時(shí)不宜用強(qiáng)光照。光照過強(qiáng)時(shí)，光電線性會(huì)變差而且容易使光電陰極疲勞（輕度疲勞經(jīng)一段時(shí)間可恢復(fù)，重度疲勞不能恢復(fù)），縮短壽命。

工作電流不宜過大。工作電流大時(shí)會(huì)燒毀陰極面，或使倍增級(jí)二次電子發(fā)射系數(shù)下降，增益降低，光電線性變差，縮短壽命。

用來測(cè)量交變光時(shí)，負(fù)載電阻不宜很大，因?yàn)樨?fù)載電阻和管子的等效電容一起構(gòu)成電路的時(shí)間常數(shù)，若負(fù)載電阻較大，時(shí)間常數(shù)就變大，頻帶將變窄。6）使用注意事項(xiàng)習(xí)題2－2一、簡(jiǎn)答題1、光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理是什么？2、光電倍增管的供電電路注意哪些問題？二、文獻(xiàn)檢索（電子作業(yè)發(fā)至wlty21@）什么是負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）光電陰極？原理？一、光敏電阻1、結(jié)構(gòu)第三節(jié)、半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件2、分類

本征型半導(dǎo)體光敏電阻、摻雜型半導(dǎo)體光敏電阻3、工作原理當(dāng)入射光子使電子由價(jià)帶越升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，電導(dǎo)增加。若連接電源和負(fù)載電阻，即可輸出電信號(hào)。4、特性

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，工作電流大（達(dá)數(shù)毫安），光譜響應(yīng)范圍寬，所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，，無極性之分。

缺點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間長，頻率特性差，強(qiáng)光線性差，受溫度影響大。主要用于紅外的弱光探測(cè)與開關(guān)控制。

5、典型連接電路例題路燈自動(dòng)點(diǎn)熄原理圖如圖所示，分析它的工作原理?！锼抢霉馍匦?yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。它是一種不需加偏壓就能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能P-N結(jié)光電器件?！锇从猛究煞殖商柲芄怆姵睾凸怆姍z測(cè)光電池。二、光電池1、結(jié)構(gòu)在P（N）型硅作基底，然后在基底上擴(kuò)散N（P）型半導(dǎo)體作為受光面。構(gòu)成P-N結(jié)后，再經(jīng)過各種工藝處理，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護(hù)膜，即成光電池。2、工作原理當(dāng)光照到PN結(jié)表面時(shí)，如果光子能量足夠大，就將在PN結(jié)附近激發(fā)電子－空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下，N區(qū)的光生空穴拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子拉向N區(qū)，結(jié)果在N區(qū)聚集了電子，P區(qū)聚集了空穴，這樣在N區(qū)和P區(qū)之間產(chǎn)生了電勢(shì)差。光電檢測(cè)光電池具有光敏面積大，頻率響應(yīng)高，光電流隨照度線性變化。太陽能光電池耐輻射，轉(zhuǎn)換效率高，成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可靠性高、壽命長，在空間能直接利用太陽能轉(zhuǎn)換成電能的特點(diǎn)。3、特點(diǎn)4、符號(hào)及典型連接電路符號(hào)連接電路等效電路三、光敏二極管1、結(jié)構(gòu)共同點(diǎn)：一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c(diǎn)：⑴受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺；⑵表面有防反射的SiO2保護(hù)層；⑶外加負(fù)偏壓；與普通二極管相比:共同點(diǎn)：均為一個(gè)PN結(jié)，利用光生伏特效應(yīng)，SiO2保護(hù)膜；不同點(diǎn)：⑴結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好；⑵光生電勢(shì)與光電池相同，但電流比光電池??；⑶可在零偏壓下工作，更常在反偏壓下工作；與光電池相比：2、工作原理⑴無光照時(shí)，只有熱效應(yīng)引起的暗電流流過PN結(jié)；⑵光照時(shí)，產(chǎn)生附加的光生載流子，使流過PN結(jié)的電流驟增；反向電壓增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)，使更多的光生載流子流過PN結(jié)。3、光電二極管的典型連接電路

a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環(huán)極接法環(huán)極接法的作用：克制由于SiO2保護(hù)膜中的雜質(zhì)正離子靜電感應(yīng)。4、特性參數(shù)⑴光譜響應(yīng)⑵光照特性★隨著入射光功率的變強(qiáng)，則同一反向電壓下的光電流也變大?！锶肷涔夤β什蛔儠r(shí)，反向電壓加到某一電壓后，光電流幾乎不隨反向電壓的變化而變化。⑶頻率響應(yīng)①光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及PN結(jié)中的漂移時(shí)間（載流子的渡越時(shí)間）；②結(jié)電容和雜散電容（RC時(shí)間常數(shù)）；它是半導(dǎo)體光電器件中頻率響應(yīng)最好的器件之一，頻率響應(yīng)與下列因素有關(guān)：★無論是光生載流子向結(jié)區(qū)擴(kuò)散，還是結(jié)電場(chǎng)中載流子的漂移，它們都有一定的馳豫時(shí)間，這個(gè)馳豫時(shí)間影響光敏器件的頻率響應(yīng)。對(duì)于擴(kuò)散型二極管主要馳豫時(shí)間為光生載流子向結(jié)區(qū)擴(kuò)散時(shí)間。對(duì)于耗盡層型二極管主要馳豫時(shí)間為光生少子在結(jié)區(qū)的漂移時(shí)間。

★對(duì)于不同波長的光，器件也有不同的頻率響應(yīng)。波長越長的光在較深處被吸收，產(chǎn)生的少數(shù)載流子遠(yuǎn)離PN結(jié)，需較長的擴(kuò)散時(shí)間。而較短波長的光在靠近表面處被吸收，產(chǎn)生的少數(shù)載流子離PN結(jié)很近，擴(kuò)散時(shí)間短。所以耗盡層型優(yōu)于擴(kuò)散型光敏二極管。載流子的渡越時(shí)間⑷溫度特性★由于反向飽和電流對(duì)溫度的強(qiáng)烈依賴性，光敏二極管的暗電流對(duì)溫度的變化非常敏感。按材料硅光敏二極管、鍺光敏二極管、化合物光敏二極管；按結(jié)特性：

PN結(jié)（擴(kuò)散層、耗盡層）、PIN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘型及點(diǎn)接觸型；按對(duì)光的響應(yīng)：

紫外、可見光、紅外5、光電二極管的分類⑴肖特基結(jié)光敏二極管：光敏面小，勢(shì)壘電容小，響應(yīng)快，但工藝?yán)щy。⑵擴(kuò)散層PN結(jié)光敏二極管：耗盡層厚度小于結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長度，工作區(qū)是結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)，光電流主要由擴(kuò)散流引起。⑶耗盡層型PN結(jié)光敏二極管：耗盡層厚度大于結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長度，光電轉(zhuǎn)換主要在耗盡層內(nèi)，光電流主要由漂移電流引起的，有很高的頻率響應(yīng)。幾種常見的光敏二極管⑷PIN管

它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。①這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。②另一個(gè)特點(diǎn)是，線性輸出范圍寬。③所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。⑸雪崩光電二極管

雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。特點(diǎn)：工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。

響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。

缺點(diǎn)：噪聲大。四、光敏三極管結(jié)構(gòu)符號(hào)工作原理特點(diǎn)：光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級(jí)。缺點(diǎn)：它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光敏三極管多用來