CCD图像传感器第2讲

第一章光电传感器技术基础辐射量/光度量通量强度亮度出射度照度dtdQdIcos2APLAMAE人眼的视觉灵敏度e,me,)(LLV（1-54）e,nm507,e)(LLV(1-55)人眼的光谱光视效能)(,em,vVXKX（1-56）)(,,VXKXemv)()(m,e,vVKXXK（1-58）（1-57）)()(m,e,vVKXXK（1-59）1.4.3辐射体光视效能一个热辐射体发射的总光通量Φv与总辐射通量Φe之比，称为该辐射体的光视效能K，即evevΦΦK对发射连续光谱辐射的热辐射体，由上式及式（1-58）可得总光通量Φv为d)(nm780nm380e,mvVΦKΦ(1-60)(1-61)（1-62）VKΦVΦKKm0,enm780nm380,emdd)(1.5半导体对光的吸收1.5.1物质对光吸收的一般规律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（1-63）xΦΦdd式中，α称为吸收系数。（1-66）辐射通量随传播路径x的变化关系：cxΦΦ20e式中，μ称为消光系数。由此可以得出π42c（1-67）半导体的消光系数μ与入射光的波长无关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。1.5.2半导体对光的吸收在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个自由空穴，产生电子-空穴对。如图1-9所示，半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子空穴对的现象称为本征吸收。d显然，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，即由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限（1-69）gEhvggL24.1EEhc（1-70）只有波长短于的入射辐射才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。2.杂质吸收N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能ΔED，杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为自由电子。同样，P型半导体中，价带上的电子吸收了能量hv大于ΔEA（受主电离能）的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴吸收光子能量跃入价带。这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生电离的过程称为杂质吸收。显然，杂质吸收的长波限DL24.1EAL24.1E（1-71）（1-72）由于EgΔED或ΔEA，因此，杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质吸收会改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。3.激子吸收当入射到本征半导体上的光子能量hv小于Eg，或入射到杂质半导体上的光子能量hv小于杂质电离能（ΔED或ΔEA）时，电子不产生能带间的跃迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的约束而处于受激状态。这种处于受激状态的电子称为激子。吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收。显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。4.自由载流子吸收对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高时，不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而增强。这是由自由载流子在同一能带内的能级间的跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。5.晶格吸收晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收直接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为物体温度升高，引起物质的热敏效应。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。其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快，而不会改变半导体的导电特性。1.6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。本节主要讨论内光电效应与外光电效应的基本原理。1.6.1内光电效应1.光电导效应光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种，本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。2.光生伏特效应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。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如图1-11所示的方向运动，形成光生伏特电压或光生电流的现象。半导体PN结的能带结构如图1-12所示，当P型与N型半导体形成PN结时，P区和N区的多数载流子要进行相对的扩散运动，以便平衡它们的费米能级差，扩散运动平衡时，它们具有如图所示的同一费米能级EF，并在结区形成由正负离子组成的空间电荷区或耗尽区。3.丹培（Dember）效应如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载流子浓度很低，形成浓度差。这种由于载流子迁移率的差别产生受照面与遮光面之间的伏特现象称为丹培效应。1.6.2光电发射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thEmvh2021（1-99）表明，具有能量的光子被电子吸收后，只要光子的能量大于光电发射材料的光电发射阈值Eth，则质量为m的电子的初始动能便大于0。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AthEE即导带中的电子接收的能量大于电子亲合势为EA的光子后就可以飞出半导体表面。而对于价带中的电子，其光电发射阈值Eth为AgthEEE（1-102）光电发射长波限为)nm(1239ththLEEhc（1-103）利用具有光电发射效应的材料也可以制成各种光电探测器件，这些器件统称为光电发射器件。色度学基础——CIE标准色度系统颜色辨认视网膜的颜色区颜色对比和颜色适应彩色的特性明度色调饱和度格拉斯曼颜色混合定律色度学基础颜色匹配实验把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程叫作颜色匹配。GreenGreenBlueBlue测试光源白屏幕黑色挡板观察者颜色匹配实验(C)≡R(R)+G(G)+B(B)(C)+B(B)≡R(R)+G(G)(C)≡R(R)+G(G)-B(B)rgbc颜色视觉理论