光电技术复习

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1、光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。辐（射）通量或辐（射）功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称为辐（射）通量，以符号Φe表示，其计量单位为瓦（W），即对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为光通量Φv，即光源所发射的总辐

2、射通量Φe与外界提供给光源的功率P之比称为光源的辐(射)效率ηe；光源发射的总光通量Φv与提供的功率P之比称为发光效率ηv。它们分别为辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。注意，不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长λ处,由λ到波长范围内发射的辐射通量dΦe除以该波长λ的光子能量hv，得到光源在该波长λ处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,λ，物

3、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。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长辐射能的物体称为黑体。对于明视觉，刺激程度平衡的条件为式中，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。•对于暗视觉，为式中，K'm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1725lm/W。v例1-3已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？v解He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式（1-56）可以计算出它发出

4、的光通量为vΦv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λv=683×0.24×3×10-3v=0.492(lm)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dΦ与入射的光通量Φ和路程dx的乘积成正比，即式中，α称为吸收系数。当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为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，即发生本征吸收的光波长波限以上五种吸收中，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。光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电

5、效应两类。内光电效应是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。而被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象称为外光电效应。光电导效应在弱辐射作用下的半导体材料的电导与入射辐射通量Φe,λ成线性关系。强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为抛物线关系。光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射效应或称为外光电效应。外光电效应中光电能量转换的基本关系为光电发射阈

6、值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15所示，导带与价带连在一起，因此，它的光电发射阈值Eth等于真空能级与费米能级之差对于半导体，情况较为复杂，半导体分为本征半导体与杂质半导体，杂质半导体中又分为P型与N型杂质半导体，其能级结构不同，光电发射阈值的定义也不同。图1-16所示为三种半导体的综合能级结构图，由能级结构图可以得到处于导带中的电子的光电发射阈值为在第1章1.5.1节讨论光电导效应时我们发现，光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，参见（1-85）式；在强辐射作用的

7、情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比，参见（1-88）式；都与两电极间距离l有关。CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范围内。R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数伽玛（γ）来描述，

8、并定义γ为