光輻射的探測技術(shù)光電探測器的物理效應

光輻射的探測技術(shù)光電探測器的物理效應第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日什么是光電探測器？凡事能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一種便于測量的物理量的器件，都叫做光探測器。凡事把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量（電流或電壓）的光探測器，都稱為光電探測器。光電探測器的物理效應通常分為兩大類：光子效應和光熱效應。第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.1光子效應和光熱效應光子效應：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。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小。光子效應對光波頻率表現(xiàn)出選擇性：E＝hν，在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應速度一般比較快。第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光熱效應：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，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。光熱效應和光子效應完全不同，光熱效應與單光子能量hν的大小沒有直接關(guān)系。原則上，光熱效應對光波頻率沒有選擇性。在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效應的響應速度一般比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。

熱釋電效應是響應于材料的溫度變化率，比其他光熱效應的響應速度要快得多，并已獲得日益廣泛的應用。第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電發(fā)射效應什么是光電發(fā)射效應？在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象，稱為光電發(fā)射效應。能產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體，稱為光電發(fā)射體，在光電管中又稱為光陰極。第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日愛因斯坦方程：物理意義：如果發(fā)射體內(nèi)的電子所吸收的光子的能量hυ大于發(fā)射體的功函數(shù)Eφ的值，那么電子就能以相應的速度從發(fā)射體表面逸出。是電子離開發(fā)射體表面時的動能。光電發(fā)射效應發(fā)生的條件為截止頻率

截止波長第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日Eφ小的發(fā)射體，才能對波長較長的光輻射產(chǎn)生光電發(fā)射效應。第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.3光電導效應光電導效應只發(fā)生在某些半導體材料中，金屬沒有光電導效應。金屬導電機構(gòu)：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。第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導體導電機構(gòu)：

0k：導電載流子濃度為0。

>0k：由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生熱生載流子（電子和空穴），它在擴散過程中又受到復合作用而消失。熱平衡下：產(chǎn)生=消失，即np=ni2。n－熱平衡的電子濃度，其平均壽命為τnp－熱平衡的空穴濃度，其平均壽命為τpni－相應溫度下本征半導體中的本征熱生載流子濃度。說明在n型或p型半導體中，一種濃度增大，另一種濃度減少，但絕對不會減少到0。第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日外電場E作用下，載流子產(chǎn)生漂移運動。載流子遷移率μ為電導率σ為電導G：電阻Rd：漂移速度與電場之比表示載流子的漂移運動效果第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日什么是光電導？當光輻射照射外加電壓的半導體，如果滿足光子將激發(fā)出新的載流子（n和p）。這就使半導體中的載流子濃度在原來平衡值上增加了一個量Δn和Δp。這個新增加的部分在半導體物理中叫非平衡載流子，現(xiàn)在又稱為光生載流子。第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日對本征情況，顯然，Δn和Δp將使半導體的電導增加一個量ΔG，稱為光電導。相應于本征和雜質(zhì)半導體就分別稱為本征和雜質(zhì)光電導。N－光照每秒鐘產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)；τn和τp－分別為電子和空穴的平衡壽命。第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日eN－光輻射每秒鐘激發(fā)的電荷量。由于ΔG的增量將使外回路電流產(chǎn)生增量Δi，即V-外電壓。所以，Δi不等于eN，于是有M－光電導體的電流增益。第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日以N型半導體為例tn－渡越時間，表示電子在外電場作用下渡越半導體長度l所花費的時間。若tn小于τn，則 M>1，就有電流增益效果。第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.4光伏效應

當照射光激發(fā)出電子-空穴對時，電勢壘的內(nèi)建電場將把電子-空穴對分開，從而在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，形成光伏效應。

pn：內(nèi)建電場從n側(cè)指向p側(cè)的內(nèi)建電場熱平衡：零偏狀態(tài)，沒有凈電流通過pn結(jié)。pn結(jié)正向電壓偏置（p區(qū)接正，n區(qū)接負）：有較大的正向電流流過pn結(jié)。pn結(jié)反向電壓偏置（p區(qū)接負，n區(qū)接正）：有一很小的反向電流通過pn結(jié)。反向飽和電流（Is0）。第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日pn結(jié)伏安特性零偏時，pn結(jié)的電阻R0為此時，i=0，所以pn結(jié)的開路電壓為0。在零偏條件下，如果照射光的波長λ滿足條件那么，無論光照n區(qū)或p區(qū)，都會激發(fā)出光生電子-空穴對。第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日例如光照p區(qū)：光照前熱平衡空穴濃度本來就比較大，因此光生空穴對p區(qū)空穴濃度影響很?。还馍娮訉區(qū)的電子濃度影響很大，從p區(qū)表面向區(qū)內(nèi)自然形成電子擴散趨勢。若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pn結(jié)，一進入pn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)負的開路電壓u0，稱為光生伏特效應。第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日如果用一個理想電流表接通pn結(jié)，則有電流i0通過，稱為短路光電流。顯然u0=R0i0

綜上所述，光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應，稱為光伏效應。這也是光電池的工作原理。在光照反偏條件下工作時，觀測到的光電信號是光電流，而不是光電壓，這便是結(jié)型光電探測器的工作原理。反偏pn結(jié)通常稱為光電二極管。第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.5溫差電效應溫差電動勢：當兩種不同的配偶材料兩端并聯(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。回路中就有電流流通。把冷端分開并與一個電表連接，那么當光照熔接端時，吸收光能使電偶接頭溫度升高，電表就有相應的電流讀數(shù)，電流的數(shù)值就間接反映了光照能量大小。這就是用熱電偶來探測光能的原理。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用。第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.6熱釋電效應

熱釋電材料是一種電介質(zhì)、絕緣體、是一種結(jié)晶對稱性很差的壓電晶體，因而在常態(tài)下具有固有電偶極矩。面電荷密度σs=|Ps|。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。再加上中和作用，通常覺察不出有面電荷存在。如果對熱電體施加直流電場，自發(fā)極化矢量將趨向于一致排列，總的Ps加大。當電場去掉后，如果總的Ps仍能保持下來，這種熱電體有時常稱為熱電-鐵電體。它是實現(xiàn)熱釋電現(xiàn)象的理想材料。第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日熱釋電現(xiàn)象：

|Ps|值是溫度的函數(shù)。溫度升高，|Ps|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。當強度變化的光照射熱電體時，熱電體的溫度發(fā)生變化，Ps也發(fā)生變化，面電荷從原來的平衡值跟著發(fā)生變化。在來不及中和之前，熱電體側(cè)表面就呈現(xiàn)出相應于溫度變化的面電荷變化，這就是熱釋電現(xiàn)象。第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日

若把熱電體放進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β=dPs/dT－熱釋電系數(shù)。

熱釋電探測器是一種交流或瞬時響應的器件。第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.7光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換：把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程。光通量：即光功率，P（t）可以理解為光子流，光子能量hυ是光能量E的基本單元。光電流：光生電荷Q的時變量，電荷e是光生電荷的基本單元。n光和n電分別為光子和電子數(shù)。第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日D－探測器的光電轉(zhuǎn)換因子。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。第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日（1）光電探測器對入射功率有響應，響應量是光電流。因此，一個光子探測器可視為一個電流源。（2）因為光功率P正比于光電場的平方，故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)上一個非線性器件。光電轉(zhuǎn)換定律：第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.2光電探測器的

性能參數(shù)第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日一、積分靈敏度R

靈敏度也常稱作響應度，它是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性的量度。光電流（或光電壓u）和入射光功率P之間的關(guān)系稱為探測器的光電特性。第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日靈敏度R定義為這個曲線的斜率：Ri——電流靈敏度（積分電流靈敏度）Ru——電壓靈敏度（積分電壓靈敏度）P——分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率。第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、光譜靈敏度Rλ

相對光譜靈敏度：光電探測器和入射光功率的光譜匹配非常重要。如果是Rλ是常數(shù)，則相應的探測器為無選擇性探測器，如：光熱探測器；反之，則為選擇性探測器，如光子探測器。是指的最大值，對應的波長稱為峰值波長。Pλ——波長可變的光功率譜密度。第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、頻率靈敏度Rf（響應頻率fc和響應時間τ）

如果入射光是強度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流if將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf

。

探測器的響應時間或時間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。

f<fci能線性再現(xiàn)P的變化。第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日i=F（u，P，λ，f）

i=F（f）的關(guān)系稱為光電頻率特性，相應的曲線稱為頻率特性曲線。

i=F（P）及曲線稱為光電特性曲線。

i=F（λ）及曲線稱為光譜特性曲線。

i=F（u）及曲線稱為伏安特性曲線。當這些曲線給出時，靈敏度R的值就可以從曲線中求出。第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日四、量子效率η光譜量子效率：量子效率表示探測器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比。

R宏觀描述光電探測器的光電，光譜以及頻率特性。量子效率η是對同一個問題的微觀-宏觀描述。c是材料中的光速。可見，量子效率正比于靈敏度而反比于波長。第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日五、通量閾Pth