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1、1.3 1.3 物体热辐射物体热辐射物体通常以两种不同形式发射辐射能量。物体通常以两种不同形式发射辐射能量。第一种称为热辐射。第二种称为发光。第一种称为热辐射。第二种称为发光。1.3.1 1.3.1 黑体辐射定律黑体辐射定律1.1.黑体黑体 能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数为为1 1，发射系数也为，发射系数也为1 1。http:/ 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射黑体
2、为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度度Me,s,（角标角标“s”表示黑体）由普朗克公式表表示黑体）由普朗克公式表示为示为 式中，式中，k为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；为普朗克常数；T为为绝对温度；绝对温度；c为真空中的光速。为真空中的光速。（1-40）1/30/2023 黑体光谱辐亮度Le,s,和光谱辐强度Ie,s,分别为（1-41）1/30/2023图图1-2 绘出了黑体辐绘出了黑体辐射的相对光谱辐亮度射的相对光谱辐亮度Le,s,r与波长的等温与波长的等温关系曲线。图中每一关系曲线。图中每一条曲线都有一个最大条曲线都有一个最大值，最大值的位置随值，最大值的位置随温度升高向短
3、波方向温度升高向短波方向移动。移动。1/30/20233.3.斯忒藩-波尔兹曼定律 将式（1-40）对波长求积分，得到黑体发射的总辐射出射度（1-42）式中，是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定 由式（1-42），Me,s与T的四次方成正比 1/30/20234.维恩位移定律 将普朗克公式（1-40）对波长求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐射出射度所对应的波长m与绝对温度T的关系为 (m)（1-43）可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。1/30/2023将式（将式（1-431-43）代入式（）
4、代入式（1-401-40），得到黑体的峰值光），得到黑体的峰值光谱辐出度谱辐出度 Wcm-2m-1K-5 以上三个定律统称为黑体辐射定律。1/30/2023例例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5，（，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少度为多少W/m2？（？（2）正常人体的峰值辐射波长正常人体的峰值辐射波长为多少为多少m？峰值光谱辐射出射度峰值光谱辐射出射度Me,s,m为多少？为多少？（3）人体发烧到）人体发烧到38时峰值辐射波长为多少？发时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度烧时的峰值光谱
5、辐射出射度Me,s,m又为多少？又为多少？解解 （1 1）人体正常体的绝对温度为）人体正常体的绝对温度为T T=36.5+273=309.5K=36.5+273=309.5K，根据斯特藩根据斯特藩-波尔兹曼辐射定波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为律，正常人体所发出的辐射出射度为 1/30/2023（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为(m)=9.36m 峰值光谱辐射出射度为 Wcm-2m-1=3.72 Wcm-2m-1（3）人体发烧到38时峰值辐射波长为 发烧时的峰值光谱辐射出射度为=3.81Wcm-2m-1 1/30/2023例例1
6、-2 1-2 将将标标准准钨钨丝丝灯灯为为黑黑体体时时，试试计计算算它它的的峰峰值值辐辐射射波波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。解解 标准钨丝灯的温度为标准钨丝灯的温度为T TW W=2856K=2856K，因此它的峰值辐射因此它的峰值辐射波长为波长为 (m)峰值光谱辐射出射度为=1.3092856510-15=248.7Wcm-2m-1 总辐射出射度为 1/30/2023光学系统光学系统CCD21.4 辐射度参数与光度参数的关系辐射度参数与光度参数的关系 辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射进行度量的参数，这些参数在一定光谱范围内（可见
7、光谱区）经常相互使用，它们之间存在着一定的转换关系；有些光电传感器件采用光度参数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是很重要的。本节将重点讨论它们的转换关系，掌握了这些转换关系，就可以对用不同度量参数标定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。1/30/2023v1.4.1 1.4.1 人眼的视觉灵敏度人眼的视觉灵敏度 v用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555m=0.555m处的光谱辐射亮度处的光谱辐射亮度L Le,m
8、e,m小于其它波长的光谱辐亮度小于其它波长的光谱辐亮度L Le,e,。把波长把波长=0.555m=0.555m的光谱辐射亮度的光谱辐射亮度L Le,me,m被其它被其它波长的光谱辐亮度波长的光谱辐亮度L Le,e,除得的商，定义为正常人眼的除得的商，定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率V V（），），即即 v （1-54）1/30/2023如图1-5所示为人眼的明 视觉光谱光视效率V（），它为与波长有关的相对值。1/30/2023V(）也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如图1-5中的虚线所示。(1-55)对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度
9、下，波长为507nm处的光谱辐射亮度Le，507nm小于其他波长的光谱辐射亮度 Le,。把 Le，507nm 与Le,的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率，即1/30/20231.4.2 人眼的光谱光视效能 无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其刺激的程度与Le,成正比。对于明视觉，刺激程度平衡的条件为 （1-56）式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，其值为683lm/W。1/30/2023对于暗视觉，为 式中，Km为人眼的暗视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，其值为1725lm/W。引进，K（），并令（1-58）（1-57）（1-59）1/3
10、0/2023 式中，式中，K K（），），KK（）分别称为人眼的明视觉分别称为人眼的明视觉和暗视觉光谱光视效能。和暗视觉光谱光视效能。由式（由式（1-581-58）、（）、（1-591-59），在人眼最敏感的波长），在人眼最敏感的波长=0.555m=0.555m，=0.507m=0.507m处，分别有处，分别有V V（m m）=1=1，VV（m m）=1=1，这时这时K K（m m）=K Km m，KK（m m ）=K Km m 。因此因此，K Km m，K Km m 分别称为正常人眼的明视觉最大光谱分别称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。光视效能和暗视觉最大光谱光视
11、效能。根据式根据式（1-581-58）和（）和（1-591-59），可以将任何光谱辐射量转），可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。换成光谱光度量。CCD2重叠部分重叠部分1/30/2023v例例1-31-3 已已知知某某He-He-NeNe激激光光器器的的输输出出功功率率为为3mW3mW，试计算其发出的光通量为多少试计算其发出的光通量为多少lmlm？v解解 He-He-NeNe激激光光器器输输出出的的光光为为光光谱谱辐辐射射通通量量，根据式（根据式（1-561-56）可以计算出它发出的光通量为）可以计算出它发出的光通量为vv,v,=K K,e ee e,=K Km mV()V()e e,v
12、=6836830.240.243 31010-3-3v =0.492(lm)=0.492(lm)1/30/20231.4.3 辐射体光视效能 一个热辐射体发射的总光通量v与总辐射通量e之比，称为该辐射体的光视效能K，即 对发射连续光谱辐射的热辐射体，由上式及式（1-58）可得总光通量v为(1-60)(1-61)1/30/2023将式（将式（1-351-35）、（）、（1-611-61）代入式（）代入式（1-601-60），得到），得到 （1-62）式中式中,V是辐射体的光视效率。是辐射体的光视效率。标准钨丝灯发光光谱的分布如图1-7所示，图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射分布 、光谱光视
13、效率V（）和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积 ，积分 为曲线所围的面积Al，而积分 1/30/2023 面积A2。因此，由(1-62)可得标准钨丝灯的光视效能Kw为lm/W 由式（1-60），已知某种辐射体的光视效能K和辐射量Xe，就能够计算出该辐射体的光度量Xv，该式是辐射体的辐射量和光度量的转换关系式。1/30/2023例例如如，对对于于色色温温为为 2 2 856 856 K K的的标标准准钨钨丝丝灯灯其其光光视视效效能能为为17lm/W17lm/W，当当标标准准钨钨丝丝灯灯发发出出的的辐辐射射通通量量为为e e100W100W时，其光通量为时，其光通量为 v v=1710lm=171
14、0lm。由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降度计检测光照度时，照度将显著下降。1/30/2023例2、某输出功率为6mW的氦氖激光器，发出波长为0.6328m的光束，均匀地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系数为0.96，设光速C=3108m/s，普朗克常数 h=
15、6.62610-34js，氦氖激光的视见函数V(6328)=0.268，试求：（1）幕的光照度为多少lx？（2）幕的反射出射度为多少lx？（3）幕每秒钟接收多少个光子？1/30/2023解：解：先将氦氖激光器输出单色辐射的辐射功率转换为光通量v v=KmV()e=6830.268610-3=1.098(lm)白色屏幕上的光照度应为 Ev=v/S=1.098/0.810-4=1.37104(lx)幕的反射光照度为 Evr=r Ev=0.961.37104=1.32104(lx)幕每秒钟接收的光子为 （个/秒）1/30/20231.5 半导体对光的吸收 1.5.1 物质对光吸收的一般规律物质对光吸
16、收的一般规律 光波入射到物质表面上，用透射法测定光通量的衰减时，发现通过路程dx的光通量变化d与入射的光通量和路程dx的乘积成正比，即（1-63）式中，称为吸收系数。如图1-8所示，利用初始条件x=0时，解这个微分方程，可以找到通过x路程的光通量为 1/30/2023（1-64）可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质的吸收系数，即（1-65）另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律 exp(-xc-1)衰减。1/30/2023（1-66）乘积的其实数部分应是辐射通量随传播路径x的变化关系。即 式中，称为消光
17、系数。由此可以得出（1-67）半导体的消光系数与入射光的波长无关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。1/30/2023（1-68）普普通通玻玻璃璃的的消消光光系系数数也也与与波波长长无无关关，因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为 1/30/20231.5.2 1.5.2 半导体对光的吸收半导体对光的吸收 在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电
18、子。同时，在价带中留下一个自由空穴，产生电子-空穴对。如图1-9所示，半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子空穴对的现象称为本征吸收。1/30/2023 n 型半导体的能带示意图实际上，晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷决定的。因此半导体分为两类：本征半导体：完全纯净和结构完整的半导体杂质半导体N型半导体(掺有施主杂质原子，有额外的电子)P型半导体(掺有受主杂质原子，有额外的空穴)假定取代半导体的原子的另一种物质的原子比半导体的原子具有较多的价带电子。1/30/2023相反地，杂质原子可以比半导体原子具有较少的价带电子。p 型半导体的能带示意图总结：为了使半
19、导体的电导率发生大的变化，对于每一百万个半总结：为了使半导体的电导率发生大的变化，对于每一百万个半 导体原子，大约有一个杂质原子就足够了，因为杂质的电导体原子，大约有一个杂质原子就足够了，因为杂质的电 离能比禁带宽度要小得多，所以杂质的种类和数量对半导离能比禁带宽度要小得多，所以杂质的种类和数量对半导 体的导电性能影响很大。体的导电性能影响很大。1/30/2023显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即 由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限（1-69）（1-70）只有波长短于的入射辐射才能使器件产生本征吸
20、收，改变本征半导体的导电特性。1/30/20232.2.杂质吸收杂质吸收 N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能ED，杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为自由电子。同样，P型半导体中，价带上的电子吸收了能量hv大于EA（受主电离能）的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴吸收光子能量跃入价带。1/30/2023这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生电离的过程称为杂质吸收。显然，杂质吸收的长波限（1-71）（1-72）由于EgED或EA，因此，杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质吸收会改变半导
21、体的导电特性，也会引起光电效应。1/30/20233.激子吸收激子吸收 当入射到本征半导体上的光子能量hv小于Eg，或入射到杂质半导体上的光子能量hv小于杂质电离能（ED或EA）时，电子不产生能带间的跃迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的约束而处于受激状态。这种处于受激状态的电子称为激子。吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收。显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。1/30/20234.4.自由载流子吸收自由载流子吸收 对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高时，不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而增强。这是由自由载流子在同一能带内的能级间的跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。1/30/20235.5.晶格吸收晶格吸收 晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收直接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为物体温度升高，引起物质的热敏效应。以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快，而不会改变半导体的导电特性。1/30/2023