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1、光辐射的探测技术光电探测器的物理效应现在学习的是第1页，共38页什么是光电探测器？凡事能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件，都叫做光探测器。凡事把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器，都称为光电探测器。光电探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应光子效应和光热效应。现在学习的是第2页，共38页4.1.1 光子效应和光热效应光子效应：光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。 探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。光子效应对光波频率表现出选择性：Eh，在光子直接与电子相互作用的情
2、况下，其响应速度一般比较快。现在学习的是第3页，共38页光热效应光热效应：不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。 光热效应和光子效应完全不同，光热效应与单光子能量h的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。 在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。 因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。 热释电效应热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得
3、日益广泛的应用。现在学习的是第4页，共38页4.1.2光电发射效应什么是光电发射效应？ 在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象，称为光电发射效应。能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体，在光电管中又称为光阴极。现在学习的是第5页，共38页爱因斯坦方程：物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子的能量h大于发射体的功函数E的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。 是电子离开发射体表面时的动能。光电发射效应发生的条件为 截止频率 截止波长EhEk221mEkchEcEhc)(24. 1)(evEmc)(1240)(evEnmc现在学习的是第6页，共38页E小的发射体，才能
4、对波长较长的光辐射产生光电发射效应。现在学习的是第7页，共38页4.1.3 光电导效应光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。金属导电机构：金属导电机构： 金属原子形成晶体时产生了大量的自由电子，自由电子浓度n是个常量，不受外界因素影响。现在学习的是第8页，共38页半导体导电机构：半导体导电机构： 0 k ：导电载流子浓度为0。 0 k：由于热激发而不断产生热生载流子（电子和空穴），它在扩散过程中又受到复合作用而消失。 热平衡下：产生=消失，即np =ni2。n热平衡的电子浓度，其平均寿命为np热平衡的空穴浓度，其平均寿命为pni相应温度下本征半导体中的本征热生载流子浓度。 说
5、明在n型或p型半导体中，一种浓度增大，另一种浓度减少，但绝对不会减少到0。现在学习的是第9页，共38页外电场外电场E作用下，作用下，载流子产生漂移运动。载流子迁移率为电导率为电导G：电阻Rd：)(1cmepenpn漂移速度与电场之比)/(u2sVcmlEnnn)/(u2sVcmlEppp表示载流子的漂移运动效果)(1lAG)(AlAlRd现在学习的是第10页，共38页什么是光电导？当光辐射照射外加电压的半导体，如果满足 光子将激发出新的载流子（n和p）。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量n和p。这个新增加的部分在半导体物理中叫非非平衡载流子平衡载流子，现在又称为光生载流子。杂
6、质）本征()(24.1)()(24.1)(eVEeVEmigc现在学习的是第11页，共38页对本征情况，对本征情况，显然， n和p将使半导体的电导增加一个量G，称为光电导光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导。nAlNnpAlNpN光照每秒钟产生的电子-空穴对数；n和 p分别为电子和空穴的平衡寿命。现在学习的是第12页，共38页)()(2ppnnpnleNlApnelAGeN光辐射每秒钟激发的电荷量。由于G的增量将使外回路电流产生增量i，即)(uu2ppnnleNGiV-外电压。所以，i不等于eN，于是有)(u2ppnnleNiMM光电导体的电流增益。光电导体的电流增益。现在
7、学习的是第13页，共38页以N型半导体为例tn渡越时间渡越时间，表示电子在外电场作用下渡越半导体长度 l 所花费的时间。若若tn小于小于n，则，则M1，就有电流增益效果。，就有电流增益效果。nnnnnntlvlM2u现在学习的是第14页，共38页4.1.4 光伏效应 当照射光激发出电子-空穴对时，电势垒的内建电场将把电子内建电场将把电子-空穴对分开空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光伏效应。 pn：内建电场 从n侧指向p侧的内建电场热平衡：零偏状态，没有净电流通过pn结。pn结正向电压偏置（p区接正，n区接负）：有较大的正向电流流过pn结。pn结反向电压偏置（p区接负，n区接正）：有
8、一很小的反向电流通过pn结。反向饱和电反向饱和电流（流（ Is0）。现在学习的是第15页，共38页pn结伏安特性/0(1)beu k Tdsiie零偏时，pn结的电阻R0为000|Busk TduRdiei此时，i=0，所以pn结的开路电压为0。在零偏条件下，如果照射光的波长在零偏条件下，如果照射光的波长满足条件满足条件1.24()()imE eV 那么，无论光照n区或p区，都会激发出光生电子激发出光生电子-空穴对空穴对。现在学习的是第16页，共38页例如光照例如光照p区：区：光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴光生空穴对对p区空穴浓度影响很小区空穴浓度影响很小；光生电子对光生电子对
9、p区的电子浓度影响很大区的电子浓度影响很大，从p区表面向区内自然形成电子扩散趋势。若p区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进pn结，一进入pn结，就被内电场扫向n区。这样，光生电子光生电子-空穴空穴对就被内电场分离开来对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能量出p区正、区正、n区负区负的开路电压的开路电压u0，称为光生伏特效应光生伏特效应。现在学习的是第17页，共38页如果用一个理想电流表接通pn结，则有电流i0通过，称为短路光电流短路光电流。显然u0=R0i0 综上所述，光照零偏光照零偏pn结产生开路电压结产生开路电压的效应，称为光伏效应。这
10、也是光电池光电池的工作原理。 在光照反偏光照反偏条件下工作时，观测到的光电信号是光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的工作原理。反偏反偏pn结通常称为光电二极管。结通常称为光电二极管。现在学习的是第18页，共38页4.1.5 温差电效应温差电动势：温差电动势：当两种不同的配偶材料两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。回路中就有电流流通。 把冷端分开并与一个电表连接，那么当光照熔接端时，吸收光能使电偶接头温度升高，电表就有相应的电流读数，电流的数值就间接反映了光照能量大小。这就是用热电偶来探测光热电偶来探测光能能的原理。 为了提高测量灵敏度，常将若
11、干个热电偶串联起来使用，称为热电堆热电堆，它在激光能量计中获得应用。现在学习的是第19页，共38页4.1.6 热释电效应 热释电材料是一种电介质、绝缘体、是一种结晶对称性很差的压电晶体，因而在常态下具有固有电偶极常态下具有固有电偶极矩。矩。 面电荷密度 s=|Ps|。 由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的Ps并不大。再加上中和作用，通常觉察不出有面电荷存在。 如果对热电体施加直流电场对热电体施加直流电场，自发极化矢量将趋向于一致排列，总的Ps加大。当电场去掉后，如果总的Ps仍能保持下来，这种热电体有时常称为热电热电-铁电体铁电体。它是实现热释电现象的理想材料。现在学习的是第20页，共3
12、8页热释电现象：热释电现象： | Ps|值是温度的函数。温度升高，| Ps|减小。升高到Tc值时，自发极化突然消失，Tc称为居里温度。在Tc温度以下，才有热释电现象。 当强度变化的光照射热电体时，热电体的温度发生变化， Ps也发生变化，面电荷从原来的平衡值跟着发生变化。 在来不及中和之前，热电体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，这就是热释电现象。现在学习的是第21页，共38页 若把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表，这个电流称为短路热释电流短路热释电流，如果极板面积为A，则电流为ssdPdPdTdTiAAAdtdTdtdt=dPs/dT热释电
13、系数。 热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。现在学习的是第22页，共38页4.1.7 光电转换定律光电转换光电转换：把光辐射量转换为光电流量的过程。光通量光通量：即光功率，P（t）可以理解为光子流，光子能量h是光能量E的基本单元。光电流光电流：光生电荷Q的时变量，电荷e是光生电荷的基本单元。( )dndEP thdtdt光( )dndQi tedtdt电n光和n电分别为光子和电子数。现在学习的是第23页，共38页( )( )i tDP tD探测器的光电转换因子光电转换因子。( )dndEP thdtdt光( )d nd Qi ted td t电heDdt光电dndtdn探测器的量子效率探测
14、器的量子效率，它表示探测器吸收的光子数和激发的电子数之比。现在学习的是第24页，共38页heD( )( )i tDP t( )( )ei tP th现在学习的是第25页，共38页（1）光电探测器对入射功率有响应，响应量是光电流。因此，一个光子探测器可视为一个电流源。（2）因为光功率P正比于光电场的平方，故把光电探测器称为平方律探测器。或者说，光电探测器本质上一个非线性器件。( )( )ei tP th光电转换定律光电转换定律：现在学习的是第26页，共38页4.2 光电探测器的 性能参数现在学习的是第27页，共38页一、积分灵敏度一、积分灵敏度R灵敏度也常称作响应度，它是光电探灵敏度也常称作响应
15、度，它是光电探测器光电转换特性的量度。测器光电转换特性的量度。 光电流光电流 （或光电压（或光电压u）和入射光功率）和入射光功率P之间的关系之间的关系 称为探测器的光电特性称为探测器的光电特性。i)(Pfi 现在学习的是第28页，共38页灵敏度灵敏度R定义为这个曲线的斜率：定义为这个曲线的斜率：)/()(WAPidPdiRi线性区内)/()(WVPudPduRu线性区内Ri电流灵敏度（积分电流灵敏度）Ru电压灵敏度（积分电压灵敏度） P分布在某一光谱范围内的总功率。现在学习的是第29页，共38页二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R dPdiR定义：相对光谱灵敏度： mRRs/光电探测器和入射光功率的
16、光谱匹配非常重要。光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要。如果是R是常数，则相应的探测器为无选择性探测器，如：光热探测器；反之，则为选择性探测器，如光子探测器。RmR是指 的最大值，对应的波长称为峰值波长。P波长可变的光功率谱密度。现在学习的是第30页，共38页三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf（响应频率 fc 和响应时间 ） 如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流 if 将随调制频率 f 的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf 。 :20)2(1fRRf探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。 ,)2(1,20fiiPiRfff）。截止频率（此时流，频率为零时对
17、应的光电000707. 02/ 2/1:RRRficfcffc i能线性再现能线性再现P的变化。的变化。现在学习的是第31页，共38页i=F（u，P，f） i= F（f）的关系称为光电频率特性光电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。 i= F（P）及曲线称为光电特性光电特性曲线。 i= F（）及曲线称为光谱特性光谱特性曲线。 i= F（u ）及曲线称为伏安特性伏安特性曲线。 当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线中求出。现在学习的是第32页，共38页四、量子效率四、量子效率 iReh光谱量子效率光谱量子效率： iRehc量子效率量子效率表示探测器吸收的光子数和激发的电子数之比。dtdnd
18、tdn光电)()(tPhvetiheD PidPdiRi R宏观描述光电探测器的光电，光谱以及频率特性。 量子效率是对同一个问题的微观-宏观描述。c是材料中的光速。可见，量子效率正比于灵敏度而反比于波长。现在学习的是第33页，共38页五、通量阈五、通量阈Pth和噪声等效功率和噪声等效功率NEP 通量阈通量阈 pth，探测器所能探测的最小光信号功率。)(wRiPinth暗电流或噪声电流：P=0时，i不等于0。记为2 1 2( )nnii信号光功率产生的信号光电流is等于噪声in，则刚刚能探测到光信号存在。现在学习的是第34页，共38页噪声等效功率噪声等效功率NEPNEP单位信噪比时的信号光功率。
19、信噪比SNR定义为：电压信噪比电流信噪比nsnsuuSNRiiSNR)()(1)(1)(wPPPNEPuiSNRsSNRsthNEP越小，表明探测器探测微弱信号的能量越强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。现在学习的是第35页，共38页六、归一化探测度六、归一化探测度D*探测度探测度D D： 1/1WNEPDD值大的探测器表明其探测力高。但实际使用中，发现D值大的探测器其探测力不一定高。原因：探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响很大。定义归一化探测度给出D*值时注明响应波长、光辐射调制频率f及测量带宽f，即D*(, f, f)。D*大的探测器其探测力一定好。大的探测器其探测力一定好。1/ 2(/)DD A fcm HzW现在学习的是第36页，共38页七、其它参量七、其它参量 光电探测器还有其它一些参量，在使用时必须注意到。主要有：光敏面积、探测器电阻、电容、工作电压、工作电流、温度、光照功率范围等。现在学习的是第37页，共38页4.3 光电探测器的噪声现在学习的是第38页，共38页