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1、辐射学和光度量学基本概念,辐射度学研究各种电磁辐射的传播和量度，包括可见光区域。辐射度学单位是纯粹物理量的单位，例如，熟悉的物理学单位焦耳和瓦特就是辐射能和辐射功率的单位；光度学所讨论的内容仅是可见光波的传播和量度，因此光度学的单位必须考虑人眼的响应，包含了生理因素。例如，光度学中光功率的单位不用瓦特而用流明。,辐射度学基本物理量,辐射功率(辐射能通量)e 对辐射源来说，其辐功率定义为单位时间内向所有方向发射的能量，对于电磁波的传播来说，辐功率的定义是单位时间通过某一截面的辐射能。单位为W(瓦特)。辐射强度 Ie点状辐射体在不同方向上的辐射特性用辐强度Ie表示。若在某方向上，一个小立体角d内的
2、辐通量为de，则点源在该方向的辐强度Ie为:,单位为W/sr(瓦/球面度)。,辐射亮度(或称辐射度)Le对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置在不同方向上的辐射特性。一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向上有一面元dA。若dA所对应的立体角d内的辐通量为de，则面源在此方向上的辐亮度为:式中是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单位立体角的辐通量。单位为W/(m2sr)。,辐射出射度 Me 辐出度只表示面辐射源表面不同位置的辐射特性，而不考虑辐射方向。其定义为：面辐射源的单位面积上辐射的辐通量，也就是把辐亮度Le对所有可能方向
3、的角积分，即,单位为W/m2。辐射照度 Ee它表示每单位受照面接受的辐通量，即,单位为W/m2。这里无需考虑面元dA所接受的辐通量来自何方，故与该面的取向无关。,光度学基本物理量,人眼是最常用也是最重要的可见光接受器。它对不同波长的电磁辐射有不同的灵敏度，而且不同人的眼睛，其灵敏度也有差异。为了从数量上描述人眼对各种波长辐射能的相对敏感度，引入视见函数V。国际照明委员会从许多人的大量观察结果中取其平均值，得出视见函数的曲线如图所示，图中虚线是暗视觉视见函数，实线是明视觉视见函数。人眼对于波长为555nm的绿色光最敏感，取其视见函数值为1。其它的波长V 1，而在可见光谱以外的波段V=0。,光通量
4、 v为了从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度，引入一个新的物理量，称为光通量，也称为光功率。定义为:光通量的单位为1m，称为流明；比例系数C=683lm/W。发光强度 Ie与辐射度学的辐强度很相似，定义为：发光强度的单位应是lm/sr，(流明每球面度)，cd(坎德拉).,亮度 Lv 面光源的亮度定义为:,其单位为cd/m2。光出射度 Mv它过去也称为面发光度。其定义为面光源从单位面积上辐射的光通量，即,单位为lm/m2,lx(勒克斯)。,照度 Ev入射到单位面积上的光通量称为照度，即,单位为lx(勒克斯).,根据眼睛的视见函数V，可将辐射度学单位表示的量值换算为以光度学单位表示的相应值。例如，
5、已知某一波长的光谱辐照度Ee时，与之相当的光谱照度Ev为:如果照明光源不是单色的，则总的照度可用积分求出:,其它基本概念点源：照度与距离之间的平方反比定律 扩展源：朗伯源的辐出度与辐亮度间的关系漫反射面：漫反射体的视亮度与照度间的关系定向辐射体,例题，已知太阳辐亮度为2x107W/(m2.sr)，太阳半径6,957x108m，地球半径6.374x106m，太阳地球平均距离为1.496x1011m，求太阳辐出度、辐强度、辐通量及地球接收的辐通量，大气边沿的辐照度。,黑体辐射定律,黑体辐射定律绝对黑体：任何温度、任何波长的入射辐射的吸收比都等于1。1,基尔霍夫（kirchhoff）定律：任何物体的
6、单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度。（强吸收体也必是强发射体。）,黑体辐射定律2,普朗克（Plank）辐射公式：短波或温度不高时，,光谱辐出度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；不同温度的曲线彼此不相交；某一波长上，温度越高，光谱辐出度越大；随温度升高，曲线峰值对应的波长向短波方向移动；波长小于m的部分能量约占25%，波长大于m的能量约占75%；,黑体辐射定律3,斯蒂芬-玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law）黑体总辐出度：是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定,黑体辐射定律3,斯蒂芬-玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law）绝对黑
7、体：其中一般物体：e为物体的发射率（emissivity）热辐射：,黑体辐射定律4,维恩位移定律(Wiens Displacement Law)将普朗克公式对波长求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长m与绝对温度T的关系为：m（峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。）代入Plank公式，黑体的峰值光谱辐出度：,黑体辐射定律4,维恩位移定律(Wiens Displacement Law)当黑体温度升高时，辐射曲线的峰值波长向短波长方向移动。,常见物体的辐射峰值波长,一般强辐射体有50%以上的能量集中在峰值波长附近；,黑体，灰体和选择性发射体发射率与材料的性质及表面状态
8、有关，随物体本身的温度和辐射波长而改变，并随观测方向而有不同。（光谱发射率、半球发射率、方向发射率）发射率不随波长变化且小于1的物体称灰体；发射率随波长变化的物体称为选择性辐射体；,例题，已知太阳的峰值辐射波长为0.48um，太阳地球平均距离1.495x108km，太阳半径6.955x105km，如果将太阳与地球均近似看出黑体，求太阳的地球的表面温度。,半导体基础知识,半导体物理基础,一、半导体的能带1、能级理论：晶体中的电子只能处于能带的能级上，且每一个能带中都有与原子总数相适应的能级数。2、泡利原理：在每一个能级上最多只能填充一个电子。即N为能级数。,固体中电子的运动状态与孤立原子中的电子
9、状态有所不同。在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个电子具有确定的分立能量值，也就是电子按能级分布。固体中大量原子紧密结合在一起，而且原子间距很小，以致使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。最外面的电子壳层交叠最多，内层交叠较少，如图1-5 所示。壳层的交叠使外层的电子不再局限于某个原子上，它可能转移到相邻原子的相似壳层上去，例如电子可以从某个原子的2P壳层转移到相邻原子的2P壳层，也可能从相邻原子运动到更远的原子的相近壳层上去。这样电子有可能在整个晶体中运动。晶体中电子的这种运动称为电子的共有化。外层电子的共有化较为显著，而内壳层因交叠少而共有化不十
10、分显著。电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微小的差异。例如，组成固体的N个原子在某一能级上的电子来都具有相同的能量，由于共有化运动使它们在固体中不仅仅受本身原子核的作用，而且还受到周围其它原子的作用而具有各自不同的能量。于是，一个电子能级因受N个原子核的作用而分裂成N个新的靠得很近的能级。N新能级之间能量差异极小，而N值很大，于是这N个能级几乎连成一片而形成具有一定宽度的能带。,3、半导体晶体能带图：,导带,价带,满带,禁带,禁带,跟据能量最小原理，电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。满带：任何时间都填满电子数。价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而导带中没有电
11、子。导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能后，就会越过禁带进入导带。,二、费米能级与载流子的统计分布1，费米分布函数半导体中的电子数：4*5*1022/cm3从整体看，热平衡下，电子按能量大小具有一定统计分布规律性，即此时电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定的。费米分布函数：Ef，费米能级，与温度、半导体材料的导电类型、杂质含量等有关系。,费米能级可以看成量子态是否被电子占据的一个界限；一般可以认为，在温度不高时，能量大于费米能级的量子态基本上没有被电子占据，而能量小于费米能级的量子态基本上为电子所占据。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。,2，玻耳兹曼分布函数当E-
12、EfkT时，exp(E-Ef/kT)1，有表明，在一定温度下，电子占据能量为E的量子态的几率由指数因子所决定玻耳兹曼统计分布；原因：Fermi 和 Boltzmann统计的主要差别，前者受到Pauli exclusion principle限制，但在E-EfkT条件下，泡利原理失去作用，两者同一；,3，半导体中的电子与空穴分布半导体中，最常遇到的情况是Ef位于禁带内，且其与导带底或价带顶的距离远大于kT，故导带中的电子分布可以用电子的Boltzmann分布函数描写；即导带中大多数电子分布在导带底附近；f(E)表示电子分布，则1-f(E)表示空穴分布；价带中大多数空穴分布在价带顶附近；,半导体的
13、类型,1、I型半导体（本征半导体）：I型半导体是完全纯净或结构完整的半导体，是完全由基质原子组成的晶体。在绝对零度时，不受外界影响的情况下，导带没有电子，价带也没有空穴，因此不能导电。在热运动或外界的影响下，价电子跃迁到导带，产生自由电子和空穴，构成导电载流子。,2、杂质半导体 对N型半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电，由于导带中的电子在导电中起主要作用，因此也称为“电子型半导体”。由能级图可见，施主能级处于禁带内导带底的下面。电子从施主能级跃迁到导带所需的能量。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使施主原子电离。因此，对N型半导体具有较高的电导率。,3、P型半
14、导体 P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这样的半导体也称为“空穴型半导体”。由能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的电离能。这时由于电子填充了共价键中的空位而出现空穴。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使受主原子电离。因此，对P型半导体具有较高的电导率。,（1）从半导体载流子的浓度考虑，若在无辐射时电子和空穴的浓度分别为n和p，则当np时，这种半导体称为P本征半导体；当np时，称为N型半导体；当np时，称为I型半导体。（2）能级特征,光辐射与半导体的相互作用,当光辐射作用在半导体上时，半导体吸收光辐射能量，价带的电子获得辐射能后将跃迁到导带，产生新的电子空
15、穴对，形成非平衡载流子，从而提高材料的电导率。半导体对光辐射的吸收分为本征吸收、杂质吸收、载流子吸收、激子和晶格吸收五种光吸收效应。,本征吸收 本征吸收是指电子在辐射作用下，从价带跃迁到导带的吸收。研究本征吸收时应考虑半导体的能带结构。如前所述，对直接带隙材料，电子所需的能量应大于或等于能隙Eg；而对间接带隙材料，电子除需要大于或等于能隙的能量外，还需要声子的能量。,杂质吸收 在半导体禁带内存在杂质能级时，在小于能隙能量的光子作用下，杂质能级和相应的能带间出现电子跃迁而形成的非平衡载流子电子或空穴。杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向，其光子能量应大于或等于所需的电离能。,载流子吸收 载流子
16、浓度很大（）时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收激子和晶格吸收 指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库伦力相互作用形成电子和空穴的能量。这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。,热平衡下的载流子浓度在一定温度下，如没有外界作用，半导体中的载流子是由热激发产生的。电子不断地从热振动的晶格中获得一定能量，就能从价带跃迁到导带，同时在价带中出现自由空穴。在热激发的同时，也有电子从导带跃迁到价带并向晶格释放能量，即电子与空穴的复合。在一定温度下激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态。这时的载流子浓度为一稳定值。当温度改变厚，破坏了原来的平衡状态
17、而建立起新的平衡状态，达到另一个稳定值。,半导体中的非平衡载流子一般通过外部注入载流子或用光激发方式使半导体器件载流子浓度超过热平衡时的浓度。这些超出部分的载流子称为非平衡载流子或过剩载流子。半导体材料吸收光能产生非平衡载流子是光电检测器件的工作基础。本征吸收与杂质吸收,非平衡载流子浓度光照射半导体材料时，载流子浓度一直在增加；如果停止光照，光生载流子就不再产生，而载流子浓度因电子空穴复合而逐渐减小，最后恢复到热平衡时的浓度值。载流子复合过程一般有直接复合和间接复合两种。直接合是指半导体材料中的自由电子直接由导带回到价带与自由空穴复合，释放出多余的能量。间接复合是自由电和自由空穴通过禁带中的复
18、合中心进行复合。如果材料中含有极少的缺陷、错位或杂质，它们中的价键未被填的原子起着施主或受主的作用，在禁带中形成能级；杂质也能在禁带中形成能级起施主或受主的作用，禁带中这些能级就是复合中心。自由电子可先与复合中心复合而使复合中心带电。再由库仑力的作用而与空穴复合；由空穴也可经类似过程进行复合。间接复合往往在复合过程中起主要作用。若光由照射到停止，光生载流子浓会因复合而逐渐减小，最后逐渐回到平衡状态。复合有先有后，光生载流子停留在自由状态的时间是不等的，有的长些，有的短些。光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命。,载流子的扩散与漂移扩散：当材料的局部位置受到光照时，在这局部位置的光生载流子
19、浓度就比未照射部分载流子浓度要高。这时电子将浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种现象称为载流子扩散。扩散有一定方向，可以形成电流。在扩散过程，流过单位面积的电流称为扩散电流密度，它正比于光生载流子的浓度梯度，即由于载流子扩散取载流子浓度减少方向，所以空穴形成的电流是负的。,载流子的扩散与漂移漂移：半导体受外电场作用时，其中的电子向正极运动，空穴向负极运动，这种定向运动称为载流子漂移。电流密度J正比于电场强度E；J的大小应与载流子浓度和载流子沿电场的漂移速度成正比。对于n 型半导体有：v x为电子沿x方向的速度。v x与电场强度成线性关系：从以上各式可知：,n电子迁移率，cms-1/Vcm-1,在电场中，漂移所产生的电子电流密度和空穴电流密度分别为：当扩散和漂移同时存在时，总的电子电流密度和空穴电流密度分别为：总电流密度为,思考,分析说明本征半导体和杂质半导体导电的机理,
