光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)

光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/181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。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。電阻率10-6~10-3歐姆?厘米范圍內(nèi)——導(dǎo)體電阻率1012歐姆?厘米以上——絕緣體電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間——半導(dǎo)體第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/182半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，可以制作熱電探測器件。導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆?厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導(dǎo)率為2/(歐姆?厘米))半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/183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。在絕對零度時，價帶中的全部量子態(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的帶正電的施主離子，同時向?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的帶負(fù)電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/184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)是相對的，有條件的。如果對半導(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)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。

第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/185非平衡載流子的產(chǎn)生光注入：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，光子就能把價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子－空穴對，使導(dǎo)帶比平衡時多出一部分電子，價帶比平衡時多出一部分空穴。產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。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：電注入、高能粒子輻照等。第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/186載流子的輸運(yùn)過程擴(kuò)散漂移復(fù)合第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/187半導(dǎo)體對光的吸收物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收本征吸收——由于光子作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時，才能發(fā)生本征激發(fā)第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/188雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)等于雜質(zhì)的電離能由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小，雜質(zhì)吸收的光譜區(qū)位于本征吸收的長波方向.自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級之間的躍遷引起的。載流子濃度很大時，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴產(chǎn)生帶內(nèi)能級間躍遷而出現(xiàn)的非選擇性吸收第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/189激子和晶格吸收指所吸收輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裨拥恼駝幽芰?，或由庫侖力相互作用形成電子和空穴的能量。這種吸收對光電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn)，甚至?xí)档凸怆娹D(zhuǎn)換效率。第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1810光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光熱效應(yīng)光電效應(yīng)：物質(zhì)受光照射后，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導(dǎo)率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。

包括：外光電效應(yīng)：產(chǎn)生電子發(fā)射內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1811光電效應(yīng)解釋物質(zhì)在光的作用下，不經(jīng)升溫而直接引起物質(zhì)中電子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。在理解上述定義時，必須掌握以下三個要點：原因：是輻射，而不是升溫；現(xiàn)象：電子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化；結(jié)果：電導(dǎo)率變化、光生伏特、光電子發(fā)射。簡單記為：輻射→電子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化→光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電子發(fā)射。第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1812光對電子的直接作用是物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的起因光電效應(yīng)的起因：在光的作用下，當(dāng)光敏物質(zhì)中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時，電子就會從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)，脫離原子核的束縛，在外電場作用下參與導(dǎo)電，因而產(chǎn)生了光電效應(yīng)。這里需要說明的是，如果光子不是直接與電子起作用，而是能量被固體晶格振動吸收，引起固體的溫度升高，導(dǎo)致固體電學(xué)性質(zhì)的改變，這種情況就不是光電效應(yīng)，而是熱電效應(yīng)。第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1813光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光照射的物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導(dǎo)率變化。是光電導(dǎo)器件工作的基礎(chǔ)。

物理本質(zhì)：光照到半導(dǎo)體材料時，晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導(dǎo)態(tài)自由電子，引起材料載流子濃度增加，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。屬于內(nèi)光電效應(yīng)。

包括：本征和非本征兩種，對應(yīng)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1814本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)：是指本征半導(dǎo)體材料發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)。

即：光子能量hv大于材料禁帶寬度Eg的入射光，才能激發(fā)出電子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。針對本征半導(dǎo)體材料。即：hv>Eg即存在截止波長：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。基本概念：1、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照

2、暗電導(dǎo)率和暗電流3、亮電導(dǎo)率和亮電流4、光電導(dǎo)和光電流第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1815基本公式：暗電導(dǎo)率Gd=σdS/L暗電流Id=σdSU/L亮電導(dǎo)率Gl=σlS/L亮電流Il=σlSU/L光電導(dǎo)Gp=ΔσS/L光電流Ip=ΔσSU/L光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖LS本征半導(dǎo)體樣品光U第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1816雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)：雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中施主或受主吸收光子能量后電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象。

雜質(zhì)半導(dǎo)體禁帶寬度比本征小很多，因此更容易電離，響應(yīng)波長比本征材料要長得多。用EI表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的電離能，則截止波長：λ0=hc/EI。

特點：容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響，常工作在低溫狀態(tài)。

常用光電導(dǎo)材料：硅Si、鍺Ge及摻雜的半導(dǎo)體材料，以及一些有機(jī)物。第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1817

光電導(dǎo)效應(yīng)指固體受光照而改變其電導(dǎo)率。此效應(yīng)是最早發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象。半導(dǎo)體和絕緣體都有這種效應(yīng)。

電導(dǎo)率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。

入射光的光子能量等于或大于與該激發(fā)過程相應(yīng)的能隙ΔE(禁帶寬度或雜質(zhì)能級到某一能帶限的距離)，也就是光電導(dǎo)有一個最大的響應(yīng)波長，稱為光電導(dǎo)的長波限λC

，若λC

以μm計，ΔE以eV計，則λC與ΔE的關(guān)系為

λC=1.24/ΔE

就光電器件而言，最重要的參數(shù)是靈敏度，弛豫時間和光譜分布。下面討論一下光電導(dǎo)體的這三個參數(shù)。第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1818

一、光電導(dǎo)體的靈敏度

靈敏度通常指的是在一定條件下，單位照度所引起的光電流。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。它可以用光電增益G來表示。根據(jù)恒照即定態(tài)條件下電子與空穴的產(chǎn)生率與復(fù)合率相等可推導(dǎo)出：

G=βτ/tL：（1）

式中β為量子產(chǎn)額，即吸收一個光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)；τ為光生載流子壽命；tL為載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時間，一般有

tL=l/μE=l2/μU（2）將式（1）代入式（2）可得

G=βτμU/l2第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1819式中l(wèi)為光電導(dǎo)體兩極間距；μ為遷移率；E為兩極間的電場強(qiáng)度；U為外加電源電壓。可知，光電導(dǎo)體的非平衡載流子壽命τ越長，遷移率μ越大。光電導(dǎo)體的靈敏度（光電流或光電增益）就越高。而且，光電導(dǎo)體的靈敏度還與電極間距l(xiāng)的平方成反比。如果在光電導(dǎo)體中自由電子與空穴均參與導(dǎo)電，那么，光電增益的表達(dá)式為

G=β(τnμn+τpμp)U/l2

式中τn和τp分別為自由電子和空穴的壽命；μn和μp分別為自由電子和空穴的遷移率。第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18202、光電導(dǎo)弛豫過程

光電導(dǎo)效應(yīng)是非平衡載流子效應(yīng)，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時間。同樣光電流的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說明了光電導(dǎo)體對光強(qiáng)變化的反應(yīng)快慢程度，稱為惰性。EtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖光電導(dǎo)對光強(qiáng)變化反應(yīng)的惰性引起光電流變化的延遲

當(dāng)輸入功率按照正弦規(guī)律變化時,輸出光電流與光功率調(diào)制頻率變化關(guān)系是一低通特性。第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18213、光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個重要參數(shù)，表示長度為L的光電導(dǎo)體在兩端加上電壓U后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比?？杀硎緸?

M=τ/τdr

τ為器件的時間響應(yīng)

τdr為載流子在兩極間的渡越時間光電導(dǎo)器件常做成梳狀電極，光敏面做成蛇形，即保證了較大的受光表面，又可減小電極間距離，從而減小載流子的有效極間渡越時間，也利于提高靈敏度.光電導(dǎo)器件的光電導(dǎo)增益與帶寬積為一常數(shù)，即MΔf=常數(shù)。表明，光電導(dǎo)增益越大，光電靈敏度越高，而器件的帶寬越低。反之亦然。這一結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18224、光電導(dǎo)的光譜分布

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)與光照的波長有密切關(guān)系。測量光電導(dǎo)的這種光譜分布是確定半導(dǎo)體材料光電導(dǎo)特性的一個重要方向，它是針對不同實際需要研制材料的一項重要依據(jù)。如PbS，PbSe，PbTe可以有效地利用到10μm的紅外光波段，而CdS可以有效地利用可見光到X光的短波范圍。此外，也只有首先確定了光譜分布，才能利用光電導(dǎo)來比較不同波長的光強(qiáng)。

(1)本征光電導(dǎo)的光譜分布第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1823一些典型的半導(dǎo)體本征光電導(dǎo)光譜分布曲線第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1824由圖可以看出，在短波方向，當(dāng)波長增加時，光電導(dǎo)隨之緩慢增加，經(jīng)過一個最大值后，又陡峭地下降。由于光電導(dǎo)不存在一個明顯的長波限，T.S.莫斯提出把光電導(dǎo)的數(shù)值降到最大值一半時所處的波長定為長波限。在最大值的長波方面，光電導(dǎo)的下降是較好理解的。因為在長波部分，光子能量低，不足以引起本征光吸收，所以光電導(dǎo)迅速下降。在短波方面，如果光滑曲線是等能量曲線，由照射的光子數(shù)目少，自然引起光電導(dǎo)下降；如果光譜曲線是等量子曲線，則光電導(dǎo)下降的物理機(jī)理比較復(fù)雜?？梢钥隙ǎㄩL短，樣品對光的吸收系數(shù)大，光生載流子就愈集中于光照表面。這時受表面影響大，諸如表面能級、表面復(fù)合與電極等可能降低量子產(chǎn)額，減少載流子遷移率與壽命，都將引起光電導(dǎo)下降。第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1825(2)、雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜分布

半導(dǎo)體雜質(zhì)吸收光子將雜質(zhì)能級上的電子或空穴激發(fā)成為自由的光生載流子，這就要求光子能量必須大于等于雜質(zhì)的電離能。由于雜質(zhì)的電離能小于禁帶寬度，因此雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜響應(yīng)波長比本征光電導(dǎo)的長。同時由于雜質(zhì)原子數(shù)目少，所以雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)相對本征光電導(dǎo)來說也微弱得多。第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1826摻有不同量砷施主雜質(zhì)的摻金鍺雜質(zhì)光電導(dǎo)光譜分布曲線第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1827

由圖可以看出，光電導(dǎo)在光子能量0.7eV附近陡起明顯，表示本征光電導(dǎo)開始。在本征光電導(dǎo)長波限左邊，光子能量小于鍺禁帶寬度（0.68eV），這時光電導(dǎo)顯然是雜質(zhì)光電導(dǎo)光譜曲線繼續(xù)向左邊延伸時，可以看到，在某一波長處曲線迅速下降，這就是雜質(zhì)光電導(dǎo)的長波限。此處光子的能量等于雜質(zhì)的電離能。能量再低的光子就不可能激發(fā)雜質(zhì)上的電子或空穴。

圖中三條曲線各表示摻有不同量的砷施主雜質(zhì)。金元素在鍺中存在多重能級，在不加砷施主雜質(zhì)時，金是受主，鍺是p型半導(dǎo)體（p型Ge：Au），從曲線中看到，長波限在0.05eV處。當(dāng)加入少量砷施主雜質(zhì)，此時鍺晶體仍是p型（p型Ge：Au：As），長波限相應(yīng)于0.15eV。當(dāng)加入足夠多的砷施主雜質(zhì)時，致使鍺晶體從p型轉(zhuǎn)變?yōu)閚型（n型Ge：Au：As），從曲線中可看到長波限相應(yīng)于0.2eV。第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1828光生伏特效應(yīng)達(dá)到內(nèi)部動態(tài)平衡的半導(dǎo)體PN結(jié)，在光照的作用下，在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應(yīng)。也稱光伏效應(yīng)。物理本質(zhì)：PN結(jié)內(nèi)建電場使得載流子（電子和空穴）的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動達(dá)到了動態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照作用下，激發(fā)出的電子空穴對打破原有平衡，靠近結(jié)區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動，形成光電流，同時形成載流子的積累，內(nèi)建電場減小，相當(dāng)于在PN加了一個正向電壓。即光生電動勢。第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1829IpPN____VDV+光照PNEcEvEFeVD無光照有光照PNEcEvEFeVD-eV形成過程：空穴電子光生（正向）電壓產(chǎn)生正向注入電流（由P指N）：

I+=Is[exp(qV/kT)-1]I+第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1830當(dāng)PN結(jié)外接回路時，總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系：I=Ip-I+=Ip-Is[exp(qV/kT)-1]負(fù)載接入外回路，電流為I，則PN結(jié)兩端電壓為：V=(kT/q)ln[(Ip-I)/Is+1]

PN結(jié)開路時，I=0，求得開路電壓：Voc=(kT/q)ln(Ip/Is+1)

可見Voc與Ip為非線性關(guān)系。PN結(jié)短路，V=0，求得短路電流即光電流：Isc=Ip=qη/hν=P沒有光照時，Ip=0，外加正向電壓為V時，有I+=Is[exp(qV/kT)-1]注意：光伏效應(yīng)與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1831與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰浚鉄嵝?yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運(yùn)動加劇，造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化。光熱效應(yīng)可分為:熱釋電效應(yīng)、輻射熱計效應(yīng)及溫差電效應(yīng)1、熱釋電效應(yīng)

介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1832

物理本質(zhì)：極化晶體極化晶體：在外電場和應(yīng)力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內(nèi)部電偶極矩不為零，表面感應(yīng)束縛電荷。+-+-+-+-+-+-______P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-___j工作溫度T1（左）和工作溫度T2>T1（右）極化晶體表面束縛電荷，被周圍自由電荷不斷中和，表面無電荷。光照時，晶體溫度升高，電偶極子熱運(yùn)動加劇，極化強(qiáng)度減弱，表面感應(yīng)電荷數(shù)減小，但中和過程（達(dá)數(shù)秒）要遠(yuǎn)大于極化強(qiáng)度的響應(yīng)過程（10-12s），相當(dāng)于釋放了一些電荷，對外表面為電流?？梢栽谶@些電荷被中和之間測量到。第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1833熱釋電現(xiàn)象中：溫度對自發(fā)極化強(qiáng)度的影響。TcPTOTcPTO極化晶體的極化強(qiáng)度與溫度T的關(guān)系：一級相變（左）和二極相變（右）隨著溫度的升高，自發(fā)極化強(qiáng)度越來越弱，當(dāng)達(dá)到一定溫度時，自發(fā)極化強(qiáng)度為零，極化晶體發(fā)生相變?yōu)榉菢O化晶體。第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18342、輻射熱計效應(yīng)入射光照射材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象稱為輻射熱計效應(yīng)。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化關(guān)系：ΔR=αTRΔTαT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當(dāng)溫度變化足夠小時，αT=1/R*dR/dT對金屬材料，R=BT，則αT=1/T，呈反比關(guān)系。對半導(dǎo)體材料，R與T具有指數(shù)關(guān)系，則αT=-B/T2。說明溫度越高，電阻溫度系數(shù)越小。B為常數(shù)，典型值3000K。第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18353、溫差電效應(yīng)

由兩種不同材料制成的結(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)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應(yīng)。當(dāng)有光照結(jié)點產(chǎn)生溫度變化就會產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。另外，如果在圖中x，y處接一電動勢，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，兩個接點1和2處就會出現(xiàn)一個吸熱一個放熱的現(xiàn)象。吸（放）熱速率：dθp/dt=πI，π稱為帖耳帖系數(shù)xyT1T212導(dǎo)體a導(dǎo)體b第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1836光電檢測器件的特性參數(shù)

光電檢測器件利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，它的性能對光電檢測系統(tǒng)影響很大。根據(jù)工作機(jī)理的不同，可分為光子檢測器件和熱電檢測器件。熱電檢測器件熱釋電檢測器（熱釋電效應(yīng)）熱敏電阻（輻射熱計效應(yīng)）熱電偶和熱電堆（溫差電效應(yīng)）分類第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1837光子檢測器件電真空或光電發(fā)射型檢測器件固體或半導(dǎo)體光電檢測器件光電管光電倍增管光導(dǎo)型：光敏電阻光伏型：光電池光電二、三極管光子檢測器件（即通常意義上的光電檢測器件）分類：第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1838熱敏檢測器件的特點：

1、響應(yīng)波長無選擇性。對各種波長具有相同的敏感性。

2、響應(yīng)慢。即吸收輻射后產(chǎn)生信號所需時間長，在毫秒量級光子檢測器件的特點：

1、響應(yīng)波長有選擇性。存在截止波長。

2、響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微秒第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/1839特性參數(shù)1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）S電壓響應(yīng)度：SV=Vo/Pi電流響應(yīng)度：SI=Io/Pi其中：Vo和Io分別為光電檢測器輸出電壓和輸出電流。P為入射光功率（或用通量Φ表示）。2、光譜響應(yīng)度S(λ)光譜響應(yīng)度：S(λ)=Vo/Φ(λ)

(V/W)S(λ)=Io/Φ(λ)

(A/W)Φ(λ)為入射的單色輻射通量或光通量。第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18403、積分響應(yīng)度S

表示檢測器對各種波長的輻射光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度，光電檢測器件輸出的電流或電壓與入射光通量之比。各種輻射波長的總光通量為：Φ=?不同波長光輻射引導(dǎo)的總輸出光電流Io=?則積分響應(yīng)度S=？

式中λ0和λ1分別為光電檢測器的長波限和短波限。第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18414、響應(yīng)時間τ：

響應(yīng)時間是描述光電檢測器對入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。即入射光輻射到檢測器后或入射光被遮斷后，光電檢測器件輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時間。當(dāng)一個輻射脈沖照射光電檢測器時，如果這個脈沖上升和下降時間很短，則光電檢測器由于惰性而有延遲。上升時間τr和下降時間τf矩形光脈沖入射光tOτrτfI光tO10.10.9第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18425、頻率響應(yīng)S(f)：

由于光電檢測器信號的產(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檢測器的響應(yīng)將有很大的影響，把光電檢測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。利用時間常數(shù)可得到頻率響應(yīng)關(guān)系：S(f)=S0/[1+(2πfτ)2]1/2

S0為頻率是零時的響應(yīng)度；τ為時間常數(shù)。

可求得放大器的上限截止頻率：f上=1/2πτ=1/2πRC

可見：光電檢測器電路時間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)帶寬第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18436、熱噪聲：

當(dāng)入射輻射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，無法肯定是否為入射輻射信號，這是檢測器固有的噪聲引起的。其時間平均值為零，但均方根不等于零，即存在瞬時電流擾動。這個均方根電壓（或電流）即為噪聲電壓（流）。熱噪聲是由載流子無規(guī)則運(yùn)動造成的。熱噪聲電壓和電流均方值為：U=4kTRΔfI=4kT(Δf/R)

其中R為導(dǎo)體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導(dǎo)體的熱力學(xué)溫度，Δf為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲存在于任何電阻中，與溫度成正比，與頻率無關(guān)，說明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。第四十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日2023/1/18447、散粒噪聲：

或稱散彈噪聲，即穿越勢壘的載流子的隨機(jī)漲落（統(tǒng)計起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個時間段內(nèi)，穿越勢壘區(qū)的載流子數(shù)或從陰極到陽極的電子數(shù)都在一個平均值上下起伏。這種起伏引起的均方噪聲電流為：I=2qIDCΔf其中IDC為流