第二章光电检测技术基础10.ppt
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1、光的本性,“光”,是我们十分熟悉的对象。我们天天接触光,处处利用光。光是人类生存的基础,是美化世界的信使,是生产发展的工具。对地球而言,太阳是最大的光源,宇宙间的恒星,全都是发光体。 虽然我们生活在光的世界,时刻感觉道光的存在,但是我们对于光的本性的认识却经历了漫长的岁月,这种认识过程知道现在还在继续着。,第二章 光电检测技术基础,十七世纪之前:感性认识阶段,墨翟 墨经 ( 公元前468公元前376) 欧几里德 光学 (公元前330公元前275),经验规律平面镜成像,反射定律,光的触须说,十七世纪:几何光学、光学仪器,利佩尔兹:1608年,荷兰的利佩尔兹发明望远镜 开普勒(15711630):
2、研制开普勒天文望远镜,1611年著作折光学,提出照度定律,得出折射角和入射角近似成正比关系,解释近视眼和远视眼原因 斯涅儿:1621年在一篇文章中给出入射角的余割和折射角的余割之比为常数 笛卡尔:1620年给出用正弦函数表述的折射定律 费马:1657年指出光在介质中传播时所走路程取极值的原理费马原理,并根据这个原理推出光的反射和折射定律,十七世纪中叶,几何光学基础基本奠定,牛顿:1672年完成三棱镜色散实验,发现了牛顿圈,1704年出版光学一书中提出光的微粒说 光的微粒说可以解释反射和折射定律,但不能解释牛顿圈 惠更斯:1678年创建光的波动说,提出次波原理 仍局限在几何光学方面,没有指出光现
3、象的周期性,没有提到波长、相位的概念,不能说明干涉、衍射等有关光的本性的现象,十八世纪: 光的理论没什么进展,大多说科学家接受了光的微粒说,十九世纪:光的电磁理论,托马斯杨:1801年用双缝显示了光的干涉现象,第一次成功的测定了光的波长,用干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色的由来 菲涅尔:1815年用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理,形成了惠更斯菲涅尔原理,不仅可以解释光在各向同性介质中的直线传播,还可以解释光绕过障碍物的衍射现象,是波动光学一个非常重要的原理 法拉第:1845年发现了光的震动在强磁场中的旋转,揭示光学现象和电磁现象的内在联系 韦伯:1856年发现电荷的电磁单位和静电单位的
4、比值等于真空中的光速300000000米/秒,麦克斯韦:1860年提出光是电磁波的理论,电磁波(在真空中C=2.9979250X108米/秒)与光的速度完全一样,并且都不需要传播媒质;电磁波的理论都可以用来描述光的各种现象,理论与实践在许多方面都很吻合。光的电磁理论揭示了光的电磁本质,使人们对光本性的认识大大提高了一步。,波的频率是由波源确定的,它就等于波源震动的频率,而波速是由媒质决定的,波传播的速度(简称波速)V 和波长、周期T(或频率f)的关系是:,一个完整的波的长度,叫做波长,用符号表示。,波前进一个波长所需的时间,叫做波的周期,用符号T表示。它也等于媒质中的点振动一次的时间(单位用秒
5、)。,周期T的倒数是波的频率,用符号f表示,是指单位时间内波前进距离内完整波的数目,(单位用次/秒,叫做赫兹)。,电磁波在不同媒质传播时,它的速度是不同的,但都比真空中的速度C要小。光在空气中的速度略小于C,通常可用C来近似,光在水中的传播速度只有C的四分之三,在玻璃中的传播速度是C的三分之二。,在真空中,电磁波的速度、波长、频率之间的关系为,C=f,由于光波的波长很短,用米或厘米作单位都嫌太大,而采用更小的单位微米(m)、纳米(nm)和埃(),它们之间的换算关系为:,1m=103mm=106m=109nm=1010 ,二十世纪光的波粒二象性,光的电磁理论所遇到的主要困难是不能解释光和物质相互
6、作用的某些现象,例如炽热黑体辐射中能量随波长分布的问题,特别是1887年赫兹发现的光电效应。,普朗克:1900年提出量子假说,认为各种频率的电磁波(包括光),只能像微粒似得以一定最小份的能量发生(它称为能量子,正比于频率),成功的解释了黑体辐射问题,开始了量子光学时期。,爱因斯坦:1905年发展了普朗克的能量子假说,把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中,建立了他的“光子学说”。他认为光波的能量是“量子化”的,辐射能量是由许多分立能量元组成,这种能量元称为“光子”。“光子”不同于牛顿微粒说中的粒子,“光子”是和光的频率相联系的,光同时具有微粒和波动两种特性。,光具有波粒二象性,既是电磁波,又是光子
7、流。波粒二象性是光的属性,反映了“光”这个统一物两个矛盾着的侧面,在某些情况下,它主要表现为波动性,而在另外一些情况下,它又主要表现为粒子性。例如,光在传播过程中,主要表现它的波动性,但当光与物质相互作用发生能量交换时就突出的显示出它的粒子性。,有关光的一些基本概念,【光】严格地说,光是人类眼睛所能观察到的一种辐射。由实验证明光就是电磁辐射,这部分电磁波的波长范围约在紫光的0.38微米到红光的0.78微米之间。,波长在0.78微米以上到1000微米左右的电磁波称为“红外线”。在0.38微米以下到0.01微米左右的称为“紫外线”。红外线和紫外线不能引起视觉,但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测
8、这种发光物体的存在。所以在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域,甚至X射线均被认为是光,而可见光的光谱只是电磁波谱中的一部分。,【光源】物理学上指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光)的物体;通常指能发出可见光的发光体。凡物体自身能发光者,称作光源,又称发光体,如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都是。但像月亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们看到它们,这样的反射物体不能称为光源。光源主要可分为:热辐射光源,例如太阳、白炽灯、炭精灯等;气体放电光源,例如水银灯、荧光灯等;激光器是一种新型光源,具有发射方向集中、亮度高、相干性优越和单色性好的特点。
9、,【光速】一般指光在真空中的传播速度,它的特征是: (1) 一切电磁辐射在真空中传播的速率相同,且与辐射的频率无关; (2)无论真空中还是其它物质媒质中,无论用什么方法也不能使一个信号以大于光速C的速率传播; (3)真空中光速与用以进行观测的参照系无关。如果在一伽利略参照系中观察到某一光信号的速率为C=2.99793X108米/秒,那么,在相对此参照系以速度v平行于光信号运动的另一个伽利略参照系中,所观测到的光信号速率一定也是C,而不是C+v(或C-v),这就是相对论的基础; (4) 光在真空中的速度为C,在其它媒质中,光的速度均小于C,且随媒质的性质和光波的波长而不同。,【色散】复色光被分解
10、为单色光,而形成光谱的现象,称之为“色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。,【光谱】 复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案。,各种色光依一定顺序排列而成的光带叫做光谱。最基本的光谱有二种:一种是太阳光那样的从红到紫所有色光的光谱,各种色光紧密排列,中间没有界线,这种光谱就称为连续光谱。另一种是像汞灯那样的光谱,在从红到紫的波长区域内,只有几根彩色的亮线,这种光谱称为线光谱。,【光的颜色】 波长在0.4微米左右的光呈紫色,随着波长的增加,依次呈现蓝、青、绿、黄、橙、红各色。波长大于0.78微米的光,因为在红光的外端,
11、所以称为红外光。同样,波长短于0.38微米的光由于处在紫光外端,也就称为紫外光。紫外光和红外光虽然不能为眼睛所感觉,但对眼睛还是有作用的,过量的紫外光和红外光对人眼都有损害作用,我们应该注意适当的防护。,严格来说,不同波长所反映的颜色应该是不同的,所以用波长来鉴别光波比用颜色来鉴别光波更为科学而且定量。,显然,白光是一种复色光,但复色光并不一定是白光。严格来说,单色光是指只含有一种波长的光,但实际上是不可能的,它总包含有一定的波长范围。,如果一种颜色的光再不能分解为其它颜色的光,这种光称为单色光。而由单色光合成的光则称为复色光。,光度学与辐射度学,光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能
12、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。,辐射度学,辐射度学研究光辐射在产生、传输和探测时所涉及的许多辐射量的度量。,基本辐射度量的名称、符号和定义,光度学,光度学研究对可见光的能量的计算,它使用的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。,不同颜色的可见光,不仅颜色感觉不同,而亮度感觉也不同。,如果把能量相等的各种波长的光引向眼睛,则会发现:波长为555纳米的光看上去最亮,黄光和青光较亮,而红光和紫光较弱。这就是说人眼对黄绿色光最灵敏,对黄、青光较灵敏,而对红、紫光不灵敏。,人眼的这种感觉特性可以用曲线表示
13、出来,如图所示,称为眼睛的光谱相对灵敏度曲线,我们通常把它叫做视见函数曲线V ()。,实线:为视线较亮时测得的,称为明视见曲线 虚线:为视线较暗时测得的,称为暗视见曲线,所有光度计量均以明视觉为基础,光度学度量的名称、符号和定义,光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e(emission),光度量下标为v(visibility)。 光度量只在可见光区( nm)才有意义。 辐射度量和光度量都是波长的函数。,晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx 晴天室内北窗附近照度约为2000lx 晴天室内中央照度约为200lx 晴天室内角落照度约为20
14、lx 阴天室外50500lx 阴天室内550lx 月光(满月)2500lx 日光灯5000lx 电视机荧光屏100lx 阅读书刊时所需的照度50-60lx 在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx 晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜0.001lx,辐射通量的光谱分布与接收器的光谱响应,辐射一般由各种波长组成,每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐射通量的连续分布曲线。,辐射通量的光谱分布曲线,给定波长0处极小波长间隔d内的辐射通量de称为单色辐通量。 e=de/d e称为光谱辐通量。,此式中e称为全色辐通量。,单色辐通量的积分为,此式中e称为多色辐通量。,
15、许多接收器所能感受的波长是有选择性的,接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效能K()来表征不同波长辐射下的响应能力,光谱光视效能K()为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比,即,K()=v/e,V()=K()/Km,由于人眼在频率为5401012Hz(m=555nm,该波长称为峰值波长)的辐射下,K()最大,记以Km,Km = 683lmW-1。对于某给定波长下的Km,定义光谱光视效率V()为,半导体基础知识,导体、半导体和绝缘体,自然存在的各种物质,按物质形态分为气体、液体、固体。 固体按导电能力可分为:导体、绝缘体和介于两者之间
16、的半导体。 电阻率10-6 10-3欧姆厘米范围内导体 电阻率1012欧姆厘米以上绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间半导体,半导体的特性,(1)热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高,半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗(Ge),温度每升高10度,其电阻率就会减少到原来的一半。 (2)光电特性 很多半导体材料对光十分敏感,无光照时,不易导电;受到光照时,就变的容易导电了。例如,常用的硫化镉半导体光敏电阻,在无光照时电阻高达几十兆欧,受到光照时电阻会减小到几十千欧。,(3)搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极微量的“杂质”元素后,其导电能力会发生极为显著的变化。例如,纯硅
17、的电阻率为2141000欧姆厘米,若掺入百万分之一的硼元素,电阻率就会减小到0.4欧姆厘米。,固体能带理论,1原子能级与晶体能带,能级(Enegy Level):在孤立原子中,原子核外的电子按照一定的壳层排列,每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值,也就是电子按能级分布。为简明起见,在表示能量高低的图上,用一条条高低不同的水平线表示电子的能级,此图称为电子能级图。,能带(Enegy Band):晶体中大量的原子集合在一起,而且原子之间距离很近,以硅为例,每立方厘米的体积内有51022个原子,原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠,壳层交叠使电子
18、不再局限于某个原子上,有可能转移到相邻原子的相似壳层上去,也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去,这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异,与此相对应的能级扩展为能带。,电子共有化,能级扩展为能带示意图 a) 单个原子 b) N个原子,禁带(Forbidden Band):允许被电子占据的能带称为允许带,允许带之间的范围是不允许电子占据的,此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满,然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带,每一个能级上都没有电子的能带称为空带。,价带(Valence Band):原子中最外层的电子称为价
19、电子,与价电子能级相对应的能带称为价带。,导带(Conduction Band):比价带能量更高的允许带称为导带。,导带的底能级表示为Ec,价带的顶能级表示为Ev,Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。,导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动(形成电流)来实现的,这种电流的载体称为载流子(carrier)。导体中的载流子是自由电子,半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料,禁带宽度不同,导带中电子的数目也不同,从而有不同的导电性。,半导体Si的Eg约为1.1eV,导带中有一定数目的电子,从而有一定的导电性,电阻率为10-31012cm。,金属的导带与价带有一定程度的重
20、合,Eg=0,价电子可在金属中自由运动,导电性好,电阻率10-610-3cm。,绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV,导带中电子极少,所以导电性不好,电阻率大于1012cm。,绝缘体、半导体、金属的能带图 a) 绝缘体 b) 半导体 c) 金属,2本征半导体与杂质半导体,现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备,半导体材料大多为晶体(晶体中原子有序排列,非晶体中原子无序排列)晶体分为单晶与多晶。,晶体:,单晶在一块材料中,原子全部作有规则的周期排列。,多晶只在很小范围内原子作有规则的排列,形成小晶粒,而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。,晶体实物图,晶体构造示意图 (a) 金刚石结构(Ge
21、、Si晶体) (b) 闪锌矿结构(GaAs晶体),结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。本征硅中,自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的,所以电子浓度n等于空穴浓度p,并称之为本征载流子浓度ni,ni随温度升高而增加,随禁带宽度的增加而减小,室温下硅的ni约为1010/cm3。,本征半导体:,半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体,杂质对半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量(即掺杂)来控制半导体导电特性。,杂质半导体:,在四价原子硅(Si)晶体中掺入五价原子,例如磷(P)或砷(As),形成N型半导体。在晶格中某个硅原子被磷原子所替代,五价原子用四个价电
22、子与周围的四价原子形成共价键,而多余一个电子,此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多,容易被五价原子释放,游离跃迁到导带上形成自由电子。易释放电子的原子称为施主,施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中,较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。N型半导体由施主控制材料导电性。,N型半导体 :,N型半导体(杂质硅的原子图象和能带图),在四价原子硅(Si)晶体中掺入三价原子,例如硼(B),形成P型半导体。晶体中某个硅原子被硼原子所替代,硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键,形成八个电子的稳定结构,尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获
23、取一个电子形成稳定结构,使硼原子外层多了一个电子变成负离子,而在硅晶体中出现空穴。容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA,也位于禁带中。在价带顶Ev附近,EA与Ev间能量差称为受主电离能。P型半导体由受主控制材料导电性。,P型半导体 :,P型半导体(杂质硅的原子图象和能带图),N型半导体与P型半导体的比较,掺杂对半导体导电性能的影响: 半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级,价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去,要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质,却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目,从而显著地影响半导体的
24、电导率。,热平衡态下的载流子,在一定温度下,若没有其他的外界作用,半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量,从价带跃迁到导带,形成自由电子,同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时,电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态,向晶格放出能量,这就是载流子的复合。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,此时载流子浓度即为某一稳定值。,热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关:一是在能带中能态(或能级)的分布,二是这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。,根据量子理论和泡利不相容原理,能态分布服从费米统计分布规律。 在某温度下热平衡态
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