光电器件的物理基础

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1、光电器件的物理基础本章着重介绍两个主要内容：一个是辐射量和光度量的定义及它们之间的换算关系；另一个是半导体光电器件的物理基础，如能带理论、PN结理论、半导体光电导效应、光伏效应和光电发射过程等。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。本章内容：§1-1光谱与光子能量§1-2辐射度学与光度学§1-3半导体基础知识1．能带理论2．热平衡态下的载流子3．半导体对光的吸收4．非平衡态下的载流子5．载流子的输运——扩散与漂移§1-4光电效应1．光电导效应2．光伏效应3．光电发射效应光谱与光子能量光具有波粒二象性，既是电磁波，又是

2、光子流。1860年麦克斯韦提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。1900年,普朗克提出了辐射的量子论。1905年，爱因斯坦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，如光的发射、吸收、色散、散射。麦克斯韦（1831-1879）普朗克（1858-1947）爱因斯坦（1879-1955）光子能量公式：ε=hν光子动量公式：p=hν/c=h/λh：普郎克常数上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量与动量），等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级来说，具有从0

3、.1ev到几个ev能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。辐射度学(Radiometry)与光度学(Photometry)辐射度学(Radiometry)辐射度学是研究电磁波辐射能的一门科学。由于光是电磁波，故可采用能量为单位建立一套辐射度量来客观的衡量光辐射能。辐射能：以辐射形式发射、传播或接收的能量。符号：Qe单位：焦[耳](J)辐[射能]通量：单位时间内通过某一截面的辐射能，又称辐射功率。符号：Φe单位：瓦[特](W)辐[射]出[射]度：从辐射源表面单位面积发射的辐射通量。符号：Μe单位：(W/m2)辐[射]照度：投射到

4、单位接收面积的辐射通量。符号：Εe单位：(W/m2)辐[射]强度：在指定方向上的单位立体角元内，离开点辐射源或辐射源面元的辐射功率。符号：Ιe单位：(W/sr)1.立体角的单位是球面度,假设以锥顶为球心,r为半径做一圆球，如果锥面在圆球上所截出的面积为半径平方，则该立体角为一个球面度。整个球面有4pi个球面度。2.对于同一辐射源，在不同的方向上，辐强度可以不相同。辐射亮度：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。符号：Le单位：W/(sr·m2)一般来说，辐射源表面各处的辐射亮度即该面源各方向上的辐射亮度都是不同的。任意方向辐射亮度不变的

5、表面称为朗伯表面。光谱辐射量：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。下图为某辐通量的连续分布曲线。给定波长λ0处极小波长间隔dλ内的辐通量dΦe称为单色辐通量。Φe(λ)=dΦe/dλ，Φe(λ)称为光谱辐通量。对单色辐通量进行积分此式中Φe称为多色辐通量。此式中Φe称为全色辐通量。相应的，对于其他辐射量，也有类似的关系：Ee(λ)=dEe/dλEe(λ)称为光谱辐照度；Me(λ)=dMe/dλMe(λ)称为光谱辐出射度；Le(λ)=dLe/dλLe(λ)称为光谱辐亮度；光度学(Photometry)光度学以人的视觉习惯为基础，研

6、究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量。光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。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。而接受器对等能量的不同波长的光辐射所产生的响应是不同的。光谱光视效能K(λ)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来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K(λ)反映了同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比（光谱辐射通量为Φe(λ)的可见光辐射，所产生的视觉刺激值即光通量Φv(λ)），即K(λ)=Φv(λ)/Φe(λ)人眼在波长λm=555nm时，K(λ)最大

7、，记Km=683lm·W-1，λm=555nm称为峰值波长。对于某给定波长下的K(λ)，定义光谱光视效率V(λ)为V(λ)=K(λ)/KmV(λ)又称为视见函数。根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均V(λ)。图中实线为在视场较亮时测得的，称为明视觉V(λ)曲线；虚线为在视场较暗时测得的，称为暗视觉V(λ)曲线。对于暗视觉，λm′=507nm，Km′=683lm·W-1。所有光度计量均以明视觉的K(λ)为基础。光度学的基本物理量光度量和辐射度量的定义、定义方