光電探測器的物理基礎

1、第一章光電探測器第一章光電探測器1.1 光電探測器的物理基礎光電探測器的物理基礎1.2 光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器1.3 光電導探測器光電導探測器1.4 光伏探測器光伏探測器1.5 熱電探測器熱電探測器1.6 光電成像器件光電成像器件1.7 各類光電探測器的性能各類光電探測器的性能及應用比較及應用比較 1.1 光電探測器的物理基礎光電探測器的物理基礎1.1.1 光輻射與度量光輻射與度量1.1.2 光電探測器概述光電探測器概述1.1.3 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)1.1.4 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲1.1.1 光輻射與度量光輻射與度量光的基本性質(zhì)回顧1.光是一種電磁波

2、物質(zhì)2.電磁波譜（22個量級 ）3.光學波段4.光的波粒二象性1.1.1 光輻射與度量光輻射與度量光學中定量地描述輻射能強度的量有兩類：光學中定量地描述輻射能強度的量有兩類：1.1.一類是一類是物理的物理的輻射度學輻射度學量，是用能量單位描述光量，是用能量單位描述光輻射能的輻射能的客觀客觀物理量；物理量；2.2.另一類是另一類是生理的生理的光度學光度學量，是描述光輻射能為平量，是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度。即光度量是均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度。即光度量是具有具有標準人眼視覺特性標準人眼視覺特性的人眼所接收到輻射量的度量。的人眼所接收到輻射量的度量。3.3.輻

3、射度量輻射度量和和光度量光度量兩者在兩者在研究方法研究方法和和概念概念上非常類似，上非常類似，它們的它們的基本物理量也是一一對應基本物理量也是一一對應的。的。4.4.在衡量光電探測器的性能時，或者是評價光電測量系在衡量光電探測器的性能時，或者是評價光電測量系統(tǒng)的指標時，輻射度量和光度量是緊密相關(guān)的統(tǒng)的指標時，輻射度量和光度量是緊密相關(guān)的。 一、輻射度的基本物理量一、輻射度的基本物理量 1輻射能輻射能Q 輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J(焦耳)。當輻射能被物質(zhì)吸收時，可以轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，如熱能、電能等。2輻射通量輻射通量 輻射通量又稱輻射功率P，是輻射能的時間變化

4、率。單位為W(瓦)，是單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能。=dQ/dt (Js，焦耳每秒) 3輻射強度輻射強度I 點輻射源在給定方向上單位點輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位為為Wsr(瓦每球面度瓦每球面度)。 I = d d 在在所有方向上輻射強度都相同的點輻射源所有方向上輻射強度都相同的點輻射源在有限立體角在有限立體角內(nèi)發(fā)射內(nèi)發(fā)射的輻射通量為的輻射通量為 = I l在空間所有方向在空間所有方向( 4 )上發(fā)射的輻射通量為上發(fā)射的輻射通量為=4I l實際上，實際上，一般輻射源多為各向異性的輻射源一般輻射源多為各向異性的輻射源，其輻射強度隨方，其輻射強度隨方

5、向而變化，如圖所示。向而變化，如圖所示。 4輻射照度輻射照度E 輻射照度為投射在單位面積上的輻射通量，輻射照度為投射在單位面積上的輻射通量，dA是投射是投射輻射通量輻射通量d的面積元，單位為的面積元，單位為Wm2(瓦每平方米瓦每平方米)。EddA 5輻射出射度輻射出射度M 輻射出射度為擴展輻射源單位面積所輻射的通量，輻射出射度為擴展輻射源單位面積所輻射的通量，d是擴展源表面是擴展源表面dS在半球空間（在半球空間（2立體角立體角)所發(fā)出的總所發(fā)出的總的輻射通量，單位為的輻射通量，單位為W(瓦每平方米瓦每平方米)。M=ddSE和和M的單位相同，區(qū)別：前者是描述輻射接收面的單位相同，區(qū)別：前者是描述

6、輻射接收面（探測器）所接收的輻射特性。后者則為描述擴展輻（探測器）所接收的輻射特性。后者則為描述擴展輻射源向外發(fā)射的輻射特性。射源向外發(fā)射的輻射特性。 6輻射率輻射率 L輻射率定義為輻射強輻射率定義為輻射強度與輻射表面在垂直度與輻射表面在垂直于該方向平面上的投于該方向平面上的投影面積的比值。又稱影面積的比值。又稱輻射亮度輻射亮度。二光譜輻射量二光譜輻射量1.光譜輻射量也叫光譜輻射量也叫輻射量的光譜密度輻射量的光譜密度。2.光譜輻射量是輻射量隨波長的光譜輻射量是輻射量隨波長的變化率變化率。l 光譜輻射通量光譜輻射通量（）：輻射源發(fā)出的光在波長輻射源發(fā)出的光在波長處的處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。

7、單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。輻射通量與波長的關(guān)系如圖。輻射通量與波長的關(guān)系如圖。其關(guān)系式為其關(guān)系式為 l單位為單位為Wm(瓦每微米瓦每微米)，或或Wnm(瓦每納米瓦每納米)。l多色輻通量，全色輻通量多色輻通量，全色輻通量 前面介紹的幾個重要的輻射量，都有與光譜輻射量前面介紹的幾個重要的輻射量，都有與光譜輻射量相對應的關(guān)系：相對應的關(guān)系：光譜輻照度： 光譜輻射出射度：光譜輻射亮度：輻射源的總輻射通量是：三、光度學的基本物理量三、光度學的基本物理量1光譜光視效能光譜光視效能 人的視神經(jīng)對人的視神經(jīng)對各種不同波長光各種不同波長光的感光靈敏度存的感光靈敏度存在差異。在差異。不同的人不同的人對各種波長光的

8、感光靈敏度也對各種波長光的感光靈敏度也有差異。有差異。對人眼來說采用光譜光視效能對人眼來說采用光譜光視效能K()來表征不同來表征不同波長輻射下的響應能力。光譜光視效能波長輻射下的響應能力。光譜光視效能K()為為同同一波長一波長下光譜下光譜光通量光通量與光譜與光譜輻通量輻通量之比，即之比，即 K()=v/e2.光譜光視效率光譜光視效率 由于人眼對等能量的不同波長的可見光輻射能所產(chǎn)由于人眼對等能量的不同波長的可見光輻射能所產(chǎn)生的光感覺是不同的，生的光感覺是不同的，國際照明委員會國際照明委員會(CIE)根據(jù)對根據(jù)對許多人的大量觀察結(jié)果，確定了人眼對各種波長光許多人的大量觀察結(jié)果，確定了人眼對各種波長

9、光的平均相對靈敏度，稱之為的平均相對靈敏度，稱之為“標準光度觀察者標準光度觀察者”光光譜光視效率譜光視效率，或稱之為，或稱之為視見函數(shù)視見函數(shù)V()。不同光亮度條件下，人眼對波長的不同光亮度條件下，人眼對波長的光譜光視效率光譜光視效率不不同，分為同，分為明視覺光譜光視效率明視覺光譜光視效率和和暗視覺光譜光視效暗視覺光譜光視效率。率。暗視覺光譜光視效率暗視覺光譜光視效率虛線是亮度小于虛線是亮度小于0.001cd/時時的暗視覺光譜光視效率，用的暗視覺光譜光視效率，用V()表示，此時的視覺主要表示，此時的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的由人眼視網(wǎng)膜上分布的桿狀細桿狀細胞胞刺激所引起的；刺激所引起的；V(

10、)的最的最大值在大值在507nm處。處。V()V()n明視覺光譜光視效率明視覺光譜光視效率實線是亮度大于實線是亮度大于3cd/m2時的明視覺光譜光視效率，用時的明視覺光譜光視效率，用V()表示，表示，此時的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的此時的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的錐體細胞錐體細胞的刺激所引起的的刺激所引起的V()的最大值在的最大值在555nm處。處。按人眼的視覺特性按人眼的視覺特性V()來評價的輻射通量來評價的輻射通量即為光通量即為光通量V，這兩者的關(guān)系為：，這兩者的關(guān)系為：780380)()(dVKmV3.3.光通量光通量等號的左邊是光通量，其單位是流明等號的左邊是光通量，其單位是流明(

11、 (lmlm) )；等號的右邊的等號的右邊的 ( ( )d )d 是輻射通量，單位是瓦是輻射通量，單位是瓦( (wnmwnm），），V(V( ) )是光視效率，單位是是光視效率，單位是1/nm1/nm。所以等號右邊引進一個。所以等號右邊引進一個系數(shù)系數(shù)KmKm，從而使兩邊的單位一致。，從而使兩邊的單位一致。KmKm的單位為流明瓦的單位為流明瓦( (lm/Wlm/W) )KmKm表示人眼對波長為表示人眼對波長為555nmV(555)=1555nmV(555)=1光輻射產(chǎn)生光感光輻射產(chǎn)生光感覺的效能。稱為最大光譜光視效能。亦稱為覺的效能。稱為最大光譜光視效能。亦稱為光功當量光功當量。按國際實用溫標

12、按國際實用溫標IPTS68IPTS68的理論計算值為的理論計算值為K Km m683 ( lm/W )683 ( lm/W )K Km m683683lmlmW W。它表示在波長為。它表示在波長為555nm555nm處，即人眼光譜光視效處，即人眼光譜光視效率最大率最大(V=1)(V=1)處，處，1W1W的輻射能通量相當?shù)墓馔繛榈妮椛淠芡肯喈數(shù)墓馔繛?83lm683lm；換句；換句話說，此時話說，此時1lm1lm相當于相當于1 1683W683W。4.4.光度量和輻射度量之間的換算光度量和輻射度量之間的換算KmKm確定之后，即可對光度量和輻射度量之間進行準確的換算。確定之后，即可對光度量和

13、輻射度量之間進行準確的換算。由此可進一步探討輻射度和光度基準的統(tǒng)一。由此可進一步探討輻射度和光度基準的統(tǒng)一。同理，其它光度量也有類似的關(guān)系。用一般的函數(shù)表示光度同理，其它光度量也有類似的關(guān)系。用一般的函數(shù)表示光度量與輻射量之間的關(guān)系量與輻射量之間的關(guān)系 ：780380)()(dVXKXmV人眼的光譜光視效率的數(shù)值人眼的光譜光視效率的數(shù)值5 5光度學的基本物理量光度學的基本物理量在在輻射度量學輻射度量學中介紹的各個基本量中介紹的各個基本量、M、I、L和和E對整個電磁波譜都適用對整個電磁波譜都適用；在在光度學光度學中光度量和輻射度量的定義、定義方中光度量和輻射度量的定義、定義方程是程是一一對應一一

14、對應的，只是光度量的，只是光度量只在光譜的可見波只在光譜的可見波段段(380780nm)才有意義才有意義。為避免混淆，在光。為避免混淆，在光度量符號上加下標度量符號上加下標“v”。光度學中相應量光度學中相應量V V、M MV V、I IV V、L LV V和和E EV V與輻射度量與輻射度量、 M M、 I I、 L L和和E E之間的對應關(guān)系由表給出。之間的對應關(guān)系由表給出。輻射度量輻射度量 符號符號 單位單位 光度量光度量符號符號 單位單位輻射能輻射能 QJ(焦焦)光量光量 QV lms輻射通量輻射通量 W（瓦）（瓦）光通量光通量Vlm（流明）（流明）輻照度輻照度EWm2光照度光照度EVl

15、x=lmm2輻出度輻出度MWm2光出射度光出射度 MVlmm2 輻射強度輻射強度 IWsr-1發(fā)光強度發(fā)光強度 IVcd=lmsr1（坎德拉）輻射亮度輻射亮度 LW s r-1m2光亮度光亮度LVcdm2輻射度量和光度量的對照表輻射度量和光度量的對照表6.光度量中的單位光度量中的單位1）最基本的單位是）最基本的單位是發(fā)光強度發(fā)光強度單位單位坎德拉坎德拉(cd)是國際單位制中七個基本單位之一。是國際單位制中七個基本單位之一。定義是頻率為定義是頻率為5401012Hz(對應在空氣中對應在空氣中555nm波長波長)的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為 1/683(

16、W/sr)時，在該方向上的發(fā)光強度為時，在該方向上的發(fā)光強度為1cd。2）光通量光通量的單位是的單位是流明流明(lm) 1lm它是發(fā)光強度為它是發(fā)光強度為1cd的均勻點光源在單位立體角的均勻點光源在單位立體角(1sr)內(nèi)發(fā)出的光通量。內(nèi)發(fā)出的光通量。3 3）光照度光照度的單位是的單位是勒克斯勒克斯(lx) 1lx 1lx它相當于它相當于1lm的光通量均勻地照在的光通量均勻地照在1面積上所面積上所產(chǎn)生的光照度。產(chǎn)生的光照度。 解：OP=x，P點所在球面的面積為：s=4x2通過s的光通量： =I= 4 (lm)因為是點光源，均勻輻射，則P點的光照度： EV= /s= 4 / 4x2=1/x2當x=

17、1m， EV=1 （lx)當x=2m， EV=0.25 （lx)思考題：在思考題：在O點處，有一點光源，發(fā)光強度為點處，有一點光源，發(fā)光強度為1cd，求：空間任意一點求：空間任意一點P的光照度的光照度EV=?思考：若光源為思考：若光源為1W的燈泡，結(jié)論如何？的燈泡，結(jié)論如何？ 四、輻射度與光度中的基本定律四、輻射度與光度中的基本定律1.余弦定律余弦定律sS0S和和S對對O點所張的立體角點所張的立體角是相同的，對于兩個面來講是相同的，對于兩個面來講其輻射通量是相同的，兩個其輻射通量是相同的，兩個面的輻照度分別為面的輻照度分別為SESE,cosSScosEE 由于所以任一表面上的輻照度隨該表任一表

18、面上的輻照度隨該表面法線和輻射能傳輸方向之面法線和輻射能傳輸方向之間夾角的余弦而變化。間夾角的余弦而變化。2.距離平方反比定律距離平方反比定律在不考慮輻射傳輸損失時，在不考慮輻射傳輸損失時， 點光源在傳輸方向點光源在傳輸方向上某點的輻照度和該點到點光源的距離平方成上某點的輻照度和該點到點光源的距離平方成反比。反比。3.亮度守恒定律亮度守恒定律一個封閉光束在無損失的同種介質(zhì)傳輸時，不一個封閉光束在無損失的同種介質(zhì)傳輸時，不僅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封閉僅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封閉光束的各個截面的亮度也處處相等。光束的各個截面的亮度也處處相等。 光源發(fā)射光波的過程或光波自身稱

19、為光輻射光源發(fā)射光波的過程或光波自身稱為光輻射1）躍遷輻射與受激輻射躍遷輻射與受激輻射2）熱輻射熱輻射：有一定溫度的物體引起的輻射：有一定溫度的物體引起的輻射3）湮滅輻射湮滅輻射4）場致發(fā)光場致發(fā)光5）同步輻射同步輻射1.光輻射光輻射五、黑體輻射五、黑體輻射2.熱輻射熱輻射 任何溫度任何溫度在絕對溫度以上在絕對溫度以上的物體都存在熱輻射；的物體都存在熱輻射； 熱輻射的光譜是熱輻射的光譜是連續(xù)光譜連續(xù)光譜； 熱輻射的光譜分布取決于發(fā)射體的熱輻射的光譜分布取決于發(fā)射體的溫度溫度和和性質(zhì)性質(zhì)。 發(fā)射本領(lǐng)與吸收本領(lǐng)發(fā)射本領(lǐng)與吸收本領(lǐng) 發(fā)射本領(lǐng)發(fā)射本領(lǐng)：單位頻率間隔內(nèi)單位面積物體所發(fā)：單位頻率間隔內(nèi)單位

20、面積物體所發(fā)射的輻射通量稱為發(fā)射本領(lǐng)，它是射的輻射通量稱為發(fā)射本領(lǐng)，它是溫度和頻率溫度和頻率的函數(shù)的函數(shù)。 吸收本領(lǐng)吸收本領(lǐng)：被物體吸收的輻射通量占射到物體：被物體吸收的輻射通量占射到物體上的輻射通量的百分比上的輻射通量的百分比,也是也是溫度和頻率的函數(shù)溫度和頻率的函數(shù)。3.黑體輻射定律黑體輻射定律 基爾霍夫定律基爾霍夫定律：任何物體的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)：任何物體的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)在同一溫度下成正比，其比值是與物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)、在同一溫度下成正比，其比值是與物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)、僅隨頻率和溫度而改變的普適函數(shù)。僅隨頻率和溫度而改變的普適函數(shù)。 吸收本領(lǐng)等于吸收本領(lǐng)等于1的黑體，其發(fā)射本領(lǐng)即為普適函數(shù)。的

21、黑體，其發(fā)射本領(lǐng)即為普適函數(shù)。 普朗克公式普朗克公式112/52kThcTehcE4.維恩維移定律：任何溫度下黑體的發(fā)射本領(lǐng)都有一最大值，它對應的波長和絕對溫度成反比，即 mT = b ( b=2898 m.K )它表明，隨著溫度的提高，輻射本領(lǐng)的最大值向短波方向移動。根據(jù)它可判斷熱輻射顏色與溫度的關(guān)系，并確定探測器的選擇。5.斯忒藩波爾茲曼定律： 測溫中的應用黑體總輻射通量和絕對溫度的四次方成正比 ：=T 4)/(1067. 54212KcmW6.6.比輻射率比輻射率( (輻射率輻射率) 在自然界中在自然界中黑體的發(fā)射能力最強黑體的發(fā)射能力最強，它實際上是，它實際上是一種理想情況，實際物體的

22、發(fā)射能力都小于黑體。一種理想情況，實際物體的發(fā)射能力都小于黑體。為了描述為了描述實際物體的熱輻射情況實際物體的熱輻射情況，在普朗克公，在普朗克公式中應乘以一個小于式中應乘以一個小于1的系數(shù)的系數(shù)。這個系數(shù)稱為。這個系數(shù)稱為物體的比輻射率物體的比輻射率(發(fā)射率發(fā)射率)，也稱為熱輻射效率。，也稱為熱輻射效率。的值不僅依賴于波長和溫度，也依賴發(fā)射的角的值不僅依賴于波長和溫度，也依賴發(fā)射的角度。度。大多數(shù)常見物體的大多數(shù)常見物體的與發(fā)射角度的依賴關(guān)系基本與發(fā)射角度的依賴關(guān)系基本上可忽略，與波長和溫度的依賴關(guān)系也很微弱。上可忽略，與波長和溫度的依賴關(guān)系也很微弱。在常用的波長范圍內(nèi)，為實用方便，在常用的波

23、長范圍內(nèi)，為實用方便，常常把把作為作為常數(shù)常數(shù)。定義定義：實際物體的輻射能力：實際物體的輻射能力M(T)與與同溫度同溫度下下黑體輻射能力黑體輻射能力Mb(T)的比值：的比值：)()()(TMTMTb常見物質(zhì)的輻射率瀝青：0.90-0.98混凝土：0.94水泥：0.96土： 0.92-0.96水：0.92-0.96人的皮膚：0.98塑料：0.85六、光電儀器中的常用光源六、光電儀器中的常用光源光源熱輻射光源氣體放電光源固體發(fā)光光源激光器太陽白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器汞燈熒光燈鈉燈氙燈金屬鹵化物燈空心陰極燈場致發(fā)光燈發(fā)光二極管氣體激光器固體激光器染料激光器半導體激光器發(fā)光二極管LED 發(fā)光二極管的工

24、作原理 LED LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光（非相干光）。發(fā)射的是自發(fā)輻射光（非相干光）。大多采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，把有源層夾在大多采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P P型和型和N N型限制層間，但沒有光學諧振腔，故無閾值。型限制層間，但沒有光學諧振腔，故無閾值。LEDLED分為正面發(fā)光型和側(cè)面發(fā)光型，側(cè)面發(fā)光分為正面發(fā)光型和側(cè)面發(fā)光型，側(cè)面發(fā)光型型LEDLED的驅(qū)動電流較大，輸出光功率小，但光的驅(qū)動電流較大，輸出光功率小，但光束發(fā)射角小，與光纖的耦合效率高，故入纖束發(fā)射角小，與光纖的耦合效率高，故入纖光功率比正面發(fā)光型光功率比正面發(fā)光型LEDLED高。高。發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)L球透鏡環(huán)氧樹脂P層有源層

25、N層發(fā)光區(qū)(a)正面發(fā)光型微透鏡P型限制層有源層波導層N型限制層(b)側(cè)面發(fā)光型 發(fā)光二極管的工作特性 光譜特性輸出光功率特性 LED的光譜特性 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有光學諧振腔對波長的選擇，譜線寬，短波長LED譜線寬度為3050nm。長波長LED的譜線寬度為6120nm。 1300 波長/nm相 對光強=70nmLED的輸出光功率特性正面發(fā)光側(cè)面發(fā)光電流I/mA 發(fā) 射光功率 P/mw0 100 200 300 400 500 LED的一般外量子效率小于10%，驅(qū)動電流較小時，P-I特性呈線性，I過大時，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I特性曲線斜率減小。通常LED的工作電流為

26、50100mA，輸出光功率為幾mW ，由于發(fā)光光束輻射角大，入纖光功率只有幾百W。1.光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)（1）輻射效率和發(fā)光效率輻射效率是在給定波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比PdPeee21)(發(fā)光效率是指某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比PdVKPemvv780380)()(常用光源的發(fā)光效率常用光源的發(fā)光效率光源種類發(fā)光效率（lm/W)光源種類發(fā)光效率（lm/W)普通鎢絲燈 8 18高壓汞燈 30 40鹵鎢燈 14 30高壓鈉燈 90 100普通熒光燈 35 60球形氙燈 30 40三基色熒光燈 55 90金屬鹵化

27、物燈 60 802.光譜功率分布光譜功率分布1）連續(xù)光譜源連續(xù)光譜源它通常是熱激發(fā)源，由從紫外到紅外范圍的發(fā)射波長，它通常是熱激發(fā)源，由從紫外到紅外范圍的發(fā)射波長，如白熾燈。如白熾燈。2）線光譜源線光譜源它的光譜在紫外到紅外有一些分立的窄帶。氣體放電它的光譜在紫外到紅外有一些分立的窄帶。氣體放電燈和磷光燈。燈和磷光燈。3）帶狀光譜帶狀光譜如高壓鈉燈。如高壓鈉燈。4）混合光譜混合光譜如熒光燈。如熒光燈。3.光源的色溫光源的色溫1）分布色溫分布色溫輻射源輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布相對光譜功率分布與與黑體黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，在某一溫度下

28、輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為輻射源的那么該黑體的溫度就稱為輻射源的分布色溫。分布色溫。2）輻射源的色溫）輻射源的色溫輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某溫度下輻射光的顏輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某溫度下輻射光的顏色相同，則黑體這一溫度稱為色相同，則黑體這一溫度稱為輻射源的色溫。輻射源的色溫。1.1.2 光電探測器概述光電探測器概述光電探測器光電探測器：光電探測器是一種將輻射能轉(zhuǎn)換成電光電探測器是一種將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號的器件，是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電信號的器件，是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號、測量信號，并為隨后的系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號、測量信號，并

29、為隨后的應用提取某些必要的信息。應用提取某些必要的信息。 光電探測器的分類光電探測器的分類 光電探測器的種類很多，新的器件也不斷出現(xiàn)，按光電探測器的種類很多，新的器件也不斷出現(xiàn)，按探測機理的物理效應可分為兩大類：探測機理的物理效應可分為兩大類：一類是利用各種一類是利用各種光子效應光子效應的的光子探測器光子探測器，另一類是利用另一類是利用溫度變化效應溫度變化效應的的熱探測器熱探測器。 光電管光電管光電倍增管光電倍增管真空攝像管真空攝像管變像管變像管像增強器像增強器光敏電阻光敏電阻光電池光電池光電二極管光電二極管光電三極管光電三極管光電耦合器光電耦合器位置傳感器位置傳感器PSD電荷耦合器件電荷耦合

30、器件CCD真空器件真空器件固體器件固體器件光子探測器光子探測器熱探測器熱探測器光光電電探探測測器器熱電偶和熱電堆熱電偶和熱電堆測輻射熱計測輻射熱計熱釋電探測器熱釋電探測器高萊管高萊管一光子探測器一光子探測器光電子效應光電子效應幾乎所有情況下，所用的材料都是半導體。幾乎所有情況下，所用的材料都是半導體。光電子發(fā)射效應光電子發(fā)射效應、光電導效應光電導效應、光生伏特效應光生伏特效應和和光光子牽引效應子牽引效應分類分類基于光電子發(fā)射效應的器件在吸收了大于紅外波長基于光電子發(fā)射效應的器件在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中的電子能的光子能量以后，器件材料中的電子能逸出材料表面逸出材料表面，這種

31、器件稱為這種器件稱為外光電效應外光電效應器件。器件?；诠怆妼?、光伏特和光電磁效應的器件，在吸收基于光電導、光伏特和光電磁效應的器件，在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中器件材料中出現(xiàn)光出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱為生自由電子和空穴，這種器件稱為內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應器件。器件。 1.光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器（1）光電子發(fā)射效應也稱）光電子發(fā)射效應也稱外光電效應外光電效應。入射輻射的作用。入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。電子發(fā)射。光電子發(fā)射第一定律光電

32、子發(fā)射第一定律陽極陽極接收光電陰極發(fā)射的光電子所產(chǎn)生的接收光電陰極發(fā)射的光電子所產(chǎn)生的光電流正比于入光電流正比于入射輻射的功率射輻射的功率。光電子發(fā)射第二定律光電子發(fā)射第二定律產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光電能量取決于光電陰極的產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光電能量取決于光電陰極的逸出功逸出功。因此，光電子發(fā)射因此，光電子發(fā)射存在長波限存在長波限。光子能量。光子能量hc低于陰極低于陰極材料逸出功就不能產(chǎn)生光電子發(fā)射。材料逸出功就不能產(chǎn)生光電子發(fā)射。（2）光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器：其中有：其中有真空光電管真空光電管、充氣光充氣光電管電管和和光電倍增管光電倍增管。真空光電管由光電陰極和陽極構(gòu)成，真空光電管由光電

33、陰極和陽極構(gòu)成，用于響應要求用于響應要求極快的場合極快的場合。應用最廣的是光電倍增管，它的內(nèi)部有電子倍增系應用最廣的是光電倍增管，它的內(nèi)部有電子倍增系統(tǒng)，因而有很高的電流增益，統(tǒng)，因而有很高的電流增益，能檢測極微弱的光輻能檢測極微弱的光輻射信號射信號。（3 3）光電子發(fā)射探測器）光電子發(fā)射探測器主要是可見光探測器主要是可見光探測器，因為對，因為對紅外輻射響應的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極紅外輻射響應的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極和新發(fā)展的負電子親和勢光電陰極，它們的響應波和新發(fā)展的負電子親和勢光電陰極，它們的響應波長也只擴展到長也只擴展到125m，只適用于近紅外的探測，只適用于近紅外的探測

34、，因此在紅外系統(tǒng)中應用不多。因此在紅外系統(tǒng)中應用不多。 半導體電子學的基本概念半導體電子學的基本概念1.原子能級與晶體能帶原子能級與晶體能帶 能級、能帶、禁帶能級、能帶、禁帶(Eg)、價帶、價帶(Ev)、導帶、導帶(Ec)2.本征半導體與雜質(zhì)半導體本征半導體與雜質(zhì)半導體 單晶、多晶、本征半導體、雜質(zhì)半導體、摻雜、單晶、多晶、本征半導體、雜質(zhì)半導體、摻雜、N型半導體、施主能級型半導體、施主能級ED、P型半導體、受主能級型半導體、受主能級EA 3.載流子載流子熱平衡載流子、光生載流子熱平衡載流子、光生載流子4.摻雜對半導體導電性的影響摻雜對半導體導電性的影響2 .光電導探測器光電導探測器內(nèi)光電效應

35、內(nèi)光電效應（1 1）光電導效應光電導效應光電導效應是應用最廣泛的光電子效應。光電導效應是應用最廣泛的光電子效應。入射輻射與晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛電子相互作用，產(chǎn)入射輻射與晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛電子相互作用，產(chǎn)生自由電子一空穴對生自由電子一空穴對(本征光電導本征光電導)、自由電子或空穴、自由電子或空穴(非本非本征光電導征光電導)，從而使半導體材料的電導增加。光子所激發(fā)的，從而使半導體材料的電導增加。光子所激發(fā)的載流子仍保留在材料內(nèi)部，所以光電導是一種內(nèi)光電效應。載流子仍保留在材料內(nèi)部，所以光電導是一種內(nèi)光電效應。是一種是一種非平衡多數(shù)載流子過程非平衡多數(shù)載流子過程。弛豫時間。弛豫時間。利用光

36、電導效應的探測器是光電導探測器。利用光電導效應的探測器是光電導探測器。 （2）注意事項注意事項光譜響應范圍光譜響應范圍根據(jù)器件材料不同可從根據(jù)器件材料不同可從可見光、近紅外延伸至遠可見光、近紅外延伸至遠紅外紅外。光譜響應范圍與工作溫度有關(guān)光譜響應范圍與工作溫度有關(guān)，冷卻可以使光譜響應曲線的峰，冷卻可以使光譜響應曲線的峰值和長波限向長波方向移動，同時可提高器件的靈敏度；值和長波限向長波方向移動，同時可提高器件的靈敏度；光電導探測器是均質(zhì)型器件，光電導探測器是均質(zhì)型器件，沒有極性之分沒有極性之分，工作時，工作時必須外加必須外加偏壓偏壓(偏流偏流)，并應注意選擇正確工作溫度和最佳偏壓，并應注意選擇正

37、確工作溫度和最佳偏壓(或偏流或偏流)，以便充分發(fā)揮器件性能。以便充分發(fā)揮器件性能。（3）典型器件典型器件：光敏電阻光敏電阻光敏電阻應用原理圖：光敏電阻應用原理圖：RdRLCV0光輻射光輻射3.光伏探測器光伏探測器（1 1）光伏效應光伏效應光伏效應是另一種應用廣泛的內(nèi)光電效應，是半光伏效應是另一種應用廣泛的內(nèi)光電效應，是半導體導體受光照射產(chǎn)生電動勢受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。它與光電導效應不同之處，在于需要一種將正、它與光電導效應不同之處，在于需要一種將正、負載流子在空間上分離的機制負載流子在空間上分離的機制內(nèi)部勢壘內(nèi)部勢壘。雖然非本征光伏效應也是可能的，但幾乎所有實雖然非本征光伏效應也是

38、可能的，但幾乎所有實用的光伏探測器都采用用的光伏探測器都采用本征的光伏效應本征的光伏效應。 （2）用用PN結(jié)來實現(xiàn)結(jié)來實現(xiàn)當入射光子在當入射光子在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生電子結(jié)及其附近產(chǎn)生電子空穴對時，空穴對時，光生裁流子受光生裁流子受勢壘區(qū)電場勢壘區(qū)電場作用，電子漂移到作用，電子漂移到n區(qū)，區(qū)，空穴漂移到空穴漂移到p區(qū)。如果在外電路中把區(qū)。如果在外電路中把p區(qū)和區(qū)和n區(qū)短接，區(qū)短接，就產(chǎn)生反向的短路信號電流。假若外電路開路，則就產(chǎn)生反向的短路信號電流。假若外電路開路，則光生的電子和空穴分別在光生的電子和空穴分別在n區(qū)和區(qū)和P區(qū)積累，兩端便區(qū)積累，兩端便產(chǎn)生電動勢，這稱為產(chǎn)生電動勢，這稱為光生伏特效

39、應光生伏特效應，簡稱光伏效應。，簡稱光伏效應。 （3 3）注意事項注意事項利用光伏效應的光伏探測器利用光伏效應的光伏探測器都用單晶材料都用單晶材料制作，所用材料制作，所用材料和光電導探測器材料基本相同。結(jié)型光伏探測器工作時和光電導探測器材料基本相同。結(jié)型光伏探測器工作時不不需加偏置電壓需加偏置電壓。不加偏置電壓的是光電池。不加偏置電壓的是光電池。如果加上反向偏壓，則入射輻射會使反向電流增加，這時如果加上反向偏壓，則入射輻射會使反向電流增加，這時觀測到的光電信號是光電流。加偏壓工作的探測器是光電觀測到的光電信號是光電流。加偏壓工作的探測器是光電二極管等。二極管等。（4）常用器件常用器件光電池、光

40、電二極管、光電三極管、光電池、光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)、PINPIN光電二極管光電二極管4.4.光子探測器的特點光子探測器的特點它是一種它是一種選擇性選擇性探測器，要產(chǎn)生光子效應，光子的探測器，要產(chǎn)生光子效應，光子的能量要超過某一確定的值，即光子的能量要超過某一確定的值，即光子的波長要短于長波長要短于長波限波限。波長長于長波限的入射輻射不能產(chǎn)生所需的。波長長于長波限的入射輻射不能產(chǎn)生所需的光子效應，因而也就不能被探出來。光子效應，因而也就不能被探出來。另一方面，波長短于長波限的入射輻射，當功率一另一方面，波長短于長波限的入射輻射，當功率一定時，波長愈短，光

41、子數(shù)就愈少。因此理論上定時，波長愈短，光子數(shù)就愈少。因此理論上光子光子探測器的響應率探測器的響應率( (即單位輻射功率所產(chǎn)生的光信號即單位輻射功率所產(chǎn)生的光信號) )應應與波長成正比與波長成正比。 二、熱探測器二、熱探測器熱敏效應熱敏效應熱探測器對輻射的響應和光子探測器不同。它熱探測器對輻射的響應和光子探測器不同。它基于材料吸收了光輻射能量以后基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高的現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象象，這一現(xiàn)象稱為，這一現(xiàn)象稱為熱敏效應熱敏效應。熱敏效應的機理熱敏效應的機理是入射光輻射與物質(zhì)中的晶格是入射光輻射與物質(zhì)中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動能量，相互作用，晶格因吸收光能而增加振

42、動能量，這又引起物質(zhì)的溫度上升，從而導致這又引起物質(zhì)的溫度上升，從而導致與溫度有與溫度有關(guān)的材料的某些物理性質(zhì)的變化關(guān)的材料的某些物理性質(zhì)的變化。 特點特點與光電效應有本質(zhì)的不同。與光電效應有本質(zhì)的不同。光熱效應與入射輻射光熱效應與入射輻射的光子的性質(zhì)沒有關(guān)系的光子的性質(zhì)沒有關(guān)系。因此，熱效應一般與波。因此，熱效應一般與波長無關(guān)，即光電信號取決于入射輻射功率而與入長無關(guān)，即光電信號取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成份無關(guān)，即射輻射的光譜成份無關(guān)，即對光輻射的響應無波對光輻射的響應無波長選擇性長選擇性，這是在假定了輻射的吸收機理本身與波長無關(guān)時這是在假定了輻射的吸收機理本身與波長無關(guān)時成立。

43、但是在大多數(shù)情況下，這一假定并不嚴格成立。但是在大多數(shù)情況下，這一假定并不嚴格成立。成立。光熱效應可以產(chǎn)生溫差電效應、電阻率變化效應、光熱效應可以產(chǎn)生溫差電效應、電阻率變化效應、自發(fā)極化強度的變化效應、氣體體積和壓強的變自發(fā)極化強度的變化效應、氣體體積和壓強的變化效應等等。利用這些效應可制作各種化效應等等。利用這些效應可制作各種熱探測器熱探測器。熱電效應熱電效應：電阻溫度效應、溫差電效應、熱釋電：電阻溫度效應、溫差電效應、熱釋電效應。效應。1 測輻射溫差熱電偶和熱電堆測輻射溫差熱電偶和熱電堆（1）溫差電效應溫差電效應當由當由兩種不同材料兩種不同材料制成的制成的兩個結(jié)點兩個結(jié)點出現(xiàn)出現(xiàn)溫差溫差時

44、，時，在該兩點間就有在該兩點間就有電動勢產(chǎn)生電動勢產(chǎn)生，通過這兩點的閉合，通過這兩點的閉合回路中就有電流流過，這個現(xiàn)象稱為溫差電效應?；芈分芯陀须娏髁鬟^，這個現(xiàn)象稱為溫差電效應。溫差電效應：溫差電效應：塞貝克效應塞貝克效應、珀耳帖效應珀耳帖效應和和湯姆湯姆遜效應遜效應。（2 2）塞貝克塞貝克(seebeck)效應效應：當由當由兩種不同的導體或半導體兩種不同的導體或半導體組成閉合回路的組成閉合回路的兩個結(jié)點置于不同溫度兩個結(jié)點置于不同溫度(兩結(jié)點間的溫差為兩結(jié)點間的溫差為T)時，在兩點之間就產(chǎn)生一個電動勢；這個電動時，在兩點之間就產(chǎn)生一個電動勢；這個電動勢在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為勢在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應塞貝克效應。其產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電動勢或塞貝克電動其產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電動勢或塞貝克電動勢；勢；上述回路稱為上述回路稱為熱電偶熱電偶；產(chǎn)生塞貝克電動勢的原因：是由于受熱不