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第1章 光电检测基础知识
1. 光辐射的度量
2. 物体的热辐射
3. 半导体基础知识
4. 光电效应
光辐射：
• 光的最基本理论:光是电磁波,具有波粒二象性。
• 光的本质是物质，它具有粒子性.
• 光子的能量： E= h v
式中, h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；v为光的振动频率(s-1)；
• 光在真空中的传播速度（ c =3×108m·s-1）。
• 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
图1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。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。

红外
紫外
可见光
10
15
6
18
21
9
12
10
10
10
10
10
10
10
3
24
f
/Hz
图1 电磁辐射光谱的分布
X射线
Γ射线
近红外
远红外
电磁波

1.光辐射的度量
光辐射的度量有两种方法:
Ø 辐射度学参量:一种客观的度量方法, 适用于整个电磁谱区.
Ø 光度学参量: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,适用于可见光谱区.
Ø 人眼对不同波长的辐能有不同的灵敏度,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.
Ø 为了区分,辐射度和光度学量分别加角标”e”和 “v”表示.
(1) 辐（射）通量和光通量
• 辐通量Φe ：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。
• 其计量单位为瓦（W）。
• 光通量Φv ：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。
• Φv的计量单位为流(明)（lm）。
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。
(2)辐(射)出(射)度和光出(射)度
辐出度Me : 对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐出度 ，即

（1）

单位:W／m2。
光出度Mv : 对于可见光，面光源A单位面积发射的光通量。即

（2）
其单位为勒(克司)lx。

(3)辐射强度和发光强度
• 辐射强度Ie ：对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，即

（3）
计量单位为瓦（特）每球面度 [W／sr]。
• 发光强度：
（4）

发光强度的单位：坎德拉（Candela），简称为坎[cd]。
• 它是国际单位制中七个基本单位之一。
• 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，在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。
• 由式（4），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）。
(4) 辐(射)亮度和亮度
• 辐射亮度Le :光源表面某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，称为，即

（5）

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 ）]。
• 亮度Lv:
对可见光,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

（6）

Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。
(5) 辐照度与照度
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

（7）
Ee的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。
• 若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则上式简化为

(8)
• 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，但物理意义不同。
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。
v 本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度Mer（λ）（r 代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度Ee（λ）的关系为

(9)
v 式中,ρe（λ）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式（15）的波长积分，得到反射体的辐出度

• 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

（10）

Ev的计量单位是勒（克司）[lx]。
• 对接收光的反射体，同样有

（11）
式中，ρv（λ）为光度光谱反射比，是波长的函数。
辐射度量和光度量的对照表
辐射度量
符号
单位
光度量
符号
单位
辐射能

光能

辐射通量或
辐射功率

光通量

辐射照度

光照度

辐射出度

光出射度

辐射强度

发光强度

辐射亮度

光亮度
光谱光视效率

辐射度参量与光度参量的关系
辐射度参量与光度参量是从不同角度对光辐射进行度量的参量。
• 光度量只在可见光区（３８０~７８０nm)才有意义。
• 辐射度量和光度量都是波长的函数。
• 有些光电传感器件采用光度参量标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参量标定其特性参数。
• 这些参量可见光区经常相互使用，它们之间存在着一定的转换关系.掌握了它们之间的转换关系，就可以对用不同参量标定的光电器件的特性参数进行比较。
人眼的视觉灵敏度
v 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
v

（12）

• 如图所示为人眼的光谱光视效率V（λ)。
• 它为与波长有关的相对值。

辐射度参数与光度参数的关系：

（13）
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。
V（λ)为人眼的光谱光视效率。
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（13）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)
基础知识（续）
2.物体热辐射
物体通常以两种不同形式发射辐射能量。
热辐射:辐射是温度的函数，发射连续光谱。如，太阳，钨丝白炽灯等，为热辐射体。
发光：靠外部能量激发的辐射，主要为线光谱或带光谱。如，电致发光，光致发光，化学发光等。
(1) 黑体
黑体: 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。显然，黑体的吸收系数为1，发射系数也为1。
(2)普朗克辐射定律
• 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示为

（22）

• 式中，k为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；T为绝对温度；c为真空中的光速。
黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为

（23）

图1-2 绘出了不同温度下，黑体辐射的相对光谱辐亮度Le,s,λr与波长的关系曲线。图中每一条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。

(3)斯忒藩-波尔兹曼定律
将式（22）对波长λ求积分，得到黑体发射的总辐射出射度

（24）
式中，σ是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定

黑体发射的总辐射出射度 Me,s与T的四次方成正比 。
(4) 维恩位移定律
将普朗克公式（22）对波长λ求微分后令其等于0，则可以得到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

(μm) （25）

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。
（5）辐射体的温度表示
绝大多数辐射体是非黑体：灰体（发射率小于1）和选择性辐射体（光谱发射率是波长的函数）。
热辐射体可用三种温度来标测：辐射温度，色温和亮温度。
辐射温度Te：当热辐射体的总辐射通量与黑体的总辐射通量相等时,以黑体的温度标度热辐射体的温度，即为辐射温度。
色温Tf ：当热辐射体在可见区发射的光谱辐射分布与黑体的相同时，以黑体的温度标度热辐射体的温度，称为热辐射体的色温。
亮温度Tv ：当热辐射体在可见区某一波长的辐亮度与黑体的相等时，以黑体的温度标度热辐射体的温度，称为亮温度。
三种温度标测中，色温与实际温度的偏差最小，亮温度次之，辐射温度偏差最大。因此，通常测量色温来代表炽热物体的温度。
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20lx
阴天室外50—500lx
阴天室内5—50lx
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
3.半导体基础知识
• 导体、半导体和绝缘体
• 半导体的特性
• 半导体的能带结构
• 本征半导体与杂质半导体
• 平衡和非平衡载流子
• 载流子的输运过程
• 半导体的光吸收
• PN结
导体、半导体和绝缘体
• 自然存在的各种物质，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
• 半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。
• 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米))
• 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。
本征和杂质半导体
• 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。
• 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。
• 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。
• 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。
• 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。
• 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。
平衡和非平衡载流子
• 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。

• 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。

• 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
非平衡载流子的产生
• 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。
• 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。
• 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。
• 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。
• 其它方法：电注入、高能粒子辐照等。
载流子的输运过程
• 扩散
• 漂移
• 产生与复合
半导体对光的吸收
• 物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。
• 吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收
• 本征吸收——由于光子作用使电子由价带跃迁到导带
• 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发
本征吸收:
杂质吸收和自由载流子吸收
• 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能
• 由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区

• 自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。
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

由于Eg>ΔED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。
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。
4. 光电效应
光电效应分两类:内光电效应与外光电效应。
内光电效应: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。
内光电效应：光电导效应 和光生伏特效应。
外光电效应: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。
本节主要讨论内光电效应与外光电效应的基本原理。
(1)内光电效应
• 光电导效应
光电导效应包括:本征光电导与杂质光电导效应.
本征光电导效应: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。
产生条件：

杂质光电导效应:在光的作用下由杂质吸收引起的半导体电导率的变化现象。
条件： 或

能够产生光电导效应的材料称为光电导体。
通量为Φe,λ的单色辐射入射到如图1-10所示的半导体上，波长λ的单色辐射全部被吸收。自由载流子的浓度发生变化，引起材料电导率的增加。
当外加偏置电路时，其两端的电压或流过的电流相应变化，将光信号转变为电学参量，实现光电转换。

光电导材料的电导g与入射辐射通量Φe,λ的关系：
（1）在微弱辐射作用下（光生载流子浓度Δn远小于热激发电子浓度ni，光生空穴浓度Δp远小于热激发空穴的浓度pi）：

半导体材料的电导g与入射辐射通量成线性关系。光电导灵敏度为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度的平方成反比。
(2) 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。
进行微分得

在强辐射作用下,半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是非线性的。
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。

当设定内建电场的方向为电压与电流的正方向时，将PN结两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量为Φe,λ的辐射作用于PN结上，则有电流I流过负载电阻，并在负载电阻RL的两端产生压降U，流过负载电阻的电流应为

式中， IΦ为光生电流，ID为暗电流。
从（39）式也可以获得IΦ的另一种定义，当U=0（PN结被短路）时的输出电流ISC即短路电流，并有

同样，当I=0时（PN结开路），PN结两端的开路电压UOC为

光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为
I = IΦ+ ID
光电二极管的暗电流ID一般要远远小于光电流IΦ，因此，常将其忽略。光电二极管的电流与入射辐射成线性关系

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。

光磁电效应
在半导体上外加磁场，磁场的方向与光照方向垂直，当半导体受光照射产生丹培效应时，由于电子和空穴在磁场中的运动必然受到洛伦兹力的作用，使它们的运动轨迹发生偏转，空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方。结果在垂直于光照方向与磁场方向的半导体上下表面上产生伏特电压，称为光磁电场。这种现象称为半导体的光磁电效应。

(2)光电发射效应
当物体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

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。
光电发射阈值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

一般设真空能级为参考能级为0；费米能级为低于真空能级的负值；因此光电发射阈值Eth大于0。

对于半导体，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

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。

对于价带中的电子，其光电发射阈值Eth为

光电发射长波限为

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。
光电发射器件具有许多不同于内光电器件的特点：
1. 光电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，可以通过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统提高光电探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号，成为像增强器与变相器技术的基本元件。
2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电成像器件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间分辨率要高于半导体光电图像传感器。
3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得整个探测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，造价也昂贵。
4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。
5 .光电探测器的特性参量
1) 光电探测器的分类
A.利用各种光子效应的光子探测器
B.利用温度效应的热探测器
5 .光电探测器的特性参量
光电发射探测器:利用外光电效应,包括真空光电管,充气光电管和光电倍增管.
光电导探测器:利用光电导效应,包括光敏电阻等.
光伏探测器:利用光生伏特效应,包括光电二极管,光电三极管,硅光电池,等.
特点：是一种选择性探测器,即光子的波长要短于长波限. 另一方面,波长短于长波限的入射辐射,当功率一定时,波长愈短,光子数就愈少,因此,理论上光子探测器的响应率应与波长成正比.
2) 热探测器:
热敏电阻
测辐射温差热电偶和热电堆
热释电探测器
热探测器,等.
特点:利用光热效应, 物质吸收吸收光能使晶格振动能增加, 引起温度上升,从而导致材料与温度有关的某些物理性质变化. 热效应与入射辐射的光子的性质无关, 即光电信号取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成份无关,即对光辐射的响应无波长选择性.
对于光辐射探测器的应用,人们较关注的性能：
① 探测器的响应度大小:即探测器的输出信号值 定量地表示多大的光辐射量。
② 对某种探测器，需要多大的辐射度量才能使探测器产生可区别于噪声的信号量，即与噪声相当的辐射功率大小。
③ 探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围等。与光辐射测量有关的还有表面响应度的均匀性、视场角响应特性、偏振响应特性等。
2)探测器的性能参数
• 响应率:探测器的输出信号电压Vs或电流Is与入射的辐通量Φe之比，即
Sv=Vs/Φe 或 SI=Is/ Φe
• 光谱响应率：光电探测器的输出电压或电流与入射到探测器上单色辐射通量(光通量)之比，即
Sv(λ)=Vs(λ)/Φe(λ)或SI(λ)=Is(λ)/ Φe(λ)
积分响应度不仅与探测器的光谱响应度有关，也与入射辐射的光谱特性有关，因而，说明积分响应度时通常要求指出测量所用的光源特性。
• 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

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

• 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。
• 时间响应:
(a)入射光脉冲方波
(b) 时间常数τ:定义为当探测器的输出上升到稳定值都63%所需要的时间(上升时间),或下降到稳定值地37%所需要的时间(下降时间).
(c)截止响应频率fc:幅频特性下降到最大值的0.707时的调制频率.

光电探测器的频率响应曲线

l 线性:指探测器的输出光电流或电压与入射光的辐通量成比例的程度和范围.与工作状态有关.
光电探测器的合理选择:
在设计光电检测系统时,要根据测量要求比较各种探测器的主要特性参数，选定最佳器件：
• 根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即探测器的动态范围；
• 探测器的光谱响应范围是否与待测光信号的 相对光谱功率分布一致，即探测器和光源的匹配；
• 需要知道探测器的等效噪声功率，知道所产生电信号的信噪比；
• 当测量调制或脉冲信号时, 要考虑探测器的响应时间或频率响应范围；
• 测量光信号的幅值变化时，探测器输出信号的线性程度。
此外，稳定性、测量精测量方式等。