光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用-3光電檢測(cè)器件的工作原理

1、光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用第三章第三章 光電檢測(cè)器件的工作原理光電檢測(cè)器件的工作原理上一章主要內(nèi)容回顧上一章主要內(nèi)容回顧一、光源的分類一、光源的分類二、發(fā)光二極管二、發(fā)光二極管三、激光器三、激光器光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì) 牛頓牛頓微粒說微粒說 根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象,高速微粒，對(duì)反射和折射做了解高速微粒，對(duì)反射和折射做了解釋釋 不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振 波動(dòng)理論波動(dòng)理論 惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等，光是一種波動(dòng)，由發(fā)光體惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等，光是一種波動(dòng)，由發(fā)光體引起，和聲一樣依靠媒質(zhì)傳播，隨后被證實(shí)電磁波引起，

2、和聲一樣依靠媒質(zhì)傳播，隨后被證實(shí)電磁波 麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波 解釋了光的干涉和衍射現(xiàn)象，但不能解釋光與物質(zhì)相解釋了光的干涉和衍射現(xiàn)象，但不能解釋光與物質(zhì)相互作用中的能量量子化轉(zhuǎn)換的性質(zhì)。互作用中的能量量子化轉(zhuǎn)換的性質(zhì)。光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì) 光量子說光量子說 1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提出光量子的概念出光量子的概念 光子的能量與光的頻率成正比光子的能量與光的頻率成正比 光具有波粒二象性光具有波粒二象性 光既可以看作光既可以看作光波光波又可以又可以 看作看作光子流光子流，光子，光子是是電磁場(chǎng)能量和動(dòng)量量

3、子化電磁場(chǎng)能量和動(dòng)量量子化的粒子，電磁波的粒子，電磁波是是光子的概率波光子的概率波 光作為波的屬性用波長(zhǎng)和頻率來描述，作為光作為波的屬性用波長(zhǎng)和頻率來描述，作為光子的屬性用能量和動(dòng)量來表征光子的屬性用能量和動(dòng)量來表征輻射度的基本物理量 輻射能Qe ：一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接受的能量。單位：焦耳J 輻射通量e：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的能量，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時(shí)間變化率。單位：瓦 輻射強(qiáng)度e：點(diǎn)輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：W/Sr 輻射度的基本物理量 輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量。單位：W/m2 輻射出射度e ：擴(kuò)展輻射源單位面

4、積所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：W/m2 輻射亮度e ：輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度。單位：W/m2Sr 光譜輻射通量e（）：輻射通量的光譜密度，即單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量。 基本輻射度量的名稱、符號(hào)和定義方程基本輻射度量的名稱、符號(hào)和定義方程名稱符號(hào)定義方程單位符號(hào)輻射能Q,焦耳J輻射能密度焦耳立方米Jm-3輻射通量，輻射功率瓦特W輻射強(qiáng)度瓦特球面度Wsr-1輻射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1輻射出射度瓦特平方米Wm-2輻射照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/光度量的最基本單位 發(fā)光強(qiáng)度Iv：發(fā)出波長(zhǎng)

5、為555nm的單色輻射，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度規(guī)定為1cd。單位：坎德拉（Candela）cd，它是國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一。 光通量v：光強(qiáng)度為1cd的均勻點(diǎn)光源在1sr內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：流明lm。 光照度Ev：?jiǎn)挝幻娣e所接受的入射光的量 ，單位：勒克斯lx，相當(dāng)于 1平方米面積上接受到1個(gè)流明的光通量。 光度的基本物理量 光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對(duì)應(yīng)的。輻射度量下標(biāo)為e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下標(biāo)為v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。 光度量只在可見光區(qū)（nm)才有意義。 輻射度量和光度量都是波長(zhǎng)的函數(shù)。 晴天陽光直射地面照度約為晴天陽光直射地面照度

6、約為100000lx晴天背陰處照度約為晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外陰天室外50500lx陰天室內(nèi)陰天室內(nèi)550lx月光（滿月）月光（滿月）2500lx日光燈日光燈5000lx電視機(jī)熒光屏電視機(jī)熒光屏100lx閱讀書刊時(shí)所需的照度閱讀書刊時(shí)所需的照度5060lx在在40W白熾燈下白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為遠(yuǎn)處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜黑夜0.001lx一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)器

7、件的物理基礎(chǔ) 1、光電發(fā)射第一定律、光電發(fā)射第一定律斯托列托夫定律：斯托列托夫定律： 其中：其中：Ik：光電流：光電流 , F：是入射輻射通量，單位是：是入射輻射通量，單位是 lm; S是光電陰極靈敏度（積分靈敏度）是光電陰極靈敏度（積分靈敏度）,單位是單位是 A/lm 。 當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)度成正比：度成正比： Ik=SkF一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 2、光電發(fā)射第二定律、光電發(fā)射第二定律愛

8、因斯坦定律：愛因斯坦定律： Emax：光電子的最大初動(dòng)能。：光電子的最大初動(dòng)能。 h：普朗克常數(shù)：普朗克常數(shù)h=4.1356674310（-15） eVs （電子伏特秒）。 0：產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，：產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值頻率閾值。 W0 ：金屬電子的：金屬電子的逸出功逸出功（從（從材料表面逸出時(shí)所需的最低能量），單位材料表面逸出時(shí)所需的最低能量），單位eV，與材料有關(guān)的常數(shù)，也稱功，與材料有關(guān)的常數(shù)，也稱功函數(shù)。函數(shù)。光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)：度無關(guān)：vEmax=(1/2)m2max =h- h0

9、 =h- W0一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 3、結(jié)論、結(jié)論u入射光子的能量至少要等于逸出功入射光子的能量至少要等于逸出功W時(shí)，才能發(fā)生光電時(shí)，才能發(fā)生光電發(fā)射。發(fā)射。u波長(zhǎng)閾值波長(zhǎng)閾值0：0=C/0當(dāng)入射光波長(zhǎng)大于當(dāng)入射光波長(zhǎng)大于0時(shí)，不論光強(qiáng)如何，以及時(shí)，不論光強(qiáng)如何，以及照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子產(chǎn)生。照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子產(chǎn)生。一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光電子發(fā)射的基本過程光電子發(fā)射的基本過程大致可分三個(gè)過程：大致可分三個(gè)過程：1)光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷

10、到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)。遷到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)。 2)受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過程中免不受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)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。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(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。光電效應(yīng)：光電效應(yīng)： 輻射光照射引起材料的輻射光照射引起材料的電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)變化，如電導(dǎo)率改變、發(fā)變化，如電導(dǎo)率改變、發(fā)射電子、產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等。射電子

11、、產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等。 光電效應(yīng)是德國(guó)物理學(xué)家光電效應(yīng)是德國(guó)物理學(xué)家赫茲赫茲發(fā)現(xiàn)的，發(fā)現(xiàn)的，愛因斯坦給出愛因斯坦給出正確正確解釋。光電效應(yīng)的深入研究對(duì)發(fā)展解釋。光電效應(yīng)的深入研究對(duì)發(fā)展量子理論量子理論起了根本性作用。起了根本性作用。 一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光電效應(yīng)光電效應(yīng)( (電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)) )光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)( (固體晶格振動(dòng)固體晶格振動(dòng)) )外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光與物質(zhì)光與物質(zhì)的作用的作用熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)輻射熱計(jì)效應(yīng)輻射熱計(jì)效應(yīng)溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件 內(nèi)光電效應(yīng)器

12、件內(nèi)光電效應(yīng)器件光電管光電管光電倍增管光電倍增管光敏電阻光敏電阻光電池光電池光敏二極管光敏二極管光敏三極管光敏三極管一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光電效應(yīng)光電效應(yīng)器件器件一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。外光電效應(yīng)的光電探測(cè)器具有于金屬和金屬氧化物。外光電效應(yīng)的光電探測(cè)器具有光譜選擇性光譜選擇性。 內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會(huì)逸出物體外部質(zhì)內(nèi)部而不會(huì)逸出物體外部多發(fā)生在半導(dǎo)體

13、多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象。使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象。一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬結(jié)或金屬半導(dǎo)體接半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)生電動(dòng)勢(shì)。一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng) 光

14、熱效應(yīng)光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化發(fā)生變化 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象 輻射熱計(jì)效應(yīng)輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象電阻率變化的現(xiàn)象 溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流

15、2.12.1 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 光照射到光照射到半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料上，電子吸收光子的能量，從原來的材料上，電子吸收光子的能量，從原來的束束縛態(tài)縛態(tài)變成導(dǎo)電的變成導(dǎo)電的自由態(tài)自由態(tài)。即。即非傳導(dǎo)態(tài)非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)傳導(dǎo)態(tài)電子，引起電子，引起載流子濃度增大載流子濃度增大。 在外電場(chǎng)的作用下，流過半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的在外電場(chǎng)的作用下，流過半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)增大電導(dǎo)增大，這種現(xiàn)象叫，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。 光電導(dǎo)材料：光電導(dǎo)材料：硅、鍺摻雜和硅、硅、鍺摻雜和硅、鍺合金摻雜等。鍺合金摻雜等。 光電導(dǎo)效應(yīng)器件：光電導(dǎo)效應(yīng)器件：光敏電阻光敏電阻。二、光電效應(yīng)

16、二、光電效應(yīng) 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。 固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。者之間的半導(dǎo)體。 電阻率電阻率10-6 10-3歐姆歐姆厘米范圍內(nèi)厘米范圍內(nèi)導(dǎo)體導(dǎo)體 電阻率電阻率1012歐姆歐姆厘米以上厘米以上絕緣體絕緣體 電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體的特性 半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對(duì)溫度變半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對(duì)溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，熱電探測(cè)器件?；浅Ｃ舾?。根據(jù)這一特性，熱電探

17、測(cè)器件。 導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化?；＃儍簦儍鬝i在室溫下電導(dǎo)率為在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆歐姆厘米厘米)。摻入。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為2 /(歐姆歐姆厘米厘米) 半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。響。本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。 在絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著。 在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。 摻入的雜質(zhì)可以

18、分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子，同時(shí)向?qū)峁╇娮樱拱雽?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。平衡和非平衡載流子 處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的，有條件的。如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部

19、分載流子稱為非平衡載流子。 非平衡載流子的產(chǎn)生 光注入光注入：用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。 當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。 光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。 其它方法其它方法：電注入、高能粒子輻照等。非本征非本征光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)( (雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)) )本征本征光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)本征型半導(dǎo)體：本征型半導(dǎo)體： 晶格完整晶格完整且且不含雜質(zhì)不含雜質(zhì)的晶體半導(dǎo)體。參與導(dǎo)電的電子和的晶體半導(dǎo)體。參與導(dǎo)

20、電的電子和空穴的數(shù)目空穴的數(shù)目相等相等，如硅和鍺。，如硅和鍺。 非本征半導(dǎo)體：非本征半導(dǎo)體： 半導(dǎo)體中添加施主或受主物質(zhì)（稱為半導(dǎo)體中添加施主或受主物質(zhì)（稱為摻雜物摻雜物），使本征），使本征半導(dǎo)體產(chǎn)生半導(dǎo)體產(chǎn)生額外的電導(dǎo)額外的電導(dǎo)，成為非本征半導(dǎo)體。，成為非本征半導(dǎo)體。 非本征半導(dǎo)體由于添加受主型雜質(zhì)或施主型雜質(zhì)分別成非本征半導(dǎo)體由于添加受主型雜質(zhì)或施主型雜質(zhì)分別成為為p型半導(dǎo)體或型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) 能帶理論：能帶理論： 固體中運(yùn)動(dòng)電子的能量譜是由一系列準(zhǔn)連續(xù)的具有一定寬固體中運(yùn)動(dòng)電子的能量譜是由一系列準(zhǔn)連續(xù)的具有一定寬度的度的能帶能帶(稱為稱為允帶允帶)所

21、組成。兩個(gè)相鄰的允帶之間的區(qū)域?yàn)椴凰M成。兩個(gè)相鄰的允帶之間的區(qū)域?yàn)椴荒鼙浑娮诱紦?jù)的能量禁區(qū)，稱為能被電子占據(jù)的能量禁區(qū)，稱為禁帶禁帶。禁帶所覆蓋的能量區(qū)。禁帶所覆蓋的能量區(qū)間即為間即為禁帶寬度禁帶寬度。2.1.1 2.1.1 本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng) 光子能量大于材料光子能量大于材料禁帶寬度禁帶寬度的入射光，激發(fā)出電子空穴的入射光，激發(fā)出電子空穴對(duì)，使材料產(chǎn)生對(duì)，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)現(xiàn)象?，F(xiàn)象。禁帶寬度：禁帶寬度： 導(dǎo)帶的能量導(dǎo)帶的能量下邊界下邊界和價(jià)帶的能量和價(jià)帶的能量上上邊界邊界之間的間隙。之間的間隙。二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) 光照激發(fā)電子由光照激發(fā)電子由價(jià)帶價(jià)帶躍過躍過禁

22、帶禁帶進(jìn)入進(jìn)入導(dǎo)帶導(dǎo)帶的條件是：的條件是：gEh能夠激發(fā)電子的光輻射能夠激發(fā)電子的光輻射截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)：)(24. 10mEEhcggcv 本征半導(dǎo)體光電效應(yīng)現(xiàn)象：本征半導(dǎo)體光電效應(yīng)現(xiàn)象： 電場(chǎng)、光照、光電流電場(chǎng)、光照、光電流即只有波長(zhǎng)小于即只有波長(zhǎng)小于 的入射光，才能產(chǎn)生本征光電導(dǎo)。的入射光，才能產(chǎn)生本征光電導(dǎo)。0二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) 光電導(dǎo)的弛豫光電導(dǎo)的弛豫 光照射到樣品后，光光照射到樣品后，光電導(dǎo)電導(dǎo)逐漸逐漸增加，光照停止，增加，光照停止，光電導(dǎo)在一段時(shí)間內(nèi)光電導(dǎo)在一段時(shí)間內(nèi)逐漸逐漸消失。消失。 反應(yīng)了光電導(dǎo)對(duì)光強(qiáng)反應(yīng)了光電導(dǎo)對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)的變化反應(yīng)的快慢快慢。 弛豫特性限制了器件

23、弛豫特性限制了器件對(duì)對(duì)調(diào)制頻率高的光功率調(diào)制頻率高的光功率的的響應(yīng)。響應(yīng)。 矩形脈沖光照下光電導(dǎo)弛豫過程矩形脈沖光照下光電導(dǎo)弛豫過程二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) drtM 光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個(gè)重要參數(shù)。光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個(gè)重要參數(shù)。 它表示長(zhǎng)度它表示長(zhǎng)度L L的光電導(dǎo)體在電壓的光電導(dǎo)體在電壓U U下，光照產(chǎn)生的光生載下，光照產(chǎn)生的光生載流子形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比。流子形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比。 M M為光電導(dǎo)增益，為光電導(dǎo)增益， 為器件的響應(yīng)時(shí)間，為器件的響應(yīng)時(shí)間， 為載流子在為載流子在兩極間渡越時(shí)間。兩極間渡越時(shí)間。d

24、rt 光電導(dǎo)增益與帶寬之積為常數(shù)，即光電導(dǎo)增益與帶寬之積為常數(shù)，即光電靈敏度與帶寬是光電靈敏度與帶寬是矛盾的矛盾的。 書書P13P13，最下面的文字。，最下面的文字。光電導(dǎo)的增益光電導(dǎo)的增益二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) 典型結(jié)構(gòu)型式：典型結(jié)構(gòu)型式： 絕緣基底、光電導(dǎo)材料薄絕緣基底、光電導(dǎo)材料薄膜、電極、引線、帶有膜、電極、引線、帶有窗口窗口的的金屬或塑料外殼內(nèi)。金屬或塑料外殼內(nèi)。蛇形光敏面蛇形光敏面 即保證有較大的受光面，也可以減小即保證有較大的受光面，也可以減小電極之間的距離，從而減小載流子的兩極電極之間的距離，從而減小載流子的兩極間渡越時(shí)間，提高靈敏度間渡越時(shí)間，提高靈敏度二、光電效應(yīng)二、光電

25、效應(yīng) N N型光電半導(dǎo)體型光電半導(dǎo)體施主施主能級(jí)中的能級(jí)中的電子電子躍遷到導(dǎo)帶中躍遷到導(dǎo)帶中去，電子為主要載流子，增加了去，電子為主要載流子，增加了自由電子的濃度自由電子的濃度。 P P型光電半導(dǎo)體型光電半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子躍遷到價(jià)帶中的電子躍遷到受主受主能級(jí)，能級(jí)，與受主能級(jí)中的空穴復(fù)合，而在價(jià)帶中留有與受主能級(jí)中的空穴復(fù)合，而在價(jià)帶中留有空穴空穴，作為主，作為主要載流子參加導(dǎo)電。要載流子參加導(dǎo)電。增加了空穴的濃度增加了空穴的濃度。 是雜質(zhì)半導(dǎo)體中的是雜質(zhì)半導(dǎo)體中的施主（受主）施主（受主）吸收光子能量后吸收光子能量后電離電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，使材料電導(dǎo)率增加。產(chǎn)生自由電子或空穴，使材料電導(dǎo)

26、率增加。2.1.22.1.2 雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng) 二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) 電離能級(jí)電離能級(jí)比比禁帶寬度禁帶寬度小很多小很多； 非本征的光譜響應(yīng)非本征的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)波長(zhǎng)比本征光電導(dǎo)的比本征光電導(dǎo)的長(zhǎng)長(zhǎng)； 雜質(zhì)原子數(shù)目少，雜質(zhì)原子數(shù)目少，雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)比本征光電導(dǎo)微弱。雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)比本征光電導(dǎo)微弱。多數(shù)非本征半導(dǎo)體器件工作在低溫狀態(tài)，多數(shù)非本征半導(dǎo)體器件工作在低溫狀態(tài)，避免熱激發(fā)的避免熱激發(fā)的載流子產(chǎn)生的噪聲超過光激發(fā)的信號(hào)載流子，常放在裝載流子產(chǎn)生的噪聲超過光激發(fā)的信號(hào)載流子，常放在裝有有制冷劑的容器制冷劑的容器中使用。中使用。本征與非本征效應(yīng)的比較：本征與非本征效應(yīng)的比較： 書書

27、P14，中間一段文字，中間一段文字。二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) 光照射光照射PNPN結(jié)結(jié)，在，在PNPN結(jié)兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，稱為光生電動(dòng)勢(shì)，結(jié)兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，稱為光生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)稱這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)。 PN PN結(jié)材料結(jié)材料同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)同一種半導(dǎo)體摻雜突變形成的同一種半導(dǎo)體摻雜突變形成的異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)兩種不同半導(dǎo)體接觸形成的兩種不同半導(dǎo)體接觸形成的肖特基結(jié)肖特基結(jié)金屬與半導(dǎo)體結(jié)合形成的金屬與半導(dǎo)體結(jié)合形成的2.1.32.1.3 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 光伏器件：光伏器件：光電池、光敏二極光電池、光敏二極管、光敏管、光敏PINPIN管、雪崩光敏二極

28、管。管、雪崩光敏二極管。二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) PN結(jié)的光生電動(dòng)勢(shì)：結(jié)的光生電動(dòng)勢(shì)： 無光照時(shí)，無光照時(shí)，PN結(jié)存在內(nèi)部自結(jié)存在內(nèi)部自建電場(chǎng)建電場(chǎng)E； 當(dāng)光照射當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，載流子結(jié)時(shí)，載流子在在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近就產(chǎn)生少數(shù)載流子區(qū)及其附近就產(chǎn)生少數(shù)載流子。 載流子的移動(dòng)產(chǎn)生附加電動(dòng)載流子的移動(dòng)產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)稱為，此電動(dòng)勢(shì)稱為光生電光生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)。光生伏光生伏特效應(yīng)示意圖特效應(yīng)示意圖二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) 光電流：光電流： 通過負(fù)載構(gòu)成閉合回路，就會(huì)有電流。通過負(fù)載構(gòu)成閉合回路，就會(huì)有電流。 輻射光不停止，電流不消失。輻射光不

29、停止，電流不消失。gEh注意：注意： 產(chǎn)生光生伏特的產(chǎn)生光生伏特的條件條件是：是： 與照射光的強(qiáng)度無關(guān)；與照射光的強(qiáng)度無關(guān)； 光生伏特的光生伏特的大小大小與照射光的與照射光的強(qiáng)度成正比強(qiáng)度成正比。 光生伏特效應(yīng)檢器件比光電導(dǎo)效應(yīng)檢測(cè)器件有更快的光生伏特效應(yīng)檢器件比光電導(dǎo)效應(yīng)檢測(cè)器件有更快的響應(yīng)速度響應(yīng)速度：（書（書P15P15，中間一段），中間一段） 光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子的行為，光電導(dǎo)效應(yīng)是多光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子的行為，光電導(dǎo)效應(yīng)是多數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) 光照光照引起材料引起材料溫度溫度變化，進(jìn)而使

30、變化，進(jìn)而使材料性質(zhì)材料性質(zhì)變化。變化。光電效應(yīng)與光熱效應(yīng)區(qū)別：光電效應(yīng)與光熱效應(yīng)區(qū)別： 光電效應(yīng)中，光能量直接變?yōu)楣怆娦?yīng)中，光能量直接變?yōu)殡娮幽芰侩娮幽芰浚?光熱效應(yīng)中，光能量使材料光熱效應(yīng)中，光能量使材料晶格振動(dòng)加劇晶格振動(dòng)加劇，形成，形成溫升。溫升。熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)輻射熱計(jì)效應(yīng)輻射熱計(jì)效應(yīng)溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng)光熱光熱效應(yīng)效應(yīng)三、三、 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)1.1.光熱釋電效應(yīng)：光熱釋電效應(yīng)： 是指是指光照光照使介質(zhì)產(chǎn)生使介質(zhì)產(chǎn)生溫生溫生，介質(zhì)的，介質(zhì)的極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度隨溫度變化，隨溫度變化，引起表面引起表面電荷變化電荷變化的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 畸變極化：畸變極化：原子核外的原子核外的電子云分

31、布產(chǎn)生畸變電子云分布產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生不等于，產(chǎn)生不等于零的電偶極矩。零的電偶極矩。 位移極化：位移極化：原來正、負(fù)電中心重合的分子，在外電場(chǎng)作用原來正、負(fù)電中心重合的分子，在外電場(chǎng)作用下下正、負(fù)電中心分離正、負(fù)電中心分離。 轉(zhuǎn)向極化：轉(zhuǎn)向極化：具有固有電偶極矩的分子原來的取向是混亂的，具有固有電偶極矩的分子原來的取向是混亂的，宏觀上電偶極矩總和等于零，在外電場(chǎng)作用下，宏觀上電偶極矩總和等于零，在外電場(chǎng)作用下，各個(gè)電偶極各個(gè)電偶極子趨向于一致的排列子趨向于一致的排列，從而宏觀電偶極矩不等于零。，從而宏觀電偶極矩不等于零。 典型極化形式：典型極化形式： 三、三、 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)熱釋電效應(yīng)的特征：熱

32、釋電效應(yīng)的特征： 熱電材料；熱電材料； 垂直于電極化方向的材料表面出現(xiàn)面束縛電荷；垂直于電極化方向的材料表面出現(xiàn)面束縛電荷； 溫度升高，極化強(qiáng)度減小，電荷減少，似于釋放電荷；溫度升高，極化強(qiáng)度減小，電荷減少，似于釋放電荷； 溫度升高到溫度升高到TcTc值值時(shí)，自發(fā)極化突然消失；（居里溫度點(diǎn)時(shí)，自發(fā)極化突然消失；（居里溫度點(diǎn) 光照強(qiáng)度變化，熱電體的溫度發(fā)生變化，面電荷變化。光照強(qiáng)度變化，熱電體的溫度發(fā)生變化，面電荷變化。 極化晶體：極化晶體：自發(fā)極化、自發(fā)極化、穩(wěn)態(tài)下不能測(cè)出穩(wěn)態(tài)下不能測(cè)出； 光照光照使自發(fā)極化強(qiáng)度變化、使自發(fā)極化強(qiáng)度變化、動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量。三、三、 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)注意：注意：

33、 熱釋電探測(cè)器是一種熱釋電探測(cè)器是一種交流或瞬時(shí)交流或瞬時(shí)響應(yīng)的器件響應(yīng)的器件。 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是指電介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化，釋放表面吸附的部分電荷現(xiàn)是指電介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化，釋放表面吸附的部分電荷現(xiàn)象。象。 光熱釋電效應(yīng)光熱釋電效應(yīng)是指光照引起電介質(zhì)的溫度變化，隨之極化強(qiáng)度變化，釋放表是指光照引起電介質(zhì)的溫度變化，隨之極化強(qiáng)度變化，釋放表面吸附的部分電荷現(xiàn)象。面吸附的部分電荷現(xiàn)象。 典型器件：典型器件： 紅外探測(cè)器、熱電激光量熱計(jì)、夜視儀、光譜儀。紅外探測(cè)器、熱電激光量熱計(jì)、夜視儀、光譜儀。 熱釋電名稱的來源：熱釋電名稱的來源： 書書P16，中間一段。，中間一段。三、三、 光熱

34、效應(yīng)光熱效應(yīng)紅外熱釋電器件：紅外熱釋電器件： 是對(duì)是對(duì)紅外光紅外光敏感的光熱釋電器件。敏感的光熱釋電器件。 采用采用高熱電系數(shù)高熱電系數(shù)的材料，如鋯的材料，如鋯(gao)鈦酸鉛系陶瓷、鉭鈦酸鉛系陶瓷、鉭(tan)酸鋰、硫酸三甘鈦等。酸鋰、硫酸三甘鈦等。 敏感紅外線能力弱、輸出電壓信號(hào)微弱：敏感紅外線能力弱、輸出電壓信號(hào)微弱：為了提高靈敏為了提高靈敏度、增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)度、增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡，可將信號(hào)放大可將信號(hào)放大70分貝以上，敏感距離可達(dá)分貝以上，敏感距離可達(dá)1020米。為了加米。為了加大輸出信號(hào)，常在探頭內(nèi)加大輸出信號(hào)，常在探頭內(nèi)加

35、場(chǎng)效應(yīng)管放大場(chǎng)效應(yīng)管放大。三、三、 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng) 人體發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)為人體發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)為8-12微米微米，人體的體溫一般在，人體的體溫一般在37度。度。 被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線來工作，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線來工作，人體發(fā)射的紅外線通過人體發(fā)射的紅外線通過菲尼爾濾光片菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件上。件上。 菲尼爾濾光片具有不同的菲尼爾濾光片具有不同的焦距（感應(yīng)距離）焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生不同的不同的監(jiān)控視場(chǎng)監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。 在在電子防盜、人體探測(cè)器電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域

36、中，被動(dòng)式熱釋電紅外探領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛。測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛。 人體熱釋電紅外傳感器人體熱釋電紅外傳感器 三、三、 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)2.2.輻射熱計(jì)效應(yīng)輻射熱計(jì)效應(yīng) 光的照射使材料由于光的照射使材料由于受熱受熱引起引起電阻率電阻率變化現(xiàn)象。變化現(xiàn)象。TRRT3.3.溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng)（參閱熱電偶相關(guān)內(nèi)容）（參閱熱電偶相關(guān)內(nèi)容） 當(dāng)兩當(dāng)兩種不同種不同的材料兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的的材料兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫溫度不同度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流（熱電，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流（熱電偶）；偶）； 光照射結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫度變化引起光照射結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫度變化引起溫差電溫差電現(xiàn)象；現(xiàn)象； 熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)= =珀?duì)栙N效應(yīng)珀?duì)栙N效應(yīng)+ +湯姆遜效應(yīng)）湯姆遜效應(yīng)） 為提高測(cè)量靈敏度，常將若干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來使用，為提高測(cè)量靈敏度，常將若干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來使用，稱為熱電堆。稱為熱電堆。不同于