第十講 光電探測器的物理效應

1、 本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容一、光子效應一、光子效應三、光電發(fā)射效應三、光電發(fā)射效應四、光電導效應四、光電導效應五、光伏效應五、光伏效應六、溫差電效應六、溫差電效應八、光電轉(zhuǎn)換定律八、光電轉(zhuǎn)換定律七、熱釋電效應七、熱釋電效應二、光熱效應二、光熱效應光電探測器光電探測器(Detector) ：對各種光輻射進行：對各種光輻射進行接收接收和和探測探測的器件的器件光輻射量光輻射量電量電量32光電倍增管光電倍增管光電探測器光電探測器一、光子效應一、光子效應(Photonic Effect ) 指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接直接作用的一類光電效應。探測器作用的一類光電效

2、應。探測器吸收光子后，吸收光子后，直接直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。特點特點對光波頻率表現(xiàn)出對光波頻率表現(xiàn)出選擇性選擇性，響應速度快響應速度快。 例如例如:光子效應在光電池等中體現(xiàn)光子效應在光電池等中體現(xiàn)31一、光子效應一、光子效應效應效應相應的探測器相應的探測器外光電效應外光電效應1）光陰極發(fā)射光電子）光陰極發(fā)射光電子2）光電子倍增）光電子倍增 打拿極倍增打拿極倍增 通道電子倍增通道電子倍增光電管光電管光電倍增管光電倍增管像增強器像增強器內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應1）光

3、電導（本征和非本征）光電導（本征和非本征）2）光生伏特）光生伏特 PN結(jié)和結(jié)和PIN結(jié)（零偏）結(jié)（零偏） PN結(jié)和結(jié)和PIN結(jié)（反偏）結(jié)（反偏） 雪崩雪崩 肖特基勢壘肖特基勢壘3）光電磁）光電磁 光子牽引光子牽引光導管或光敏電阻光導管或光敏電阻光電池光電池光電二極管光電二極管雪崩光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘光電二極管肖特基勢壘光電二極管光電磁探測器光電磁探測器光子牽引探測器光子牽引探測器30 當光子與半導體中的自由載流子作用時，光子把當光子與半導體中的自由載流子作用時，光子把動量動量傳遞給傳遞給自由載流自由載流子子，自由載流子將，自由載流子將順著光線的傳播方向順著光線的傳播方向做相對于做

4、相對于晶格的運動晶格的運動。結(jié)果，在開。結(jié)果，在開路的情況下，半導體樣品將路的情況下，半導體樣品將產(chǎn)生電場產(chǎn)生電場，它，它阻止載流子的運動阻止載流子的運動。這個現(xiàn)象被。這個現(xiàn)象被稱為光子牽引效應。稱為光子牽引效應。 一、光子效應一、光子效應光子牽引效應光子牽引效應29內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應外光電效應外光電效應在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應外光電效應。當光照在物體上，使物體電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做當光照在物體上，使物體電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應。一、

5、光子效應一、光子效應利用光子效應的器件利用光子效應的器件光電管光電管光電倍增管光電倍增管像增強器像增強器光導管或光敏電阻光導管或光敏電阻光電池光電池光電二極管光電二極管雪崩光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘光電二極管肖特基勢壘光電二極管光電磁探測器光電磁探測器光子牽引探測器光子牽引探測器28肖特基勢壘光電二極管肖特基勢壘光電二極管(Photothermal Effect ) 探測元件吸收光輻射能量后，并探測元件吸收光輻射能量后，并不直接不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦氖前盐盏墓饽茏優(yōu)榫Ц竦臒徇\動能熱運動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上量，引

6、起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。升的結(jié)果又使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。特點特點對光波頻率對光波頻率沒有選擇性沒有選擇性，響應速度比較慢響應速度比較慢。 在在紅外紅外波段上，材料吸收率高，波段上，材料吸收率高，光熱效應光熱效應也就更強烈，所以廣泛用也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。于對紅外線輻射的探測。二、光熱效應二、光熱效應27二、光熱效應二、光熱效應效效 應應相應的探測器相應的探測器1）測輻射熱計）測輻射熱計 負電阻溫度系數(shù)負電阻溫度系數(shù) 正電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù) 超導超導2）溫差電）溫差電3）熱釋電）熱釋電4）其

7、他）其他熱敏電阻測輻射熱計熱敏電阻測輻射熱計金屬測輻射熱計金屬測輻射熱計超導遠紅外探測器超導遠紅外探測器熱電偶、熱電堆熱電偶、熱電堆熱釋電探測器熱釋電探測器高萊盒、液晶等高萊盒、液晶等26光熱效應探測器光熱效應探測器熱敏電阻測輻射熱計熱敏電阻測輻射熱計金屬測輻射熱計金屬測輻射熱計超導遠紅外探測器超導遠紅外探測器熱電偶、熱電堆熱電偶、熱電堆熱釋電探測器熱釋電探測器高萊盒、液晶等高萊盒、液晶等25新型快速熱釋電新型快速熱釋電(Pyroelectric)探測器探測器 二、光熱效應二、光熱效應三、光電發(fā)射效應三、光電發(fā)射效應 金屬或半導體受光照時，如果入射的光子能量金屬或半導體受光照時，如果入射的光子

8、能量h足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，叫做光電發(fā)射效應，也稱為表面逸出的現(xiàn)象，叫做光電發(fā)射效應，也稱為外光電外光電效應效應。它是真空光電器件。它是真空光電器件光電陰極光電陰極的物理基礎。的物理基礎。 能產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體，在光電管中又稱為能產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體，在光電管中又稱為光陰極光陰極。24三、光電發(fā)射效應三、光電發(fā)射效應231)光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級的激發(fā)態(tài)。態(tài)躍遷到能量高于真空能級的激發(fā)態(tài)。光電發(fā)射大致可分三個過程：

9、光電發(fā)射大致可分三個過程：2)受激電子從受激地點出發(fā)，在向表面運動過程中免受激電子從受激地點出發(fā)，在向表面運動過程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。3)達到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表達到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢壘對電子的束縛（即逸出功）時，即可從表面逸出。面勢壘對電子的束縛（即逸出功）時，即可從表面逸出。三、光電發(fā)射效應三、光電發(fā)射效應22EhEk221mvEkE：光電發(fā)射體的功函數(shù)：光電發(fā)射體的功函數(shù) 電子離開發(fā)射體表面時的動能電子離開發(fā)射體表面時的動能 愛因斯坦方程愛因斯坦方程 截止頻率

10、截止頻率截止波長截止波長chEsnmsmcseVsJh/103/1031013. 4106 . 617141534)(24.1)(eVEmc三、光電發(fā)射效應三、光電發(fā)射效應21利用光電發(fā)射效應的器件利用光電發(fā)射效應的器件光電管光電管光電倍增管光電倍增管像增強器像增強器光電管光電管光電倍增管光電倍增管像增強器像增強器四、光電導效應四、光電導效應 光照變化光照變化引起半導體材料引起半導體材料電導變化電導變化的現(xiàn)象的現(xiàn)象稱光電導效應。稱光電導效應。 半導體受光輻射時，半導體受光輻射時，電導率增加電導率增加而變得易而變得易于導電。于導電。 這種效應的產(chǎn)生，來自于材料因吸收光子后這種效應的產(chǎn)生，來自于材

11、料因吸收光子后，其中的載流子濃度發(fā)生了改變。，其中的載流子濃度發(fā)生了改變。20四、光電導效應四、光電導效應 當未受光照時，只有極少的熱激發(fā)自由載流當未受光照時，只有極少的熱激發(fā)自由載流子，絕大多數(shù)子，絕大多數(shù)電子被束縛電子被束縛在局域價鍵上不能參與在局域價鍵上不能參與導電。導電。 導帶中的自由電子極少，近似空帶，而價電子導帶中的自由電子極少，近似空帶，而價電子全部束縛于滿的價帶中，故全部束縛于滿的價帶中，故電導率很小電導率很小。19四、光電導效應四、光電導效應 當有光照射時，能量大于半導體禁帶當有光照射時，能量大于半導體禁帶寬度寬度Eg的光子與價電子的光子與價電子碰撞碰撞，價電子獲得，價電子獲

12、得能量成為能量成為自由電子自由電子，形成自由電子，形成自由電子 -空穴空穴對，可參與導電的對，可參與導電的載流子載流子。由于這一光電。由于這一光電效應增加了材料的載流子濃度，從而增加效應增加了材料的載流子濃度，從而增加了材料的了材料的電導率電導率。18光輻射照射外加電壓的本征半導體光輻射照射外加電壓的本征半導體，如果光波長，如果光波長滿足如下條件：滿足如下條件：)(24.1)(eVEmgc禁帶寬度禁帶寬度gE四、光電導效應四、光電導效應17導導 帶帶價價 帶帶本征半導體本征半導體光輻射照射外加電壓的摻雜半導體光輻射照射外加電壓的摻雜半導體，如果光波長，如果光波長滿足如下條件：滿足如下條件：)(

13、24.1)(eVEmiciE雜質(zhì)能帶寬度雜質(zhì)能帶寬度四、光電導效應四、光電導效應16摻雜半導體摻雜半導體導帶導帶施主能級施主能級Ei價帶價帶受主能級受主能級Ei四、光電導效應四、光電導效應15利用光電導效應的器件利用光電導效應的器件光敏電阻光敏電阻光電攝像管光電攝像管紅外探測器紅外探測器光敏電阻光敏電阻光電攝像管光電攝像管五、光伏效應五、光伏效應 指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生合的不同部位之間產(chǎn)生電位差電位差的現(xiàn)象，稱為光的現(xiàn)象，稱為光生伏特效應（簡稱為光伏效應）。生伏特效應（簡稱為光伏效應）。14 光伏被定義為射線能量的光伏被定義

14、為射線能量的直接轉(zhuǎn)換直接轉(zhuǎn)換。在實。在實際應用中通常指太陽能向電能的轉(zhuǎn)換，即太陽際應用中通常指太陽能向電能的轉(zhuǎn)換，即太陽能光伏。能光伏。光伏效應也是太陽能發(fā)電的基本原理。光伏效應也是太陽能發(fā)電的基本原理。五、光伏效應五、光伏效應13利用光伏效應的器件利用光伏效應的器件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場效應管光電場效應管雪崩型光電二極管雪崩型光電二極管光電三極管光電三極管光電場效應管光電場效應管雪崩型光電二極管雪崩型光電二極管三種效應對照三種效應對照12光電導效應光電導效應和和光生伏特效應光生伏特效應都屬于都屬于內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應。 六、溫差電效應六、溫差電效應 由兩種

15、由兩種不同材料不同材料制成的結(jié)點由于受到某制成的結(jié)點由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)點間產(chǎn)生點間產(chǎn)生電動勢電動勢，回路中產(chǎn)生電流，這就是，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應。該溫差電動勢又叫塞貝克溫差電效應。該溫差電動勢又叫塞貝克(T.J.Seebeck)電動勢。電動勢。11xyT1T212導體導體a導體導體b七、熱釋電效應七、熱釋電效應10 在某些電解質(zhì)晶體中，不加外電場就存在電極化現(xiàn)象，且具有一定的在某些電解質(zhì)晶體中，不加外電場就存在電極化現(xiàn)象，且具有一定的極化強度，這種極化強度稱為自發(fā)極化強度，極化強度，這種極化強度稱為自發(fā)極化強度，

16、Ps為自發(fā)極化強度方向。具為自發(fā)極化強度方向。具有有自發(fā)極化的晶體自發(fā)極化的晶體，由于在晶體發(fā)生，由于在晶體發(fā)生溫度變化溫度變化時，就會產(chǎn)生時，就會產(chǎn)生熱釋電熱釋電效應，效應，因而稱為熱釋電晶體。因而稱為熱釋電晶體。熱釋電流只與熱釋電材料的熱釋電流只與熱釋電材料的溫度變化率溫度變化率有關，與溫度本身無關。有關，與溫度本身無關。 主要用于主要用于防盜報警防盜報警和和安全報警裝置安全報警裝置（防止人們誤入危險區(qū)）、（防止人們誤入危險區(qū)）、自動門自動門、自動照明裝置自動照明裝置、火災報警火災報警等一些自動控制系統(tǒng)中。等一些自動控制系統(tǒng)中。七、熱釋電效應七、熱釋電效應9紅外熱釋電傳感器紅外熱釋電傳感器

17、熱釋電人體紅外線傳感器原理圖熱釋電人體紅外線傳感器原理圖 八、光電轉(zhuǎn)換定律八、光電轉(zhuǎn)換定律光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換 dtdnhvdtdEtP光 dtdnedtdQti電 tDPtiD探測器的光電轉(zhuǎn)換因子探測器的光電轉(zhuǎn)換因子光子光子電極電極電極電極耗盡層耗盡層SiO2p+nn+8dtdndtdn光電hveD 探測器的探測器的量子效率量子效率)()(tPhveti八、光電轉(zhuǎn)換定律八、光電轉(zhuǎn)換定律7*光功率光功率P正比于光電場的平方正比于光電場的平方 平方律探測器平方律探測器非線性器件非線性器件(本質(zhì)本質(zhì))*光電探測器對入射功率響應光電探測器對入射功

18、率響應(光電流光電流) 一個光子探測器可視為一個電流源一個光子探測器可視為一個電流源 八、光電轉(zhuǎn)換定律八、光電轉(zhuǎn)換定律6光電探測器件的特點光電探測器件的特點光子器件光子器件熱電器件熱電器件響應波長有選擇性，一般有截止波長，響應波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應超過該波長，器件無響應響應波長無選擇性，對可見光到遠紅響應波長無選擇性，對可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感外的各種波長的輻射同樣敏感響應快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時響應快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短，一般為納秒到幾百微秒間短，一般為納秒到幾百微秒響應慢，一般為幾毫秒響應慢，一般為幾毫秒5A、光電發(fā)射效應、光電發(fā)射效應 B、光、光 電電 導導 效效 應應 C、光生伏特效應、光生伏特效應 D、光、光 磁磁 效效 應應BCD 1、光與物質(zhì)的作用實質(zhì)是光子與電子的作用，電子吸收光子的能量后，、光與物質(zhì)的作用實質(zhì)是光子與電子的作用，電子吸收光子的能量后，改變了電子的運動規(guī)律。由于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和物理性能不同，以及光和物質(zhì)改變了電子的運動規(guī)律。由于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和物理性能不同，以及光和物質(zhì)的作用條件不同，在光子作用下產(chǎn)生的載流子就有不同的規(guī)律，因而導致的作用條件不同，在光子作用下產(chǎn)生的載