光源與光電探測器

關(guān)于光源與光電探測器第一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第1章光源與光電探測器第二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日光源應用科學研究共用應用物質(zhì)成分分析材料結(jié)構(gòu)研究光電檢測照明工程第三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日能把光輻射量轉(zhuǎn)換為另一種便于測量的物理量的器件光輻射量光電探測器電信號光探測器光子探測器光電探測器的物理效應光子效應光熱效應熱探測器第四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1光電信息技術(shù)中常用的光源一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無論是天然的，還是人造的，都稱為光源。天然光源是自然界中存在的，如太陽、恒星等，在天文學電探測中，常常會遇到這些光輻射的測量。人造光源是人為將各種形式能量（熱能、電能、化學能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源。在一般光電測量系統(tǒng)中，電光源是最常見的光源。第五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.1光源的基本特性參數(shù)1.輻射效率和發(fā)光效率

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，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率相應地，對于可見光范圍，某一光源的發(fā)光效率ηv為所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的光效率，即第六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2.光譜功率分布

§4.1.1光源的基本特性參數(shù)自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分析。光源種類發(fā)光效率(lm.W-1)光源種類發(fā)光效率(lm.W-1)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金屬鹵化物燈60-80表1常用光源的發(fā)光效率第七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.1光源的基本特性參數(shù)圖中（a）稱為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細線組成，如低壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜，它由一些分開的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。圖（c）為連續(xù)光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜，圖（d）是混合光譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。典型的光譜功率分布第八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.1光源的基本特性參數(shù)在選擇光源時，它的光譜功率分布應由測量對象的要求來決定。在目視光學系統(tǒng)中，一般采用可見光譜輻射比較豐富的光源。對于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計中，通常使用氚燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強的光源，在光纖技術(shù)中，通常使用發(fā)光二極管和半導體激光器等光源第九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.1光源的基本特性參數(shù)3.空間光強分布

對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度與該方向的發(fā)光強度成正比。將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強度曲線，即配光曲線。超高壓球形氙燈的光強分布在有的情況下，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。為了進一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點位于光源的發(fā)光中心上。第十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.1光源的基本特性參數(shù)4.光源的色溫

黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性來近似地表示。對于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。（1）分布溫度輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為第十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）色溫§4.1.1光源的基本特性參數(shù)若輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。輻射源發(fā)射光的顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同（3）相關(guān)色溫。對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關(guān)色溫表示，在均勻色度圖中，如果光源的色坐標點與某一溫度下黑體輻射的色坐標點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。第十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.1光源的基本特性參數(shù)5.光源的顏色光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的色表。比如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。當用這種光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色（也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺）與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。第十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.2熱輻射源（1）它們的發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們的發(fā)光或輻射性質(zhì)；（2）它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應性強。但在通常情況下，紫外輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；（3）采用適當?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。任何物體只要其溫度大于絕對零度，就會向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的形式稱為熱輻射。（3）采用適當?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。第十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.2熱輻射源熱輻射源應用科學研究共用應用照明光學系統(tǒng)---光源光電探測---光源光度或輻射度標準光源第十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.2熱輻射源1.太陽

太陽可看成是一個直徑為1.392×109m的光球。它到地球的年平均距離是1.49×1011m．因此從地球上觀看太陽時，太陽的張角只有0.5330。大氣層外的太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射。其平均輻亮度為2.01×l07Wm-2sr-1平均亮度為1.95×109cdm-2。太陽的光譜能量分布曲線第十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.2熱輻射源射到地球上的太陽輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，使太陽輻射在光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等都發(fā)生了變化。大氣的吸收光譜比較復雜，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳氫化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了大陽輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)，在標準海平面上太陽的光譜輻射照度曲線，其中的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶．第十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.2熱輻射源2.黑體模擬器

在許多軍用紅外光電信息技術(shù)和光電系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。黑體模擬器的結(jié)構(gòu)第十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.2熱輻射源3.白熾燈

白熾燈是照明工程和光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體射曲線相差約0.5%，而在整個光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，白熾燈使用和量值復現(xiàn)方便，它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標準光源。第十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.2熱輻射源圖(a)所示為BDQ型發(fā)光強度標準燈，用來傳遞和復現(xiàn)發(fā)光強度單位(cd)的量值。發(fā)光強度標準燈是通過精確控制流過燈絲的直流電流，復現(xiàn)在規(guī)定的色溫下和在燈絲平面中心的法線方向上的光強度。圖(b)是BDT型光通量標準燈，用來傳遞和復現(xiàn)光通量值．光通量標準燈的燈絲是旋轉(zhuǎn)對稱的，這樣使電壓與燈參數(shù)的變化曲線其光分布在各旋轉(zhuǎn)方向盡可能一致。圖(c)為BW型溫度標準燈，它的發(fā)光體是一條狹長的鎢帶，當通以電流時，鎢帶熾熱發(fā)光。主要工作在800～25000C范圍內(nèi)，復現(xiàn)和驗定光學高溫計及某些以光學高溫計作標準的溫度源，也可以代替能量標準燈使用。第二十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.1.3氣體放電光源第二十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2光電探測器的性能參數(shù)與噪聲第二十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)響應度是光電探測器輸出信號與輸入輻射功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器的光－電轉(zhuǎn)換效能。定義為光電探測器的輸出均方根電壓或電流與入射到光電探測器上的平均光功率之比1.響應度---靈敏度第二十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日RV和RI分別稱為光電探測器的電壓響應度和電流響應度，由于光電探測器的響應度隨入射輻射的波長變化而變化，因此又有光譜響應度和積分響應度光電探測器本質(zhì)是一個外電壓偏置的電流輸出器件，通過負載電阻可改變?yōu)殡妷狠敵銎骷?。?.2.1光電探測器的性能參數(shù)第二十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2.光譜響應度

光譜響應度又叫單色響應度，它表示不同波長的單位輻射功率，輻射入射到一個探測器的敏感元上，探測器輸出強弱的不同。光譜響應度用Rλ表示，是光電探測器的輸出電壓或者輸出電流與入射到探測器上單色輻射通量（光通量）之比Rλ是常數(shù)時，相應探測器稱為無選擇性探測器(如光熱探測器)，光子探測器則是選擇性探測器?！?.2.1光電探測器的性能參數(shù)第二十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3.積分響應度積分響應度表示探測器對連續(xù)輻射通量的反應程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應度。由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出光電流為可得積分響應度為§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第二十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日4.響應時間

響應時間是描述光電探測器對入射輻射響應快慢的一個參數(shù)。即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。上升時間和下降時間§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第二十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日由于光電探測器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電探測器的響應將會有較大的影響。光電探測器的響應隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應。利用時間常數(shù)可得到光電探測器響應度與入射輻射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達式為5．頻率響應

一般規(guī)定，Rf下降到可得到放大器的上限截止頻率光電探測器的頻率響應曲線§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第二十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負載電阻RL上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比，即6．信噪比（S/N）

若用分貝（dB）表示，則為信號功率相同方可比較單個光電探測器，其S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關(guān)，若入射輻射強，接收面積大，S/N就大，但性能不一定好---局限性§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第二十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日它定義為器件在特定帶寬內(nèi)（1Hz）產(chǎn)生的均方根信號電流恰好等于均方根噪聲電流值時的輸入通量，此時，其他參數(shù)，如頻率、溫度等應加以規(guī)定。這個參數(shù)是在確定光電探測器件的探測極限（以輸入能量為瓦或流明表示）時使用。7．等效噪聲輸入（ENI）

§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日或稱最小可探測功率Pmin。它定義為探測器輸出的信號功率與噪聲功率之比為1時所需的入射到探測器上的輻射通量（單位為瓦），即8．噪聲等效功率（NEP）

一個良好的探測器NEP約為10－11W，NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。信號輻射功率小于噪聲等效功率，則探測器信號輸出小于噪聲，意味著探測器將無法感知目標輻射。噪聲等效功率實際上就是探測器能夠探知的最小目標輻射，標志著一個探測器的靈敏度、噪聲等效功率越小，探測器靈敏度越高。§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日9．探測率D與比探測率D*

只用NEP無法比較兩個不同來源的光探器的優(yōu)劣。為此，引入兩個新的性參數(shù)—探測率D和比探測率D*探測率D又稱探測度，是探測器接收單位功率輻射所能獲得的信噪比，是NEP的倒數(shù)，作為探測器探測最小輻射信號能力的指標。D愈大，光電探測器的性能愈好。所描述的特性是：光電探測器在它的電平之上產(chǎn)生一個可觀測的電信號的本領(lǐng)。即光電探測器能響應的入射光功率越小，其探測能力越高§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日“D值大的探測器其探測能力一定好”的結(jié)論并不充分。？主要是探測器光敏面積A和測量帶寬Δf對D值影響甚大。通常情況下為了比較比較各種探測器的性能，需除去A、的差別所帶來的影響歸一化參數(shù)來表示§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日歸一化探測度D*大的探測器其探測能力一定好?？紤]到光譜的響應特性，一般給出D*值時注明響應波長λ、光輻射調(diào)制頻率f及測量帶寬Δf，即D*(λ,f,Δf)。§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日10．噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬ΔfN是在噪聲計算中所討論的帶寬。反映系統(tǒng)對噪聲的選擇性。噪聲等效帶寬定義為一個矩形噪聲功率增益曲線的頻率間隔。矩形噪聲功率增益曲線與頻率坐標圖圍成的面積等于實際噪聲功率增益曲線與頻率坐標間的面積。此矩形的高為實際最大功率增益。§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日噪聲帶寬可表示為：11.暗電流Id

即光電探測器在沒有輸入信號和背景輻射時所流過的電流（加電源時）。一般測量其直流值或平均值。G(f)是功率增益；G0是最大功率增益；Av(f)是電壓增益；Av0是最大電壓增益。§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日12．量子效率

量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)，它是在某一特定波長上在單位時間內(nèi)光電探測器輸出的光電子數(shù)與這一特定波長入射光子數(shù)之比。量子流速率N為量子流速率N即為每秒入射的光量子數(shù)§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)量子效率為§4.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日13．線性度

線性度是描述探測器的光電特性或光照特性曲線輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。線性度是輻射功率的復雜函數(shù)，是指器件中的實際響應曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差來度量Δmax為實際響應曲線與擬合直線之間的最大偏差，I1和I2分別為線性區(qū)中最小和最大響應值?！?.2.1光電探測器的性能參數(shù)第三十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.2光電探測器的噪聲因為在光電轉(zhuǎn)換過程中，半導體中的電子從價帶躍遷到導帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨立事件，是一種隨機的過程。每一瞬間出現(xiàn)載流子是不確定的，所以隨機起伏將不可避免地與信號同時出現(xiàn)。尤其在信號較弱時，光電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準確性。是光電轉(zhuǎn)換物理過程中固有的，是一種不可能人為消除的輸出信號的起伏，是與器件密切相關(guān)的一個參量。第四十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.2光電探測器的噪聲按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類噪聲外部原因內(nèi)部原因人為噪聲自然噪聲散粒噪聲產(chǎn)生－復合噪聲光子噪聲熱噪聲低頻噪聲第四十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.2光電探測器的噪聲1、散粒噪聲無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測器中。理論計算結(jié)果給出熱激發(fā)散粒噪聲的功率譜為i是流過探測器的平均暗電流，M是探測器的內(nèi)增益，q是電子電荷電量。第四十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.2光電探測器的噪聲散粒噪聲的電流為：Δf是測量帶寬相應的噪聲電壓為按照式中平均電流i產(chǎn)生的具體物理過程，有Id是熱激發(fā)暗電流，ib和is分別為背景和信號電流它們服從下式的轉(zhuǎn)換關(guān)系如果用背景光功率Pb和信號光功率Ps顯式表示，則有S＝2是光電發(fā)射和光伏過程，S＝4是光電導、產(chǎn)生－復合過程，M＝1是光伏過程，M>1是光電倍增管、雪崩過程第四十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.2光電探測器的噪聲

對光電導探測器，載流子熱激發(fā)是電子—空穴對。電子和空穴在運動中，與光伏器件重要的不同點在于存在嚴重的復合過程，而復合過程本身也是隨機的。因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復合的起伏，其本質(zhì)也是散粒噪聲，為強調(diào)產(chǎn)生和復合兩個過程，取名為產(chǎn)生—復合散粒噪聲，簡稱為產(chǎn)生—復合噪聲，記為Ig-r和Vg-r即2.產(chǎn)生－復合噪聲

i是流過器件的平均電流，τ為載流子平均壽命，t為載流子在器件兩極間平均漂移時間，f為頻率。如果頻率很低，且滿足2πfτ<<1時，此時這種情況為白噪聲第四十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.2光電探測器的噪聲3.光子噪聲

以上是熱激發(fā)作用產(chǎn)生的散粒噪聲。假定忽略熱激發(fā)作用，即認為熱激發(fā)直流電流Id為零。由于光子本身也服從統(tǒng)計規(guī)律。我們平常說的恒定光功率，實際上是光子數(shù)的統(tǒng)計平均值，而每一瞬時到達探測器的光子數(shù)是隨機的。因此，光激發(fā)的載流子一定也是隨機的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。為強調(diào)光子起伏，故為光子噪聲第四十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.2光電探測器的噪聲4.熱噪聲

電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運動狀態(tài)也是隨機的，由此而構(gòu)成無偏壓下的起伏電動勢。光電探測器有一個等效電阻R，電阻中自由電子的隨機運動將引起電壓起伏—熱噪聲其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。K-玻爾茲曼常數(shù)，T-絕對溫度第四十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.2光電探測器的噪聲5.1/f噪聲(低頻噪聲)

該噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。實驗發(fā)現(xiàn)，探測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對這種噪聲的影響很大，所以有時也稱為表面噪聲或過剩噪聲。

第四十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.2.2光電探測器的噪聲Kf與元件制作工藝、材料尺寸、表面狀態(tài)等有關(guān)的比例系數(shù)；α與流過元件的電流有關(guān)，通常α＝2；β與元件材料性質(zhì)有關(guān)，大部分材料β＝1，γ與元件阻值有關(guān)1.4～1.7之間。1/f噪聲的經(jīng)驗規(guī)律為：第四十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3光子探測器第四十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3光子探測器光電探測器通常分為兩類:(1)光子探測器（利用各種光子效應）；（2）熱探測器（利用溫度變化效應）。光子效應：光電子發(fā)射、光電導、光生伏特、光電磁等指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。特點對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應速度一般比較快。第五十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3光子探測器光熱效應:溫差電、電阻率變化、自發(fā)極化強度變化、氣體體積和壓強變化等。探測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\動能量，引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。原則上對光波頻率沒有選擇性，響應速度一般比較慢。第五十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3光子探測器基于光電子發(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逸出材料表面，這各種器件稱為外光電效應器件基于光電導、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，器件材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱為內(nèi)光電效應器件。第五十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.1光電子發(fā)射探測器應用光電子發(fā)射效應制成的光電探測器稱為光電子發(fā)射探測器在光電子發(fā)射探測器中，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)生光電子發(fā)射。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。光電子發(fā)射的能量轉(zhuǎn)換公式為為使價帶中的電子能躍遷到導帶上，必須使入射光子的能量大于禁帶寬度Eg，即使材料具有光電發(fā)射的截止波長λc第五十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.1光電子發(fā)射探測器1.光電倍增管的工作原理

圖是光電倍增管的工作原理圖。圖中K為光電發(fā)射陰極，D為聚焦板，D1～D10為倍增極（或打拿極），A為收集電子的陽極。倍增極間的電壓逐級增加，極間電壓約為80～150V。第五十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.1光電子發(fā)射探測器陰極在光照下發(fā)射光電子，光電子被極間電場加速聚焦，從而以足夠高的速度轟擊倍增極，倍增極在高速電子轟擊下產(chǎn)生更多的電子，即所謂二次電子，使電子數(shù)目增大若干倍。如此逐級倍增使電子數(shù)目大量增加，最后被陽極收集形成陽極電流。當光信號變化時，陰極發(fā)射的光子數(shù)目發(fā)生相應變化。由于各倍增極的倍增因子基本是常數(shù)，所以陽極電流亦隨入射光信號的變化而變化。1.光電倍增管的工作原理

第五十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.1光電子發(fā)射探測器2．光電倍增管的性能

光電倍增管的性能主要由陰極和倍增極以及極間電壓決定。負電子親和勢材料是目前最好的光電陰極材料。倍增極二次電子發(fā)射特性用二次系數(shù)σ描述，即σ值主要取決于倍增極材料和極間電壓n為倍增極級數(shù)；N為發(fā)射的電子數(shù)；σn表示第n級倍增每一個入射電子所能產(chǎn)生的二次電子倍數(shù)，即該級的電流增益；如果倍增極的總數(shù)為n，且各級性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益M為第五十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.1光電子發(fā)射探測器式中：iA為陽極電流；iK為陰極電流；f為第一倍增極對陰極發(fā)射電子的收集率；g為各倍增極之間的電子傳遞效率，良好的電子光學設(shè)計可始f、g值在0.9以上。n和σ值愈大，M值就愈高，但過多的倍增極不僅使倍增管加長，而且使電子渡越效應變得嚴重，從而嚴重影響倍增管頻率特性和噪聲特性。σ值主要取決于倍增極材料和極間電壓。材料一定，總電流增益與極間電壓關(guān)系密切，工作電壓微小變化將使M值有明顯的波動，這將使光電倍增管的工作不穩(wěn)定。但也表明，可用調(diào)整外加電壓的辦法來調(diào)整總的電流增益，從而使光電倍增管工作在最佳工作狀態(tài)。因此，要求光電倍增管電源必須是可調(diào)的電子穩(wěn)壓電源。第五十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器光電導探測器是利用光電導效應原理工作的探測器光電導效應是半導體材料的一種體效應，無需形成p-n結(jié)，所以又稱為無結(jié)光電探測器。此器件在光照下會改變自身的電阻值（光照越強，器件自身的電阻越有效）----光敏電阻第五十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日一般室溫下工作，適用與可見光和近紅外輻射探測本征光敏電阻：非本征光敏電阻：在低溫條件下工作，常用于中、遠紅外輻射探測§4.3.2光電導探測器第五十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)組成：它由一塊涂在絕緣基底上的光電導材料薄膜和兩端接有兩個引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。電極和光電導體之間呈歐姆接觸。光敏電阻在電路中的符號第六十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)1）刻線式在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內(nèi)填入光敏電阻材料層后制成。其結(jié)構(gòu)如下圖所示2）涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其結(jié)構(gòu)下圖第六十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)3）梳狀式以CdS光敏電阻為例摻雜半導體薄膜沉積在絕緣基底上，然后薄膜面鍍Au或Cu等金屬，形成一定形狀的電極（梳狀），這種結(jié)構(gòu)使得間距很近，電極間具有較大的光敏面積，從而獲得較高的靈敏度，為了防止潮濕對靈敏度的影響，整個管子采用密封結(jié)構(gòu)。第六十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器2.光敏電阻的工作特性1）光敏響應特性電導探測器的光譜響應特性，主要由材料和工藝過程決定，不同的材料，其光敏響應特性不同。第六十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515～600nm之間。尤其硫化鎘的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機、照度計、光度計等。

可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性第六十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器2.光敏電阻的工作特性2）光照特性在一定的偏置電壓條件下，光敏電阻的光照特性呈非線性關(guān)系?；芈冯娏?--非線性關(guān)系u---光敏電阻兩端電壓：光照指數(shù)：電壓指數(shù)第六十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器2.光敏電阻的工作特性光照特性曲線在低偏壓，弱光照條件下，α＝1，γ＝1（i－p關(guān)系呈線性關(guān)系）第六十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器2.光敏電阻的工作特性3）穩(wěn)定性光電導探測器的光學性能和電學性能受溫度影響較大，隨溫度升高有的亮阻上升，有的下降，通常用光電導探測器的溫度系數(shù)來衡量這一性能：不同材料的器件，光電導探測器有不同的溫度系數(shù)，一般來說，在弱光照和強光照時Tc較大，中等光照時較小。第六十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器3.光電轉(zhuǎn)換規(guī)律

圖中V表示外加偏置電壓，l、b和d分別表示n型半導體得三維尺寸，光功率P在x方向均勻入射，假定光電導材料的吸收系數(shù)為α，表面反射率為R，則光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化規(guī)律為相應的光生面電流密度j(x)為式中e為電子電荷，v為電子在外電場方向的漂移速度，n（x）為在x處的電子密度。第六十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器流過電極的總電流為穩(wěn)態(tài)下，電子產(chǎn)生率＝復合率，可求出n(x)。若電子的平均壽命為τ，則電子的復合率為n(x)/τ，而電子的產(chǎn)生率等于單位面積、單位時間吸收的光子數(shù)乘以量子效率η，得τ為電子的平均壽命，η為量子效率有效量子效率M為電荷放大系數(shù)M為電荷放大系數(shù)，un是電子遷移率，V為外加偏壓，l為結(jié)構(gòu)尺寸。第六十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器4.光電導探測電路

電路中的參數(shù)Vb和RL均會影響輸出信號的電壓值，那么，如何選擇Vb和RL？第七十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器從圖可見，負載電阻RL兩端的直流壓降為當光輻射照到探測器上時，探測器電阻Rd就發(fā)生變化，負載電阻RL兩端壓降也就發(fā)生變化，這個電壓的變化量就是信號電壓Vs當上式等于0時，有RL＝Rd，信號電壓為極大值。第七十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器從電路圖可見，在偏壓Vb作用下，通過探測器電流I為Vb,max并不是最佳偏壓。在探測器上消耗的功率P為經(jīng)驗數(shù)據(jù)－探測器的功耗不應超過0.1W/cm2，若探測器的面積為Ad，則消耗功率不應超過0.1Ad，與最大允許電壓關(guān)系為：第七十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器信號、噪聲電壓隨偏流變化圖信號電壓呈線性增長直到接近額定消耗功率為止。從噪聲電壓圖線看，在偏流較低時，噪聲電壓沒有信號電壓增長得快；偏流較大時，噪聲電壓比信號電壓增長得快，因而信噪比曲線出現(xiàn)極值狀態(tài)。但曲線變化比較平緩，信噪比較大且范圍寬；第七十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器5.幾種典型的光電導探測器光電導探測器按晶體結(jié)構(gòu)可分為多晶和單晶兩類。多晶類多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，單晶類中常見的有銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛和摻雜型幾種。（1）CdS和CdSe低造價的可見光輻射探測器（CdS：0.3～0.8μm，CdSe：0.3～0.9μm）。它們的主要特點是高可靠性和長壽命，因而廣泛用于自動化技術(shù)中。光電導增益比較高(103～104)響應時間比較長(大約50ms)（2）PbS：近紅外輻射探測器在室溫條件下探測靈敏度最高的一種紅外探測器，室溫下的禁帶寬度為0.37eV，相應的長波限為3μm。響應時間約20-100μs，廣泛用于遙感技術(shù)和武器紅外制導技術(shù)第七十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器（3）PbTe。在常溫下對4μm以內(nèi)的紅外光靈敏，冷卻到90K，可在5μm范圍內(nèi)使用。響應時間約為10－4～10－5s。（4）InSb這也是一種良好的近紅外（峰值波長約為6μm）輻射探測器；在77k下,噪聲性能大大改善，響應時間短（大約0.4us）（5）HgCdTe探測器HgCdTe是由半導體CdTe和半金屬HgTe采用半導體合金法混合而成的合金系統(tǒng)。第七十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.2光電導探測器（4）根據(jù)不同用途,選用不同特性的光敏電阻。6.使用注意事項（1）用于測光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特性匹配；（2）要防止光敏電阻受雜散光的影響；（3）要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓、功耗)超過允許值；第七十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器利用p－n結(jié)的光伏效應制成的光電探測器---光伏探測器與光電導探測器不同，光伏探測器的工作特性要復雜些，P－N結(jié)受光照射時，即使沒有外加偏壓，P－N結(jié)自身也會產(chǎn)生一個開路電壓，這時如果將P－N結(jié)兩端短接，便有短路電流通過回路。因此利用利用光生伏特效應制成的結(jié)型器件有光電池和光電二極管之分，而光電二極管又有兩種工作模式，光電導和光伏式，它們由外偏壓電路決定。p－n結(jié)型光電器件光照下正偏置零偏置反偏置單向?qū)щ姛o光電效應光電效應第七十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器(a)uiiD(b)(c)V(d)1.兩種工作模式

光伏探測器及其工作模式示意圖第七十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器一個P—N結(jié)光伏探測器用圖（a）中的符號表示，它等效為一個普通二極管和一個恒流源（光電流源）的并聯(lián)，如圖b）所示。在零偏壓時（圖（c）），稱為光伏工作模式。當外回路采用反偏壓V時（圖（d）），即外加p端為負，n端為正的電壓時，稱為光導工作模式。第七十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器普通二極管的伏安特性：光伏探測器的總電流：e—電子電荷u—探測器兩端電壓，K—波爾茲曼常數(shù)T—絕對溫度，--光電流第八十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器將上式i-u作圖，其曲線稱為光伏探測器的伏安特性曲線i+－RLVRL2RL1RL1RL2iRLi－+P=0P1P2P3V光功率增大RL1RL2i1i2u1u2-VoRL1>RL2第八十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器第三象限是反偏壓狀態(tài)。這時iD=iS，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流(對應于光功率P=0)，數(shù)值很小，這時的光電流(等于i-iS)是流過探測器的主要電流，此情況下的外回路特性與光電導相似，對應于光導工作模式---相應探測器---光電二極管。第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD本來就很大，所以光電流不起重要作用。作為光電探測器，工作在這一區(qū)域沒有意義。i+－RLVi－+V第八十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器在第四象限中，外偏壓為零。流過探測器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時探測器的輸出是通過負載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)，因此，稱為光伏工作模式----相應探測器---光電池。iRL第八十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器2．兩種工作模式的比較

光導模式工作時，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外反偏壓可增加長波端靈敏度及擴展線性區(qū)上限。但反偏產(chǎn)生的暗電流引起較大的散粒噪聲，且頻率低于1KHz時還有1/f噪聲，這又限制了探測能力的下限。因光伏式二極管無偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無1/f噪聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應用于超低噪聲、低頻及儀器方面。光導式二級管則主要用來探測高速光脈沖和高頻調(diào)制光。第八十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日光電池光電池是一種不需要加偏壓的能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的p－n結(jié)光電器件，---采用光伏工作模式的光伏探測器光電池分類測量光電池---當作光電探測器使用太陽能電池---用作電源它的工作模式是光伏工作模式----光伏電池?！?.3.3光伏探測器第八十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日太陽能光電池主要用作向負載提供電源，對它的要求主要是光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、高可靠性、壽命長、可在空間直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的特點，因此成為航天工業(yè)中的重要電源，且還被廣泛地應用于供電困難的場所和一些日用便攜電器中。測量光電池的主要功能是作為光電探測，即在不加偏置的情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，此時對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應合適、穩(wěn)定性高、壽命長等。廣泛用于紅外輻射探測器、光電開關(guān)§4.3.3光伏探測器第八十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日如圖所示，當光作用于PN結(jié)時，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在內(nèi)建電場力的作用下分別向N區(qū)和P區(qū)運動，在閉合的電路中將產(chǎn)生如圖所示的輸出電流IL，且負載電阻RL上產(chǎn)生電壓降為U。顯然，PN結(jié)獲得的偏置電壓U與光電池輸出電流IL與負載電阻RL有關(guān)，即1）光電池的工作原理當以輸出電流的IL為電流和電壓的正方向時，可以得到如下圖所示的伏安特性曲線?！?.3.3光伏探測器第八十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日光電池的伏安特性曲線從曲線可以看出，負載電阻RL所獲得的功率為其中，光電池輸出電流IL包括光生電流、擴散電流與暗電流等三部分§4.3.3光伏探測器第八十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日光電池的等效電路2）光電池的等效電路--光電流--二極管電流--p-n結(jié)漏電流Rsh---等效泄露電阻Cj—結(jié)電容Rs—引線管芯接觸電阻RL—負載電阻RLUU1RsRshishCjiDi§4.3.3光伏探測器第八十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日Rsh很大，很小，若不計影響，則若將RL短接，忽略RS的影響，則U1=0（二極管的壓），iD=0。則流過光電池的短路電流就是光電流表明：光電池在短路工作狀態(tài)下，光電池的短路電流與入射的光功率成正比（）在這狀態(tài)下工作的光電池可用做光電探測器§4.3.3光伏探測器第九十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3）短路電流和開路電壓負載電阻RL所獲得的功率PL與負載電阻的阻值有關(guān)，當RL=0（電路為短路）時，U=0，輸出功率PL=0；當RL=∞（電路為開路）時，IL=0，輸出功率PL=0；在短路和開路兩種工作狀態(tài)，光電池均無電功率輸出，當負載電阻為某一Rm時，才得到最大電輸出功率Pm。Rm稱為特定照射光功率條件下最佳負載電阻，初略值§4.3.3光伏探測器第九十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日由當RL趨近無窮大時，i=0，光電池輸出電壓U1即開路電壓§4.3.3光伏探測器第九十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日4）光電池的工作特性（1）光譜特性光電池的光譜特性主要由材料決定，材料不同，光譜特性不同。由圖可見，Se光電池在可見光范圍內(nèi)具有高的靈敏度，峰值響應波長在500um左右。特別適用于可見光應用。Si光電池的光譜響應范圍要寬，峰值響應波長在850um左右，可見光和近紅外波段都有廣泛應用?！?.3.3光伏探測器第九十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）頻率特性對于光電池來說，由于載流子在p－n結(jié)區(qū)內(nèi)的擴散—漂移，產(chǎn)生與復合都要一定的時間。光電池的頻率特性一般說來不是太好，主要有以下幾個原因：1）光敏面積一般做的較大，因而極間結(jié)電容cj較大，則響應時間變大，給定RL，2）光電池工作在第四象限，有較小的正偏壓存在，所以光電池的內(nèi)阻很低，而且隨入射功率變化而變化。光功率很小時，內(nèi)阻變大，頻率特性變壞?！?.3.3光伏探測器第九十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（3）溫度特性光電池的溫度特性曲線主要指光照射光電池時開路電壓Voc與短路電流Isc隨溫度變化的情況。開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它關(guān)系到應用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標。當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施§4.3.3光伏探測器第九十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器第九十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.3光伏探測器第九十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.4其他光子探測器光子牽引探測器

光子牽引探測器是一種非勢壘光伏效應探測器。它和HgCdTe光電二極管一樣適用于10.6μm的激光波長探測。但是HgCdTe光電二極管只能在微弱光信號下使用，而光子牽引探測器則適用于強光探測。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測這種探測器的優(yōu)點是響應快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為10－3W，只有在強光下才能使用。P型鍺的光子牽引探測器示意圖第九十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.4其他光子探測器光電磁探測器

光電磁效應將半導體置于強磁場中，當半導體表面受到光輻射照射時，在表面產(chǎn)生電子－空穴對，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向體內(nèi)擴散，在擴散過程中，受到強磁場的洛倫茲力的作用，使空穴和電子的偏轉(zhuǎn)方向相反，從而在半導體內(nèi)產(chǎn)生一個電場，阻礙著電子和空穴的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，如果這時將半導體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開路時，則有開路電壓。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應。利用這種效應制成的光電探測器叫做光電磁探測器（PME器件）。第九十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.4其他光子探測器Josephson結(jié)探測器

Pb－PbO－Pb隧道結(jié)的伏安特性曲線在兩超導薄膜之間被一層（厚約10?）電介質(zhì)隔開，這種結(jié)構(gòu)稱為Jesephson結(jié)，或超導隧道結(jié)。若通過隧道結(jié)的電流小于某一臨界值，在結(jié)上沒有電位降，則在隧道結(jié)的伏安特性曲線中存在一個零電壓的電流。若通過隧道結(jié)的電流超過臨界值，在結(jié)上將產(chǎn)生電位降，這時在伏安特性曲線中，將沿著測量負載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖4－49所示。這種在隧道結(jié)中有隧道電流通過而不產(chǎn)生電位降的現(xiàn)象，稱之為直流Josephson效應第一百頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.3.4其他光子探測器若在隧道結(jié)上維持一個有限電位降V，在隧道結(jié)兩超導體之間將有一個頻率為f的交流電流通過，頻率f和電壓V之間有下述關(guān)系E為電子電荷，h為普朗克常數(shù)若隧道結(jié)受到光輻射照射時，在一系列分立的電壓值上可感應出額外直流電流，則在隧道結(jié)的直流伏安特性曲線上，出現(xiàn)常電壓－電流階梯現(xiàn)象。階梯處電壓Vn和外加輻照信號頻率f的關(guān)系為n為階梯級數(shù)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，由于隧道結(jié)受到輻射照射時，在結(jié)上可感應出交流電壓，而這交流電壓反過來對結(jié)上的Josephson電流進行調(diào)制，從而產(chǎn)生許多使電流增大的邊帶。利用Josephson結(jié)效應可研制出從射頻到遠紅外寬廣頻率范圍內(nèi)、靈敏度為皮瓦的探測器。在射電天文、毫米波通信等方面有實際應用。第一百零一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§4.4熱探測器第一百零二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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溫度升高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為光熱效應，光熱效應的特點是入射光輻射與物質(zhì)中晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動能量，這與光子將能量直接轉(zhuǎn)移給電子的光電效應有本質(zhì)的不同。光熱效應與入射的光子的性質(zhì)沒有關(guān)系，取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成分無關(guān)，即對入射輻射的響應無波長選擇性光熱效應可以產(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化效應等等，利用這些效應可制作各種熱探測器。第一百零三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§1溫差熱電偶和熱電堆在用不同的導體或半導體組成的具有溫度梯度的電路中，會有電動勢產(chǎn)生，這就是溫差電勢。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。（1）塞貝克（Seebeck）效應當由兩種不同的導體或半導體組成閉合回路的兩個結(jié)點置于不同溫度（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V12，這個電動勢在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應。所產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電動勢，回路稱為熱電偶或溫差電池。是由于受熱不均勻的兩節(jié)點的接觸電位差不同所致第一百零四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日定義溫差電動勢率為§1溫差熱電偶和熱電堆物理意義：單位溫差所產(chǎn)生的電動勢的凈增量第一百零五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§1溫差熱電偶和熱電堆（2）珀耳帖（Peltier）效應珀耳帖應被認為是塞貝克效應的逆效應。當電流流過兩個不同材料的導體或半導體組成的回路的時，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同的節(jié)點處分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這一效應是熱力學可逆的。熱交換速率與通過的電流成正比，這種現(xiàn)象稱為珀耳帖效應。在每一接頭上熱量流出率或流入率與通過的電流I間的關(guān)系可表示為

第一百零六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§1溫差熱電偶和熱電堆（3）湯姆遜（Tomson）效應在單一均質(zhì)導體或半導體中存在著與珀耳帖效應相同的現(xiàn)象。如果通有電流的材料有溫差存在，也就是說，當電流通過具有一定溫度梯度的均質(zhì)導體或半導體時，就會可逆地吸收熱或放出熱，這一現(xiàn)象稱為湯姆遜效應。單位時間單位體積吸收或放出熱量為物理意義：單位溫差通過單位電流吸熱或放熱的速率第一百零七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日§1溫差熱電偶和熱電堆光輻射入射到導體或半導體上便產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生溫差電勢，由電動勢的高低可測出接收端所吸收的光輻射的能量或功率。當由兩種不同金屬或半導體臂狀物在兩端分別連接成的閉合回路為溫差電偶，如圖所示。設(shè)J1點為光敏面，J2、J3為環(huán)境溫度Td，光照產(chǎn)生的J1點的溫升為ΔTd，此溫差產(chǎn)生的Seebeck效應會使電路產(chǎn)生開路電勢當形成閉合回路時，電流將與V0方向相同，此電流將會引起Peltier效應，會使此溫差電偶的熱端J1變冷，使冷端變熱，在熱結(jié)點J1處吸收的熱量ΔQ1