光电检测知识点总结

光电检测知识点总结

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

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

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λm的部分能量约占25%，波长⼤于λm的能量约占75%；

(Wien…s Displacement Law )将普朗克公式对波长λ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λm与绝对

温度T的关系。维恩位移定律(Wien's 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。

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

0.48um，太阳地球平均距离1.495x108km，太阳，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。晶体中的电⼦只能处于能带的能级上，且每⼀个能带中都有与原⼦总数相适应的能级数。价带：绝对零度时，价带为价电⼦占满。⽽导带中没有电⼦。

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

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。

E 的量⼦态的⼏率由指数因⼦所决定?玻⽿兹曼统计和 Boltzmann 统计的主要差别，前者受到Pauli exclusion principle 限制，

但在E -Ef >>kT 条件

下，泡利原理失去作⽤，两者同⼀；

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Boltzmann 分布函数描写；即导带中⼤多数电⼦分布在导带底附近；

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 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。

n 和p ，则当n

＜＜p 时，这种半导体称为P 本征

半导体；当n ＞＞p 时，称为N 型半导体；当n ＝p 时，称为I 型半导体。

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

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 ；⽽对时，在⼩于能隙能量的光⼦作⽤下，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

（10^19-10^20 cm^-3）

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

i E E E -=

+-=EE E A i

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

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；现象：电⼦运动状态发⽣变化；

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

电导率变化or产⽣光⽣伏特效应；(半导体光电器件形成的效应；(真空光电倍增管、摄像管、像增强器)

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

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+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；

1,爱因斯坦定律（光电发射第⼆定律）发射体发射的光电⼦的最⼤动能，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。

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.1／f噪声；

E.温度噪声。(3)信号放⼤及处理电路噪声热噪声：热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（A＝lcm2），放⼤器的带宽△f＝1Hz

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。

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，固体发光光源和

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2300～2800K，发光效率约10lm／W

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，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，同时卤钨循环消除了玻壳的发⿊，灯丝的⼯作温度和光效⼤为提⾼，⽽

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6~250V，功率从12~1000W。

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。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2～10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2～10倍。

光⾊适应性强，可在较⼤范围内选择。