光電子學(xué)6第六章

1、電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1 1 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院2 2 p光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)就是把被調(diào)制的光就是把被調(diào)制的光 信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并將信息提取出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并將信息提取出 來(lái)的技術(shù)。來(lái)的技術(shù)。 p光探測(cè)器光探測(cè)器指就是將光輻射能量轉(zhuǎn)指就是將光輻射能量轉(zhuǎn) 換為一種便于測(cè)量的物理量的器件。換為一種便于測(cè)量的物理量的器件。 它是光電探測(cè)技術(shù)的核心器件。它是光電探測(cè)技術(shù)的核心器件。 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程

2、學(xué)院3 3 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 1873年，英國(guó)的年，英國(guó)的smith和和may發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照 射到用作電阻的硒（射到用作電阻的硒（se）棒后，其電阻值）棒后，其電阻值 約改變約改變30。 同年同年simens將鉑金繞在這種硒棒上，制成將鉑金繞在這種硒棒上，制成 了第一個(gè)光電池。了第一個(gè)光電池。 1887年，德國(guó)的赫茲在證明電磁波的實(shí)驗(yàn)?zāi)?，德?guó)的赫茲在證明電磁波的實(shí)驗(yàn) 時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射， 則兩個(gè)小球之間就非常容易產(chǎn)生電火花。則兩個(gè)小球之間就非常容易產(chǎn)生電火花。 1888年，德國(guó)的霍耳瓦克斯證明光照射到年，德

3、國(guó)的霍耳瓦克斯證明光照射到 金屬表面上會(huì)引起電子發(fā)射；金屬表面上會(huì)引起電子發(fā)射； p光探測(cè)器的發(fā)展簡(jiǎn)介光探測(cè)器的發(fā)展簡(jiǎn)介 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院4 4 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 1909年，年，richtmeyer發(fā)現(xiàn)，封入真空中發(fā)現(xiàn)，封入真空中 的的na光電陰極所發(fā)射的電子總數(shù)與照射光電陰極所發(fā)射的電子總數(shù)與照射 的光子數(shù)成正比，奠定了光電管的基礎(chǔ)；的光子數(shù)成正比，奠定了光電管的基礎(chǔ)； 接著美國(guó)的接著美國(guó)的zworkyn研制出各種光電陰研制出各種光電陰 極材料，并制造出了光電倍增管，并于極材料，并制造出了光電倍增管，并于 1933年發(fā)明了光

4、電攝像管；年發(fā)明了光電攝像管； 1950年，美國(guó)的年，美國(guó)的weimer等人研制出光導(dǎo)等人研制出光導(dǎo) 攝像管；攝像管； 1970年，年，boyle等人發(fā)明了等人發(fā)明了ccd（電荷（電荷 耦合器件）。耦合器件）。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院5 5 一一.光電探測(cè)的物理機(jī)理光電探測(cè)的物理機(jī)理 二二.光電探測(cè)器光電探測(cè)器 三三.光探測(cè)器性能參數(shù)光探測(cè)器性能參數(shù) 四四.光電探測(cè)方式光電探測(cè)方式 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院6 6 一一.光電探測(cè)的物理機(jī)理光電探測(cè)的物理機(jī)理 【主要內(nèi)容【主要內(nèi)容】外

5、光電效應(yīng)，內(nèi)光外光電效應(yīng)，內(nèi)光 電效應(yīng)，光熱效應(yīng)電效應(yīng)，光熱效應(yīng) 6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院7 7 根據(jù)電磁波對(duì)材料的影響根據(jù)電磁波對(duì)材料的影響 光電效應(yīng)：光子與電子的直接相互作用。光電效應(yīng)：光子與電子的直接相互作用。 分為：分為： a)a)內(nèi)光電效應(yīng)：發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部?jī)?nèi)光電效應(yīng)：發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部 b)b)外光電效應(yīng)：發(fā)生于物質(zhì)表面外光電效應(yīng)：發(fā)生于物質(zhì)表面 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大

6、學(xué)通信與信息工程學(xué)院8 8 根據(jù)電磁波對(duì)材料的影響根據(jù)電磁波對(duì)材料的影響 光電效應(yīng)：光子與電子的直接相互作用。光電效應(yīng)：光子與電子的直接相互作用。 分為：分為： a)內(nèi)光電效應(yīng)：發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部?jī)?nèi)光電效應(yīng)：發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部 b)外光電效應(yīng)：發(fā)生于物質(zhì)表面外光電效應(yīng)：發(fā)生于物質(zhì)表面 光熱效應(yīng)：物質(zhì)吸收光，引起溫度升高光熱效應(yīng)：物質(zhì)吸收光，引起溫度升高 的一種效應(yīng)。廣泛用于紅外輻射的測(cè)量的一種效應(yīng)。廣泛用于紅外輻射的測(cè)量 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9 9 根據(jù)電磁波對(duì)材料的影響根據(jù)電磁

7、波對(duì)材料的影響 光電效應(yīng)：光子與電子的直接相互作用。光電效應(yīng)：光子與電子的直接相互作用。 分為：分為： a)內(nèi)光電效應(yīng)：發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部?jī)?nèi)光電效應(yīng)：發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部 b)外光電效應(yīng)：發(fā)生于物質(zhì)表面外光電效應(yīng)：發(fā)生于物質(zhì)表面 光熱效應(yīng)：物質(zhì)吸收光，引起溫度升高光熱效應(yīng)：物質(zhì)吸收光，引起溫度升高 的一種效應(yīng)。廣泛用于紅外輻射的測(cè)量。的一種效應(yīng)。廣泛用于紅外輻射的測(cè)量。 波相互作用效應(yīng)：激光與某些敏感材料波相互作用效應(yīng)：激光與某些敏感材料 相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的一些參量效應(yīng)。相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的一些參量效應(yīng)。 包括非線性光學(xué)效應(yīng)與超導(dǎo)量子效應(yīng)等包括非線性光學(xué)效應(yīng)與超導(dǎo)量子效應(yīng)等。 第六章第六章 光電探測(cè)技

8、術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1010 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 【預(yù)備知識(shí)】半導(dǎo)體的光吸收【預(yù)備知識(shí)】半導(dǎo)體的光吸收 半導(dǎo)體的光吸收可分為半導(dǎo)體的光吸收可分為本征吸收本征吸收與與非本征吸非本征吸 收收。本征吸收指電子由帶與帶之間的躍遷所。本征吸收指電子由帶與帶之間的躍遷所 形成的吸收過(guò)程。發(fā)生本征吸收的條件是入形成的吸收過(guò)程。發(fā)生本征吸收的條件是入 射光子能量必須等于或大于禁帶寬度射光子能量必須等于或大于禁帶寬度 ，即，即 g e g ehh 0

9、 (6-1) 圖圖6-1 本征吸本征吸 收示意圖收示意圖 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1111 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 【預(yù)備知識(shí)】半導(dǎo)體的光吸收【預(yù)備知識(shí)】半導(dǎo)體的光吸收 式中式中 是能夠引起本征吸收的最低限度光是能夠引起本征吸收的最低限度光 子能量。利用關(guān)系式子能量。利用關(guān)系式 可得出本征吸可得出本征吸 收長(zhǎng)波限公式收長(zhǎng)波限公式 0 h c )( )( 24. 1 0 m eveg 除本征吸收外，半導(dǎo)體中還存在其它的光吸除本征吸收外，半導(dǎo)體中還存在其它的光吸 收過(guò)程，如激子吸收、自由載流子吸收、雜收

10、過(guò)程，如激子吸收、自由載流子吸收、雜 質(zhì)吸收等，它們統(tǒng)稱為非本征吸收。質(zhì)吸收等，它們統(tǒng)稱為非本征吸收。 (6-2) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1212 p光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率 發(fā)生變化，或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這些因光照引起發(fā)生變化，或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這些因光照引起 物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。 p根據(jù)發(fā)生的部位與性質(zhì)，光電效應(yīng)分為內(nèi)光根據(jù)發(fā)生的部位與性質(zhì)，光電效應(yīng)分為內(nèi)光 電效應(yīng)與外光電效應(yīng)。電效應(yīng)與外光電效應(yīng)。 a)內(nèi)光電效應(yīng)：發(fā)生在材料內(nèi)光電效應(yīng)：發(fā)生在材料內(nèi)部，

11、內(nèi)部，且光子激且光子激 發(fā)的載流子將保留在材料內(nèi)部。發(fā)的載流子將保留在材料內(nèi)部。 b)外光電效應(yīng)：發(fā)生在材料外光電效應(yīng)：發(fā)生在材料表面表面，且光子激，且光子激 發(fā)的電子離開(kāi)材料表面，外光電效應(yīng)器件發(fā)的電子離開(kāi)材料表面，外光電效應(yīng)器件 通常有多個(gè)陰極，以獲得倍增效果。通常有多個(gè)陰極，以獲得倍增效果。 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1313 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 當(dāng)光

12、照射到金屬或金屬氧化物的光電材料當(dāng)光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料 上時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電上時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電 子，如果入射的光能使表面的電子獲得足子，如果入射的光能使表面的電子獲得足 夠的能量，電子就會(huì)克服正離子對(duì)它的吸夠的能量，電子就會(huì)克服正離子對(duì)它的吸 引力，脫離金屬表面而進(jìn)入外界空間，這引力，脫離金屬表面而進(jìn)入外界空間，這 種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)可用。外光電效應(yīng)可用 兩條基本定律來(lái)描述兩條基本定律來(lái)描述 ： 斯托列托夫定律斯托列托夫定律 愛(ài)因斯坦定律愛(ài)因斯坦定律 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 第六章第六章

13、光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1414 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和 光電流（單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）光電流（單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目） 與入射光的強(qiáng)度成與入射光的強(qiáng)度成正比正比。 斯托列托夫定律斯托列托夫定律 psic 式中，式中， 是光電流，是光電流， 是入射到探測(cè)器的光功是入射到探測(cè)器的光功 率，率， 是陰極對(duì)入射光線的靈敏度。是陰極對(duì)入射光線的靈敏度。 c i s p (6-3

14、) 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1515 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 斯托列托夫定律斯托列托夫定律 斯托列托夫定律是光電管、光電倍增管的檢斯托列托夫定律是光電管、光電倍增管的檢 測(cè)基礎(chǔ)。測(cè)基礎(chǔ)。 斯托列托夫定律也可表示為斯托列托夫定律也可表示為 )()(tp h e tic (6-4) 式中，式中， p(t) 是時(shí)刻是時(shí)刻t入射到探測(cè)器上的光功率，入射到探測(cè)器上的光功率， 是探測(cè)器的量子效率。上式也常稱為是探測(cè)器的量子效率。上式也常稱為光電光電

15、轉(zhuǎn)換定律轉(zhuǎn)換定律。 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1616 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 愛(ài)因斯坦定律愛(ài)因斯坦定律 如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射 體表面逸出功，則電子將以一定的速度從發(fā)體表面逸出功，則電子將以一定的速度從發(fā) 射體表面發(fā)射，光電子離開(kāi)發(fā)射體表面時(shí)的射體表面發(fā)射，光電子離開(kāi)發(fā)射體表面時(shí)的 初動(dòng)能隨入射光的頻率線性增長(zhǎng)，與入射光初動(dòng)能隨入射光的頻率線性增長(zhǎng)，與入射光 的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

16、(6-5) ehhhmve 0 2 max2 1 max 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1717 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 愛(ài)因斯坦定律愛(ài)因斯坦定律 如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射 體表面逸出功，則電子將以一定的速度從發(fā)體表面逸出功，則電子將以一定的速度從發(fā) 射體表面發(fā)射，光電子離開(kāi)發(fā)射體表面時(shí)的射體表面發(fā)射，光電子離開(kāi)發(fā)射體表面時(shí)的 初動(dòng)能隨入射光的頻率線性增長(zhǎng)，與入射光初動(dòng)能隨入射光的頻率線性增長(zhǎng)

17、，與入射光 的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。 (6-5) ehhhmve 0 2 max2 1 max 入射光入射光 子能量子能量 逸出功逸出功 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1818 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 6-5式表明，入射光子必須具有足夠的能量，式表明，入射光子必須具有足夠的能量， 也就是說(shuō)也就是說(shuō)至少要等于逸出功至少要等于逸出功，才能發(fā)生光電，才能發(fā)生光電 發(fā)射。發(fā)射。 為產(chǎn)生光電發(fā)射的最低頻率，即該頻為產(chǎn)生光電發(fā)射的最低頻率，即該頻 率與材料

18、的屬性有關(guān)，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。率與材料的屬性有關(guān)，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。 0 ehhhmve 0 2 max2 1 max (6-5) g ehmve-) 2 1 ( max 2 max h eg 據(jù)據(jù)6-5式，可導(dǎo)出外光電效應(yīng)發(fā)生的條件為：式，可導(dǎo)出外光電效應(yīng)發(fā)生的條件為： 截止波長(zhǎng)：截止波長(zhǎng)： )( 24. 1 m ee hc gg c (6-6) (6-7) 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1919 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) p入射光波長(zhǎng)入射光波長(zhǎng)大

19、于大于截止波長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)有多大、截止波長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)有多大、 照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子發(fā)射。光電發(fā)照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子發(fā)射。光電發(fā) 射大致可分為三個(gè)過(guò)程：射大致可分為三個(gè)過(guò)程： 光入射物體后，物體中的電子吸收光子能光入射物體后，物體中的電子吸收光子能 量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)； 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院2020 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) p入射光波長(zhǎng)入射光波長(zhǎng)大于大于截止波長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)有多大、截止波長(zhǎng)時(shí)

20、，無(wú)論光強(qiáng)有多大、 照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子發(fā)射。光電發(fā)照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子發(fā)射。光電發(fā) 射大致可分為三個(gè)過(guò)程：射大致可分為三個(gè)過(guò)程： 光入射物體后，物體中的電子吸收光子能光入射物體后，物體中的電子吸收光子能 量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)； 受激電子從受激處出發(fā)，向表面運(yùn)動(dòng)，其受激電子從受激處出發(fā)，向表面運(yùn)動(dòng)，其 間必然要同其他電子或晶格發(fā)生碰撞而失去間必然要同其他電子或晶格發(fā)生碰撞而失去 部分能量；部分能量； 到達(dá)表面的電子克服表面勢(shì)壘對(duì)其的束縛，到達(dá)表面的電子克服表面勢(shì)壘對(duì)其的束縛， 逸出形成光電子。逸出形成光電子。 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.

21、1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院2121 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) p入射光波長(zhǎng)入射光波長(zhǎng)大于大于截止波長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)有多大、截止波長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)有多大、 照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子發(fā)射。光電發(fā)照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子發(fā)射。光電發(fā) 射大致可分為三個(gè)過(guò)程：射大致可分為三個(gè)過(guò)程： 光入射物體后，物體中的電子吸收光子能光入射物體后，物體中的電子吸收光子能 量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)； 受激電子從受激處出發(fā)，向表面運(yùn)動(dòng)，其受激電子從受激處出發(fā)，向表面運(yùn)動(dòng)，其 間必然要同其

22、他電子或晶格發(fā)生碰撞而失去間必然要同其他電子或晶格發(fā)生碰撞而失去 部分能量；部分能量； 到達(dá)表面的電子克服表面勢(shì)壘對(duì)其的束縛，到達(dá)表面的電子克服表面勢(shì)壘對(duì)其的束縛， 逸出形成光電子逸出形成光電子。 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院2222 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) p由此得到光電發(fā)射對(duì)陰極材料的要求由此得到光電發(fā)射對(duì)陰極材料的要求： 對(duì)光的對(duì)光的吸收大吸收大，以便體內(nèi)有較多的電子受，以便體內(nèi)有較多的電子受 激發(fā)射；激發(fā)射； 電子受電子受激發(fā)生在表面

23、附近激發(fā)生在表面附近，以使碰撞損失，以使碰撞損失 盡量??；盡量?。?材料材料逸出功小逸出功小，以使到達(dá)表面的電子容易，以使到達(dá)表面的電子容易 逸出；逸出； 電導(dǎo)率好電導(dǎo)率好，以便能夠通過(guò)外電源來(lái)補(bǔ)充光，以便能夠通過(guò)外電源來(lái)補(bǔ)充光 電發(fā)射失去的電子。電發(fā)射失去的電子。 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院2323 6-1-1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 金屬的光電發(fā)射金屬的光電發(fā)射 1.金屬反射絕大部分入射的可見(jiàn)光（反射系數(shù)金屬反射絕大部分入射的可見(jiàn)光（反射系數(shù) 大于

24、大于90%），吸收效率低。），吸收效率低。 2.進(jìn)入金屬的電子與金屬中大量自由電子碰撞，進(jìn)入金屬的電子與金屬中大量自由電子碰撞， 能量損失大，因此僅表面附近（幾納米范圍能量損失大，因此僅表面附近（幾納米范圍 內(nèi)）的光電子才有可能克服逸出功（大都大內(nèi)）的光電子才有可能克服逸出功（大都大 于于3 ev）。對(duì)于能量小于）。對(duì)于能量小于3 ev的可見(jiàn)光（波的可見(jiàn)光（波 長(zhǎng)長(zhǎng)413 nm）很難產(chǎn)生光電發(fā)射。）很難產(chǎn)生光電發(fā)射。 3.銫（逸出功銫（逸出功2 ev）對(duì)可見(jiàn)光靈敏，可用于可）對(duì)可見(jiàn)光靈敏，可用于可 見(jiàn)光電極，但其量子效率很低（見(jiàn)光電極，但其量子效率很低（ 表面溢出功表面溢出功 p應(yīng)用：足夠的光

25、強(qiáng)，高速應(yīng)用：足夠的光強(qiáng)，高速-光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān) 主要器件：主要器件： 光電管光電管 光電倍增管光電倍增管 像增強(qiáng)管像增強(qiáng)管 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院7575 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光電管光電管 p原理：光原理：光 陰極陰極 光電子光電子 陽(yáng)極陽(yáng)極 空間電子流空間電子流外接電阻外接電阻 壓降壓降u=f(i) p特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，靈敏度低特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，靈敏度低 圖圖6- 13 光電管基本結(jié)構(gòu)光電管基本結(jié)構(gòu) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院7676 6.

26、2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光電倍增管光電倍增管 圖圖6- 14 光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)光電倍增管的基本結(jié)構(gòu) p原理原理:光光陰極陰極 光電倍增極光電倍增極陽(yáng)陽(yáng) 極極 電流電流 p特點(diǎn)特點(diǎn):光電流大，光電流大， 靈敏度高。靈敏度高。 倍增率倍增率= n， -單極倍增率單極倍增率 n-倍增極數(shù)倍增極數(shù) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院7777 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 像增強(qiáng)管（微光管）像增強(qiáng)管（微光管）

27、圖圖6- 15 靜電聚焦倒像式像增強(qiáng)管靜電聚焦倒像式像增強(qiáng)管 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院7878 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 p像增強(qiáng)管原理像增強(qiáng)管原理: 紅外光紅外光陰極陰極-(光電效應(yīng)光電效應(yīng))光電流光電流電電 子像子像增強(qiáng)的電子像增強(qiáng)的電子像-(電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)) 可見(jiàn)光圖像可見(jiàn)光圖像 p特點(diǎn)特點(diǎn):圖像轉(zhuǎn)變效率高，無(wú)需紅外光源，可圖像轉(zhuǎn)變效率高，無(wú)需紅外光源，可 將可見(jiàn)與不可見(jiàn)光圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光圖像。將可見(jiàn)與不可見(jiàn)光圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光圖像。 p應(yīng)用：應(yīng)用： 科學(xué)研究

28、：生物光學(xué)研究科學(xué)研究：生物光學(xué)研究 醫(yī)學(xué)應(yīng)用：醫(yī)學(xué)應(yīng)用：x射線拍照、射線拍照、 國(guó)防軍工、安全保衛(wèi)：各種夜視儀國(guó)防軍工、安全保衛(wèi)：各種夜視儀 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院7979 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 2.基于內(nèi)光電效應(yīng)的光探測(cè)器基于內(nèi)光電效應(yīng)的光探測(cè)器 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) p原理：原理：光光 半導(dǎo)體半導(dǎo)體電子吸收能量電子吸收能量 躍遷躍遷 電子電子-空穴對(duì)空穴對(duì) p分類：分類： 光電導(dǎo)效應(yīng)：光光電導(dǎo)效應(yīng)：光電子電子-空穴對(duì)空穴對(duì)導(dǎo)電性導(dǎo)電性 電阻電阻 l 器件：光敏電

29、阻、光敏二極管、光敏三極管器件：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管 光伏效應(yīng)：光伏效應(yīng)：光光pn結(jié)結(jié)(無(wú)偏置無(wú)偏置)電子電子 n , 空穴空穴p電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì) l 器件：光電池器件：光電池 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8080 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光電導(dǎo)型器件光電導(dǎo)型器件 利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作的光電探測(cè)器稱為光電導(dǎo)利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作的光電探測(cè)器稱為光電導(dǎo) 型探測(cè)器，這類探測(cè)器在光照下會(huì)改變自身的型探測(cè)器，這類探測(cè)器在光照下會(huì)改變自身的 電阻率，且電阻率，且光照越強(qiáng)，器件電阻越小

30、光照越強(qiáng)，器件電阻越小，因此常，因此常 稱為光導(dǎo)管或光敏電阻。它們一般都為體結(jié)構(gòu)，稱為光導(dǎo)管或光敏電阻。它們一般都為體結(jié)構(gòu)， 阻抗呈阻性，沒(méi)有極性，靈敏度較高，阻抗呈阻性，沒(méi)有極性，靈敏度較高，具有內(nèi)具有內(nèi) 電流增益電流增益。 光電導(dǎo)型器件主要有：光敏電阻、光敏（電）光電導(dǎo)型器件主要有：光敏電阻、光敏（電） 二極管、光敏（電）三極管，高速光電二極管二極管、光敏（電）三極管，高速光電二極管 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8181 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光敏電阻光敏電阻 圖圖6-

31、 16一種光敏電阻的結(jié)構(gòu)一種光敏電阻的結(jié)構(gòu) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8282 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 圖圖6- 17 某種光敏電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)某種光敏電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8383 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光敏電阻的原理光敏電阻的原理 電阻器件，加直流偏壓，無(wú)極性電阻器件，加直流偏壓，無(wú)極性 p無(wú)光照無(wú)光照:電子電子-空穴對(duì)很少空穴對(duì)很少

32、-電阻大電阻大(暗電阻暗電阻) p有光照有光照:電子電子-空穴對(duì)增多空穴對(duì)增多-導(dǎo)電性增強(qiáng)導(dǎo)電性增強(qiáng) 光敏電阻的封裝結(jié)構(gòu)光敏電阻的封裝結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：金屬封裝結(jié)構(gòu)：金屬封裝-防潮防潮 光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻的應(yīng)用 應(yīng)用：工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用：工業(yè)自動(dòng)化-開(kāi)關(guān)元件，快速響應(yīng)家開(kāi)關(guān)元件，快速響應(yīng)家 電電-(感應(yīng)式節(jié)能燈：判斷照度感應(yīng)式節(jié)能燈：判斷照度) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8484 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光敏電阻的優(yōu)點(diǎn)光敏電阻的優(yōu)點(diǎn) 光譜響應(yīng)相當(dāng)寬光譜響應(yīng)相當(dāng)寬; 光敏電阻的靈敏

33、區(qū)域可在紫外光區(qū)，可見(jiàn)光光敏電阻的靈敏區(qū)域可在紫外光區(qū)，可見(jiàn)光 區(qū)，也可在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。區(qū)，也可在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。 所測(cè)的光強(qiáng)范圍寬所測(cè)的光強(qiáng)范圍寬; 使用方便，成本低，穩(wěn)定性高，壽命長(zhǎng)使用方便，成本低，穩(wěn)定性高，壽命長(zhǎng); 靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。 光敏電阻的不足光敏電阻的不足 在強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特性也較差。在強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特性也較差。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8585 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 圖圖6-

34、18 某種光敏電阻某種光敏電阻 光敏電阻常用光敏電阻常用ii-vi族，族，iii-v族化合物半導(dǎo)體及族化合物半導(dǎo)體及 iv族半導(dǎo)體材料制作。族半導(dǎo)體材料制作。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8686 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光敏二極管光敏二極管 光敏二極管是利用硅結(jié)受光照后產(chǎn)生光電光敏二極管是利用硅結(jié)受光照后產(chǎn)生光電 流的一種光電器件。光敏二極管工作于反向偏流的一種光電器件。光敏二極管工作于反向偏 壓，其光譜響應(yīng)特性主要由半導(dǎo)體材料中所摻壓，其光譜響應(yīng)特性主要由半導(dǎo)體材料中所摻

35、 的雜質(zhì)濃度決定。同一型號(hào)的光敏二極管在一的雜質(zhì)濃度決定。同一型號(hào)的光敏二極管在一 定的反偏電壓、相同強(qiáng)度和不同波長(zhǎng)的入射光定的反偏電壓、相同強(qiáng)度和不同波長(zhǎng)的入射光 照射下，產(chǎn)生的光電流并不相同，但有一最大照射下，產(chǎn)生的光電流并不相同，但有一最大 值。不同型號(hào)的光敏二極管在同一反偏電壓、值。不同型號(hào)的光敏二極管在同一反偏電壓、 同一強(qiáng)度的入射光照射下，所產(chǎn)生的光電流最同一強(qiáng)度的入射光照射下，所產(chǎn)生的光電流最 大值也不相同，且光電流最大值所對(duì)應(yīng)的入射大值也不相同，且光電流最大值所對(duì)應(yīng)的入射 光的波長(zhǎng)也不相同。光的波長(zhǎng)也不相同。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8787

36、 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 圖圖6- 19 光敏二極管工作原理及其表示光敏二極管工作原理及其表示 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8888 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光敏二極管光敏二極管 p原理：原理： 半導(dǎo)體半導(dǎo)體pn結(jié)加上反偏壓后，結(jié)區(qū)內(nèi)結(jié)加上反偏壓后，結(jié)區(qū)內(nèi) 存在高電場(chǎng)，存在高電場(chǎng)， l 無(wú)光照無(wú)光照高阻特性高阻特性 微弱的暗電流微弱的暗電流( a) l 有光照有光照結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)光生載流子光生載

37、流子高場(chǎng)作用高場(chǎng)作用 電子電子n，空穴，空穴p 光電流；光電流； (響應(yīng)快響應(yīng)快) l 有光照有光照半導(dǎo)體內(nèi)部（半導(dǎo)體內(nèi)部（p區(qū)與區(qū)與n區(qū)）區(qū)）光生光生 載流子載流子高場(chǎng)作用高場(chǎng)作用p區(qū)光生電子區(qū)光生電子結(jié)區(qū)結(jié)區(qū) n，n區(qū)光生空穴區(qū)光生空穴結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)p 光電流；光電流； (響應(yīng)慢響應(yīng)慢) 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院8989 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光敏二極管光敏二極管 p光照愈強(qiáng)光照愈強(qiáng) - 光電流愈大光電流愈大 p為提高響應(yīng)速度應(yīng)盡量使光生載流子產(chǎn)生為提高響應(yīng)速度應(yīng)盡量使光

38、生載流子產(chǎn)生 于空間電荷層內(nèi)。于空間電荷層內(nèi)。 p特性：光照特性特性：光照特性-靈敏度和線性好，光譜特靈敏度和線性好，光譜特 性性-單峰性單峰性 p應(yīng)用：線性轉(zhuǎn)換元件，開(kāi)關(guān)元件應(yīng)用：線性轉(zhuǎn)換元件，開(kāi)關(guān)元件 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9090 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光敏三極管光敏三極管 光敏三極管和普通三極管相似，也有電流光敏三極管和普通三極管相似，也有電流 放大作用，只是它的集電極電流不只是受放大作用，只是它的集電極電流不只是受 基極電路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的基極電

39、路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的 控制?？刂?。 通?；鶚O不引出，但一些光敏三極通?；鶚O不引出，但一些光敏三極 管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控 制等作用。制等作用。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9191 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光敏（電）三極管光敏（電）三極管 圖圖6- 20 光敏（電）三極管光敏（電）三極管 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9292 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探

40、測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光敏（電）三極管光敏（電）三極管 p原理：原理：具有具有光敏特性的光敏特性的pnpn結(jié)受到光輻射時(shí)，結(jié)受到光輻射時(shí)， 形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極 進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一 個(gè)放大了相當(dāng)于個(gè)放大了相當(dāng)于倍的信號(hào)電流。倍的信號(hào)電流。 p性能：性能：靈敏度比光敏二極管高，是光敏二靈敏度比光敏二極管高，是光敏二 極管的數(shù)十倍，故輸出電流要比光敏二極極管的數(shù)十倍，故輸出電流要比光敏二極 管大得多，一般為毫安級(jí)。但其它特性不管大得多，一般為毫安級(jí)。但其它特性不

41、如光敏二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電如光敏二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電 流與照度不成線性關(guān)系。頻率特性和溫度流與照度不成線性關(guān)系。頻率特性和溫度 特性也變差，故光敏三極管多用作光電開(kāi)特性也變差，故光敏三極管多用作光電開(kāi) 關(guān)或光電邏輯元件。關(guān)或光電邏輯元件。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9393 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 高速光電二極管高速光電二極管 普通的普通的pn結(jié)光敏二極管的缺點(diǎn)結(jié)光敏二極管的缺點(diǎn) p受光照時(shí)，受光照時(shí)，p區(qū)的光生電子和區(qū)的光生電子和n區(qū)的光生空區(qū)的光生空

42、 穴要經(jīng)過(guò)一段擴(kuò)散長(zhǎng)度，并在結(jié)區(qū)高場(chǎng)作穴要經(jīng)過(guò)一段擴(kuò)散長(zhǎng)度，并在結(jié)區(qū)高場(chǎng)作 用下遷移過(guò)整過(guò)空間電荷層才能對(duì)外電流用下遷移過(guò)整過(guò)空間電荷層才能對(duì)外電流 有貢獻(xiàn)，因而響應(yīng)速度較慢；有貢獻(xiàn)，因而響應(yīng)速度較慢； p當(dāng)光照停止后，在載流子平均壽命時(shí)間內(nèi)當(dāng)光照停止后，在載流子平均壽命時(shí)間內(nèi) 仍然存在光生載流子，這些光生載流子同仍然存在光生載流子，這些光生載流子同 樣可以渡越電極引起外電路電流，因此光樣可以渡越電極引起外電路電流，因此光 照停止后，仍有一延遲光電流產(chǎn)生。照停止后，仍有一延遲光電流產(chǎn)生。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9494 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第

43、六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 高速光電二極管高速光電二極管-具體的討論見(jiàn)后具體的討論見(jiàn)后 p為克服普通光敏二極管的缺點(diǎn)，人們研究為克服普通光敏二極管的缺點(diǎn)，人們研究 出了兩種主要的高速光敏二極管結(jié)構(gòu)，為出了兩種主要的高速光敏二極管結(jié)構(gòu)，為 與普通光敏二極管區(qū)分，通常稱其為光電與普通光敏二極管區(qū)分，通常稱其為光電 二極管。二極管。 pin光電二極管光電二極管 apd（雪崩）光電二極管（雪崩）光電二極管 p應(yīng)用：應(yīng)用：光通訊，光測(cè)量光通訊，光測(cè)量 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9595 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第

44、六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 光電池光電池 圖圖6- 21 光電池工作原理光電池工作原理 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9696 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 原理：原理： 光光pn結(jié)結(jié)電子電子n, 空穴空穴p電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì) 光譜特性光譜特性 p硅電池：硅電池： 0.51.2m(紅紅-紅外紅外)，峰值，峰值0.8 m(近紅外近紅外) p鍺電池：鍺電池： 0.30.7m(紫紫-紅紅)，峰值，峰值0.5 m(綠綠) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 電子科技大學(xué)

45、通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9797 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 光照特性光照特性: p開(kāi)路電壓輸出：開(kāi)路電壓輸出： 非線性非線性(電壓電壓-光強(qiáng)光強(qiáng))，靈敏度高，靈敏度高 p短路電流輸出：短路電流輸出： 線性好線性好(電流電流-光強(qiáng)光強(qiáng)) ，靈敏度低，靈敏度低 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9898 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 圖圖6- 22 光電池輸出特性光電池輸出特性 6-2-1. 光

46、電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院9999 第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù)6.1 光電探測(cè)的物理機(jī)制光電探測(cè)的物理機(jī)制 光電池特點(diǎn)光電池特點(diǎn) 輕便、簡(jiǎn)單、無(wú)污染、可靠性好，體積小、輕便、簡(jiǎn)單、無(wú)污染、可靠性好，體積小、 壽命也較長(zhǎng)；壽命也較長(zhǎng)； 波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍: 硅光電池為硅光電池為400 1100 nm， 峰值波長(zhǎng)在峰值波長(zhǎng)在 850 nm 附近；附近； 靈敏度：硅光電池為靈敏度：硅光電池為 6-8 毫安流明；毫安流明； 光電池應(yīng)用光電池應(yīng)用 宇航飛行儀器，儀表電源，便攜儀表宇航飛行儀器，儀表電源，便攜儀表(計(jì)算計(jì)算 器器)，開(kāi)

47、關(guān)測(cè)量（開(kāi)路電壓輸出），線性檢，開(kāi)關(guān)測(cè)量（開(kāi)路電壓輸出），線性檢 測(cè)（短路電流輸出）測(cè)（短路電流輸出） 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院100100 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 固態(tài)成像器件固態(tài)成像器件 固態(tài)成像器件主要有：固態(tài)成像器件主要有： 電荷耦合器件電荷耦合器件(charge coupled device，ccd) 電荷注入器件電荷注入器件(charge injection device, cid) 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體互補(bǔ)金屬氧化

48、物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor) p它們已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的光探測(cè)器，而是集光它們已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的光探測(cè)器，而是集光 電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、掃描和讀出功能為一電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、掃描和讀出功能為一 體的成像器件。體的成像器件。 p以下主要介紹以下主要介紹ccd 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院101101 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 電荷耦合器（電荷耦合器（ccd） p隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,二十年前貝爾實(shí)二十年前貝爾

49、實(shí) 驗(yàn)室的驗(yàn)室的w. s. doyle和和g. smith發(fā)明了電荷發(fā)明了電荷 耦合器件耦合器件(charge-coupled-devices),縮寫縮寫 或簡(jiǎn)稱或簡(jiǎn)稱ccd。 p由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工序少，功耗由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工序少，功耗 低，信噪比好等優(yōu)點(diǎn)，因而日益受到人們低，信噪比好等優(yōu)點(diǎn)，因而日益受到人們 的重視，它的用途廣泛，包括工業(yè)檢測(cè)，的重視，它的用途廣泛，包括工業(yè)檢測(cè)， 數(shù)碼相機(jī)，電視攝像等。數(shù)碼相機(jī)，電視攝像等。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院102102 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1

50、. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 圖圖6- 23 ccd結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院103103 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 pccd結(jié)構(gòu)與成像原理結(jié)構(gòu)與成像原理 ccd核心結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)部分：核心結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)部分： 信號(hào)輸入部分：通過(guò)光電效應(yīng)，將外部圖信號(hào)輸入部分：通過(guò)光電效應(yīng)，將外部圖 像的特征轉(zhuǎn)化為光生載流子像的特征轉(zhuǎn)化為光生載流子(電子電子)，而且這，而且這 些電子將被收集到勢(shì)阱中成為信號(hào)電荷。些電子將被收集到勢(shì)阱中成為信號(hào)電荷。 信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移部分

51、：經(jīng)由外部加入電壓，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移部分：經(jīng)由外部加入電壓， 這些電子會(huì)被轉(zhuǎn)移到不同極性的另一個(gè)硅這些電子會(huì)被轉(zhuǎn)移到不同極性的另一個(gè)硅 層暫存起來(lái)。電子數(shù)的多寡和曝光過(guò)程光層暫存起來(lái)。電子數(shù)的多寡和曝光過(guò)程光 點(diǎn)所接收的光量成正比。點(diǎn)所接收的光量成正比。 信號(hào)輸出部分：將暫存的信號(hào)電荷引出，信號(hào)輸出部分：將暫存的信號(hào)電荷引出， 并檢測(cè)出電荷包所輸出的信息。并檢測(cè)出電荷包所輸出的信息。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院104104 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 p具體以市面上常見(jiàn)的具體以市面

52、上常見(jiàn)的il型型ccd為例：曝光之為例：曝光之 后所有產(chǎn)生的電荷都會(huì)被轉(zhuǎn)移到鄰近的移位后所有產(chǎn)生的電荷都會(huì)被轉(zhuǎn)移到鄰近的移位 暫存器中，并且逐次逐行的轉(zhuǎn)換成信號(hào)流從暫存器中，并且逐次逐行的轉(zhuǎn)換成信號(hào)流從 矩陣中讀取出來(lái)。這些強(qiáng)弱不一的訊號(hào)，會(huì)矩陣中讀取出來(lái)。這些強(qiáng)弱不一的訊號(hào)，會(huì) 被送入數(shù)位影像處理單元。在這個(gè)單元之中被送入數(shù)位影像處理單元。在這個(gè)單元之中 有一個(gè)有一個(gè)a/d 類比數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)換器類比數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)換器。這個(gè)轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換 器能將信號(hào)的連續(xù)范圍配合色塊馬賽克的分器能將信號(hào)的連續(xù)范圍配合色塊馬賽克的分 布，轉(zhuǎn)換成一個(gè)布，轉(zhuǎn)換成一個(gè)2d的平面表示系列，它讓每的平面表示系列，它讓每 個(gè)像素

53、都有一個(gè)色調(diào)值，應(yīng)用這個(gè)方法，再個(gè)像素都有一個(gè)色調(diào)值，應(yīng)用這個(gè)方法，再 由點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)點(diǎn)（像素）現(xiàn)在都有由點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)點(diǎn)（像素）現(xiàn)在都有 用以表示它所接受的光量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，顯用以表示它所接受的光量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，顯 示強(qiáng)弱大小，最終再整合成影像輸出。示強(qiáng)弱大小，最終再整合成影像輸出。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院105105 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 圖圖6- 24 ccd工作原理示意圖工作原理示意圖 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院10

54、6106 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 pccd和傳統(tǒng)底片相比，和傳統(tǒng)底片相比，ccd 更接近于人眼更接近于人眼 對(duì)視覺(jué)的工作方式。只不過(guò)，人眼的視網(wǎng)膜對(duì)視覺(jué)的工作方式。只不過(guò)，人眼的視網(wǎng)膜 是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的 錐細(xì)胞，分工合作組成視覺(jué)感應(yīng)。錐細(xì)胞，分工合作組成視覺(jué)感應(yīng)。 pccd經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)35年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn) 作方式都已經(jīng)定型。作方式都已經(jīng)定型。ccd 的組成主要是由的組成主要是由 一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及

55、墊于一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于 最底下的電子線路矩陣所組成。最底下的電子線路矩陣所組成。 p目前有能力生產(chǎn)目前有能力生產(chǎn)ccd的公司分別為：的公司分別為：sony、 phillips、kodak、matsushita、fuji、 sanyo和和sharp，多半是日本廠商。，多半是日本廠商。 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院107107 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-1. 光電探測(cè)器類型光電探測(cè)器類型 圖圖6- 25 ccd的應(yīng)用的應(yīng)用 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院108108

56、6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 6-2-2. 典型光電探測(cè)器典型光電探測(cè)器 1.光電倍增管光電倍增管 2.硅光電二極管硅光電二極管-pin型型 3.雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（apd） 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院109109 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) p光電倍增管（光電倍增管（pmt）是一種具有極高靈敏度）是一種具有極高靈敏度 和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測(cè)器件。典型的光電和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測(cè)器件。典型的光電 倍增管如圖倍增管如圖6-10所示，在真空管中，包括光所示，在真空管中，包括光

57、 電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍 增極和電子收集極（陽(yáng)極）的器件。增極和電子收集極（陽(yáng)極）的器件。 p當(dāng)光照射光陰極，光陰極向真空中激發(fā)出光當(dāng)光照射光陰極，光陰極向真空中激發(fā)出光 電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系 統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大。統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大。 放大后的電子被陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出放大后的電子被陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出 1.光電倍增管光電倍增管 6-2-2. 典型光電探測(cè)器典型光電探測(cè)器 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院110110 6.

58、2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 圖圖6- 26 光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)光電倍增管的基本結(jié)構(gòu) 6-2-2. 典型光電探測(cè)器典型光電探測(cè)器 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院111111 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 若光電倍增管每一級(jí)平均二次發(fā)射放大倍數(shù)若光電倍增管每一級(jí)平均二次發(fā)射放大倍數(shù) 為為 ，倍增電極共有，倍增電極共有n個(gè)，則陰陽(yáng)極間總電個(gè)，則陰陽(yáng)極間總電 流倍增數(shù)流倍增數(shù)g為：為： g n gg (6-25) 典型值：典型值： ， 則則9,5 ng 6 102 g 值隨倍增極設(shè)置的電壓大小而改

59、變。值隨倍增極設(shè)置的電壓大小而改變。 普通光電倍增管工作范圍為普通光電倍增管工作范圍為0-1100 mhz區(qū)間。區(qū)間。 g 6-2-2. 典型光電探測(cè)器典型光電探測(cè)器 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院112112 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) p光電倍增管特點(diǎn)光電倍增管特點(diǎn) 靈敏度高，適宜弱光信號(hào)；靈敏度高，適宜弱光信號(hào)； 響應(yīng)時(shí)間極短；響應(yīng)時(shí)間極短； 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 頻率特性較好，頻率可達(dá)頻率特性較好，頻率可達(dá)106 hz或更高；或更高； p光電倍增管缺點(diǎn)光電倍增管缺點(diǎn) 需高壓直流電源、價(jià)貴體積大、經(jīng)不起需高壓直流電源、價(jià)貴

60、體積大、經(jīng)不起 機(jī)械沖擊等。機(jī)械沖擊等。 6-2-2. 典型光電探測(cè)器典型光電探測(cè)器 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院113113 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 圖圖6- 27 光電倍增管實(shí)物圖光電倍增管實(shí)物圖 6-2-2. 典型光電探測(cè)器典型光電探測(cè)器 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院114114 6.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器第六章第六章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) ppin光電二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在光電二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在pn結(jié)之間夾結(jié)之間夾 有一層本征的、（相對(duì)）很厚的高電阻率的有一層本征的、（相對(duì)