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1、第四章第四章 光波的探测与解调光波的探测与解调14.14.1光子探测方法光子探测方法4.1.14.1.1光子探测机理的分类光子探测机理的分类 把被调制的光信号转换成电信号并将信息把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。提取出来的技术。光探测过程可以形象地称为光频解调，光光探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。量的物理量的器件。1、光电探测技术、光电探测技术22 2、光探测器的发展历史、光探测器的发展历史n18731873年，英国的年，英国的SmithSmith和和MayMay在大西洋横断海
2、底电信局所进行的实验在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的中发现，当光照射到用作电阻的sese棒后，其电阻值约改变棒后，其电阻值约改变3030；n同年同年SimensSimens将铂金绕在这种将铂金绕在这种sese棒上，制成了第一个光电池；棒上，制成了第一个光电池；n18881888年，德国的年，德国的HallwachsHallwachs在作在作HertzHertz的电磁波实验中，发现光照射的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射；到金属表面上会引起电子发射；n19091909年，年，RichtmeyerRichtmeyer发现，封入真空中的发现，封入真空中
3、的NaNa光电阴极所发射的电子光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；n接着美国的接着美国的ZworkynZworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于管，并于19331933年发明了光电摄像管；年发明了光电摄像管；n19501950年，美国的年，美国的WeimerWeimer等人研制出光导摄像管；等人研制出光导摄像管；n19701970年，年，BoyleBoyle等人发明了等人发明了CCDCCD（电荷耦合器件）。（电荷耦合器件）。3n按光按光电相互作用分类电相互
4、作用分类3 3、探测机理及其分类、探测机理及其分类n按响应区域分类按响应区域分类光子直接对电子光子直接对电子产生扰动产生扰动温升使材料的某些温升使材料的某些特性发生变化特性发生变化 电磁场对材料的扰电磁场对材料的扰动所引起材料某些动所引起材料某些内特性发生变化内特性发生变化 输出信号是敏感输出信号是敏感区域的平均值区域的平均值 对敏感区域的空间对敏感区域的空间变化所产生的响应变化所产生的响应 44 4、光电效应、光电效应n 光光照照射射到到物物体体上上使使物物体体发发射射电电子子，或或电电导导率率发发生生变变化化，或或产产生生电电动动势势，这这些些因因光光照照引引起起物物体体电电学学特特性性改
5、改变变的的现现象象，统称为统称为光电效应光电效应。n内内光光电电效效应应光光子子激激发发的的载载流流子子(电电子子或或空空穴穴)将将保保留留在材料内部。在材料内部。n外外光光电电效效应应将将电电子子打打离离材材料料表表面面，外外光光电电效效应应器器件件通常有多个阴极，以获得倍增效果。通常有多个阴极，以获得倍增效果。5外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应n 当当光光照照射射到到金金属属或或金金属属氧氧化化物物的的光光电电材材料料上上时时，光光子子的的能能量量传传给给光光电电材材料料表表面面的的电电子子，如如果果入入射射的的光光能能使使表表面面的的电电子子获获得得足足够够的的能能量量，电电
6、子子就就会会克克服服正正离离子子对对它它的的吸吸引引力力，脱脱离离金金属属表表面面而而进进入入外外界界空空间间，这这种种现现象象称称为为外外光光电电效应效应。外光电效应可用两条基本定律来描述。外光电效应可用两条基本定律来描述 ：n斯托列托夫定律斯托列托夫定律 当当入入射射光光的的频频率率或或频频谱谱成成分分不不变变时时，饱饱和和光光电电流流（单单位时间内反射的光子数目）位时间内反射的光子数目）与入射光的强度成正比。与入射光的强度成正比。斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。6外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应n爱因斯坦定律爱因斯坦
7、定律如如果果发发射射体体内内电电子子吸吸收收的的光光子子能能量量大大于于发发射射体体表表面面逸逸出出功功，则则电电子子将将以以一一定定的的速速度度从从发发射射体体表表面面发发射射，光光电电子子离离开开发发射射体体表表面面时时的的初初动动能能随随入入射射光光的的频频率率线线性增长，与入射光的强度无关。性增长，与入射光的强度无关。光电效应方程：光电效应方程：入射光子入射光子能量能量电子的电子的动能动能逸出功逸出功该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光电发射。逸出功，才能发生光电发射。00为产生光电发射的最低
8、频率，即该频为产生光电发射的最低频率，即该频率与材料的属性有关，与入射光强无关。率与材料的属性有关，与入射光强无关。逸出功逸出功7密立根密立根 (美国美国,1868-1953),1868-1953)罗伯特密立根生于罗伯特密立根生于18681868年，童年的大部分年，童年的大部分时间在农村度过，年仅时间在农村度过，年仅1414岁就开始赚取自己的岁就开始赚取自己的面包，后于面包，后于18861886年进入奥柏林大学。两年后他年进入奥柏林大学。两年后他才选修了物理课，并认为那是才选修了物理课，并认为那是“一个彻底的失一个彻底的失败败”。19081908年，年，密立根密立根4040岁，还只是一个岁，还
9、只是一个副教授，而当时美国物理学者获得教授职位的副教授，而当时美国物理学者获得教授职位的平均年纪只有平均年纪只有3232岁。他确定了两个人生目标：岁。他确定了两个人生目标：一是进入物理学的名人堂，一是进入物理学的名人堂，“留下的时间已经留下的时间已经不多了不多了”；二是将余生奉献给自己钟爱的教育；二是将余生奉献给自己钟爱的教育事业。事业。从从19091909年到年到19171917年，密立根完成了年，密立根完成了漫长而艰苦的油滴实验漫长而艰苦的油滴实验最著名的物理实验最著名的物理实验之一。之一。这一杰出工作以及光电效应的相关这一杰出工作以及光电效应的相关贡献为他赢得了贡献为他赢得了192319
10、23年的诺贝尔物理学奖，成年的诺贝尔物理学奖，成为有史以来第二位得奖的美国物理学家。为有史以来第二位得奖的美国物理学家。8爱因斯坦定律爱因斯坦定律n入入射射光光波波长长大大于于截截止止波波长长时时，无无论论光光强强有有多多大大、照照射射时时间间多多长长，都都不不会会有有光光电电子子发发射射。光光电发射大致可分为三个过程：电发射大致可分为三个过程：n光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；n受受激激电电子子从从受受激激处处出出发发，向向表表面面运运动动，其其间间必必然然要要同同其其他他电电子子或或晶晶格格发生碰撞而失
11、去部分能量；发生碰撞而失去部分能量；n到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。外光电效应外光电效应9爱因斯坦定律爱因斯坦定律n由此得到光电发射对阴极材料的要求由此得到光电发射对阴极材料的要求：对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；电电导导率率好好，以以便便能能够够通通过过外外电电源源来来补补充充光光电电发发射
12、射失失去去的电子。的电子。外光电效应外光电效应10光电倍增管光电倍增管n今今天天我我们们使使用用的的光光电电器器件件中中，光光电电倍倍增增管管（PMTPMT）是是一一种种具具有有极极高高灵灵敏敏度度和和超超快快时时间间响响应应的的光光探探测测器器件件。典典型型的的光光电电倍倍增增管管如如图图所所示示，在在真真空空管管中中，包包括括光光电电发发射射阴阴极极（光光阴阴极极）和和聚聚焦焦电电极极、电电子子倍倍增增极极和和电电子子收收集集极极（阳阳极极）的器件。的器件。n当当光光照照射射光光阴阴极极，光光阴阴极极向向真真空空中中激激发发出出光光电电子子。这这些些光光电电子子按按聚聚焦焦极极电电场场进进
13、入入倍倍增增系系统统，通通过过进进一一步步的的二二次次发发射射得得到到倍倍增增放放大大。放放大后的电子被阳极收集作为信号输出。大后的电子被阳极收集作为信号输出。外光电效应外光电效应11光电倍增管光电倍增管(1)光电倍增管利用光电倍增管利用外光电效应原理外光电效应原理制成。制成。(2)结构结构外光电效应外光电效应12光电倍增管光电倍增管外光电效应外光电效应13光电倍增管的结构光电倍增管的结构n一一般般端端窗窗型型（Head-on）和和侧侧窗窗型型（Side-on）结结构构的的光光电电倍倍增增管管都都有有一一个个光光阴阴极极。侧侧窗窗型型的的光光电电倍倍增增管管，从从玻玻璃璃壳壳的的侧侧面面接接收
14、收入入射射光光，而而端端窗窗型型光光电电倍倍增增管管是是从从玻玻璃璃壳壳的的顶顶部部接接收收入入射射光光。通通常常情情况况下下，侧侧窗窗型型光光电电倍倍增增管管价价格格较较便便宜宜，并并在在分分光光光光度度计计和和通通常常的的光光度度测测定定方方面面有有广广泛泛的的使使用用。大大部部分分的的侧侧窗窗型型光光电电倍倍增增管管使使用用了了不不透透明明光光阴阴极极（反反射射式式光光阴阴极极）和和环环形形聚聚焦焦型型电电子子倍倍增增极极结结构构，这这使使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。n端端窗窗型型（也也称称作作顶顶窗窗型型）光光电电倍倍增增管管在在其其入入
15、射射窗窗的的内内表表面面上上沉沉积积了了半半透透明明光光阴阴极极（透透过过式式光光阴阴极极），使使其其具具有有优优于于侧侧窗窗型型的的均均匀匀性性。端端窗窗型型光光电电倍倍增增管管的的特特点点还还包包括括它它拥拥有有从从几几十十平平方方毫毫米米到到几几百百平平方方厘米的光阴极。厘米的光阴极。n端端窗窗型型光光电电倍倍增增管管中中还还有有针针对对高高能能物物理理实实验验用用的的，可可以以广广角角度度捕捕集集入入射射光光的的大大尺尺寸寸半半球球形形光光窗窗的的光电倍增管。光电倍增管。外光电效应外光电效应14光电倍增管光电倍增管外光电效应外光电效应15光电倍增管光电倍增管(3)特点特点n灵敏度高，适
16、宜弱光信号；灵敏度高，适宜弱光信号；n响应时间极短；响应时间极短；n频率特性较好频率特性较好，频率可达，频率可达106赫或更高；赫或更高；(4)缺点缺点需高压直流电源、价贵体积大、经不需高压直流电源、价贵体积大、经不起机械冲击等。起机械冲击等。外光电效应外光电效应16北京滨松光子北京滨松光子外光电效应外光电效应17光电倍增管应用领域光电倍增管应用领域1 1光谱学光谱学-利用光吸收原理利用光吸收原理应用领域应用领域光电倍增管特性光电倍增管特性紫外紫外/可见可见/近红外分光光度计近红外分光光度计光通过物质时使物质的电子状态发生变光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，叫做吸收。利用吸
17、收化，而失去部分能量，叫做吸收。利用吸收进行定量分析。为确定样品物质的量，采用进行定量分析。为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质程度，计算出物质的量。得到被测物质程度，计算出物质的量。1.宽光谱响应宽光谱响应2.高稳定性高稳定性3.低暗电流低暗电流4.高量子效率高量子效率5.低滞后效应低滞后效应6.较好偏光特性较好偏光特性原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计广泛地应用于微量金属元素的分析。对广泛地应用于微量金属元素的分析。对应于分析的各种元素，
18、需要专用的元素灯，应于分析的各种元素，需要专用的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准样品比较。与预先得到的标准样品比较。外光电效应外光电效应18光电倍增管应用领域光电倍增管应用领域2 2利用发光原理利用发光原理应用领域应用领域光电倍增管特性光电倍增管特性发光分光光度计发光分光光度计样品接受外部照射光的能量会产生发光，利用单色器将这种光的样品接受外部照射光的能量会产生发光，利用单色器将这种光的特征光谱线显示出来，用光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其特征光
19、谱线显示出来，用光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素。强度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素。1.高灵敏度高灵敏度2.高稳定性高稳定性3.低暗电流低暗电流荧光分光光度计荧光分光光度计荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物学原理。物质受荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这种光称为荧光。用光电倍增管检测荧到光照射，发射长波的发光，这种光称为荧光。用光电倍增管检测荧光的强度及光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。光的强度及光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。拉曼分光光度计
20、拉曼分光光度计用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中，只有物质特有量的用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中，只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物不同波长光混合在里面。这种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要质进行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用单光子计数法。复杂的光路系统，并且采用单光子计数法。1.高量子效率高量子效率2.低暗电流低暗电流3.单光子分辨能单光子分辨能力力其它其它液相或气相色谱液相或气相色谱X光衍射仪，光衍射仪，X光荧光分析光荧光分析电
21、子显微镜电子显微镜外光电效应外光电效应19光电倍增管应用领域光电倍增管应用领域3 3环境监测环境监测应用领域应用领域光电倍增管特性光电倍增管特性尘埃粒子计数器尘埃粒子计数器尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮的粉尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮的粉尘或粒子的密度。它利用了尘埃粒子对光的散乱或尘或粒子的密度。它利用了尘埃粒子对光的散乱或射线的吸收原理。射线的吸收原理。1.低暗噪声低暗噪声2.低毛刺噪声低毛刺噪声3.高量子效率高量子效率浊度计浊度计当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸收、当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸收、折射。对人的眼睛来看是模糊的，而浊度计正是利用折射。对人的眼
22、睛来看是模糊的，而浊度计正是利用了光的透过折射和散射原理，并用数据来表示的装置。了光的透过折射和散射原理，并用数据来表示的装置。1.低暗电流低暗电流2.低峰值噪声低峰值噪声3.高量子效率高量子效率其它其它NOX、SOX检测检测1.相关波长处高量相关波长处高量子子效率效率2.低暗电流低暗电流3.良好的温度特性良好的温度特性4.高稳定性高稳定性外光电效应外光电效应20光电倍增管应用领域光电倍增管应用领域4 4生物技术生物技术应用领域应用领域光电倍增管特性光电倍增管特性细胞分类细胞分类细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增
23、用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。1.高量子效率高量子效率2.高稳定性高稳定性3.低暗电流低暗电流4.高电流增益高电流增益5.好的偏振特性好的偏振特性荧光计荧光计细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装置，有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装置，它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、散乱光的荧光光谱、量子效率、偏光、寿命等散乱光的荧光光谱、量子效率、偏光、寿命等进行测定。进行测定。外光电效应外
24、光电效应21内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n光光电电导导效效应应是是光光照照变变化化引引起起半半导导体体材材料料电电导导变变化化的的现现象象。当当光光照照射射到到半半导导体体材材料料时时，材材料料吸吸收收光光子子的的能能量量，使使得得非非传传导导态态电电子子变变为为传传导导态态电电子子，引引起起载载流流子子浓浓度度增增大大，从从而而导导致致材材料料电电导导率率增增大大。这这种种变变化化可可以以通通过过测测量量负负载载电电阻阻两两端端的的电电压压来来观观察察。该该现现象象是是100多多年年来来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象。有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所
25、知的现象。信号信号V负载电阻负载电阻入射光线入射光线+-22内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器。利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器。n2020世世纪纪又又先先后后在在氧氧化化亚亚铜铜、硫硫化化铊铊、硫硫化化镉镉、硫硫化化铅铅等等材材料料中中发发现现光光电电导导效效应应，并并由由此此发发展展了从了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。23内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n光子能量光子能量n红限波长红限波长n光电流光电流当光子波长大于当光子波长大于0 0时，本征型半导体器时，本征型半导体器件将不会出
26、现光电导件将不会出现光电导现象现象通常是多子起作用，少通常是多子起作用，少子由于其寿命相对短得子由于其寿命相对短得多，故对光电流的贡献多，故对光电流的贡献不大。不大。24内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n光光电电导导增增益益G由由自自由由载载流流子子寿寿命命和和渡渡越越时间时间T的比值来决定。的比值来决定。n渡渡越越时时间间T是是指指多多数数载载流流子子穿穿过过器器件件电电极的时间，它由下式决定：极的时间，它由下式决定：式式中中l为为电电极极间间的的距距离离，为为多多数数载载流流子子的的迁迁移移率率，VA为器件所加上的偏压。为器件所加上的偏压。25内光电效应内光电效应光电导效应光电导效
27、应n响应速度响应速度(由多数载流子的寿命决定由多数载流子的寿命决定)频率为时频率为时的的短路电流短路电流频率为时频率为时的的开路电压开路电压由由上上面面两两式式可可知知，低低频频时时光光电电器器件件的的输输出出基基本本上上与与频频率率无无关关；高高频频时则时则与与频频率成反比，率成反比，转转折点定折点定义义在在为为1的频率。的频率。直流短路电流直流短路电流器件开路电压器件开路电压26内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n光光子子在在材材料料中中激激发发出出的的载载流流子子必必须须在在外外加加电电压压（电电场场）作作用用下下方方能能作作空空间间流流动动，对外电路产生贡献。对外电路产生贡献。n
28、这种器件必须加上偏压才能正常工作。这种器件必须加上偏压才能正常工作。27光敏电阻光敏电阻(1)(1)结构结构内光电效应内光电效应28光敏电阻光敏电阻(2)(2)优点优点n光谱响应相当宽光谱响应相当宽;光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏域域可可在在紫紫外外光光区区，可可见见光光区区，也可在红外区和远红外区。也可在红外区和远红外区。n所测的光强范围宽所测的光强范围宽;n使用方便，成本低，稳定性高，寿命长使用方便，成本低，稳定性高，寿命长;n灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。(3)(3)不足不足n在强光照射下线性较差，频率特性也较差。在强光照射下线性较差，频率特性也较差。
29、内光电效应内光电效应29光敏电阻光敏电阻内光电效应内光电效应30光电导摄像管光电导摄像管(1)基本原理基本原理光光电电导导摄摄像像管管的的结结构构如如图图所所示示。它它主主要要由由光光敏敏靶靶和和电电子子枪枪两两部部分分组组成成。光光敏敏靶靶是是由由光光敏敏半半导导体体材材料料制制成成的的。景景物物通通过过光光学学系系统统在在摄摄像像管管光光敏敏靶靶上上成成像像。由由于于光光像像各各部部分分的的亮亮度度不不同同。靶靶上上各各相相应应部部分分的的电电导导率率发发生生了了相相应应变变化化，与与亮亮像像素素对对应应的的靶靶单单元元的的电电导导较较大大。与与暗暗像像素素对对应应的的靶靶单单元元电电导导
30、较较小小，于于是是将将景景物物各各像像素素亮亮度度不不同同变变成成了了靶靶面面上上各各单元的电导不同，光像变成了单元的电导不同，光像变成了“电像电像”。内光电效应内光电效应31光电导摄像管光电导摄像管(2)组成：组成：电子枪电子枪偏转线圈偏转线圈光电导靶面光电导靶面内光电效应内光电效应32电子枪电子枪电电子子枪枪的的任任务务是是发发射射电电子子束束，它它由由灯灯丝丝J、阴阴极极K、栅栅极极G及及加加速速聚聚焦焦阳阳极极A1、A2等等组组成成。电电子子束束在在聚聚焦焦线线圈圈和和偏偏转转线线圈圈产产生生的的磁磁场场的的联联合合作作用用下下，以以聚聚焦焦状状态态按按一一定定规规律律(即即从从左左到
31、到右右、从从上上到到下下一一行行一一行行)扫扫描描靶靶上上各各点点。当当电电子子束束接接触触到到靶靶面面某某点点时时，使使电电子子枪枪阴阴极极与与信信号号板板、负负载载RL和和电电源源E构构成成一一个个回回路路，在在负负载载RL中中就就有有电电流流流流过过，电电流流大大小小取取决决于于光光敏敏靶靶该该点点电电导导率率的的大大小小。因因此此，当当电电子子束束按按一一定定规规律律在在靶靶面面上上扫扫描描时时，便便在在负负载载上上依依次次得得到到与与景景物物各各点点亮亮度度相相对对应应的的电电信信号号，完完成成了了将将图图像像分分解为像素以及把各像素按顺序转变为相应电信号的光电转换过程。解为像素以及
32、把各像素按顺序转变为相应电信号的光电转换过程。光电导摄像管光电导摄像管内光电效应内光电效应33光光电电导导靶靶面面是是由由无无数数个个光光电电导导像像素素单单元元组组成成，每每个个光光电电导导像像素素单单元元可可以以等等效效为为一一个个电电阻阻和和一一个个电电容容并并联联的的电电路路，其其电电阻阻值值和和电电容容值值为：为：光电导靶面光电导靶面内光电效应内光电效应34当当阴阴极极发发射射的的电电子子接接通通某某一一像像素素时时，该该像像素素单单元元的的电电容容C0就就立立即即被被充充电电到到靶靶电电源源的的电电压压，当当电电子子束束离离开开该该像像素素单单元元时时，电电容容便便通通过过该该单单
33、元元的的等等效效电电阻阻R0放放电，放电时电容两端电压为：电，放电时电容两端电压为：光电导靶面的工作原理光电导靶面的工作原理内光电效应内光电效应35第一种情况第一种情况无无光光照照时时。在在一一帧帧时时间间内内电电子子束束扫扫描描完完各各个个点点，使使这这些些点点为为低低电电位位后后，C0充充满满电电，由由于于电电容容放放电电时时间间 R0C00.53秒秒，远远大大于于一一帧帧的的扫扫描描时时间间0.04秒秒，故故电电容容几几乎乎没没有有放放电电，当当第第二二次次扫扫描描时时，无无充充电电电电流流流流过过RS，B点点电电位位 ET，这这时时无视频信号输出。无视频信号输出。36第二种情况第二种情
34、况有有光光照照时时。当当有有光光照照射射在在靶靶面面上上时时，R0随随光光强强的的大大小小而而变变化化，扫扫描描后后C0放放电电时时间间变变化化，光光越越强强，R0越越小小，放放电电越越快快，在在下下一一次次电电子子束束扫扫描描该该像像素素时时所所补补充充的的电电荷荷就就越越多多，就就会会有有较较大大的的电电流流流流过过负负载载电电阻阻RS而而产产生生较较大大的的信信号号电电压压输输出出，负负极极性性视视频信号反映了图像的明暗程度。频信号反映了图像的明暗程度。37第三种情况第三种情况光光照照均均匀匀时时。当当光光照照均均匀匀无无起起伏伏时时，R0不不变变，输出为直流分量，直流量反映了平均照度。
35、输出为直流分量，直流量反映了平均照度。由由此此可可见见，只只有有电电子子束束按按全全电电视视信信号号的的要要求求对对靶靶面面进进行行扫扫描描，就就可可在在输输出出端端得得到到视视频频信信号号，将将视视频频信信号号加加上上消消隐隐信信号号和和同同步步信信号号，就就形形成成了了全全电电视视信信号号，就就可可送送入入电电视视机机进进行行逆逆过过程程变变换换，形形成成一一幅幅幅幅电电视视图图像像，也也可可送送入入录录像像机机用用磁磁带带保保存全电视信号。存全电视信号。38内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应n光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同
36、部位之间产生电位差的现象。产生这组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡层的存在引起的势垒型光伏效应。层的存在引起的势垒型光伏效应。结区结区pn+-E光光iu短路光电短路光电流流开路光电开路光电压压光电流光电流反向饱和电流反向饱和电流暗电流暗电流39内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应n光伏效应光伏效应n载流子的激发载流子的激发光子光子n载流子的分离载流子的分离内建电场内建电场n光电流：光电流：IdId暗暗电电流流，IsIs为为无无光光照照射射时时的的反反向向饱饱和和电电流流，V V为为施施加加在在器器件件上
37、上的的电电压压(正正向为正，反向为负向为正，反向为负)，k k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，为近似为为近似为1 1的常数，的常数，T T为绝对温度。为绝对温度。40内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应n光伏器件的电流电压特性（光伏器件的电流电压特性（5-5）对应的工作模式：开路、短路、反偏（光电导对应的工作模式：开路、短路、反偏（光电导工作模式）、正偏。工作模式）、正偏。41内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应光伏器件工作模式光伏器件工作模式光电信号光电信号入射光入射光开路开路V负载负载电阻电阻+-光电信号光电信号反向偏压反向偏压入射光入射光光电导效应和光伏效应的区别光电导效应和光伏效应的区
38、别前者必须在外加偏压下才能正常工作前者必须在外加偏压下才能正常工作光伏效应则可以不加偏压，其开路电压就反映了光辐射的信号，但光光伏效应则可以不加偏压，其开路电压就反映了光辐射的信号，但光伏效应器件通常工作在伏效应器件通常工作在反偏状态，即给器件加上反向电压，其反向电反偏状态，即给器件加上反向电压，其反向电流即为光电流，此时可以说器件工作在光电导模式下。流即为光电流，此时可以说器件工作在光电导模式下。42光伏器件光伏器件n光电池光电池n光敏二极管光敏二极管n光敏三极管光敏三极管内光电效应内光电效应43光电池光电池（1）原理与结构）原理与结构内光电效应内光电效应44光电池光电池（2）特性：）特性：
39、n波长范围波长范围:硅光电池为硅光电池为4001100nm，峰值波长在峰值波长在850nm附近；附近；n灵敏度：灵敏度：硅光电池为硅光电池为6-8毫安流明；毫安流明；n可靠性好，寿命也较长；可靠性好，寿命也较长；n体积小。体积小。内光电效应内光电效应45硅光电池硅光电池内光电效应内光电效应46光敏二极管光敏二极管n(1)结构结构内光电效应内光电效应47光敏二极管光敏二极管n光光敏敏二二极极管管是是利利用用硅硅结结受受光光照照后后产产生生光光电电流流的的一一种种光光电电器器件件。光光敏敏二二极极管管的的电电路路符符号号、外外形形见见图图所所示示。其其封封装装有有金金封封和和塑塑封封两两种种（即即
40、圆圆柱柱形形和和扁扁方方形形）。有有的的光光敏敏二二极极管管为为了了提提高高其其稳稳定定性性，还还外外加加了了一一个个屏屏蔽蔽接接地地脚脚，外外形形似似光光敏敏三三极极管管。光光敏敏二二极极管管工工作作于于反反向向偏偏压压，其其光光谱谱响响应应特特性性主主要要由由半半导导体体材材料料中中所所掺掺的的杂杂质质浓浓度度所所决决定定。同同一一型型号号的的光光敏敏二二极极管管在在一一定定的的反反偏偏电电压压、相相同同强强度度和和不不同同波波长长的的入入射射光光照照射射下下，产产生生的的光光电电流流并并不不相相同同，但但有有一一最最大大值值。不不同同型型号号的的光光敏敏二二极极管管在在同同一一反反偏偏电
41、电压压、同同一一强强度度的的入入射射光光照照射射下下，所所产产生生的的光光电电流流最最大大值值也也不不相相同同，且且光光电电流流最最大大值值所所对对应应的的入入射射光光的的波长也不相同。波长也不相同。内光电效应内光电效应48光敏二极管光敏二极管n图图的的曲曲线线、分分别别是是光光敏敏二二极极管管、的的光光谱谱响响应应特特性性曲曲线线。由由图图可可看看出出，它它们们的的光光电电流流的的最最大大值值分分别别在在可可见见光光区区和和红红外外线线区区，其其中中二二极极管管的的光谱响应值最大。光谱响应值最大。n由由于于光光敏敏二二极极管管的的基基本本结结构构也也是是一一个个结结，故故其其检检测测方方法法
42、也也与与普普通通二二极极管管相相同同，其其测测得得的的正正、反反向向电电阻阻也也类类似似于于普普通通二二极极管管，但但在在测测反反向向电电阻阻遇遇光光照照时时，阻值会明显减小，否则说明管子已损坏。阻值会明显减小，否则说明管子已损坏。内光电效应内光电效应49光敏二极管光敏二极管n图图是是用用光光敏敏二二极极管管构构成成的的路路灯灯自自动动控控制制电电路路。其其原原理理是是：白白天天受受光光照照时时光光敏敏二二极极管管反反向向电电阻阻减减小小，足足以以使使三三级级管管（BG2）饱饱和和导导通通的的电电流流注注入入复复合合管管基基极极，于于是是BG饱饱和和导导通通继继电电器器J1得得电电常常闭闭触触
43、头头J1被被吸吸下下路路灯灯供供电电回回路路被被切切断断灯灯泡泡熄熄灭灭。天天黑黑时时因因光光照照很很小小光光敏敏二二极极管管SR反反向向电电阻阻大大增增BG2退退出出饱饱和和而而截截止止J1失失电电常常闭闭触触头头复复位位电电灯供电回路接通灯供电回路接通路灯点亮。路灯点亮。内光电效应内光电效应50复复习习n n外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应n n相应器件：光电倍增管相应器件：光电倍增管相应器件：光电倍增管相应器件：光电倍增管n n内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应n n相应器件：光敏电阻、光电导摄像管相应器件：光敏电阻、光电导摄像管相应器件：光敏电阻、光电导摄像管相应器件
44、：光敏电阻、光电导摄像管n内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应n n相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管51PIN光敏二极管光敏二极管n特点特点1、最最大大的的特特点点是是频频带带宽宽。在在P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体之之间间夹夹着着一一层层（相相对对）很很厚厚的的本本征征半半导导体体（I层层）。这这样样，P-N结结的的内内电电场场就就基基本本上上全全集集中中于于I层层中中，从从而而使使P-N结结空空间间电电荷荷层层的的间间距距加加宽宽，因因此此结结电电容容变
45、变小小。相相应应时间变短，频带变宽。时间变短，频带变宽。2、管管子子的的线线性性输输出出范范围围很很宽宽。因因为为I层层（相相对对）很很厚厚，在在反反偏偏压压下下运用可承受较高的反向电压。运用可承受较高的反向电压。不不足足：I层层电电阻阻很很大大，管管子子的的输输出出电电流小，一般为零点几流小，一般为零点几AA至数至数AA。52PIN光敏二极管的光电转换原理光敏二极管的光电转换原理53雪崩光敏二极管（雪崩光敏二极管（APD）雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管是是利利用用P-NP-N结结在在高高反反向向电电压压下下产产生生的的雪雪崩崩效效应应来来工工作作的的一一种种光光伏伏器器件件。它它具具有有响响应
46、应度度高高，响响应应速速度度快快的的特特点点，通通常常工工作作在在很很高高的的反反偏偏状状态态100100200V200V，接接近近于于反反向向击击穿穿电电压压。当当电电压压等等于于反反向向击击穿穿电电压压时时，电电流流增增益益可可达达10106 6，即即产产生生所所谓谓的的自自持持雪雪崩崩。频频率率响响应应很很高高，带带宽宽可可达达100GHz100GHz。是是目目前前响响应应最最快快的的一一种种光光敏敏二二极极管管。适适用用于于光光纤纤通信、激光测距及其他微弱光的探测等。通信、激光测距及其他微弱光的探测等。n 原理：原理：根据光电效应，当光入射到根据光电效应，当光入射到PN结时，结时，光子
47、被吸收而产生电子光子被吸收而产生电子空穴对空穴对如如果电压增加到使电场达到果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子以上，初始电子(一次电子一次电子)在高电场区获得足够在高电场区获得足够能量而加速运动能量而加速运动高速运动的电子和晶格原子相碰撞，高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子使晶格原子电离，产生新的电子空穴对空穴对新产生的二次电子再次和原子碰撞新产生的二次电子再次和原子碰撞如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增流子雪崩式倍增，见图。，见图。54雪崩光敏二极管（雪崩光敏二极管（APD）n雪崩光敏二极管雪崩光敏二极
48、管频频率率响响应应很很高高，带带宽宽可可达达100GHz。是是目目前前响响应应最最快快的的一一种种光光敏敏二二极极管管。适适用用于于光光纤纤通通信信、激激光光测距及其他微弱光的探测等。测距及其他微弱光的探测等。n光敏二极管阵列光敏二极管阵列将将光光敏敏二二极极管管以以线线列列或或面面阵阵形形式式集集合合在在一一起起，用用来来同同时时探探测测被被测测物物体体各各部部位位提提供供的的不不同同光光信信息息，并并 将将 这这 些些 信信 息息 转转 换换 为为 电电 信信 号号 的的 器器 件件。http:/ 5、热释电效应热释电效应 n热热释释电电效效应应指指的的是是某某些些晶晶体体的的电电极极化化
49、强强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。n基基于于该该效效应应制制成成的的光光电电转转换换器器件件有有红红外外探探测测器器，热热电电激激光光量量热热计计，夜夜视视仪仪以以及及各各种种光谱光谱仪仪接收器等。接收器等。60热释电探测器热释电探测器n结构结构61热释电探测器工作原理热释电探测器工作原理n器器件件吸吸收收入入射射辐辐射射功功率率产产生生温温升升，温温升升引引起起材材料料某某种种有有赖赖于于温温度度的的参参量量的的变变化化，检检测测该该变变化化，可可以以探探知知辐辐射射的的存存在在和和强强弱弱。这这一一过过程程比较缓慢，因此一般热电探测器件的响应时
50、间多为比较缓慢，因此一般热电探测器件的响应时间多为msms量级。量级。n热热释释电电器器件件相相当当于于一一个个以以热热电电晶晶体体为为电电介介质质的的平平板板电电容容器器。入入射射辐辐射射可可引引起起电电容容器器电电容容的的变变化化，因因此此，可可利利用用这这一一特特性性来来探探测测变变化化的的辐射。辐射。对光辐射的转换过程：对光辐射的转换过程：第第一一步步按按系系统统的的热热力力学学特特性性来来确确定定入入射射辐辐射射所所引引起的温度升高；起的温度升高；第第二二步步探探测测器器件件因因温温升升引引起起器器件件物物理理特特性性的的变变化化而输出各种电信号。而输出各种电信号。62热释电探测器的