光电传感器应用技术 课件 第1章 第2节.ppt.pptVIP

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。 * 1.3 物体热辐射 物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。 1.3.1 黑体辐射定律 1.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 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。 （1-40） * 黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为 （1-41） * 图1-2 绘出了黑体辐 射的相对光谱辐亮度 Le,s,λr与波长的等温 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。 * 将式（1-40）对波长λ求积分，得到黑体发射的总辐射出射度 （1-42） 式中，σ是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定 由式（1-42），Me,s与T的四次方成正比 3.斯忒藩-波尔兹曼定律 * 将普朗克公式（1-40）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) （1-43） 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。 4. 维恩位移定律 * 将式（1-43）代入式（1-40），得到黑体的峰值光谱辐出度 W·cm-2·μm-1·K-5 以上三个定律统称为黑体辐射定律。 * 例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？（3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？ 解 （1）人体正常体的绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为 * （2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为 (μm)=9.36μm 峰值光谱辐射出射度为 Wcm-2μm-1 =3.72 Wcm-2μm-1 （3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为 发烧时的峰值光谱辐射出射度为 =3.81Wcm-2μm-1 * 例1-2 将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。 解 标准钨丝灯的温度为TW=2856K，因此它的峰值辐射波长为 (μm) 峰值光谱辐射出射度为 =1.309×28565×10-15 =248.7Wcm-2μm-1 总辐射出射度为 * 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，因此讨论它们之间的转换是很重要的。本节将重点讨论它们的转换关系，掌握了这些转换关系，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。 1.4 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L