11光电子器件的基本特性

1.光辐射的度量2.光电探测器的响应特性3.光电子器件的探测率4.光吸收1.1光电器件的基本特性1.光辐射的度量光辐射的度量方法有两种:一种是客观的度量方法,研究各种电磁辐射的传播和量度,称为辐射度学参量.适用于整个电磁谱区.另一种是主观的计量方法,以人眼见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法,称为光度学参量.适用于可见光谱区.•人眼对不同波长的辐射能有不同的灵敏度,不同波长的可见光即使辐射功率相同,引起的视觉感受强度不同.•为了区分辐射度和光度学量，在光度学量后面加分角标Φ.光通量：从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度；单位时间内，人眼所感受到的光能。与辐射波长及人眼的视见函数有关。以符号Φ表示，Φ的计量单位为流(明)（lm）。(1)辐（射）通量和光通量显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，而光通量对时间的积分称为光能。辐（射）通量：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。又称辐（射）功率。以符号P表示，其计量单位为瓦（W）。对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie，即辐(射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度[W／sr]。点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量为各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为eddPIΩedΩPIΩ4ee0d4πPIΩI(2)辐(射)强度和发光强度对可见光定义发光强度为对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。vddΦIΩvdΩΦIΩ发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎[cd]。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉定义为：在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4πIＶ＝12.566lm。光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即式中，θ为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2）]。cosdddcosdde2eeAΩΦAIL(3)辐(射)亮度和亮度对可见光，亮度Lv定义为光源表面某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给定方向平面上的正投影面积，即Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。cosdddcosddv2vvAΩΦAIL辐照度Ee是照射到物体(或接收器)表面某一点处面元的辐通量dΦe除以该面元的面积dA的商，即Ee的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。AΦEddee(4)辐照度与照度对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即Ev的计量单位是勒（克司）[lx]。AΦEddvvAΦEvv光照度光学系统CCD2辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射进行度量的参数，这些参数在一定光谱范围内（可见光谱区）经常相互使用，它们之间存在着一定的转换关系；有些光电传感器件采用光度参数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标定其特性参数。因此,掌握了它们之间的转换关系，就可以对用不同度量参数标定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。辐射度参数与光度参数的关系用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长0.555μm处的光谱辐射亮度Le,λm小于其它波长的光谱辐亮度Le,λ。把波长=0.555μm的光谱辐射亮度Le,λm被其它波长的光谱辐亮度Le,λ除得的商，定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率V（λ），即e,me,)(LLV•人眼的视觉灵敏度555nm→1550nm→0.995580nm→0.870640nm→0.175人眼的光谱光视效率V（λ)图谱•辐射度参数与光度参数的关系：m()CPVKP式中，Cm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。V（λ)为人眼的光谱光视效率。对于给定色温的光源，K为一定值，称为光源的视觉效能。/KP例: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？解He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式（21）可以计算出它发出的光通量为Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)黑体发射的总辐射出射度04,s,es,edTMM（24）式中，σ是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定4282345KWm1067.515π2chk黑体发射的总辐射出射度Me,s与T的四次方成正比。斯忒藩-波尔兹曼定律峰值光谱辐射出射度所对应的波长λm与绝对温度T的关系为Tm2898(μm)可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。维恩位移定律1).光谱响应率2.光电探测器的响应特性suduRdP光谱灵敏度符号为Rλ指的是光电器件对单色辐射通量的反应。即在单色(波长为λ的一个很小的范围内)辐射功率在dP作用下产生的信号电压(电流)sidiRdP光谱响应率随波长分布的曲线称为光谱响应曲线。2).响应率(积分响应率)指的是光电器件对连续辐射通量的反应。即，器件输出信号与输入功率之比。suuRPsiiRP响应率反映了器件的灵敏程度，又称为灵敏度或积分灵敏度。响应率是光辐射度量学的响应率光度响应率suuRsiiR光度响应率与辐射响应率之间的关系为：uuRRK其中，K为视觉效能3).光谱响应率与响应率的关系定义：光源功率谱密度：单位波长范围内的辐射功率dPPd定义：归一化光源功率谱密度：单位波长范围内的辐射功率()PPPm响应率：(/)sPRdPRdIRAWPdPPd(/)sPRdIRAlmPKd光度响应率：()(/)()mmPRdPPRdRAWdPPPd()()()mmRPRdRRPd()()()PRdPdα称为器件同光源的光谱匹配系数，它反映了器件响应波长范围同光源光谱的吻合程度。可以用光谱响应曲线所围面积形象的表示为：光源固定，面积A1不变，吻合程度越大，面积A2越大。见图1-41).最小探测功率(噪声等效功率NEP)：当探测器输出信号电流Is（或电压Vs）等于噪声的均方根电流（或电压）时，所对应的入射辐通量Φe称为等效噪声功率NEP，即信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的功率，称为最小探测功率2minNIPNEPSNRR3光电子器件的探测率用NEP描述探测器探测能力的一个不方便之处是数值越小，表示探测器的探测能力却越强，相对缺乏直观性。为此一般引入NEP的倒数——探测率D来表示探测器的探测能力11/minDNEPP由于探测率与探测器面积以及测量系统的带宽有关，对于比较不同类型、不同工作状态探测器的探测性能存在不便，为此，更常用的是采用比探测率D*即用单位测量系统带宽和单位探测器面积的噪声电流来衡量探测器的探测能力。*2/()dNdRDAfDIAf4.光吸收1).光吸收模型：光强的减少量与入射光强和厚度成正比dIIdx0xIIe样品吸收的光强度:0(1)dIIe当d=1／α时，约有64％的光被吸收，d称为吸收厚度。本征吸收:(半导体光电器件最主要的光吸收)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。2)半导体对光的吸收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（32）gEhvggL24.1EEhc（33）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。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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。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。•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。•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。