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1、辐射学和光度量学基本概念辐射度学单位是纯粹物理量的单位，例如，熟悉的物理学单位焦耳和瓦特就是辐射能和辐射功率的单位，光度学所讨论的内容仅是可见光波的传播和量度，因此光度学的单位必须考虑人眼的响应，包含了生理因素。例如，光度学中光功率的单位不用瓦特而用流明。其它基本概念点源：照度与距离之间的平方反比定律扩展源：朗伯源的辐出度与辐亮度间的关系漫反射面：漫反射体的视亮度与照度间的关系定向辐射体例题，已知太阳辐亮度为2x107W/(m2.sr) ，太阳半径6,957x108m ，地球半径6.374x106m ，太阳地球平均距离为1.496x1011m，求太阳辐出度、辐强度、辐通量及地球接收的辐通量，大
2、气边沿的辐照度。黑体辐射定律绝对黑体：任何温度、任何波长的入射辐射的吸收比都等于1。任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度。（强吸收体也必是强发射体。）光谱辐出度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；不同温度的曲线彼此不相交；某一波长上，温度越高，光谱辐出度越大；随温度升高，曲线峰值对应的波长向短波方向移动；波长小于 m 的部分能量约占25%，波长大于 m 的能量约占75%；维恩位移定律(Wien s Displacement Law )将普朗克公式对波长求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长 m 与绝对温度T 的关系。维恩位移定律(Wie
3、ns Displacement Law )当黑体温度升高时，辐射曲线的峰值波长向短波长方向移动。黑体，灰体和选择性发射体，发射率与材料的性质及表面状态有关，随物体本身的温度和辐射波长而改变，并随观测方向而有不同。 （光谱发射率、半球发射率、方向发射率）发射率不随波长变化且小于1 的物体称灰体；发射率随波长变化的物体称为选择性辐射体；例题，已知太阳的峰值辐射波长为0.48um，太阳地球平均距离1.495x108km，太阳半径 6.955x105km ，如果将太阳与地球均近似看出黑体，求太阳的地球的表面温度。半导体基础知识半导体的能带1、能级理论： 晶体中的电子只能处于能带的能级上，且每一个能带中
4、都有与原子总数相适应的能级数。2、泡利原理：在每一个能级上最多只能填充一个电子。即N 为能级数。跟据能量最小原理，电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。满带：任何时间都填满电子数。价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而导带中没有电子。导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能后，就会越过禁带进入导带。费米分布函数半导体中的电子数：4*5*1022/cm3 从整体看，热平衡下，电子按能量大小具有一定统计分布规律性，即此时电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定的。Ef，费米能级，与温度、半导体材料的导电类型、杂质含量等有关系。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -
5、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 17 页 - - - - - - - - - 玻耳兹曼分布函数表明，在一定温度下， 电子占据能量为E 的量子态的几率由指数因子所决定玻耳兹曼统计分布；原因：Fermi 和 Boltzmann 统计的主要差别， 前者受到 Pauli exclusion principle 限制，但在 E-EfkT 条件下，泡利原理失去作用，两者同一；半导体中的电子与空穴分布半导体中，最常遇到的情况是Ef 位于禁带内，且其与导带底或价带顶的距离远大于kT，故导带中的电子分布可以用电子的Boltz
6、mann 分布函数描写；即导带中大多数电子分布在导带底附近；f(E)表示电子分布，则1- f(E) 表示空穴分布；价带中大多数空穴分布在价带顶附近；半导体的类型I;P;杂质 1、I 型半导体（本征半导体）：1、I 型半导体是完全纯净或结构完整的半导体，是完全由基质原子组成的晶体。在绝对零度时，不受外界影响的情况下，导带没有电子，价带也没有空穴，因此不能导电。在热运动或外界的影响下，价电子跃迁到导带，产生自由电子和空穴，构成导电载流子。2、杂质半导体对N 型半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电，由于导带中的电子在导电中起主要作用，因此也称为“ 电子型半导体” 。由能
7、级图可见，施主能级处于禁带内导带底的下面。电子从施主能级跃迁到导带所需的能量。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使施主原子电离。因此，对N 型半导体具有较高的电导率。3、P 型半导体P 型半导体是以空穴为主导电的半导体，这样的半导体也称为“ 空穴型半导体” 。由能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的电离能。这时由于电子填充了共价键中的空位而出现空穴。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使受主原子电离。因此，对P型半导体具有较高的电导率。从半导体载流子的浓度考虑，若在无辐射时电子和空穴的浓度分别为n 和 p，则当 n p 时，这种半导体称为P 本征半导体；当n
8、 p 时，称为N 型半导体；当np 时，称为 I 型半导体。光辐射与半导体的相互作用当光辐射作用在半导体上时，半导体吸收光辐射能量，价带的电子获得辐射能后将跃迁到导带，产生新的电子空穴对，形成非平衡载流子，从而提高材料的电导率。半导体对光辐射的吸收分为本征吸收、杂质吸收、载流子吸收、激子和晶格吸收五种光吸收效应。本征吸收是指电子在辐射作用下，从价带跃迁到导带的吸收。研究本征吸收时应考虑半导体的能带结构。如前所述，对直接带隙材料，电子所需的能量应大于或等于能隙Eg；而对间接带隙材料，电子除需要大于或等于能隙的能量外，还需要声子的能量。杂质吸收，在半导体禁带内存在杂质能级时，在小于能隙能量的光子作
9、用下，杂质能级和相应的能带间出现电子跃迁而形成的非平衡载流子电子或空穴。杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向，其光子能量应大于或等于所需的电离能。载流子吸收载流子浓度很大时（1019-1020 cm-3） ，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收激子和晶格吸收指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库伦力相互作用形成电子和空穴的能量。这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。半导体中的非平衡载流子一般通过外部注入载流子或用光激发方式使半导体器件载流子浓度超过热平衡时的浓度。这些超出部分的载流子称为非平衡载流子或过剩载流子。半导体材料吸收光能产生非平衡
10、载流子是光电检测器件的工作基础。载流子的扩散与漂移扩散：当材料的局部位置受到光照时，在这局部位置的光生载流子浓度就比未照射部分载流子浓度要高。这时电子将浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种现象称为载流子扩散。扩散有一定方向，可以形成电流。在扩散过程，流过单位面积的电流称为扩散电流密度，它正比于光生载流费米能级可以看成量子态是否被电子占据的一个界限；一般可以认为，在温度不高时， 能量大于费米能级的量子态基本上没有被电子占据，而能量小于费米能级的量子态基本上为电子所占据。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。DiEEEEEEAi名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -
11、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 17 页 - - - - - - - - - 子的浓度梯度。由于载流子扩散取载流子浓度减少方向，所以空穴形成的电流是负的。漂移：半导体受外电场作用时，其中的电子向正极运动，空穴向负极运动，这种定向运动称为载流子漂移。电流密度J 正比于电场强度E；分析说明本征半导体和杂质半导体导的机理光电效应物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点：原因：是辐射，而不是升温；
12、现象：电子运动状态发生变化；结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。简单记为：辐射电子运动状态发生变化光电导效应、光生伏特效应、光电子发射。光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因光电效应的起因：在光的作用下， 当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。光与物质的相互作用：内光电效应：被光激发的载流子仍在物质内部，但使物质的电导
13、率变化or 产生光生伏特效应；(半导体光电器件)外光电效应： 被光激光的电子逸出物质表面，形成的效应； (真空光电倍增管、摄像管、像增强器)内光电效应光电导效应光生伏特效应丹培 (Dember)效应光磁电效应光子牵引效应内光电效应一、光电导效应：价带电子吸收光子跃入导电，引起半导体电导率变化由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大（电阻减小）；光电导效应半导体的光电导效应和入射辐通量的关系：弱辐射下为线性关系，随辐射的增加，线性关系变坏，辐射很强时，变为抛物线关系；I、本征半导体的光电导效应：光照时， 处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光子能量大于禁带宽度时，价带中的电
14、子被激发到导带成为自由电子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作用时， 光激发的电子空穴对将同时参加导电。从而使电导率增加。II,杂质半导体的光电导效应N 型光电导体，主要是光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子，增加了自由电子的浓度。P 型光电导体，主要是光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电。增加了空穴的浓度。二、光生伏特效应：基于pn 结基础上的一种把光能转变成电能的效应。pn 结接触 ,Femi 能级差别Femi 能级相同空间电荷区；(空间电场： n p) 在 pn 结区有光生载流子时，内建电场电子向n+
15、空穴向p；(p 区带正电， n 区带负电，伏特电压)丹培 (Dember)效应 :由于载流子迁移率的差别产生的伏特现象；如下图所示：1,半导体部分遮蔽、部分光照载流子向遮蔽区扩散；2,电子迁移率大于空穴迁移率遮蔽区积累电子+光照区积累空穴；3,形成光生伏特现象；当半导体较厚，迎光面带正电，背光面带负电；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 17 页 - - - - - - - - - 外光电效应光电发射的基本定律1,爱因斯坦定律（光电发射第二定律）发射体发射的光
16、电子的最大动能，随入射光频率的增加而线性的增加，而与入射光的强度无关。2, 斯托列托夫定律（光电发射第一定律）当入射辐射的光谱分布不变时，入射辐射通量越大（携带的光子数越多），激发电子逸出光电发射体表面的数量也越多，因而发射的光电流就增加，所以光电流正比于入射辐射通量。光电探测器噪声与基本参数一般光电检测系统的噪声包括三种：(1) 光子噪声。包括：A信号辐射产生的噪声；B背景辐射产生的噪声。(2)探测器噪声。包括：A热噪声，注意 ：热噪声虽然是温度T 的函数，但并不是温度变化引起的温度噪声。；B散粒噪声；C产生 -复合噪声；D.1f 噪声；E.温度噪声。 (3)信号放大及处理电路噪声热噪声：热
17、噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的无偏压下的起伏电动势、或起伏电流。 注意 ：热噪声虽然是温度T 的函数， 但并不是温度变化引起的温度噪声。散粒噪声：由于粒子的随机性出现而构成的噪声。随机事件有：物体辐射的或接收的光子数；阴极发射的电子数；半导体中的载流子数；光电倍增器的倍增系数等。散粒噪声的大小取决于：注意：散粒噪声和热噪声都是与频率无关的“ 白噪 ” 声。即：散粒噪声和热噪声的大小与频率的高低无关。等效噪声功率：如果投射到探测器敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）正好等于探测器本身的声电压（或电流），则这个辐射功率就叫做“ 噪声等效功率 ” 。意思是说，它对探测
18、器所产生的效果与噪声相同通常，用符号“NEP ” 表示。探测率与比探测率：等效噪声功率NEP 与人们的习惯不一致。所以，通常用NEP 的倒数，即探测率D 作为探测器探测最小光信号能力的指标。比探测率又称归一化探测率，也叫探测灵敏度。实质上就是当探测器的敏感元件面为单位面积（Alcm2） ，放大器的带宽f1Hz 时，单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比，通用符号D表示。光电检测中的常用光源一切能产生光热辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。按照光波在时间、空间上的相位特征，一般将光源分成相干光源和非相干光源。按照发光机理，光源又可以分成热辐射光源，气体发光光源，固体发光光源
19、和激光器四种。白炽灯：白炽灯是光电测量中最常用的光源之。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2。此外，它的发光特性稳定，寿命长，使用和量值复现方便，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。白炽灯有真空钨丝灯、充气钨丝灯和卤钨灯等，光辐射是由钨丝通电加热发出的。真空钨丝白炽灯的工作温度为23002800K ，发光效率约10lmW。白炽灯卤钨循环类白炽灯（卤钨灯） ：卤钨循环的过程：在适当的温度条件下，从灯丝蒸发出来的钨在玻壳内壁与卤素反应，形成挥发性的卤钨化合物。由于玻壳内壁温度足够高（大于250） ，卤钨化合物呈气态，
20、当卤钨化合物扩散到较热的灯丝周围区域时又分解成卤素和钨。释放出来的钨部分回到灯丝上，而卤素则继续参与循环过程。氟氯溴碘的各种卤化物都能产生钨的再生循环。它们之间的主要区别是发生循环反应所需的温度以及与灯内其他物质发生作用的程度有所不同。为了使管壁处生成的卤化钨处于气态，卤钨灯的管壁温度要比普通白炽灯高得多。相应地，卤钨灯大玻壳尺寸要小很多。例如，500W 卤钨灯的体积是通常白炽灯的1%。这时普通玻璃承受不了，必须使用耐高温的石英玻璃或硬料玻璃。由于玻壳尺寸小、强度高，灯内允许气压就高，加之工作温度高，故灯内的工作气压要比普通充气灯泡高很多。既然在卤钨灯中钨的蒸发受到更有力的抑制，同时卤钨循环消
21、除了玻壳的发黑，灯丝的工作温度和光效大为提高，而灯大寿命并不缩短。3.白炽灯卤钨循环类白炽灯（卤钨灯） ：卤钨灯与白炽灯相比，具有体积小、寿命长、光效高、光色好和光输出稳定的特点。根据应用场合的不同，卤钨灯大设计使用电压从6250V，功率从 121000W 。气体放电光源利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，如氦、氖、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、钠、铊、镝等，这些元素的原子在电场作用下电离出电子和离子。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到加速，当它们与气体原子或分子高速碰撞时会激励出新的电子和离子。在碰撞过程中有些电子会跃迁到高能级，引起原子的激发。
22、受激原子回到低能级时就会发射出相应的辐射，这样的发光机制被称为气体放电原理。气体放电光源具有下述特点；发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高210 倍。由于不靠灯丝发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击。寿命长。一般比白炽灯寿命长210 倍。光色适应性强，可在较大范围内选择。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 17 页 - - - - - - - - - 荧光灯荧光灯的工作原理荧光灯通常为直管型，两端各封有一个电极。灯内充有低气压的汞蒸气合少量的惰性气体。灯
23、管的内表面涂有荧光粉层。灯内的低气压汞蒸气放电将60%左右的输入电能转变为波长为253.7nm 的紫外辐射。紫外辐射激发荧光粉变成可见光。管型荧光灯的主要部件有玻壳、荧光粉涂层、电极、填充气体和灯头. 影响荧光灯发光效率的因素影响荧光灯发光效率的因素很多，这些因素有些是各不相关的，有些则是互相牵制的。发光效率主要取决于荧光粉的种类和质量、灯管的几何尺寸、单位表面的功率负荷、电极的损耗、惰性气体的种类和充气的压力，以及灯的电源电流波形，周围环境温度和电源电压等。后面3 点是外界因素，前面几点则属于灯管本身设计和制造范围的因素。A，荧光粉层对发光效率的影响：对荧光灯的光效影响最大的是荧光粉的种类和
24、质量。不同种类荧光粉的发光效率相差很大。B，管壁温度对光效的影响：如前所述，当汞气压为0.8Pa 时，荧光灯能最有效地产生253.7nm 的辐射，高于或低于此气压值，对灯的发光效率都是不利的。而灯内汞蒸气是由管壁最冷部分的温度所决定的，最佳汞蒸气压所对应的温度大约是40。影响荧光灯寿命的因素荧光灯寿命终了，主要是由于两端阴极上的碱金属氧化物在启动和燃点时逐渐蒸发和飞溅造成的。当阴极上的氧化物完全消失时，灯管就不能启动，荧光灯的寿命即告终结。这个过程的长短是由许多因素决定的，有的是属于使用范围的问题，如电源电压的变化、灯管电流的大小、电流的波形和启动的次数等。在一定工作状态下，如电流增加，阴极温
25、度过高，寿命就缩短；电流减小，寿命就会延长。如电流增加1%，寿命就要缩短1.7%，但如果电流小于0.2A 时，灯寿命也要缩短，这时因为阴极的温度过低，发射减小，阴极电位增高，溅射严重，寿命也要缩短。金属卤化物灯金属卤化物灯是20 世纪 60 年代在高压汞灯和卤钨灯工作原理基础上发展起来的新型高效光源。它光效高、光色好，而且可以根据不同需要设计制造出需要的光色，不仅在照明技术中应用，还用于各种特殊需要的辐照加工中。高压汞灯发出的可见光主要是由4 条汞的特征谱线所组成，即由404.7nm、435.8nm、546.1nm 和 578nm 组成，因此它的光色偏蓝绿光，缺少红光。为改进高压汞灯的光色，人
26、们在20 世纪 60 年代成功地将多种金属以卤化物的方式加到高压汞灯的电弧管中，以使这些金属原子象汞一样电离、发光，发出自己的特征谱线以填补汞特征谱中的空白。一般情况下，金属卤化物的蒸气压都比相同温度时该金属本身的蒸气压高得多。几乎所有的金属卤化物都不会与石英玻璃发生显著的化学反应。因此，金属卤化物的基本电性能与高压汞灯相同，汞弧放电决定了它的电性能和热损耗，而充入灯管内的低气压金属卤化物，决定了灯的发光性能。所以金属卤化物灯兼具有高气压放电灯和低气压放电灯的特点。A，由几种金属原子发出线状光谱分段叠加，以求得高光效，高显色性典型的是充钠、铊、铟的金属卤化物系列。钠的共振谱线在 589-589
27、.6nm， 铊的共振谱线在535nm，铟的共振谱线是451nm。灯的光谱由三者在视见函数的最大值附加组成。这类灯的光效约为70-80lm/W ，色温 3800-4200K ，显色指数70-75，常用于一般照明，灯的寿命可达数千小时。B，充入钪、钠卤化物的光谱，也呈多线光谱叠加钪、钠系金属卤化物灯是金属卤化物灯中光效最高（约90-100lm/W ） ，同时显色指数也较好的品种，Ra 可达 60-70，色温范围3600-4200K，因而使用较广。C，充入能在可见光部分发出大量密集谱线的金属卤化物灯稀土类金属如镝、钬、铥的光谱谱线间隙很小，可以认为是连续的。因此，采用这类金属卤化物的灯，显色性很好。
28、但是，稀土金属卤化物的蒸气压都比较低，为了提高灯内稀土金属卤化物的分压强，灯的管壁温度就要提高，也就是说管壁负载较大。这样，灯的寿命就必然缩短。充镝钬卤化物的灯，光效约在70-80lm/W ，显色指数为80-95，色温 3800-5600K 。从图中可以看出，放电管两端刚开始加上电压时，电压较低，放电管中只有微弱的电流通过，其电流为管内的原始电子或正离子产生，称为剩余电离。这些带电粒子在电场作用下形成的电流随电压的增加而增加，对应图中的OA 段。当电压继续上升时，因为带电粒子数目不多，当所有因为剩余电离产生的带电粒子全部到达电极后，电流就饱和了。气体放电现象:将一对平板电极放在密封的容器中，抽
29、去空气并充入一定量的其他气体，并在两电极间加上一个可变电压，测量通过放电管的电流和电压之间的关系， 得到的曲线就称为气体放电的全伏-安特性。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 17 页 - - - - - - - - - 这就是说，电压升高，电流不再增加，对应图中的AB 段。电压再升高时，放电管中电子受电场加速，自由电子的速度越来越大，当它们与中性原子、分子碰撞时，可能会使分子、原子电离。而电离产生的新的自由电子和离子也在电场中加速，并通过碰撞可能产生更多的分
30、子、原子电离。对应图中的BD 段，此段放电又称为繁流放电或雪崩放电。当电压升高到B 点时，由于雪崩放电，电流突然增加，正离子质量大能量高，猛烈轰击阴极，可以使阴极发射足够的电子来，这就是图上的D 点。这时我们称为放电着火或击穿，相应于D 点的电压称为着火电压（Vz） 。 当放电达到D点以后，由于阴极在正离子轰击下发出大量的电子，放电管电流突然增加，放电击穿，电压迅速下降，放电自动地过渡到 EF 段。在这一段放电发出明亮的辉光，故此段被称为辉光放电。在辉光放电EF 段中，还只是有一部分阴极受正离子轰击而发射电子，所以电流增加时，阴极发射也随着增加，因此电压不变或变化很小。这一段称为正常辉光放电。
31、当整个阴极都用于发射后，再要增加电流，阴极发射电流密度必须增加，这时电压就得升高。这就是图上的FG 段，这段放电称为异常辉光放电。其后，如果再要使放电电流增加，发射电极电子密度要高，也就是要大量正离子轰击阴极，使阴极发热而称为热电子发射。此时电流迅速增加，由于有热阴极电子发射，电压反而下降，这就是GH 段。此段由于放电特性发生了突变，我们称这段放电为弧光放电。在OC 段，如果去掉剩余电离，电流立即停止，所以我们称这段为非自持放电。在D 点放电着火以后，如去掉剩余电离，放电仍将是稳定的，我们称着火以后的放电为自持放电。非自持放电由于没有放电光辉，又称它为暗放电。暗放电电流大约在10-6A 以下，
32、辉光放电电流在10-610-1A ，而弧光放电的电流在10-1A 以上。固体发光光源白光 LED 发白光的LED 有着最诱人的发展前景，但半导体材料的发光机理决定了单一LED 芯片不可能发出连续光谱的白光，要采用其它的方法来合成白光，目前有几种方式发展较快：A，直接将红、绿、蓝三种颜色的LED 芯片组成一组，实现白光。其安装结构比较复杂，而且各色LED 的驱动电压、发光效率及配色特性不同，温度特性也存在差异。B，在蓝色LED 芯片种涂敷高效黄色荧光粉，蓝光及被蓝色激发的荧光粉所发射的黄光经调控后可得到各种色温的白光。其安装结构简单，发光效率高。但低色温LED 显色指数难以超过80。C，在紫外L
33、ED 芯片中涂敷红、绿、蓝三基色荧光粉，荧光粉被紫外光激发产生白光。和低压荧光灯中利用253.7nm的紫外光激发荧光粉稍有不同的是，LED 中要比三基色荧光粉在更低能量紫外激发有较高的发光效率。半导体发光二极管的基本原理与特性与白炽灯和气体放电发光不同，半导体发光二极管的发光原理是一个光电转换过程。一般半导体发光二极管材料大部分为III-V 族半导体以及II-VI 族材料。配图为III-V 及 II-VI 族材料的能隙与晶格常数的关系图，由图可知这些材料包括的范围由红光到紫外线，目前红光的材料主要是AlGaInP 而蓝绿光及紫外线主要材料是 AlGaInN 。虽然 II-VI 族材料也可以得到
34、红光及绿光，但是这些材料极为不稳定，所以目前所用的发光材料大部分是 III-V族。发光效率与材料是否为直接带隙材料有关，GaN-InN-AlN 、GaAs、InP、InAs 与 GaAs 为直接带隙材料，这些材料的导带的最低点和价带的最高点在k 空间中是上下直接对应的，所以电子与空穴可以进行有效的复合而发光，如配图a 所示。配图b 为间接带隙材料，其导带的最低点与价带的最高点在k 空间不在同一位置，所以电子与空穴进行复合时，还需要声子的参加，所以发光效率低。目前发光二极管用的都是直接带隙材料。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
35、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 17 页 - - - - - - - - - 色度学基础Grassmann 定律1854 年 Grassmannn 总结关于颜色混合的定性性质1，人的视觉只能分辨颜色的三种变化，明度，色调、饱和度；2，由两种成分组成的混合色中，如果其中一种连续变化则混合色的外貌也连续变化；3，颜色外貌相同的光，不管其光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。即凡是在视觉上相同的颜色都是等效的；4，混色是的总亮度等于组成此混合色之各种成分亮度的总和，此为亮度相加定律；颜色的三个特征：Luminance(亮度 or 明度 ) 、Hue(色相
36、or 色调) 、Saturation(饱和度 )。 明度是指刺激物的强度作用于眼睛所发生的效应，人眼直接感受到的物体明亮程度。色调是彩色的最重要特征。由物体反射的光线中以哪种波长占优势来决定的。饱和度是指颜色的鲜明程度。如饱和度高，则物体呈现深色，如深红、深绿。是颜色色调的表现程度，取决于反射光的波长范围的狭窄性（纯度）。混色（颜色合成）同色异谱：光谱不同的光线，在某种条件下能引起人眼相同的颜色感觉。实验证明，全部光色都可以用红、绿、蓝三基色以适当比例混合得到；加法混色同时加色法：R、G、B 以适当比例混合； （红 +绿=黄；红+蓝=紫；蓝+绿=青）继时加色法：将两种以上的颜色以50Hz 以上
37、频率交替作用于视网膜，形成混色刺激状态；（涂 R、G、B 的混色盘以2000-3000r/min 转，可得各种光谱色）空间加色法：R、G、B 三个发光点靠的很近，到人眼不能分辨，则此发光点组在人眼中产生混色效应；（彩色电视机的荧光屏）减法混色颜料、油漆的颜色是其吸收了一定波长的光线后剩余光线的色调；（黄颜料：吸收白光中的蓝光而反射红和绿光）减色法的三原色：青（R 补色）、品红（ G 补色） 、黄（ B 补色）； （彩色胶片）三原色：颜色匹配实验中选取三种颜色，有其相加混合能产生任意颜色，则称此三种颜色为三原色；三刺激值：与待测色达到匹配时所需的三原色的能量，称为三刺激值（ tristimulu
38、s values） ；光谱三刺激值：匹配等能光谱色的三原色的能量，称光谱三刺激值（r,g,b） ，又称颜色匹配函数，其数值只决定于人眼的视觉特性；CIE 1931 标准色度图实际中，非单色的三基色的配色问题分布色系数：分布色系数还是出现负值，改用三个假想的基色(X)(Y)(Z) 建立新的色度图，并将配色的三基色的数值标准化：“1931 CIE -XYZ 计色系统 ” ，发光二极管实际上是一个半导体的p-n 结，当一个正向偏压施加到 p-n 结两端时， 使结势垒降低， p 区的正电荷将向n 区扩散， n 区的电子也向p 区扩散， 同时在两个区域形成非平衡电子的积累。对于p-n 结系统，注入到价带
39、中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以自发辐射的方式输出。对于GaAs 等半导体材料，其禁带宽带所对应的放光波长正好处于380-780nm 的可见光区域，从而为 LED 的发展和应用开辟了广阔的空间。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 17 页 - - - - - - - - - 无光照时，伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同，二极管就工作在这个状态，伏安特性曲线处于第一象限。受光照后，光生电子-空穴对在电场作用下形成大于I0 的光电流，
40、并且方向与I0 相同，曲线向下平移到第四象限，平移的幅度与光照的变化成正比，即Ip=SEE。光电池。p-n 结上加反偏压，暗电流随反向偏压的增大有所增大，最后等于反向饱和电流I0，而光电流Ip 几乎与反向电压的高低无关。光电二极管和光电三极管。光伏模式下光电二极管在无偏压下工作，暗电流造成的散粒噪声小，无1/f 噪声。光照下只有热噪声，信噪比好。光导模式时，二极管加反偏压，光电流正比于光辐射强度，光电流的大小与负载无关，但反偏压减弱了结电容，可以提高频率特性。此外反偏压可增加长波灵敏度及扩展线性区上限。缺点：反偏压引起的暗电流引起较大的散粒噪声，且在频率低于1kHz 的时候有1/f 噪声。光伏
41、式二极管用于超低噪声、低频及仪器方面；光导式二极管用来探测高速光脉冲和高频调制光。硅光电池结构：由镀有上下电极的大面积PN 结构成。 2DR：P 型硅衬底， N 掺杂 pn 结；2CR：N 型硅衬底， P掺杂 pn 结；为使输出电流大，光敏面积尽可能大，采用梳状电极以减小载流子复合；典型参数：开路电压0.55V；短路电流 35-40mA/cm2 ；转换效率 10%，最高 15.5-20%；光谱响应峰值0.7-0.9um，范围 0.4-1.1um；响应时间 10-3-10-9s 光伏探测器的频响特性：响应时间取决于：光生载流子扩散至结区的时间n；光生载流子在电场作用下通过结区的漂移时间 d ；由
42、结电容 &负载电阻决定的c；通常pn 结耗尽层薄 +结区电场大漂移时间不计；为减小时间常数：光敏面薄、结面积小；提高反压、小负载电阻；a), 为避免色度座标出现负值，人为选取三个自然不存在的基色 (X) 红， (Y) 绿， (Z)蓝；配色三角要包含整个光谱轨迹； （所有实色色系数非负）b), 只有(Y) 包含亮度， (X)(Z) 不含有亮度；c), 构成 XYZ 三角时，尽可能减少三角形所占面积；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 17 页 - - - - -
43、 - - - - 可达几百MHz 甚至更高；硅光电二极管的结构和工作原理与硅光电池相似，差别为：衬底材料的掺杂浓度：硅光电二极管比光电池较低; ( 10121013/cm3 vs.10161019/cm3)光电池的电阻率低，约为0.10.01 欧姆厘米，而硅光电二极管则为1000 欧姆厘米，光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管在反向偏置下工作；一般说来光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的光敏面大得多，因此硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。硅光电二极管通常用反偏的光电导工作模式。硅光电二极管在无光照条件下，若给 p-n 结加一个适当的反向电压，则反向电压加强了内建电场，使 p-n 结空间
44、电荷区拉宽， 势垒增大。当硅光电二极管被光照时，在结区产生的光生载流子将被加强了的内建电场拉开，光生电子被拉向n区，光生空穴被拉向p 区，于是形成以少数载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，如果光照越强,表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大。当硅光电二极管与负载电阻RL 串联时，在 RL 的两端便可得到随光照度变化的电压信号。从而完成了将光信号转变成电信号的转换。Si 光电二极管两种结构：n 型硅 B 扩散 (p+n)，2CU；p 型硅 P扩散 (pn+)，2DU；2DU 表面有漏电流， 在 SiO2中做环型pn 结包围光敏面；Si 光电二极管总
45、是在反偏压下工作。低反压时，光电流随电压变化不敏感；高反压时，光电流趋近饱和，仅取决于入射功率；典型电流响应度：0.4-0.5A/w ；硅光电三极管和普通晶体三极管相似 -也具有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，还受光的控制。光电三极管的光电转换是在集-基结区内进行的，而集电极、基极和发射极又构成一个有放大作用的晶体管，所以在原理上完全可以把它看成是一个由硅光电二极管与普通晶体管结合而成的组合件。为改善频率响应，减小体积， 提高增益集成光电晶体管， 它是在一块硅片上制作一个硅光电二极管和三极管；按达林顿接法接成的复合管，这种管子的电流增益可达到几百；硅光电三极管与硅光
46、电二极管-伏安特性；光电二极管、三极管输出的光电流与所加偏压的关系；1,相同照度下：硅光电三极管mA ，硅光电二极管A；2,零偏压下：硅光电三极管无光电流输出，硅光电二极管仍然有光电流输出；(硅光电二极管具有光生伏特效应，而硅光电三极管集电极虽然产生光生伏特效应，但因集电极无偏置电压，没有电流放大作用，只有微小的电流；) 3,当工作电压较低时输出的光电流有非线性，但硅光电三极管的非线性较严重，这是因为硅光电三极管的与工作电压有关。 (要线性好工作电压尽可能高些；) 4,在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时间隔较均匀，在高照度时曲线越来越密，硅光电三极管比二极管严重得多，这是因为
47、硅光电三极管的是非线性的；硅光电三极管与硅光电二极管-光照特性；1,硅光电二极管的光照特性的线性较好；2,硅光电三极管的光电流在弱光照时有弯曲，强光照时又趋向于饱和，只有在中间一段光照范围内线性较好；(由于硅光电三极管的电流放大倍数在小电流或大电流时都要下降而造成的。) 硅光电三极管与硅光电二极管-温度特性；硅光电二极管和硅光电三极管的光电流和暗电流均随温度而变化，但硅光电三极管因有电流放大作用，所以它的光电流和暗电流受温度影响比硅光电二极管大得多。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
48、- 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 17 页 - - - - - - - - - 必要时要采取恒温或补偿措施。PIN 型光电二极管为提高 pn 结硅光电二极管响应，消除在pn 结外光生载流子的扩散运动时间，在 p 区 n 区间生产i 型层； PIN 型光电二极管在反向电压的作用下，耗尽区扩展到整个半导体使 p-n 结的结间距离拉大，结电容变小。随着反偏电压的增大，结电容变得更小，从而提高了PIN 光电二极管的频率响应。目前 PIN 光电二极管的结电容一般为零点几到几个微微法，响应时间tr13ns，最高达 0.1ns(1GHz);由于内建电场基本上全集中于i 层中，使耗
49、尽层厚度增加，展宽了光电转换的有效工作区域，量子效率提高了(70%0.8m); 增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，其响应波长范围可以从0.41.1 m ;可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽; 雪崩光电二极管(APD) ：特性为了实现均匀倍增，衬底材料的掺杂浓度要均匀，缺陷要少；同时在结构上采用保护环。保护环的作用是增加高阻区宽度，减小表面漏电流，避免边缘过早击穿。一般雪崩光电二极管有以下特征：1）灵敏度很高，电流增益可达102103；2）响应速度快，响应时间只有0.5ns；3）噪声等效功率很小，约为10-15W 。4）反偏压高 ,可达 200V。接近于反向击穿电压；雪崩光电二极管(A
50、PD) ：增益电流增益G：，IG:雪崩增益后的反向电流；有经验公式：，k 与材料、 pn 结结构有关；(Si: n+p:2; p+n:4, Ge: 2.5-8) 硅光电三极管与硅光电二极管-频率响应特性；硅光电二极管的频率特性主要决定于光生载流子的渡越时间。光生载流子的渡越时间包括光生载流子向结区扩散和在结(耗尽层或阻挡层)电场中的漂移。 这时，决定硅光电二极管的频率响应上限的因素是结电容Cj 和负载电阻RL。要改善硅光电二极管的频率响应，就应减小时间常数RLCj ，也就是分别减小RL 和 Cj 的数值。在实际使用时，应根据频率响应要求选择最佳的负载电阻。硅光电三极管的频率响应，还受基区渡越时