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1、光电检测第二章光光电检测第二章光电检测基础知识电检测基础知识第1页，共147页，编辑于2022年，星期五本章内容第二章光电检测中的基础知识2.12.1 辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识2.32.3 基本定律基本定律2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第2页，共147页，编辑于2022年，星期五2.1 辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识返回2.1.12.1.1 辐射度学基本物理量辐射度学基本物理量2.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念2.1.2 2.1.2 光度学基本物理量光度
2、学基本物理量2.1.3 2.1.3 其他基本概念其他基本概念第3页，共147页，编辑于2022年，星期五辐射度学第二章光电检测中的基础知识定义：研究各种电磁辐射的传播和量度的学科，包括可见光区域。辐射度学单位是纯粹物理量的单位。例如辐射能焦耳（J）辐射功率瓦特（W）2.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第4页，共147页，编辑于2022年，星期五基本物理量第二章光电检测中的基础知识1.1.辐辐 射射 能能 Q Qe e2.2.辐辐 射射 功率（或称辐功率（或称辐 射射 通量）通量）e e4.4.辐辐 射射 亮度（或称辐射度）亮度（或称辐射度）L Le e3.3.辐辐 射射 强度
3、强度 I Ie e 5.5.辐辐 射射 出出 射射 度度M Me e6.6.辐辐 射射 照度照度E Ee e2.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念返回第5页，共147页，编辑于2022年，星期五光度学第二章光电检测中的基础知识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。例如光功率流明(lm)。2.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第6页，共147页，编辑于2022年，星期五人眼是最常用也是最重要的可见光接受器。物体发射的光或反射的光到达人眼的视网膜上产生实物感，这是由光刺激视网膜的锥状细胞或柱状细胞所导致的结果。2.
4、12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识 锥状细胞只对光亮度超过10-3cd/m2的光才敏感，当亮度低于10-3cd/m2时，锥状细胞不敏感，而柱状细胞起作用。第7页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识用各种单色辐射分别刺激正常人眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现在波长处的所需要的光谱辐射亮度是最小的。如果把在波长处的所需要的光谱辐射亮度设为，其它波长处所需要的光谱辐射亮度设为。定义:为正常人眼的视见函数，也称光
5、谱光视效率。第8页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识图中虚线是暗视觉视见函数,实线是明视觉视见函数。国际照明委员会从许多人的大量观察结果中取其平均值，得出视见函数V-的曲线（见图）第9页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识在380一780nm的区域里,各种波长处的视见函数值如下表所示。第10页，共147页，编辑于2022年，星期五基本物理量2.12.1辐射度学和光度学
6、基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识1 1光能光能 Q Qv v2.2.光通量光通量v v3.发光强度发光强度I Iv v4.4.亮度亮度L Lv v 5.5.光出射度光出射度M Mv v6.6.照度照度E Ee e第11页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识下表列出主要辐射度学量和相应的光度学量及其单位。第12页，共147页，编辑于2022年，星期五(2-13)(2-13)2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念
7、第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识根据眼睛的视见函数V，可从辐射度学单位表示的量值换算为以光度学单位表示的相应值。其关系通式为式中，为所有的辐射参量;为所有的光度学参量。第13页，共147页，编辑于2022年，星期五例如,已知某一波长A的光谱辐照度Ee时,与之相当的光谱照度Ev为2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识(2-14)(2-14)如果照明光源不是单色的,则总的照度可用积分求出。式中的积分限应按照光源的辐射波长范围确定。对于白光光源,一般取380一780nm。(2-15)(2-15)第14页，共
8、147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识例题 已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，输出光波长为632.8nm,试计算其发出的光通量。解：He-Ne激光器输出的光为光谱辐射，根据式（2-13）可计算它发出的光通量为返回第15页，共147页，编辑于2022年，星期五其他基本概念2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识1.1.点源点源2.2.扩展源扩展源返回3.3.漫反射面漫反射面第16页，共147页，编辑于2022年
9、，星期五从强度为I的点源辐射到立体角d的通量为若点源沿各方向均匀辐射，则总通量为2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识点源当点源照射一个小面元dA时，若面元dA的法线与dA到点源连线r的夹角为，则照到dA上的通量为第17页，共147页，编辑于2022年，星期五根据照度的定义，该面元上的照度为2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识这就是照度与距离的平方反比定律。仅当光源极小或极远时，平方反比定律才能成立，这时才能把辐射源看做点源。返回第18页，共14
10、7页，编辑于2022年，星期五一个理想的扩展源，称之为朗伯源。朗伯源的亮度不随方向而改变，因而从任何角度观察朗伯源应该是一样明亮的。一个面积为dS的朗伯源，在立体角d内辐射的通量为2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识扩展源第19页，共147页，编辑于2022年，星期五假设此朗伯源为不透明物质，其辐射通量仅仅分布在半球空间内，见图。则2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识所以此面元的总辐通量为第20页，共147页，编辑于2022年，星期五根据辐出度
11、的定义，可得朗伯源的辐出度与辐亮度的关系，即2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识返回第21页，共147页，编辑于2022年，星期五可以将入射光向各方向均匀散射出去的反射表面称为漫反射面或散射面。假设投射到表面积dS的漫反射表面上的照度为E，则该面所接受的光通量为2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识漫反射面（2-16）第22页，共147页，编辑于2022年，星期五设该表面的漫反射系数为K,则该表面散射的光通量为2.12.1辐射度学和光度学基本概念
12、辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识（2-17）因为漫反射面把入射光沿所有方向散射出去，所以可当作朗伯反射面处理，于是有（2-18）式中，LS为该表面的视亮度。从式（2-16）(2-18)可得（2-19）返回第23页，共147页，编辑于2022年，星期五半导体基础知识2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识2.2.2 2.2.2 热平衡下的载流子浓度热平衡下的载流子浓度2.2.1 2.2.1 固体的能带结构固体的能带结构返回2.2.3 2.2.3 半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子2.2.4
13、 2.2.4 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移第24页，共147页，编辑于2022年，星期五固体的能带结构2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识1.1.电子的共有化运动电子的共有化运动2.2.能带的形成能带的形成3.3.能带结构能带结构4.N4.N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体返回第25页，共147页，编辑于2022年，星期五热平衡下的载流子浓度2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识载流子浓度就是指单位体积内的载流子数。电子从不断热振动的晶体中获得能量就能从价带跃迁到
14、导带形成自由电子，在热激发的同时，也有电子从导带跃迁到价带并向晶格放出能量,这就是电子与空穴的复合。在一定温度下，若没有外界作用，半导体中的载流子是由热激发产生的。第26页，共147页，编辑于2022年，星期五2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识在一定温度下激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，这时的载流子浓度即为某一稳定值。当温度改变时，原来的平衡状态被破坏，同时建立起新的平衡状态。达到新的稳定值。改变载流子浓度就可以改变半导体的电学性质。返回第27页，共147页，编辑于2022年，星期五 1.半导体材料的光吸收效应半导体中的非
15、平衡载流子半导体中的非平衡载流子2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识 1)1)本征吸收本征吸收由于外部作用使载流子浓度超出热平衡时的浓度，则超出部分的载流子称为非平衡载流子。2)2)杂质吸收杂质吸收 2.2.非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度 第28页，共147页，编辑于2022年，星期五2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识若光由照射到停止，光生载流子浓度会因复合而逐渐减小，最后逐渐回到平衡状态。复合有先有后，光生载流子停留在自由状态的时间是不等的，有的长些，有的短些。光生载流子的
16、平均生存时间称为光生载流子的寿命。返回第29页，共147页，编辑于2022年，星期五1扩散电子从浓度高的点向浓度低的点运动，这种现象称为扩散。在扩散过程中，流过单位面积的电流称为扩散电流密度，它正比于光生载流子的浓度梯度，即 2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识载流子的扩散与漂移(2-22)第30页，共147页，编辑于2022年，星期五2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识(2-23)2.漂移漂移半导体受外电场作用时，其中的电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动，这种运动称为漂
17、移。根据欧姆定律，电流密度矢量J正比于电场矢量E，J沿x方向有。第31页，共147页，编辑于2022年，星期五2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识。对于N型半导体还有(2-24)vx与电场强度成线性关系，即(2-25)联立式(2-23)式(2-25)可得(2-26)第32页，共147页，编辑于2022年，星期五2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识同样,对于P型材料有。(2-27)得到电场中漂移所产生的电子电流密度矢量JnE和空穴电流密度矢量JpE分别为(2-28)第33页，共14
18、7页，编辑于2022年，星期五 2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识则总电流密度为当扩散和漂移同时存在时，总的电子电流密度矢量和总的空穴电流密度矢量分别为(2-29)(2-30)返回第34页，共147页，编辑于2022年，星期五基本定律2.3.1 2.3.1 黑体辐射定律黑体辐射定律2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识2.3.2 2.3.2 光电效应光电效应返回第35页，共147页，编辑于2022年，星期五黑体辐射定律2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础
19、知知识识绝对黑体定义:如果一物体,在任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1,那么此物体称为绝对黑体。显然,绝对黑体的吸收比B（，T）=1反射比B（,T）=0 如果某一物体对各种波长的吸收比虽小于1,但近似地为一常数,那么这物体称为灰体,称为灰体的黑度。第36页，共147页，编辑于2022年，星期五1 1基尔霍夫定律基尔霍夫定律2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识2.2.普朗克辐射公式普朗克辐射公式3 3斯忒藩斯忒藩-波尔兹曼定律波尔兹曼定律4.4.维恩位移定律维恩位移定律第37页，共147页，编辑于2022年，星期五2.32.3 基本定律
20、基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识例题:假设将人体作为黑体，正常人体温为36.5。试计算（1）正常人体所发出的辐射出射度；（2）正常人体的峰值辐射波长及峰值光谱辐射出射度；（3）人体发烧到38时的峰值辐射波长及发烧时的峰值光谱辐射出射度。第38页，共147页，编辑于2022年，星期五2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识解：（1）人体正常的绝对温度T=36.5+273=309.5K，根据斯忒藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为第39页，共147页，编辑于2022年，星期五由普朗克辐射公式,峰值光谱辐射出度为2.
21、32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为第40页，共147页，编辑于2022年，星期五发烧时的峰值光谱辐射出度为2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识（3）人体发烧到38时的峰值辐射波长为可见，人体温度升高，发出的光谱辐射峰值波长变短，峰值光谱辐射出射度增大。返回第41页，共147页，编辑于2022年，星期五光电效应2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识在物质受到辐射光的照射后,材料的电学性质发生了变化(电导率改变、发射电子
22、、产生感应电动势等)的现象称为光电效应。光电效应可分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指受到光辐射的作用后,被光激发的电子逸出物质表面,形成真空中的电子,产生电子发射的现象。第42页，共147页，编辑于2022年，星期五2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识内光电效应是指受到光照射的物质内部载流子能量状态产生变化,而被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴)仍在物质内部运动,使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象,但不存在表面发射电子的现象。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。第43页，共147页，编辑于2022年，星期五2.32.3 基
23、本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识1.1.光电导效应光电导效应 返回2.PN2.PN结光伏效应结光伏效应3.3.光电发射效应光电发射效应(外光电效应外光电效应)第44页，共147页，编辑于2022年，星期五光电导效应 2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识 1 1）本征光电导效应）本征光电导效应当光照射到半导体材料时,束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子,引起材料的载流子浓度增加,导致材料电导率增大的现象称为光电导效应。2)2)杂质光电导效应杂质光电导效应半导体的光电导效应如图所示。返回第45页，共147页，
24、编辑于2022年，星期五PN结光伏效应2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识1)1)结电场的形成结电场的形成2)2)光生伏特效应光生伏特效应返回第46页，共147页，编辑于2022年，星期五N型半导体和P型半导体接触时，在这两种材料的交界处就形成了PN结。刚开始时结区存在着载流子浓度梯度，导致空穴从P区到N区和电子从N区到P区的扩散运动。空穴扩散后，在结区附近形成由N区指向P区的内建电场。2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识在内建电场作用下，载流子出现漂移运动，方向与扩散运动相反，起着阻止扩散的作用。最后
25、扩散与漂移运动形成动态平衡，内建电场也叫结电场。结电场的形成返回第47页，共147页，编辑于2022年，星期五如图所示为PN结光伏器件的结构图。光投向P区时，只要光子能量大于材料的禁带宽度,就可能激发出电子-空穴对,打破原有的平衡状态,出现新的电荷移动。其中，空穴流入P区，电子流入N区，在PN结区两边产生势垒。2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识光生伏特效应由于光照而在PN结的两端出现的电动势称为光生电动势。这就是光生伏特效应,简称光伏效应。返回第48页，共147页，编辑于2022年，星期五光电发射效应(外光电效应)2.32.3 基本定律基本定律第
26、第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识1)1)光电发射定律光电发射定律；2)2)物质的逸出功和红限频率物质的逸出功和红限频率返回3)3)半导体材料的阈值波长半导体材料的阈值波长第49页，共147页，编辑于2022年，星期五在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电子发射效应。向外发射的电子叫光电子。2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识；物体中的电子吸收入射光子的能量，当吸取的能量大于逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。每个光子的能量由下式确定。光电发射定律第50页，共147页，编辑于202
27、2年，星期五2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识 该方程称为爱因斯坦光电效应方程或光电发射第一定律。它表明:光电子的动能随入射光子频率的增加而线性地增加。*(2-47)光子能量超过逸出功A0的部分表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理，有第51页，共147页，编辑于2022年，星期五表明当辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的光通量成正比。爱因斯坦定律是针对一个光子激发一个电子产生的光电效应，当一束光照在物体上时，有光电发射第二定律，也称为斯托列托夫定律。2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识；(2-4
28、8)式中:h普朗克常数,6.62610-34Js；光的频率，s-1；为光电发射系数。第52页，共147页，编辑于2022年，星期五2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识光电发射的过程如图所示。大致可分三个过程：1)物体中的电子吸收光子能量，被激发到高能态；3)达到物体表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。2)受激电子向物体表面运动，在运动过程中因碰撞而损失部分能量；返回第53页，共147页，编辑于2022年，星期五2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识；光
29、电子能否发射,取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。(2-49)电子欲逸出金属表面必须克服两部分力，即克服原子核的静电引力和偶电层的势垒作用力。电子发射所需做的这种功，称为逸出功或功函数W。当光电子的速度等于零,即光电子的动能=0时,有物质的逸出功和红限频率物质的逸出功和红限频率第54页，共147页，编辑于2022年，星期五每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或长波限。光线频率低于红限频率，光子的能量就不足以使物体内的电子逸出。因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；入射光频率如果高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子发射。2.32.3 基本定律基本定
30、律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识；光子的能量取决于频率，即当时，即可发射光子。返回第55页，共147页，编辑于2022年，星期五半导体材料的阈值波长对于半导体，一般情况下，光电子发射的逸出功为2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识；式中:Eg半导体禁带宽度;EA电子亲合势。(2-50)因而半导体材料光电发射的能量阈值为(2-51)第56页，共147页，编辑于2022年，星期五把h，c值代入式(2-52),得半导体材料的阈值波长为2.32.3 基本定律基本定律第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识或(2-53)或(2
31、-52)所以长波限为返回第57页，共147页，编辑于2022年，星期五光电探测器的噪声和特性参数光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可度量物理2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识效应的器件。光辐射探测器的种类很多,按照工作原理和结构将常用的光辐射探测器分类，如图所示。2.4.1 2.4.1 光电探测器中的噪声光电探测器中的噪声2.4.2 2.4.2 光电探测器的特性参数光电探测器的特性参数2.4.3 2.4.3 光电探测器的合理选择光电探测器的合理选择返回第58页，共147页，编辑于2022年，星期五光电探测器中的
32、噪声2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识在一定波长的光照下光电探测器输出的光电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏。如图所示。这种随机的、瞬间幅度不能预知的起伏，称为噪声。图中信号的直流数值为(2-54)第59页，共147页，编辑于2022年，星期五噪声电流的均方值代表了单位电阻上所产生的功率,它是确定的可测得的正值。2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识由于噪声是在平均值附近随机起伏，长时间的平均值为零，所以一般用均方噪声来
33、表示噪声值的大小，即(2-55)第60页，共147页，编辑于2022年，星期五把噪声这个随机时间函数进行频谱分析,就得到噪声功率随频率变化关系,即噪声的功率谱S(f)。S(f)数值是频率为f的噪声在1电阻上所产生的功率，2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识(2-56)即第61页，共147页，编辑于2022年，星期五2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识根据功率谱与频率的关系,常见的有两种典型噪声（如图所示）:一种功率谱大小与频率无关，
34、称为白噪声；另一种功率谱与1/f成正比，称为1/f噪声。第62页，共147页，编辑于2022年，星期五2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识一般光电测量系统的噪声可分成三类，如图所示。(1)光子噪声，包括：信号辐射产生的噪声；背景辐射产生的噪声。第63页，共147页，编辑于2022年，星期五2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识(2)探测器噪声，包括：(3)信号放大及处理电路噪声,包括：放大器及其它元器件的热噪声及电气噪声；所承受外界电
35、气干扰。热噪声；散粒噪声；产生复合噪声；1/f噪声；温度噪声。第64页，共147页，编辑于2022年，星期五探测器噪声各种噪声源的功率谱分布可用下图表示。*2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识第65页，共147页，编辑于2022年，星期五从而可求得通频带内的噪声。上述5种噪声都与f有关，f是等效噪声带宽，简称为带宽。若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率增益的最大值为Am(见下图)，则噪声带宽为2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基
36、础础知知识识(2-63)返回第66页，共147页，编辑于2022年，星期五2.4.2光电探测器的特性参数2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识1.1.响应率响应率2.2.光谱响应率光谱响应率3.3.等效噪声功率等效噪声功率4.4.探测率与比探测率探测率与比探测率5.5.响应时间常数响应时间常数6.6.线性线性7.7.信噪比（信噪比（S/NS/N）8.8.频率响应频率响应9.9.工作温度工作温度返回第67页，共147页，编辑于2022年，星期五2.4.3光电探测器的合理选择在设计光电检测系统时，首先根据测量要求反复比
37、较各种探测器的主要特性参数，然后选定最佳的器件。其中，最关心的问题有以下5个方面。根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即探测器的动态范围。探测器的光谱响应范围是否同待测光信号的相对光谱功率分布一致，即探测器和光源的光谱匹配。2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识第68页，共147页，编辑于2022年，星期五2.42.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识对某种探测器，它能探测的极限功率或最小分辨率是多少需要知道探测器的等效噪声功率
38、,需要知道所产生电信号的信噪比。当测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或频率响应范围。当测量的光信号幅值变化时，探测器输出的信号的线性程度。除了上述几个问题外,还要考虑探测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素。返回第69页，共147页，编辑于2022年，星期五辐辐 射射 能能 Q Qe e定义：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能。用符号Qe表示。其计量单位为焦耳（J）。返回第70页，共147页，编辑于2022年，星期五2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识（2-12-1）辐辐射射功率（或称辐功率（或称辐射射通量）通量）e定义：对辐射源来说，其辐功率定义为
39、单位时间内向所有方向发射的能量。对于电磁波的传播来说，辐功率的定义是单位时间通过某一截面的辐射能。即第71页，共147页，编辑于2022年，星期五2.1辐射度学和光度学基本概念第二章光电检测中的基础知识若在t时间内所发射、传播或接收的辐射能不随时间改变，则式（2-1）可简化为 （2-2）辐功率的单位为W(瓦特)。返回第72页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识（2-3）定义：点状辐射体在不同方向上的辐射特性用辐强度Ie表示。若在某方向上，一个小立体角d内的辐通量为de，则点光源在该
40、方向的辐强度Ie为：辐辐射射强度强度 Ie第73页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识对于均匀辐射的点光源，若辐通量为e，则其辐强度为（2-4）辐强度Ie的单位为W/sr(瓦每球面度)。返回第74页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识如图所示，一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向上有一面元dA。辐辐射射亮度（或称辐射度）亮度（或称辐射度）Le定义：对于小面
41、积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置在不同方向上的辐射特性。第75页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识式中，是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单位立体角的辐通量。辐亮度的单位为W/(srm2)(瓦每球面度平方米)。若dA所对应的立体角d内的辐通量为de，则面源在此方向上的辐亮度为（2-5）返回第76页，共147页，编辑于2022年，星期五辐射出射度Me2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光
42、电电检检测测中中的的基基础础知知识识其单位为W/m2(瓦每平方米)。定义：面辐射源的单位面积上辐射的辐通量为Me。也是把辐亮度Le对所有可能方向的角积分,即返回(2-6)第77页，共147页，编辑于2022年，星期五辐射照度Ee（2-7）2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识定义：每单位受照面接受的辐通量为辐射照度,即辐照度的单位为W/m2(瓦每平方米)。这里,无需考虑面元dA所接受的辐通量来自何方,故与该面的取向无关。返回第78页，共147页，编辑于2022年，星期五锥状细胞锥状细胞敏感的光谱范围为380780nm，且
43、能分辨出各种颜色，在555nm处最为敏感。锥状细胞的这种功能称为明视觉或白昼视觉。返回第79页，共147页，编辑于2022年，星期五柱状细胞柱状细胞敏感的光谱范围为330730nm，在507nm处最为敏感，但不能分辨颜色。柱状细胞的这种视觉功能称为暗视觉或夜间视觉。返回第80页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识光能光能 Q Qv v用符号Qv表示。定义：光通量在可见光范围内对时间的积分称为光能。光能的计量单位为流明秒（lms）。*返回第81页，共147页，编辑于2022年，星期五
44、流明定义：所谓的流明，简单来说，就是指蜡烛一烛光在一米处所显现出的亮度。严格定义为发光强度为1坎德拉的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为“1流明”。返回2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第82页，共147页，编辑于2022年，星期五光通量v2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识（2-8）式中，v光通量，单位是lm(流明)；C比例常数，683lm/W；e辐通量，单位是W；V波长处的视见函数光通量，也称为光功率。是为了描述电磁辐射对视觉的刺激强度而引入的一个物理量。其定义为返回第83页
45、，共147页，编辑于2022年，星期五发光强度Iv2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识（2-9）若在某方向上，一个小立体角d内的光通量为dv，则点光源的发光强度Iv为：国际单位制规定发光强度为7个基本单位量之一,其单位坎德拉(cd)。返回第84页，共147页，编辑于2022年，星期五十六届国际计量大会定义：在给定方向上能发射频率为540l012Hz的单色辐射源，且在此方向上的辐强度为1/683W/sr，其发光强度定义为1坎德拉。在工程上，光强度Iv的单位常用lm/sr(流明每球面度)表示。2.12.1辐射度学和光度学基
46、本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识返回第85页，共147页，编辑于2022年，星期五亮度Lv2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识返回Lv的单位为cd/m2(坎德拉每平方米)。面光源的亮度定义为Lv(2-10)第86页，共147页，编辑于2022年，星期五光出射度Mv(2-11)(2-11)2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识其单位为lm/m2(流明每平方米)。定义：面光源从单位面积上辐射的光通量。
47、也是把辐亮度Lv对所有可能方向的角积分,即返回第87页，共147页，编辑于2022年，星期五照度Ee（2-12）2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识定义：入射到单位面积的光通量,即光照度的单位为lx(勒克司)。就是1lm的光通量均匀分布在1m的平面上所产生的照度。返回第88页，共147页，编辑于2022年，星期五2.12.1辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念第第二二章章光光电电检检测测中中的的基基础础知知识识返回第89页，共147页，编辑于2022年，星期五电子的共有化运动固体中大量原子紧密结合在一起，原
48、子间距很小，以致使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠，最外面的电子壳层交叠最多，内层交叠较少，如图所示。2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识壳层的交叠使外层的电子不再局限于某个原子上，电子有可能在整个晶体中运动。晶体中电子的这种运动称为电子的共有化。返回第90页，共147页，编辑于2022年，星期五2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识返回能带的形成能带的形成电子共有化会使本来处于同一能量状态的电子发生微小的能量差异。于是，一个电子能级因受N个原子核的作用而分裂成N个新的靠得很近的能级。这N个新能级之间能量差异极小，而N值很大，于是连成一片而形成具有一定宽度的能带。如图所示是能级分裂
49、成能带的示意图。第91页，共147页，编辑于2022年，星期五能带结构能带结构原子中每一电子所在能级在固体中都分裂成能带。2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识允带之间不允许电子占据的范围。允带允许被电子占据的能带。禁带第92页，共147页，编辑于2022年，星期五原子中最外层电子称为价电子，这一壳层分裂所成的能带称为价带。2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识任一能带可能被电子填满，也可能不被填满，满带电子是不导电的。未被填满的能带就能导电。金属之所以有导电性就是因为其价带电子是不满的。没有电子进入的能带称为空带。比价带能量更高的允许带称为导带；价带导带空带满带电子总是先占满内层能级
50、的允带，再占据外面一层允带。被占满的允带称为满带。第93页，共147页，编辑于2022年，星期五共价键上电子可能受到激发而跃过禁带，占据价带上面的能带，这种现象称为电子的跃迁。2.22.2 半导体基础知识半导体基础知识电子从价带跃迁到导带后，导带中的电子称为自由电子。自由电子不附着于任何原子上，有可能在晶体中游动，在外加电场作用下形成电流。价带中电子跃迁到导带后，价带中出现电子的空缺称为自由空穴。在外电场作用下，附近电子可以去填补空缺，犹如自由空穴定向移动，形成电流。与半导体导电性能有关的能带是导带和价带。返回第94页，共147页，编辑于2022年，星期五2.22.2 半导体基础知识半导体基础