第一章光电检测技术基础1(川大版)

§1-1 光谱与光子能量
§1-2 光度学(Photometry) 与辐射度学(Radiometry)
§1-3 半导体基础知识 §1-4 光电效应
§1-1 光谱与光子能量
一、
光的主要性质
二、 电磁波谱与光谱
三、 光电检测的理论依据
一、
光的主要性质：
光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。 1. 1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。 证明了光在传播时表现出波动性。
μ —介质的磁导率，ε —介电常数或电容率 由此式可证明电磁波在以太（即真空）中传播的 速度，等于光在真空中传播的速度。这不是偶然 的巧合，是由于光和电磁波在本质上是相同的。 光是一定波长的电磁波，这就是麦克斯韦创立的 光的电磁学说。
（1831-1879）
1 E 4 curlB J c t c curlE 1 B c t divE 4 9 divB 0
本章着重介绍三个主要内容： 一、辐射量和光度量的定义及它们之间的换算关系； 二、半导体光电器件的物理基础，如能带理论、PN结理论； 三、光电效应, 如半导体光电导效应和光电发射等。
这些是以后各章所述具体光电器件的理论基础，对于正确理解和 掌握各种光电器件的原理、性能和用法是十分重要的。
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第一章 光电检测技术基础
E—电场强度 B—磁场强度 c—真空中的光速 t—时间 J—电流密度 ρ —电荷密度 curl—旋度 div—散度
（1831-1879）
第一个方程表示磁场对位移电流密度（或电场的时间变化率）和 传导电流密度（或电荷的运动速度）的依赖关系。第二个方程是 法拉第感应定律。第三个方程表明除电源外，没有其它磁场源。 8 第四个方程相当于库仑定律。
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二、
电磁波谱与光谱：
电磁波谱及光谱图
1. 电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。
2. 光电检测技术只涉及光学区。 在光学谱区内，具有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源 的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。 3. 使用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。
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三、 光电检测的理论依据：
h h h p 光子动量公式： c
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§1-1 光谱与光子能量
一、
光的主要性质
二、 电磁波谱与光谱
三、 光电检测的理论依据
§1-2 光度学(Photometry) 与辐射度学(Radiometry)
常用辐射量和光度量一览表 常用光谱辐射量一览表
辐通量的光谱分布 接收器的光谱响应 V(λ)称为视见函数
21Βιβλιοθήκη §1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
普 朗 克
1、引入了著名的普朗克常数h。
对黑体辐射的研究发现了热物体辐射强度正 比于它的绝对温度，而反比于这个发射光线波长 的平方： ρ (ν )＝(8π hν 2/c3)· hν /KT-1) (1/e
其中引入了一个常数h，后来被称为普朗克常 数。1900年10月19日他在德国物理学会上报告了 自己的成果，普朗克公式被认为是正确的普遍公 式。 普朗克认为这个公式必能从某些理论中推导出来， （1858-1947） 经典物理学的所有理论和方法他都试过了，但都 失败了。他从失败中认识到这个公式不能单纯从 经典理论中推导出来。
§1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
常用辐射量和光度量一览表
名 称 辐[射]能 光能量 辐[射能]通量 光通量 辐[射]出[射] 度 光出射度 辐[射]照度 [光]照度 Εe Ev 符号 Qe Qv Φe Φv Μe Μv 定义 以辐射形式发射、传播或接收的能量。 光通量对时间的积分。 以辐射形式发射、传播或接收的功率。 发光强度为Ιv的光源，在立体角元dΩ内的 辐通量，dΦ v=Ι v· 。 dΩ 离开表面一点处面元的辐通量除以该面元 面积。 离开表面一点处面元的光通量除以该面元 面积。 照射到表面一点处面元上的辐通量除以该 面元的面积。 照射到表面一点处面元上的光通量除以该 面元的面积。 单位 焦[耳](J) 流[明]秒(lm· s) 瓦[特](W) 流[明](lm) 瓦每平方米 (W·m-2)
在第一个方程中，项麦克斯韦称 为位移电流 ，这是他在理论上的一个重大发现，也是他建立 麦克斯韦方程组的关键。 麦克斯韦方程组表明: 空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场 ，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场 和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即 电磁波。 麦克斯韦方程还说明:电磁波的速度只随介质 的电和磁的性质而变化，这个速度可表示为：
（1831-1879）
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麦克斯韦在总结前人工作的基础上，引入位 移电流的概念，建立了一组微分方程。这方程 组确定电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁 场之间的普遍联系，是电磁学的基本方程，麦 克斯韦方程组的微分形式是
1 E 4 curlB J c t c curlE 1 B c t divE 4 divB 0
爱因斯坦
（1879-1955）
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爱因斯坦
实验：微弱的紫光能从金属表面打出电子， 而很强的红光却不能从金属表面打出电子。 这个现象用光的波动说是解释不了的。因为 光的波动说认为光是一种波，它的能量是连续的 ，和光波的振幅即强度有关，而和光的频率即颜 色无关，如果微弱的紫光能从金属表面打出电子 来，则很强的红光应更能打出电子来，而事实却 与此相反。 （1879-1955）
表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射
2. 1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论。
3. 1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效
应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。 表现为光的发射、吸收、色散、散射
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麦克斯韦
麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的 伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培 、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现 和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体 系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭 示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了 物理学的又一次大综合。这一自然科学的理论 成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无 线电工业的基础。 1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电 磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪 中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整 的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自 然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》 和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的 著作。
3. 1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效
应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。 表现为光的发射、吸收、色散、散射
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二、
电磁波谱与光谱：
电磁波谱及光谱图
射线区(粒子区) 10 nm 紫外区10 nm 400 nm 电磁波光学区10nm 1mm 可见光区400 nm 800 nm 红外区800 nm 1mm 长波区(微波区) 1mm
光电系统——光能的传递和接收系统。 辐 射——一种能的形式。 辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最后被 光电器件接收。 光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标 光度学——研究对可见光的能量的计算方法学。它使用的参量 称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。 辐射度学——适用于整个电磁波谱的能量计算方法学。主要用 于X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。 光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号 、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。为了区别这 两种量，规定用下标v 和e表示。 22
（1879-1955）
1925年因此获得诺贝尔物理学奖
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一、
光的主要性质：
光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。 1. 1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。 证明了光在传播时表现出波动性。
表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射
2. 1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论。
流[明]每平方米
(lm· -2) m 瓦每平方米 (W·m-2) 勒[克斯](lx)
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§1-2 光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
常用辐射量和光度量一览表(续前)
名 称 辐[射]强度 发光强度 符号 Ι e Ιv 定义 单位 在给定方向上的立体角元内，离开点辐射 瓦每球面度 源或辐射源面元的辐射功率除以该立体角 (W·sr-1) 元。光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。 坎[德拉](cd) cd的意义为：频率为540×1012Hz的单色辐 射在给定方向上的辐射强度 Ι e=1/683W· -1时，规定为1cd。 sr 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强 度除以该面元在垂直于给定方向平面上的 正投影面积。 表面一点处的面元在给定方向上的发光强 度除以该面元在垂直于给定方向平面上的 正投影面积。 瓦每球面度平 方米(W· sr1· m-2) 坎[德拉]每平 方米(cd· m-2)
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普 朗 克
2、提出了能量子假说。
能量子假说的提出，给经典物理学打开了一 个缺口，为量子物理学安放了一块奠基石，宣告 量子物理学的诞生。普朗克在做出量子假说时已 年过四十。他受过严格的经典物理学训练，对经 典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理 学决裂，只是迫于事实的压力，才不得不做出能 量子的假说。 1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了 自己的研究结果，他的公式受到欢迎，但他的能 量子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假 说。
（1858-1947）
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普 朗 克
3、能量子假说。
黑体是由许多振子组成的，振子的能量不可 以连续地变化，当它吸收和辐射频率为ν 的电磁 波时只能是一份一份地进行，每份能量为：E＝ hν ，每个振子的能量是这个基本能量单元的整 数倍。 他根据这个假设从理论上推导出了普朗克公式。