光輻射的探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)器的物理效應(yīng)

光輻射的探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)器的物理效應(yīng)第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日什么是光電探測(cè)器？凡事能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一種便于測(cè)量的物理量的器件，都叫做光探測(cè)器。凡事把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量（電流或電壓）的光探測(cè)器，都稱為光電探測(cè)器。光電探測(cè)器的物理效應(yīng)通常分為兩大類：光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)。第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.1光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)光子效應(yīng)：指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測(cè)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)改變的大小。光子效應(yīng)對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性：E＝hν，在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應(yīng)速度一般比較快。第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光熱效應(yīng)：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\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全不同，光熱效應(yīng)與單光子能量hν的大小沒有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光波頻率沒有選擇性。在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對(duì)紅外線輻射的探測(cè)。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e累的作用，所以光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度一般比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。

熱釋電效應(yīng)是響應(yīng)于材料的溫度變化率，比其他光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度要快得多，并已獲得日益廣泛的應(yīng)用。第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電發(fā)射效應(yīng)什么是光電發(fā)射效應(yīng)？在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象，稱為光電發(fā)射效應(yīng)。能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，稱為光電發(fā)射體，在光電管中又稱為光陰極。第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日愛因斯坦方程：物理意義：如果發(fā)射體內(nèi)的電子所吸收的光子的能量hυ大于發(fā)射體的功函數(shù)Eφ的值，那么電子就能以相應(yīng)的速度從發(fā)射體表面逸出。是電子離開發(fā)射體表面時(shí)的動(dòng)能。光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生的條件為截止頻率

截止波長(zhǎng)第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日Eφ小的發(fā)射體，才能對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光輻射產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)。第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.3光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)只發(fā)生在某些半導(dǎo)體材料中，金屬?zèng)]有光電導(dǎo)效應(yīng)。金屬導(dǎo)電機(jī)構(gòu)：金屬原子形成晶體時(shí)產(chǎn)生了大量的自由電子，自由電子濃度n是個(gè)常量，不受外界因素影響。第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)：

0k：導(dǎo)電載流子濃度為0。

>0k：由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生熱生載流子（電子和空穴），它在擴(kuò)散過程中又受到復(fù)合作用而消失。熱平衡下：產(chǎn)生=消失，即np=ni2。n－熱平衡的電子濃度，其平均壽命為τnp－熱平衡的空穴濃度，其平均壽命為τpni－相應(yīng)溫度下本征半導(dǎo)體中的本征熱生載流子濃度。說明在n型或p型半導(dǎo)體中，一種濃度增大，另一種濃度減少，但絕對(duì)不會(huì)減少到0。第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日外電場(chǎng)E作用下，載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。載流子遷移率μ為電導(dǎo)率σ為電導(dǎo)G：電阻Rd：漂移速度與電場(chǎng)之比表示載流子的漂移運(yùn)動(dòng)效果第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日什么是光電導(dǎo)？當(dāng)光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果滿足光子將激發(fā)出新的載流子（n和p）。這就使半導(dǎo)體中的載流子濃度在原來平衡值上增加了一個(gè)量Δn和Δp。這個(gè)新增加的部分在半導(dǎo)體物理中叫非平衡載流子，現(xiàn)在又稱為光生載流子。第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日對(duì)本征情況，顯然，Δn和Δp將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個(gè)量ΔG，稱為光電導(dǎo)。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別稱為本征和雜質(zhì)光電導(dǎo)。N－光照每秒鐘產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)；τn和τp－分別為電子和空穴的平衡壽命。第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日eN－光輻射每秒鐘激發(fā)的電荷量。由于ΔG的增量將使外回路電流產(chǎn)生增量Δi，即V-外電壓。所以，Δi不等于eN，于是有M－光電導(dǎo)體的電流增益。第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日以N型半導(dǎo)體為例tn－渡越時(shí)間，表示電子在外電場(chǎng)作用下渡越半導(dǎo)體長(zhǎng)度l所花費(fèi)的時(shí)間。若tn小于τn，則 M>1，就有電流增益效果。第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.4光伏效應(yīng)

當(dāng)照射光激發(fā)出電子-空穴對(duì)時(shí)，電勢(shì)壘的內(nèi)建電場(chǎng)將把電子-空穴對(duì)分開，從而在勢(shì)壘兩側(cè)形成電荷堆積，形成光伏效應(yīng)。

pn：內(nèi)建電場(chǎng)從n側(cè)指向p側(cè)的內(nèi)建電場(chǎng)熱平衡：零偏狀態(tài)，沒有凈電流通過pn結(jié)。pn結(jié)正向電壓偏置（p區(qū)接正，n區(qū)接負(fù)）：有較大的正向電流流過pn結(jié)。pn結(jié)反向電壓偏置（p區(qū)接負(fù)，n區(qū)接正）：有一很小的反向電流通過pn結(jié)。反向飽和電流（Is0）。第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日pn結(jié)伏安特性零偏時(shí)，pn結(jié)的電阻R0為此時(shí)，i=0，所以pn結(jié)的開路電壓為0。在零偏條件下，如果照射光的波長(zhǎng)λ滿足條件那么，無論光照n區(qū)或p區(qū)，都會(huì)激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)。第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日例如光照p區(qū)：光照前熱平衡空穴濃度本來就比較大，因此光生空穴對(duì)p區(qū)空穴濃度影響很??；光生電子對(duì)p區(qū)的電子濃度影響很大，從p區(qū)表面向區(qū)內(nèi)自然形成電子擴(kuò)散趨勢(shì)。若p區(qū)的厚度小于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度，那么大部分光生電子都能擴(kuò)散進(jìn)pn結(jié)，一進(jìn)入pn結(jié)，就被內(nèi)電場(chǎng)掃向n區(qū)。這樣，光生電子-空穴對(duì)就被內(nèi)電場(chǎng)分離開來，空穴留在p區(qū)，電子通過擴(kuò)散流向n區(qū)。這時(shí)用電壓表就能量出p區(qū)正、n區(qū)負(fù)的開路電壓u0，稱為光生伏特效應(yīng)。第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日如果用一個(gè)理想電流表接通pn結(jié)，則有電流i0通過，稱為短路光電流。顯然u0=R0i0

綜上所述，光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng)。這也是光電池的工作原理。在光照反偏條件下工作時(shí)，觀測(cè)到的光電信號(hào)是光電流，而不是光電壓，這便是結(jié)型光電探測(cè)器的工作原理。反偏pn結(jié)通常稱為光電二極管。第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.5溫差電效應(yīng)溫差電動(dòng)勢(shì)：當(dāng)兩種不同的配偶材料兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)?；芈分芯陀须娏髁魍ā０牙涠朔珠_并與一個(gè)電表連接，那么當(dāng)光照熔接端時(shí)，吸收光能使電偶接頭溫度升高，電表就有相應(yīng)的電流讀數(shù)，電流的數(shù)值就間接反映了光照能量大小。這就是用熱電偶來探測(cè)光能的原理。為了提高測(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，它在激光能量計(jì)中獲得應(yīng)用。第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.6熱釋電效應(yīng)

熱釋電材料是一種電介質(zhì)、絕緣體、是一種結(jié)晶對(duì)稱性很差的壓電晶體，因而在常態(tài)下具有固有電偶極矩。面電荷密度σs=|Ps|。由于晶體內(nèi)部自發(fā)電極化矢量排列混亂，因而總的Ps并不大。再加上中和作用，通常覺察不出有面電荷存在。如果對(duì)熱電體施加直流電場(chǎng)，自發(fā)極化矢量將趨向于一致排列，總的Ps加大。當(dāng)電場(chǎng)去掉后，如果總的Ps仍能保持下來，這種熱電體有時(shí)常稱為熱電-鐵電體。它是實(shí)現(xiàn)熱釋電現(xiàn)象的理想材料。第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日熱釋電現(xiàn)象：

|Ps|值是溫度的函數(shù)。溫度升高，|Ps|減小。升高到Tc值時(shí)，自發(fā)極化突然消失，Tc稱為居里溫度。在Tc溫度以下，才有熱釋電現(xiàn)象。當(dāng)強(qiáng)度變化的光照射熱電體時(shí)，熱電體的溫度發(fā)生變化，Ps也發(fā)生變化，面電荷從原來的平衡值跟著發(fā)生變化。在來不及中和之前，熱電體側(cè)表面就呈現(xiàn)出相應(yīng)于溫度變化的面電荷變化，這就是熱釋電現(xiàn)象。第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日

若把熱電體放進(jìn)一個(gè)電容器極板之間，把一個(gè)電流表與電容兩端相接，就會(huì)有電流流過電流表，這個(gè)電流稱為短路熱釋電流，如果極板面積為A，則電流為β=dPs/dT－熱釋電系數(shù)。

熱釋電探測(cè)器是一種交流或瞬時(shí)響應(yīng)的器件。第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.7光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換：把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程。光通量：即光功率，P（t）可以理解為光子流，光子能量hυ是光能量E的基本單元。光電流：光生電荷Q的時(shí)變量，電荷e是光生電荷的基本單元。n光和n電分別為光子和電子數(shù)。第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日D－探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子。探測(cè)器的量子效率，它表示探測(cè)器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比。第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日（1）光電探測(cè)器對(duì)入射功率有響應(yīng)，響應(yīng)量是光電流。因此，一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源。（2）因?yàn)楣夤β蔖正比于光電場(chǎng)的平方，故把光電探測(cè)器稱為平方律探測(cè)器?；蛘哒f，光電探測(cè)器本質(zhì)上一個(gè)非線性器件。光電轉(zhuǎn)換定律：第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.2光電探測(cè)器的

性能參數(shù)第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日一、積分靈敏度R

靈敏度也常稱作響應(yīng)度，它是光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換特性的量度。光電流（或光電壓u）和入射光功率P之間的關(guān)系稱為探測(cè)器的光電特性。第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日靈敏度R定義為這個(gè)曲線的斜率：Ri——電流靈敏度（積分電流靈敏度）Ru——電壓靈敏度（積分電壓靈敏度）P——分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率。第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、光譜靈敏度Rλ

相對(duì)光譜靈敏度：光電探測(cè)器和入射光功率的光譜匹配非常重要。如果是Rλ是常數(shù)，則相應(yīng)的探測(cè)器為無選擇性探測(cè)器，如：光熱探測(cè)器；反之，則為選擇性探測(cè)器，如光子探測(cè)器。是指的最大值，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)。Pλ——波長(zhǎng)可變的光功率譜密度。第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、頻率靈敏度Rf（響應(yīng)頻率fc和響應(yīng)時(shí)間τ）

如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流if將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf

。

探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。

f<fci能線性再現(xiàn)P的變化。第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日i=F（u，P，λ，f）

i=F（f）的關(guān)系稱為光電頻率特性，相應(yīng)的曲線稱為頻率特性曲線。

i=F（P）及曲線稱為光電特性曲線。

i=F（λ）及曲線稱為光譜特性曲線。

i=F（u）及曲線稱為伏安特性曲線。當(dāng)這些曲線給出時(shí)，靈敏度R的值就可以從曲線中求出。第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日四、量子效率η光譜量子效率：量子效率表示探測(cè)器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比。

R宏觀描述光電探測(cè)器的光電，光譜以及頻率特性。量子效率η是對(duì)同一個(gè)問題的微觀-宏觀描述。c是材料中的光速。可見，量子效率正比于靈敏度而反比于波長(zhǎng)。第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日五、通量閾P(yáng)th