1.辐射学和光度量学基本概念

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)Φe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dΩ内的辐通量为dΦe，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θ上有一面元dA。若dA所对应的立体角dΩ内的辐通量为dΦe，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/(m2·sr)。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Vλ。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Vλ1，而在可见光谱以外的波段Vλ=0。光通量Φv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Vλ，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，已知某一波长λ的光谱辐照度Eeλ时，与之相当的光谱照度Evλ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222coscoscosdAdlIdAdPIdldPIEdAl200220202222000020coscos1211RIdPEdAdAldAddlllllIPdPddllPIRl22coscoscoscoscoscoscosAAsAIdElILdALdAdELdlEdELdELdL011200022220000,coscoscos,tancos,sincoscossincossinsindArdrddAdELdLlllrlldrddELddELddLM20002000110001112210121020002222222sinsinsinsin,'1sin11244'1121dLdsudsdELudsdsflfnrunrulflflndELudsnDELLLlDlfDDlflff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λm的部分能量约占25%，波长大于λm的能量约占75%；黑体辐射定律3,斯蒂芬-玻耳兹曼定律（Stefan-BoltzmannLaw）黑体总辐出度：σ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-BoltzmannLaw）绝对黑体：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(Wien‘sDisplacementLaw)将普朗克公式对波长λ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λm与绝对温度T的关系为：μm（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(Wien'sDisplacementLaw)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E禁带gE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-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Pauliexclusionprinciple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。DiEEE3、P型半导体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。EEEAi（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n＜＜p时，这种半导体称为P本征半导体；当n＞＞p时，称为N型半导体；当n＝p时，称为I型半导体。（2）能级特征EEgE)(aEE)(bgEDEEE)(cgEAE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。⒈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