光電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)

1、 要探知一個客觀事物的存在及其特性，一般都是通過測量對探測者所引起的某種效應(yīng)來完成的。對光輻射量的測量也是這樣。 在光電子技術(shù)領(lǐng)域，光電探測器有它特有的含義。大多數(shù)光探測器都是把光輻射量轉(zhuǎn)換成電量來實現(xiàn)對光輻射的探測的。即便直接轉(zhuǎn)換量不是電量，通常也總是把非電量(如溫度、體積等)再轉(zhuǎn)換為電量來實施測量。 從這個意義上說，凡是把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量(電流或電壓)的光探測器，都稱為光電探測器。 了解光輻射對光電探測器產(chǎn)生的物理效應(yīng)是了解光探測器工作的基礎(chǔ)。1.121.12、光電探測器的物理效應(yīng)、光電探測器的物理效應(yīng) 一、光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)概述一、光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)概述光電探測器的物理效應(yīng)通常分為兩大

2、類：光光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)子效應(yīng)和光熱效應(yīng)在每一大類中有可分為若干細(xì)目，如表所列。表表1 光熱效應(yīng)分類光熱效應(yīng)分類 熱敏電阻測輻射熱計金屬測輻射熱計超導(dǎo)遠(yuǎn)紅外探測器熱電偶、熱電堆熱電探測器高萊盒，液晶等1.測輻射熱計負(fù)電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù)超導(dǎo)2.溫差電3.熱釋電4.其它相應(yīng)的探測器效應(yīng)光導(dǎo)管或光敏電阻光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘光電二極管光電磁探測器光子牽引探測器1. 光電導(dǎo)(本征和非本征)2. 光生伏特PN結(jié)和PIN結(jié)(零偏)PN結(jié)和PIN結(jié)(反偏)雪崩肖特基勢壘異質(zhì)結(jié)3.光電磁光子牽引內(nèi)光電效應(yīng)光電管充氣光電管光電倍增管象增強管1. 光陰極發(fā)射光電子正電子親和勢光陰極負(fù)電子

3、親和勢光陰極2.光電子倍增氣體繁流倍增打拿極倍增通道電子倍增外光電效應(yīng)相應(yīng)的探測器效應(yīng)在光照射下引起的電效應(yīng)，統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出，形成真空中電子的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)，逸出的電子稱為光電子，光電子形成的電流稱為光電流；光照射在其它半導(dǎo)體材料上時，被光激發(fā)的載流子仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，增加其電導(dǎo)率或產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。二、光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)的區(qū)別二、光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)的區(qū)別所謂光子效應(yīng)所謂光子效應(yīng)，是指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。 探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。內(nèi)部電子狀態(tài)的改

4、變。光子效應(yīng)就對光波頻率表現(xiàn)出選擇光子效應(yīng)就對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，性， 光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全不同。探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測器元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其它物理性質(zhì)發(fā)生變化。 所以，光熱效應(yīng)與單光子能量h的大小沒有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對光波頻率沒有選擇性光熱效應(yīng)對光波頻率沒有選擇性。 只是在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就越強烈，所以廣泛用于對紅外輻射的探測廣泛用于對紅外輻射的探測。 因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度一般比較慢響應(yīng)速度一般比較慢，而且容易受環(huán)

5、境溫度變化的影響。 光電導(dǎo)效應(yīng)只發(fā)生在某些半導(dǎo)體材料中，金屬沒有光電導(dǎo)效應(yīng)。1、半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)概念：、半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)概念： 金屬之所以導(dǎo)電，是由于金屬原子形成晶體時產(chǎn)生了大量的自由電子。自由電子濃度n是個常量，不受外界因素影響。 半導(dǎo)體和金屬的導(dǎo)電機構(gòu)不同，在0K時，導(dǎo)電載流子濃度為零。在0K以上，由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生熱生載流子(電子和空穴)，在擴散過程中又有復(fù)合作用，產(chǎn)生與復(fù)合的電子空穴對數(shù)目相等，達(dá)到動態(tài)平衡。 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)三、光子效應(yīng)三、光子效應(yīng) 在熱平衡下，單位時間內(nèi)熱生載流子的產(chǎn)生數(shù)目正好等于因復(fù)合而消失的數(shù)目。 因此在半導(dǎo)體中維持著一個熱平衡的電子濃度n和空穴濃度p，他

6、們的平均壽命分別用 和 表示。 無論何種半導(dǎo)體材料，下式一定成立，即 式中ni是對應(yīng)溫度下本征半導(dǎo)體中的本征熱生載流子濃度，它是溫度的函數(shù)（見模電教材）。np2innp 2、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種，本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。 通量為e,的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導(dǎo)體上，波長的單色輻射全部被吸收，則光敏層單位時間所吸收的量子數(shù)密度Ne

7、,應(yīng)為 bdlhNe,e,(1-73) 光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度Ge為 e,eNG （1-74） 在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的熱電子產(chǎn)生率Gt與熱電子復(fù)合率rt相平衡。光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生率應(yīng)為熱電子產(chǎn)生率Gt與光電子產(chǎn)生率Ge之和 ttrNGGe,e（1-75） 導(dǎo)帶中的電子與價帶中的空穴的總復(fù)合率R應(yīng)為 )(iifppnnKR（1-76） 式中，Kf為載流子的復(fù)合幾率，n為導(dǎo)帶中的光生電子濃度，p為價帶中的光生空穴濃度，ni與pi分別為熱激發(fā)電子與空穴的濃度。 同樣，熱電子復(fù)合率與導(dǎo)帶內(nèi)熱電子濃度ni及空穴濃度pi的乘積成正比。即 iiftpnKr （1-77） 在熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應(yīng)與

8、復(fù)合率相等。即)(, eiifiifppnnKpnKN（1-78） 在非平衡狀態(tài)下，載流子的時間變化率應(yīng)等于載流子的總產(chǎn)生率與總復(fù)合率的差。即 )(dd, eiifiifppnnKpnKNtn)(, eiifnppnpnKN（1-79） 下面分為兩種情況討論：（1）在微弱輻射作用下，光生載流子濃度n遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度p遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃度pi，并考慮到本征吸收的特點，n=p，式（1-79）可簡化為 )(dd, eiifpnnKNtn利用初始條件t = 0時，n = 0，解微分方程得 )1 (, eteNn（1-80） 式中=1/Kf(ni+pi)稱為載流子的平均壽命。 由

9、式（1-80）可見，光激發(fā)載流子濃度隨時間按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)t時，載流子濃度n達(dá)到穩(wěn)態(tài)值n0，即達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài) , e0Nn （1-81） 光激發(fā)載流子引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化為 , eNqnq（1-82） 式中為電子遷移率n與空穴遷移率p之和。 半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)g為 , eNlbdqlbdg（1-83） 可以看出，在弱輻射作用下的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)與入射輻射通量e,成線性關(guān)系。 求導(dǎo)可得 ,2ddelhqg由此可得半導(dǎo)體材料在弱輻射作用下的光電導(dǎo)靈敏度Sg 2,d dhclqgSeg（1-85） 可見，在弱輻射作用下的半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長度

10、l的平方成反比。 bdlhNe,e, eNlbdqlbdg（2）在強輻射的作用下，nni，ppi（1-79）式可以簡化為 2, eddnKNtnf利用初始條件t = 0時，n = 0，解微分方程得 tKNnftanh21e,（1-86） 式中， 為強輻射作用下載流子的平均壽命。 e,1NKf 強輻射情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量間的關(guān)系為 21,213eflKhbdqg（1-87） 拋物線關(guān)系。 進(jìn)行微分得 ,21,213d21deeflKhbdqg（1-88） 在強輻射作用的情況下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性的。 如果光導(dǎo)現(xiàn)象是半導(dǎo)體材

11、料的體效應(yīng)體效應(yīng)，那么光伏現(xiàn)象則是半導(dǎo)體材料的“結(jié)結(jié)”效應(yīng)效應(yīng)。 光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)，實現(xiàn)光伏效應(yīng)可以是PN結(jié)、PIN結(jié)，肖特基勢壘結(jié)以及異質(zhì)結(jié)等。這里我們主要討論PN結(jié)的光伏效應(yīng)，它不僅最簡單，而且是基礎(chǔ)。光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) p-n結(jié)的基本特征是它的電學(xué)不對稱性，在結(jié)區(qū)有一個從n側(cè)指向p側(cè)的內(nèi)建電場存在。 熱平衡下，多數(shù)載流子（n側(cè)的電子和p側(cè)的空穴）的擴散作用與少數(shù)載流子（n側(cè)的空穴和p側(cè)的電子）由于內(nèi)電場的漂移作用相互抵消，沒有凈電流通過p-n結(jié)。用電壓表量不出p-n結(jié)兩端有電壓，稱為零偏狀態(tài)。 如果p-n結(jié)正向偏置(p區(qū)接正，n區(qū)接負(fù)

12、)，則有較大正向電流通過p-n結(jié)。如果p-n結(jié)反向電壓偏置(p區(qū)接負(fù)，n區(qū)接正)，則有一很小的反向電流通過p-n結(jié)，這個電流在反向擊穿前幾乎不變 ，稱為反向飽和電流。p-n結(jié)的這種伏安特性如圖所示。圖中還給出了p-n結(jié)電阻隨偏置電壓的變化曲線。p-n結(jié)的伏安特性為) 1(/KTeUDseiiiD是反向飽和電流，指數(shù)因子中的e是電子電荷量，U是偏置電壓（正向偏置為正，反向偏置為負(fù)），K是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。在零偏條件下如果照射光的波長滿足條件 )eV(24. 1)m(iE無論光照n區(qū)或p區(qū)，都會激發(fā)出光生電子空穴對光照p區(qū)，如圖所示。由于p區(qū)的多數(shù)載流子是空穴，光照前熱平衡空穴濃度本來就

13、比較大。結(jié)區(qū)pn光無光照光照下iVu 0光生伏特i0短路光電流因此光生空穴對p區(qū)空穴濃度影響很小。相反，光生電子對p區(qū)的電子濃度影響很大，從p區(qū)表面（吸收光能多，光生電子多）向區(qū)內(nèi)自然形成電子擴散趨勢。如果p區(qū)的厚度小于電子擴散長度，那么大部分光生電子都能擴散進(jìn)p-n結(jié)，一進(jìn)入p-n結(jié)，就被內(nèi)電場掃向n區(qū)。這樣，光生電子空穴對就被內(nèi)電場分離開來，空穴留在p區(qū)，電子通過擴散流向n區(qū)。這時用電壓表就能量出p區(qū)正n區(qū)負(fù)的開路電壓u0，稱為光生伏特效應(yīng)，如果用一個理想電流表接通p-n結(jié)，則有電流i0通過，稱為短路光電流。 綜合上述，光照零偏p-n結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng)。這也是光電池的工作原

14、理。VRLRLUis(a)(b)(c)(d)iP 有光照時，在PN結(jié)外電路接上負(fù)載電阻RL，PN結(jié)內(nèi)出現(xiàn)兩種相反的電流：一種是光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對形成的光生電流I，其方向與PN結(jié)的反向飽和電流ID相同；另一種是由于光照在pn結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當(dāng)于在pn結(jié)兩端加正向電壓U，產(chǎn)生正向電流IS 。 當(dāng)設(shè)定內(nèi)建電場的方向為電壓與電流的正方向時，將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL，若入射輻射通量為e,的輻射作用于PN結(jié)上，則有電流I流過負(fù)載電阻，并在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過負(fù)載電阻的電流應(yīng)為 ) 1(KTqUDeIII（1-89） 式中， I為光生電流，ID為反向飽和電流。從（1-89

15、）式也可以獲得I的另一種定義，當(dāng)U=0（PN結(jié)被短路）時的輸出電流ISC即短路電流，并有, e)1 (ehqIIdsc（1-90） 同樣，當(dāng)I=0時（PN結(jié)開路），PN結(jié)兩端的開路電壓UOC為 ) 1ln(OCDIIqKTU（1-91） 在光照反偏條件下工作時，通常稱為光電二極管。I=I+ID （1-92） 光電二極管的暗電流ID一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光電流I，因此，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系 光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為 ,)1 (edehqI（1-93）如圖1-13所示，當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時，在曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下，將產(chǎn)生高密

16、度的電子與空穴載流子，而遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。 這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。 丹培（丹培（DemberDember）效應(yīng)）效應(yīng) 丹培效應(yīng)產(chǎn)生的光生電壓可由下式計算 pnpnpnpnDpnnqKTU0001ln式中，n0與p0為熱平衡載流子的濃度；n0為半導(dǎo)體表面處的光生載流子濃度；n與p分別為電子與空穴的遷移率。n=1400cm2/(Vs)，而p=500 cm2/(Vs)，顯然，np。 半導(dǎo)體的迎光面帶正電，背光面帶負(fù)電，產(chǎn)生光生伏特電壓。稱這種由于雙極性載流子擴散運動速率不同而產(chǎn)生的光生伏特現(xiàn)象為丹培效應(yīng)。 在半導(dǎo)體上外加磁場，磁場的

17、方向與光照方向垂直，當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生丹培效應(yīng)時，由于電子和空穴在磁場中的運動必然受到洛倫茲力的作用，使它們的運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，空穴向半導(dǎo)體的上方偏轉(zhuǎn)，電子偏向下方。 結(jié)果在垂直于光照方向與磁場方向的半導(dǎo)體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓，稱為光磁電場。這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的光磁電效應(yīng)。 光磁電效應(yīng)光磁電效應(yīng) 光磁電場為 pndpnZpnppqBDE000)(（1-95） 式中，p0，pd分別為x=0，x=d處n型半導(dǎo)體在光輻射作用下激發(fā)出的少數(shù)載流子（空穴）的濃度；D為雙極性載流子的擴散系數(shù)，在數(shù)值上等于 pnpnpDnDpnDDD)(（1-96） 其中，Dn與Dp分別為電子與空穴的擴散系數(shù)。 在光照

18、下，物體向表面以外空間發(fā)射電子(即光電子)的現(xiàn)象，稱為光電發(fā)射效應(yīng)。能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，稱為光電發(fā)射體，在光電管中又稱為光電陰極。著名的愛因斯坦方程描述了該效應(yīng)的物理原理和產(chǎn)生條件。愛因斯坦方程是 式中是電子離開發(fā)射體表面時的動能， 是電子質(zhì)量， 是電子離開時的速度。 是光子能量。 是光電發(fā)射體的功函數(shù)。 EhEk221mvEkE光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)1 1、實驗規(guī)律：、實驗規(guī)律：飽和電流與入射光強度成正比-單位時間內(nèi)，陰極溢出的光電子數(shù)與入射光強成正比UI1sI2sIaU同一頻率同一頻率減小加速電壓U的值，光電流隨之減少，當(dāng)U減少到0時，光電流卻不為0，直至加反向電壓至Ua)時光電流

19、為零。此時最大初動能最大初動能的光電子也被截止電壓阻止無法到達(dá)陽極。ameUmv221光電效應(yīng)中從金屬出來的電子，有的從金屬表面直接飛出，有的從內(nèi)部出來沿途與其它粒子碰撞，損失部分能量，因此電子速度會有差異，直接從金屬表面飛出的速度最大，其動能為最大初動能。由上圖看出，同一頻率，不同強度的光對應(yīng)相同的截止電壓，即Ua與光強無關(guān)。用不同頻率的光照射時，由如下關(guān)系：0UKUa:與金屬有關(guān)的恒量0UK:與金屬無關(guān)的普適恒量)(2102UKemvm0aU0光電子是即時發(fā)射的，無論光強如何，弛豫時間不超過0212mmvKU0KU000aU0內(nèi)容內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為光不僅在發(fā)射和吸收時以能量

20、為h的微粒形式出的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為頻率為 的的光是由大量能量為光是由大量能量為 =h 光子組成的粒子流，這光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。運動。Amvhm221 在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮拥膭幽埽硪徊糠肿優(yōu)楣怆娮拥膭幽?Ek0 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出：愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程式中：式中：A A為電子逸出金屬表

21、面所需作的功，稱為逸出為電子逸出金屬表面所需作的功，稱為逸出功；功； 為光電子的最大初動能。為光電子的最大初動能。2021mKmvE2、愛因斯坦的光量子假設(shè)、愛因斯坦的光量子假設(shè)初動能及反向遏止電壓與 成正比，而與光強無關(guān)。（2）|aU, 0kE的解釋的解釋3 3、光電效應(yīng)的解釋、光電效應(yīng)的解釋|0akUeE Ah 由由可知，可知，eAehUa（1）截止頻率）截止頻率0 （紅限）的解釋（紅限）的解釋, 00kE, 0AhhA0, AhhA0 當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 0 時，電子才能逸出金屬表面，時，電子才能逸出金屬表面，產(chǎn)生光電效應(yīng)。產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同金屬具有不同的截止頻率。（3）光電流正比

22、于光強的解釋）光電流正比于光強的解釋 光強正比于單位時間流過單位面積 的光子數(shù)。光強越大，光子數(shù)越多。（4）光電效應(yīng)瞬時性的解釋）光電效應(yīng)瞬時性的解釋 電子吸收光子時間很短，只要光子頻率大于截止電子吸收光子時間很短，只要光子頻率大于截止頻率，電子就能立即逸出金屬表面，無需積累能量的頻率，電子就能立即逸出金屬表面，無需積累能量的時間，與光強無關(guān)。時間，與光強無關(guān)。愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時并未愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背光的波動理被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背光的波動理論。愛因斯坦（論。愛因斯坦（1879-1905-19

23、551879-1905-1955）19211921年獲諾貝爾物年獲諾貝爾物理學(xué)獎。理學(xué)獎。例例1：鉑的逸出功為鉑的逸出功為6.3eV，求鉑的截止頻率求鉑的截止頻率0 。解：解：hA0J106 .1eV11934190106 .6106 .13 .6Hz106 .914 金屬內(nèi)電子吸收一個光子可以釋放一個光電子。光強越大，光電子越多，光電流越大。例例2：鉀的截止頻率鉀的截止頻率0 =4.621014Hz，以波長以波長=435.8nm的光照射，求鉀放出光電子的初速度。的光照射，求鉀放出光電子的初速度。解：解：AEk00221hmvh02cmhve149831341062.4108 .4351031

24、011.9106 .62hA0 美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了“光電效光電效應(yīng)應(yīng)”實驗，結(jié)果在實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程，年證實了愛因斯坦方程，h 的的值與理論值完全一致，又一次證明了值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量子”理論理論的正確。的正確。4.4.光電效應(yīng)理論的驗證光電效應(yīng)理論的驗證seV1013. 4SJ106 . 61534hnm/s103m/s1031714c)eV(24. 1)m(Ec)eV(1240)nm(EcE光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點：光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點：1. 1. 光

25、電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運動，因此，光電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運動，因此，可以通過電場加速電子運動的動能，或通過電子的內(nèi)倍增可以通過電場加速電子運動的動能，或通過電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能高速度地探測極其微弱系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能高速度地探測極其微弱的光信號，成為像增強器的基本元件。的光信號，成為像增強器的基本元件。2. 2. 很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電成像器件方面非常有利。一般真空光電成像器件的空間分成像器件方面非常有利。一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器。辨

26、率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器。3. 3. 光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得整個探測器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，整個探測器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造價也昂貴。造價也昂貴。4. 4. 光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍一般不如半導(dǎo)體光電器光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍一般不如半導(dǎo)體光電器件寬。件寬。 當(dāng)兩種不同的配偶材料(可以是金屬或半導(dǎo)體)，兩端并聯(lián)熔接時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢?；芈分芯陀须娏髁魍?。如果我們把冷端分開并與一個電表相接，那么當(dāng)光照熔接端(稱為電偶接頭)時，吸收光能

27、使電偶接頭溫度升高，電表A就有相應(yīng)的電流讀數(shù)，電流的數(shù)值就間接反應(yīng)了光照能量大小。這就是用熱電偶來探測光能的原理。 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)1 1、溫差電效應(yīng)、溫差電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)(Seebeck Effect):塞貝克發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同金屬組成閉合回路且結(jié)點處溫度不同時，指南針的指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。于是他認(rèn)為溫差使金屬產(chǎn)生了磁場。但是當(dāng)時塞貝克并沒有發(fā)現(xiàn)金屬回路中的電流，所以他把這個現(xiàn)象叫做“熱磁效應(yīng)”。后來，丹麥物理學(xué)家漢斯奧斯特重新研究了這個現(xiàn)象并稱之為“熱電效應(yīng)”。不同的金屬導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）具有不同的自由電子密度，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體相互接觸時，在接觸面上的電子就會擴散以消除電子密度的差異

28、。而電子的擴散速率與接觸區(qū)的溫度成正比，所以只要維持兩金屬間的溫差，就能使電子持續(xù)擴散，在兩塊金屬的另兩個端點形成穩(wěn)定的電壓。由此產(chǎn)生的電壓通常每開爾文溫差只有幾微伏。 實用上為了提高測量靈敏度，常將若干個熱電偶串聯(lián)起來使用，稱為熱電堆，它在激光能量計中獲得應(yīng)用。2 2、熱釋電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是通過所謂的熱釋電材料實現(xiàn)的，熱釋電材料首先是一種電介質(zhì)，是一種結(jié)晶對稱性很差的壓電晶體，因而在常溫下具有自發(fā)電極化(即固有電偶極矩)。由電磁理論可知，在垂直于電極化矢量Ps的材料表面上出現(xiàn)面束縛電荷，面電荷密度 由于晶體內(nèi)部自發(fā)電極化矢量排列混亂，因而總的Ps并不大。 ssp再加上材料表面附近

29、分布的外部自由電荷的中和作用，通常察覺不出有面電荷存在。如果對熱電體施加直流電場，自發(fā)極化矢量將趨于一致排列（形成單疇極化），總的Ps加大。當(dāng)電場去掉后，如果總的Ps仍能保持下去，這種熱電體有時便稱為熱電鐵電體。它是實現(xiàn)熱釋電現(xiàn)象的理想材料。spsspsp如圖所示。溫度升高， 減小。升高到Tc值時，自發(fā)極化突然消失， Tc稱為居里溫度。在Tc溫度以下，才有熱釋電現(xiàn)象。 當(dāng)強度變化的光照射熱電體時，熱電體的溫度發(fā)生變化，Ps亦發(fā)生變化，面電荷從原來的平衡值跟著發(fā)生變化。 sp十分重要的是，熱釋電體表面附近的自由電荷對面電荷的中和作用比較緩慢，一般在1-1000秒量級。好的熱電體，這個過程很慢。在

30、來不及中和之前，熱電體側(cè)表面就呈現(xiàn)出相應(yīng)于溫度變化的面電荷變化，這就是熱釋電現(xiàn)象。 如果把熱電體放進(jìn)一個電容器極板之間，把一個電流表與電容兩端相接，就會有電流流過電流表，這個電流稱為短路熱釋電流。 如果極板面積為A，則電流為dtdTAdtdTdTdPAdtdPAiss式中稱為熱釋電系數(shù)。很顯然，如果照射光是恒定的，那么T為恒定值，Ps亦為恒定值，電流為零。所以熱釋電探測器是一種交流或瞬時響應(yīng)的器件。 對于光電探測器而言，一邊是光輻射量，另一端是光電流量。把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程稱為光電轉(zhuǎn)換。輻通量（即功率）(t)可以理解為光子流，光子能量h是光能量E的基本單元；光電流是光生電荷Q的時變量

31、，電子電荷e是光生電荷的基本單元。為此，我們有( )edndQthdtdt光dtdnedtdQti電)(1.131.13、光電轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換定律定律(54(54課時略課時略) ) 式中n光和n電分別為光子數(shù)和電子數(shù)。 式中所有變量都應(yīng)理解為統(tǒng)計平均量。i應(yīng)該正比于，寫成等式時，引進(jìn)一個比例系數(shù)D，即 式中D又稱為探測器的光電轉(zhuǎn)換因子。由上兩式，有 式中稱為探測器的量子效率，它表示探測器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比，它是探測器物理性質(zhì)的函數(shù)。 heD )()(tDtidtdndtdn光電/得到這就是基本的光電轉(zhuǎn)換定律。它告訴我們：光電探測器對入射功率有響應(yīng)，響應(yīng)量是光電流。因此，一個光電探測器

32、總可視為一個電流源。因為光功率正比于光電場的平方，故常常把光電探測器稱為平方律探測器。或者說，光電探測器本質(zhì)上是一個非線性器件。( )edndQthdtdt光dtdnedtdQti電)()()(tDtiheD dtdndtdn光電/)()(theti 光電探測器和其它器件一樣，有一套根據(jù)實際需要而制定的特性參數(shù)。 它是在不斷總結(jié)各種光電探測器的共同基礎(chǔ)上而給以科學(xué)定義的，所以這一套性能參數(shù)科學(xué)地反映了各種探測器的共同因素。 依據(jù)這套參數(shù)，人們就可以評價探測器性能的優(yōu)劣，比較不同探測器之間的差異，從而達(dá)到根據(jù)需要合理選擇和正確使用光電探測器的目的。 顯然，了解各種性能參數(shù)的物理意義是十分重要的。

33、 靈敏度也常稱作響應(yīng)度，它是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性，光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度。 光電流i(或光電壓u)和入射光功率P之間的關(guān)系 if (p)，稱為探測器的光電特性。 靈敏度R定義為這個曲線的斜率，即 (線性區(qū)內(nèi)) (A/W) 或 (線性區(qū)內(nèi)) (V/W) dpdiRipidpduRupuR i和R u分別稱為電流和電壓靈敏度，i和u稱為電表測量的電流、電壓有效值。 式中的光功率P是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率，因此，這里的R i和R u又分別稱為積分電流靈敏度和積分電壓靈敏度。如果我們把光功率P換成波長可變的光功率譜密度P ，由于光電探測器的光譜選擇性，在其它條件下不變的情況下，光電流將是光波長的函數(shù)，記為i(或u)，于是光譜靈敏度R定義為dpdiR 如果R 是常數(shù)，則相應(yīng)的探測器稱為無無選擇性探測器選擇性探測器(如光熱探測器)，光子探測器則是選擇性探測器。 上式的定義在測量上是困難的，通常給出的是相對光譜靈敏度相對光譜靈敏度S S 定義為 式中R m是指R 的最大值，相應(yīng)的波長稱為峰值波長，S 是無量綱的百分?jǐn)?shù)，S隨變化的曲線稱為探測器的光譜靈敏度光譜靈敏度曲線曲線。mRRS/PiRff2)2(1)0(ffiif如果入射光是強度調(diào)制的，在其它條件不變下，光電流if將隨調(diào)制頻率f的