光電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)

1、 要探知一個(gè)客觀事物的存在及其特性，一般都是通過(guò)測(cè)量對(duì)探測(cè)者所引起的某種效應(yīng)來(lái)完成的。對(duì)光輻射量的測(cè)量也是這樣。 在光電子技術(shù)領(lǐng)域，光電探測(cè)器有它特有的含義。大多數(shù)光探測(cè)器都是把光輻射量轉(zhuǎn)換成電量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射的探測(cè)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(lái)實(shí)施測(cè)量。 從這個(gè)意義上說(shuō)，凡是把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量(電流或電壓)的光探測(cè)器，都稱為光電探測(cè)器。 了解光輻射對(duì)光電探測(cè)器產(chǎn)生的物理效應(yīng)是了解光探測(cè)器工作的基礎(chǔ)。1.121.12、光電探測(cè)器的物理效應(yīng)、光電探測(cè)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(cè)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(cè)輻射熱計(jì)金屬測(cè)輻射熱計(jì)超導(dǎo)遠(yuǎn)紅外探測(cè)器熱電偶、熱電堆熱電探測(cè)器高萊盒，液晶等1.測(cè)輻射熱計(jì)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(cè)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(shì)壘光電二極管光電磁探測(cè)器光子牽引探測(cè)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(shì)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(qiáng)管1. 光陰極發(fā)射光電子正電子親和勢(shì)光陰極負(fù)電子

3、親和勢(shì)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(cè)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(shí)，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(shí)，被光激發(fā)的載流子仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，增加其電導(dǎo)率或產(chǎn)生電勢(shì)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(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。 探測(cè)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(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇光子效應(yīng)就對(duì)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(cè)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\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)器元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)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(méi)有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光波頻率沒(méi)有選擇性光熱效應(yīng)對(duì)光波頻率沒(méi)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(qiáng)烈，所以廣泛用于對(duì)紅外輻射的探測(cè)廣泛用于對(duì)紅外輻射的探測(cè)。 因?yàn)闇囟壬呤菬岱e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?zèng)]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(shí)產(chǎn)生了大量的自由電子。自由電子濃度n是個(gè)常量，不受外界因素影響。 半導(dǎo)體和金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)不同，在0K時(shí)，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(kuò)散過(guò)程中又有復(fù)合作用，產(chǎn)生與復(fù)合的電子空穴對(duì)數(shù)目相等，達(dá)到動(dòng)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(shí)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(gè)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(wú)論何種半導(dǎo)體材料，下式一定成立，即 式中ni是對(duì)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(jiàn)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(jià)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(jià)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(zhǎng)的單色輻射全部被吸收，則光敏層單位時(shí)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(jià)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(jià)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(shí)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(diǎn)，n=p，式（1-79）可簡(jiǎn)化為 )(dd, eiifpnnKNtn利用初始條件t = 0時(shí)，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(jiàn)，光激發(fā)載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)t時(shí)，載流子濃度n達(dá)到穩(wěn)態(tài)值n0，即達(dá)到動(dòng)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(jiàn)，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(zhǎng)度

10、l的平方成反比。 bdlhNe,e, eNlbdqlbdg（2）在強(qiáng)輻射的作用下，nni，ppi（1-79）式可以簡(jiǎn)化為 2, eddnKNtnf利用初始條件t = 0時(shí)，n = 0，解微分方程得 tKNnftanh21e,（1-86） 式中， 為強(qiáng)輻射作用下載流子的平均壽命。 e,1NKf 強(qiáng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)光伏效應(yīng)可以是PN結(jié)、PIN結(jié)，肖特基勢(shì)壘結(jié)以及異質(zhì)結(jié)等。這里我們主要討論P(yáng)N結(jié)的光伏效應(yīng)，它不僅最簡(jiǎn)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(duì)稱性，在結(jié)區(qū)有一個(gè)從n側(cè)指向p側(cè)的內(nèi)建電場(chǎng)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(kuò)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(chǎng)的漂移作用相互抵消，沒(méi)有凈電流通過(guò)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(guò)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(guò)p-n結(jié)，這個(gè)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(duì)溫度。在零偏條件下如果照射光的波長(zhǎng)滿足條件 )eV(24. 1)m(iE無(wú)論光照n區(qū)或p區(qū)，都會(huì)激發(fā)出光生電子空穴對(duì)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(lái)就

13、比較大。結(jié)區(qū)pn光無(wú)光照光照下iVu 0光生伏特i0短路光電流因此光生空穴對(duì)p區(qū)空穴濃度影響很小。相反，光生電子對(duì)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(kuò)散趨勢(shì)。如果p區(qū)的厚度小于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度，那么大部分光生電子都能擴(kuò)散進(jìn)p-n結(jié)，一進(jìn)入p-n結(jié)，就被內(nèi)電場(chǎng)掃向n區(qū)。這樣，光生電子空穴對(duì)就被內(nèi)電場(chǎng)分離開來(lái)，空穴留在p區(qū)，電子通過(guò)擴(kuò)散流向n區(qū)。這時(shí)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(gè)理想電流表接通p-n結(jié)，則有電流i0通過(guò)，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(shí)，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(duì)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(dòng)勢(shì)，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(chǎng)的方向?yàn)殡妷号c電流的正方向時(shí)，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(guò)負(fù)載電阻，并在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過(guò)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(shí)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(shí)（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(shí)，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(shí)，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(jì)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(chǎng)，磁場(chǎng)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(shí)，由于電子和空穴在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)必然受到洛倫茲力的作用，使它們的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)。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(chǎng)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(kuò)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(kuò)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(ài)因斯坦方程描述了該效應(yīng)的物理原理和產(chǎn)生條件。愛(ài)因斯坦方程是 式中是電子離開發(fā)射體表面時(shí)的動(dòng)能， 是電子質(zhì)量， 是電子離開時(shí)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(shí)驗(yàn)規(guī)律：、實(shí)驗(yàn)規(guī)律：飽和電流與入射光強(qiáng)度成正比-單位時(shí)間內(nèi)，陰極溢出的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)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(shí)，光電流卻不為0，直至加反向電壓至Ua)時(shí)光電流

19、為零。此時(shí)最大初動(dòng)能最大初動(dòng)能的光電子也被截止電壓阻止無(wú)法到達(dá)陽(yáng)極。ameUmv221光電效應(yīng)中從金屬出來(lái)的電子，有的從金屬表面直接飛出，有的從內(nèi)部出來(lái)沿途與其它粒子碰撞，損失部分能量，因此電子速度會(huì)有差異，直接從金屬表面飛出的速度最大，其動(dòng)能為最大初動(dòng)能。由上圖看出，同一頻率，不同強(qiáng)度的光對(duì)應(yīng)相同的截止電壓，即Ua與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。用不同頻率的光照射時(shí)，由如下關(guān)系：0UKUa:與金屬有關(guān)的恒量0UK:與金屬無(wú)關(guān)的普適恒量)(2102UKemvm0aU0光電子是即時(shí)發(fā)射的，無(wú)論光強(qiáng)如何，弛豫時(shí)間不超過(guò)0212mmvKU0KU000aU0內(nèi)容內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)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(shí)也是如此。也就是說(shuō)，現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，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(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。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?dòng)能，另一部分變?yōu)楣怆娮拥膭?dòng)能 Ek0 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程愛(ài)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(dòng)能。為光電子的最大初動(dòng)能。2021mKmvE2、愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)、愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)初動(dòng)能及反向遏止電壓與 成正比，而與光強(qiáng)無(wú)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(shí)，電子才能逸出金屬表面，時(shí)，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(qiáng)的解釋）光電流正比于光強(qiáng)的解釋 光強(qiáng)正比于單位時(shí)間流過(guò)單位面積 的光子數(shù)。光強(qiáng)越大，光子數(shù)越多。（4）光電效應(yīng)瞬時(shí)性的解釋）光電效應(yīng)瞬時(shí)性的解釋 電子吸收光子時(shí)間很短，只要光子頻率大于截止電子吸收光子時(shí)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(wú)需積累能量的頻率，電子就能立即逸出金屬表面，無(wú)需積累能量的時(shí)間，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。時(shí)間，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背光的波動(dòng)理被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背光的波動(dòng)理論。愛(ài)因斯坦（論。愛(ài)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(jiǎng)。理學(xué)獎(jiǎng)。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(gè)光子可以釋放一個(gè)光電子。光強(qiáng)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(zhǎng)以波長(zhǎng)=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(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效光電效應(yīng)應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，年證實(shí)了愛(ài)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(yàn)證光電效應(yīng)理論的驗(yàn)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(diǎn)：光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點(diǎn)：1. 1. 光

25、電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運(yùn)動(dòng)，因此，光電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運(yùn)動(dòng)，因此，可以通過(guò)電場(chǎng)加速電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，或通過(guò)電子的內(nèi)倍增可以通過(guò)電場(chǎng)加速電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，或通過(guò)電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測(cè)靈敏度，使它能高速度地探測(cè)極其微弱系統(tǒng)提高光電探測(cè)靈敏度，使它能高速度地探測(cè)極其微弱的光信號(hào)，成為像增強(qiáng)器的基本元件。的光信號(hào)，成為像增強(qiáng)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(gè)探測(cè)器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，整個(gè)探測(cè)器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造價(jià)也昂貴。造價(jià)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(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)?；芈分芯陀须娏髁魍?。如果我們把冷端分開并與一個(gè)電表相接，那么當(dāng)光照熔接端(稱為電偶接頭)時(shí)，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(lái)探測(cè)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(diǎn)處溫度不同時(shí)，指南針的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。于是他認(rèn)為溫差使金屬產(chǎn)生了磁場(chǎng)。但是當(dāng)時(shí)塞貝克并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)金屬回路中的電流，所以他把這個(gè)現(xiàn)象叫做“熱磁效應(yīng)”。后來(lái)，丹麥物理學(xué)家漢斯奧斯特重新研究了這個(gè)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(shí)，在接觸面上的電子就會(huì)擴(kuò)散以消除電子密度的差異

28、。而電子的擴(kuò)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(kuò)散，在兩塊金屬的另兩個(gè)端點(diǎn)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(shí)用上為了提高測(cè)量靈敏度，常將若干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)使用，稱為熱電堆，它在激光能量計(jì)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(guò)所謂的熱釋電材料實(shí)現(xiàn)的，熱釋電材料首先是一種電介質(zhì)，是一種結(jié)晶對(duì)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(jué)不出有面電荷存在。如果對(duì)熱電體施加直流電場(chǎng)，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(chǎng)去掉后，如果總的Ps仍能保持下去，這種熱電體有時(shí)便稱為熱電鐵電體。它是實(shí)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(shí)，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(qiáng)度變化的光照射熱電體時(shí)，熱電體的溫度發(fā)生變化，Ps亦發(fā)生變化，面電荷從原來(lái)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(duì)面電荷的中和作用比較緩慢，一般在1-1000秒量級(jí)。好的熱電體，這個(gè)過(guò)程很慢。在

30、來(lái)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(gè)電容器極板之間，把一個(gè)電流表與電容兩端相接，就會(huì)有電流流過(guò)電流表，這個(gè)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(cè)器是一種交流或瞬時(shí)響應(yīng)的器件。 對(duì)于光電探測(cè)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(guò)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(shí)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(shí)略課時(shí)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(jì)平均量。i應(yīng)該正比于，寫成等式時(shí)，引進(jìn)一個(gè)比例系數(shù)D，即 式中D又稱為探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子。由上兩式，有 式中稱為探測(cè)器的量子效率，它表示探測(cè)器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比，它是探測(cè)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(cè)器對(duì)入射功率有響應(yīng)，響應(yīng)量是光電流。因此，一個(gè)光電探測(cè)器

32、總可視為一個(gè)電流源。因?yàn)楣夤β收扔诠怆妶?chǎng)的平方，故常常把光電探測(cè)器稱為平方律探測(cè)器?；蛘哒f(shuō)，光電探測(cè)器本質(zhì)上是一個(gè)非線性器件。( )edndQthdtdt光dtdnedtdQti電)()()(tDtiheD dtdndtdn光電/)()(theti 光電探測(cè)器和其它器件一樣，有一套根據(jù)實(shí)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(cè)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(cè)器的共同因素。 依據(jù)這套參數(shù)，人們就可以評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的優(yōu)劣，比較不同探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器的光電特性。 靈敏度R定義為這個(gè)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(cè)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(zhǎng)可變的光功率譜密度P ，由于光電探測(cè)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(zhǎng)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(cè)器稱為無(wú)無(wú)選擇性探測(cè)器選擇性探測(cè)器(如光熱探測(cè)器)，光子探測(cè)器則是選擇性探測(cè)器。 上式的定義在測(cè)量上是困難的，通常給出的是相對(duì)光譜靈敏度相對(duì)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(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)，S 是無(wú)量綱的百分?jǐn)?shù)，S隨變化的曲線稱為探測(cè)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(qiáng)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