光電技術(shù)課件

光電技術(shù)的發(fā)展第一階段：傳統(tǒng)的光學(xué)裝置及儀器，不能勝任對(duì)復(fù)雜光信息高速采集和處理的要求。第二階段：半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，可以將探測(cè)器件及電路集成在一個(gè)整體中，也可以將具有多個(gè)檢測(cè)功能的探測(cè)器件集成在一個(gè)整體中。其價(jià)格低，體積小。例如，將圖形、物體等具有二維分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的檢測(cè)器件是把基本的光電探測(cè)器件組成許多網(wǎng)狀陣列結(jié)構(gòu)，引人注目的器件CCD就是一種將陣列化的光電探測(cè)與掃描功能一體化的固態(tài)圖像檢測(cè)器件。它是把一維或二維的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成時(shí)序電信號(hào)的器件，能廣泛引用于自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制，尤其是圖像識(shí)別技術(shù)。第三階段：光導(dǎo)纖維傳感器的出現(xiàn)，為光電檢測(cè)技術(shù)的小型化等開辟了廣闊的前景。光纖檢測(cè)可以解決傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)難以解決或無(wú)法解決的許多問(wèn)題。例如，在噪聲、干擾、污染嚴(yán)重的工業(yè)過(guò)程檢測(cè)，或者在海洋、反應(yīng)堆中，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備或智能機(jī)器人，必然會(huì)受到高壓、高溫、輻射等極端困難的條件，光纖檢測(cè)技術(shù)具有其獨(dú)特的智能化的優(yōu)越性。由于光信息傳輸?shù)莫?dú)特優(yōu)點(diǎn)，光纖檢測(cè)智能化將比其他檢測(cè)技術(shù)更具有吸引力。展望：隨著微處理技術(shù)的發(fā)展以及光電檢測(cè)技術(shù)與它的緊密結(jié)合，光電檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越智能化。作為機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)已提到議事日程上。光電技術(shù)的應(yīng)用光學(xué)技術(shù)處理的是空間光強(qiáng)信息，它具有多維、并行、快速數(shù)據(jù)處理等能力。電子技術(shù)處理的是一維電量隨時(shí)間的變化，它有較高的運(yùn)算靈活性和變換精度。光電技術(shù)兼?zhèn)溥@些優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出以下的特征：

⑴有廣泛的適用范圍能獲取和處理各種光學(xué)信息以及可以轉(zhuǎn)換為光信息的非光學(xué)參量，包括探測(cè)機(jī)構(gòu)內(nèi)部或危險(xiǎn)環(huán)境下的工作參量。⑵有較高的信號(hào)檢測(cè)能力能進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸、快速、高靈敏度的檢測(cè)和傳輸；檢測(cè)所需的輸入能量幾乎不影響被測(cè)物的能量狀態(tài)；檢測(cè)信噪比高，信息容量大，傳輸能力強(qiáng)。⑶有較強(qiáng)的信息運(yùn)算能力可進(jìn)行復(fù)雜信息的并行處理和多種形式的數(shù)學(xué)運(yùn)算。運(yùn)算速度高，空間互連效率高，抗干擾能力強(qiáng)，可調(diào)制變量多，信號(hào)變換靈活。光電技術(shù)，特別是光電檢測(cè)、光通信、光電測(cè)量和控制、光電信息處理和光存儲(chǔ)等的應(yīng)用已遍及軍事、科學(xué)研究、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、宇宙和環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生和民用等各個(gè)領(lǐng)域。從星體溫度探測(cè)和人造衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到生物細(xì)胞的顯微測(cè)量和微循環(huán)檢查，從視覺(jué)工業(yè)機(jī)器人和光學(xué)計(jì)算機(jī)到民用全自動(dòng)照相機(jī)和簡(jiǎn)單光電開關(guān)，光電技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和人民生活中不可缺少的環(huán)節(jié)。特別是在生產(chǎn)領(lǐng)域中生產(chǎn)過(guò)程的視覺(jué)檢查和制品加工自動(dòng)化、各種性能參數(shù)的精密測(cè)試以及圖形檢測(cè)和分析判斷等方面，光電技術(shù)將發(fā)揮重要作用。光電檢測(cè)技術(shù)通過(guò)上面的學(xué)習(xí)我們可以看出，光電系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是通過(guò)光電檢測(cè)——所有被研究的信息都將通過(guò)各種效應(yīng)（機(jī)、熱、聲、電、磁）調(diào)制到光載波上，然后將攜帶被研究的信息光載波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)電子線路和計(jì)算機(jī)的綜合處理，實(shí)現(xiàn)光學(xué)儀器的自動(dòng)化。因此，光電檢測(cè)作為光電系統(tǒng)的一種共性技術(shù)具有重要的意義。所謂光電檢測(cè)，指的是對(duì)光信號(hào)的調(diào)制變換和接收解調(diào)兩個(gè)主要方面。光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成光電檢測(cè)系統(tǒng)中信息必須經(jīng)過(guò)兩個(gè)基本的變換環(huán)節(jié)：1、調(diào)制：光輻射通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)投射到被檢測(cè)物體上，利用被檢測(cè)物體對(duì)入射輻射的反射、吸收、透射、衍射、干涉、散射、雙折射等光學(xué)屬性，將被測(cè)變量調(diào)制到光載波的特性參量上。這些“特性參量”可以是光載波的變化幅度、頻率或相位以及光的偏振狀態(tài)，甚至可以是光束的傳播方向或介質(zhì)折射率的變化。調(diào)制過(guò)程，一方面是使光輻射隨時(shí)間作有規(guī)律的變化以形成載波信號(hào)（目前廣泛應(yīng)用的有機(jī)械的、光學(xué)的、聲光、電光、磁光效應(yīng)等各種方式。）；另一方面是使載波信號(hào)的一個(gè)或幾個(gè)特性參量隨被測(cè)信息改變。2、解調(diào)將載荷著信息的光信號(hào)通過(guò)不同類型光電接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大等預(yù)處理后進(jìn)入到解調(diào)器，在此將輸入信號(hào)和調(diào)制器中作為調(diào)制基準(zhǔn)的參考信號(hào)相比較，消除載波信號(hào)的影響，得到與被測(cè)參量成比例的輸出信號(hào)。這種光電信號(hào)的能量再轉(zhuǎn)換和信號(hào)檢波過(guò)程稱作接收解調(diào)。解調(diào)的電信號(hào)可用常規(guī)的電子系統(tǒng)作進(jìn)一步處理和數(shù)據(jù)輸出，得到最終的測(cè)量結(jié)果。光電檢測(cè)系統(tǒng)分類⑴測(cè)量檢查型其基本功能是進(jìn)行光學(xué)或非光學(xué)參量的光電檢測(cè)，可測(cè)參量包括幾何量（長(zhǎng)度、角度、形狀、位置、變形、面積、體積、距離等）、運(yùn)動(dòng)參量（速度、轉(zhuǎn)動(dòng)、流量、振動(dòng)、加速度等）、表面形狀參量（工件粗糙度、疵病、傷痕等）、光學(xué)參量（吸收、反射、透射、光度、色度、波長(zhǎng)和光譜等）、成分分析（物理屬性、濃度、濁度等）、機(jī)械量（質(zhì)量、應(yīng)力、應(yīng)變、壓強(qiáng)等）、電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）以及溫度和放射線的測(cè)量等。該檢測(cè)系統(tǒng)要求可靠的重復(fù)示值和可信度，并且要有適用的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)輸出方式。⑵控制跟蹤型這是一種有光電檢測(cè)能力的反饋控制系統(tǒng)。光電傳感器是信號(hào)反饋單元，當(dāng)它檢測(cè)到受控目標(biāo)相對(duì)平衡狀態(tài)的偏差信號(hào)時(shí)，可通過(guò)閉環(huán)控制使目標(biāo)相對(duì)基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)伺服跟蹤或恒值調(diào)節(jié)。它的主要應(yīng)用包括軍事和科學(xué)應(yīng)用（激光制導(dǎo)、熱定向、飛行物自動(dòng)跟蹤等）、工業(yè)應(yīng)用（精密工作臺(tái)的自動(dòng)定位、工業(yè)圖形的自動(dòng)加工、狀態(tài)參量的極值控制以及有視覺(jué)能力的機(jī)器人等）。⑶圖像分析型它的功能是采集目標(biāo)的二維或三維的光強(qiáng)空間分布，記錄和再現(xiàn)目標(biāo)的圖像并進(jìn)行判讀、識(shí)別或圖像的運(yùn)算處理。在工業(yè)圖形檢測(cè)中，圖像測(cè)量和分析主要依靠掃描或攝像裝置采集光信號(hào)（如CCD攝像器件），同時(shí)進(jìn)行空間－時(shí)間和光量－電量的變換。其次還需要大容量圖像存儲(chǔ)器及圖像處理軟件。光電檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)高精度高速度遠(yuǎn)距離大量程非接觸壽命長(zhǎng)信息處理能力強(qiáng)課程內(nèi)容光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)理論光電器件(Ⅰ)光電器件(Ⅱ)光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)和光電信號(hào)數(shù)據(jù)采集光電變換與檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代光電測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)本課程要求掌握典型的光電器件的原理和特點(diǎn)正確選用光電器件學(xué)會(huì)選擇和設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路及有關(guān)參數(shù)能根據(jù)被測(cè)對(duì)象的要求，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的光電檢測(cè)系統(tǒng)了解現(xiàn)代光電測(cè)試系統(tǒng)第一章光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光輻射的光度學(xué)基礎(chǔ)光源光學(xué)系統(tǒng)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)光電效應(yīng)

第一節(jié)光輻射的光度學(xué)基礎(chǔ)

光的基本性質(zhì)光輻射度量、光譜輻射度量和光度量光度學(xué)基本定律光輻射在空氣中的傳播1.光的基本性質(zhì)

對(duì)光的認(rèn)識(shí)：微粒流的假說(shuō)；光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)；電磁學(xué)說(shuō)；光的量子論電磁波按波長(zhǎng)的分類和各波長(zhǎng)區(qū)域名稱光的各個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域

2.光輻射度量、光譜輻射度量和光度量

光譜光視效率

a、光輻射度量：輻射能輻射能密度輻射通量輻射出射度輻射強(qiáng)度輻射亮度輻照度b、光譜輻射度量：光譜輻射通量光譜輻射出射度光譜輻射強(qiáng)度光譜輻射亮度光譜輻照度C、光量度光通量發(fā)光強(qiáng)度I

光出射度M

光照度E

光亮度光量Q為了對(duì)光輻射進(jìn)行定量描述，需要引入計(jì)量光輻射的物理量。而對(duì)于光輻射的探測(cè)和計(jì)量，存在著輻射度單位和光度單位兩套不同的體系。在輻射度單位體系中，輻通量(又稱為輻射功率)或者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特(W)或者焦耳（J）。輻度學(xué)適用于整個(gè)電磁波段。光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見(jiàn)光波段。以上兩類單位體系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)。下面分別介紹這兩套單位體系中的物理量。輻射量

1.輻射能輻射能是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪?主要指紫外、可見(jiàn)光和紅外輻射)能量。輻射能一般用符號(hào)Q表示，其單位是焦耳(J)。

2.輻射通量輻射通量P又稱為輻射功率，定義為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的輻射通量輻射通量的單位是瓦特(W)或焦耳/秒(J/s)3.輻射出射度輻射出射度M是用來(lái)反映物體輻射能力的物理量。定義為輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量，即單位是W/m2。4.輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度I定義為：點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量，用I表示，即輻射強(qiáng)度的單位是瓦特·球面度-1(W·sr-1)由輻射強(qiáng)度的定義可知，如果一個(gè)置于各向同性、均勻介質(zhì)中的點(diǎn)輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是P，則該點(diǎn)輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度I是常量，有5.輻射亮度輻射亮度L定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量，如圖所示。式中θ是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。輻射亮度的單位是瓦特/球面度·米2(W/sr·m2)。θdP顯然一般輻射體的輻射強(qiáng)度與空間方向有關(guān)。但是有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向上的分布滿足：式中I0是面元dS沿其法線方向的輻射強(qiáng)度。符合上式規(guī)律的輻射體稱為余弦輻射體或朗伯體。余弦輻射體的輻射亮度為可見(jiàn)余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角θ無(wú)關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度為6.輻射照度在輻射接收面上的輻射照度E定義為照射在面元上的輻射通量dP與該面元的面積dA之比。單位是W/m2。由輻射通量和輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系式我們知道，一個(gè)輻射強(qiáng)度為1W·sr-1的點(diǎn)光源，總輻射通量等于4πW?，F(xiàn)在假如有一個(gè)以這個(gè)點(diǎn)光源為球心，半徑為1m的球面包圍這個(gè)點(diǎn)光源，則該球面上的輻射照度恰好等于lW/m2。這一結(jié)果表明，一個(gè)均勻點(diǎn)光源在空間一點(diǎn)的輻射照度與該光源的輻射強(qiáng)度成正比，與距離平方成反比。7.光譜輻射度量對(duì)于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過(guò)均定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)對(duì)應(yīng)的輻射度量，其名稱及單位見(jiàn)表1。光譜輻射度量的名稱、符號(hào)及單位度量名稱符號(hào)定義式單位名稱單位符號(hào)光譜輻射通量PλdP/dλ瓦特/微米W/μm光譜輻射出射度MλdM/dλ瓦特/(米2·微米)W/(m2·μm)光譜輻射強(qiáng)度IλdI/dλ瓦特/(球面度·微米)W/(sr·μm)光譜輻射亮度LλdL/dλ瓦特/(米2·球面度·微米)W/(m2·sr·μm)光譜輻射照度EλdE/dλ瓦特/(米2·微米)W/(m2·μm)由于人眼的視覺(jué)細(xì)胞對(duì)不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反映人的亮暗感覺(jué)。光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)物理量Q，P，I，M，L，E相對(duì)應(yīng)的Qv，Pv，Iv，Mv，Lv，Ev來(lái)表示，其定義完全一一對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表2所示。光度量的單位是國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)規(guī)定的。在光度單位體系中，被選作基本單位的不是相應(yīng)的光量或光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其單位是坎德拉。表2常用輻度量和光度量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系輻射度物理量對(duì)應(yīng)的光度量物理量名稱符號(hào)定義式單位物理量名稱符號(hào)定義式單位輻射能QJ光量QvQv=∫Pvdtlm·s輻射通量PP=dQ/dtW光通量ΦvΦv=∫IvdΩlm輻射出射度MM=dΦ/dSW/m2光出射度MvMv=dPv/dSlm/m2輻射強(qiáng)度II=dΦ/dΩW/sr發(fā)光強(qiáng)度Iv基本量cd輻射亮度LL=dI/(dScosθ)W/m2·sr(光)亮度LvLv=dIv/(dScosθ)cd/m2輻射照度EE=dΦ/dAW/m2(光)照度EvMv=dPv/dAlx坎德拉不僅是光度體系的基本單位，而且也是國(guó)際單位制(SI)的七十基本單位之一。它的定義是“一個(gè)光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射，若在一給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr，則該光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd”。光度量與輻射度量之間的關(guān)系可以用光視效能與光視效率表示。光視效能描述某一波長(zhǎng)的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量。3.光度學(xué)基本定律余弦定律亮度守恒定律照度與距離平方反比定律4.光輻射在空氣中的傳播大氣衰減：大氣吸收和散射空氣湍流效應(yīng)第二節(jié)光電檢測(cè)中所用的光源光源的基本參數(shù)常用光源1.光源的基本參數(shù)

發(fā)光效率光譜功率譜分布空間光強(qiáng)分布特性光源的溫度和顏色2.常用光源熱輻射光源

氣體放電光源

半導(dǎo)體發(fā)光器件激光光源第三節(jié)光電測(cè)試常用光學(xué)系統(tǒng)顯微光學(xué)系統(tǒng)望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)攝影系統(tǒng)投影光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)作業(yè)1.光輻射度量、光譜輻射度量和光度量的各參量定義與單位。2.光度學(xué)三大基本定律的內(nèi)容。3.光電檢測(cè)中所用光源和光學(xué)系統(tǒng)有哪些？第二講光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)(Ⅱ)前言

本次課程介紹：

1.半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)。包括半導(dǎo)體的特性、能帶理論、載流子及運(yùn)動(dòng)、載流子對(duì)光的吸收、半導(dǎo)體的PN結(jié)及與金屬的接觸。

2.光電效應(yīng)。光電器件依據(jù)的物理基礎(chǔ)主要是固體的光電效應(yīng)，就是固體中決定其電學(xué)性質(zhì)的電子系統(tǒng)直接吸收入射光能，使固體的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的現(xiàn)象。例如：光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)等。你知道嗎？

光電器件的主要用途：（1）用來(lái)察覺(jué)微弱光信號(hào)的存在和測(cè)量光信號(hào)的強(qiáng)弱，主要考慮的是器件探測(cè)微弱光信號(hào)的能力。（2）在自動(dòng)控制中作為光電轉(zhuǎn)換器，主要考慮的是光電轉(zhuǎn)換效能。其他用途：作為測(cè)量用的光電池和和作為能源的太陽(yáng)能電池。第四節(jié)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)一、半導(dǎo)體的特性電阻溫度系數(shù)是負(fù)的，對(duì)溫度變化敏感。導(dǎo)電性能受微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分敏感的變化。導(dǎo)電能力和性質(zhì)受外界作用發(fā)生重要的變化。

二、半導(dǎo)體的能帶能帶理論：晶體中的電子只能處于能帶的能級(jí)上，且每一個(gè)能帶中都有與原子總數(shù)相適應(yīng)的能級(jí)數(shù)。

泡利原理：在每一個(gè)能級(jí)上最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。半導(dǎo)體晶體能帶圖：導(dǎo)帶價(jià)帶滿帶禁帶禁帶

根據(jù)能量最小原理，電子填充能帶時(shí)，總是從最低的能帶、最小能量的能級(jí)開始填充。滿帶：任何時(shí)間都填滿電子數(shù)。價(jià)帶：絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶為價(jià)電子占滿。而導(dǎo)帶中沒(méi)有電子。導(dǎo)帶：價(jià)帶中電子獲得足夠的熱能或輻射能后，就會(huì)越過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶。三、半導(dǎo)體的類型

1、I型半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體）：

I型半導(dǎo)體是完全純凈或結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體，是完全由基質(zhì)原子組成的晶體。在絕對(duì)零度時(shí)，不受外界影響的情況下，導(dǎo)帶沒(méi)有電子，價(jià)帶也沒(méi)有空穴，因此不能導(dǎo)電。在熱運(yùn)動(dòng)或外界的影響下，價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子和空穴，構(gòu)成導(dǎo)電載流子。2、N型半導(dǎo)體對(duì)N型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)中的電子只要獲得很小的能量，就能脫離原子而參加導(dǎo)電，由于導(dǎo)帶中的電子在導(dǎo)電中起主要作用，因此也稱為“電子型半導(dǎo)體”。由能級(jí)圖可見(jiàn)，施主能級(jí)處于禁帶內(nèi)導(dǎo)帶底的下面。電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶所需的能量。在常溫下，電子所具有的平均熱能就足以使施主原子電離。因此，對(duì)N型半導(dǎo)體具有較高的電導(dǎo)率。3、P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體是以空穴為主導(dǎo)電的半導(dǎo)體，這樣的半導(dǎo)體也稱為“空穴型半導(dǎo)體”。由能級(jí)圖可見(jiàn)，受主能級(jí)處于禁帶內(nèi)價(jià)帶頂?shù)纳戏剑瑑r(jià)帶電子躍遷到受主能級(jí)所需的電離能。這時(shí)由于電子填充了共價(jià)鍵中的空位而出現(xiàn)空穴。在常溫下，電子所具有的平均熱能就足以使受主原子電離。因此，對(duì)P型半導(dǎo)體具有較高的電導(dǎo)率。說(shuō)明：從半導(dǎo)體載流子的濃度考慮，若在無(wú)輻射時(shí)電子和空穴的濃度分別為n和p，則當(dāng)n＜＜p時(shí)，這種半導(dǎo)體稱為P本征半導(dǎo)體；當(dāng)n＞＞p時(shí)，稱為N型半導(dǎo)體；當(dāng)n＝p時(shí)，稱為I型半導(dǎo)體。

四、熱平衡載流子費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)禁帶寬度半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)五、非平衡載流子非平衡載流子定義壽命復(fù)合陷阱效應(yīng)六、載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

漂移運(yùn)動(dòng)愛(ài)因斯坦關(guān)系：描述擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與遷徙率的關(guān)系七、光輻射與半導(dǎo)體的相互作用

當(dāng)光輻射作用在半導(dǎo)體上時(shí)，半導(dǎo)體吸收光輻射能量，價(jià)帶的電子獲得輻射能后將躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，形成非平衡載流子，從而提高材料的電導(dǎo)率。半導(dǎo)體對(duì)光輻射的吸收分為本征吸收、雜質(zhì)吸收、載流子吸收、激子和晶格吸收五種光吸收效應(yīng)。⒈本征吸收

本征吸收是指電子在輻射作用下，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的吸收。研究本征吸收時(shí)應(yīng)考慮半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。如前所述，對(duì)直接帶隙材料，電子所需的能量應(yīng)大于或等于能隙Eg；而對(duì)間接帶隙材料，電子除需要大于或等于能隙的能量外，還需要聲子的能量。

⒉雜質(zhì)吸收在半導(dǎo)體禁帶內(nèi)存在雜質(zhì)能級(jí)時(shí)，在小于能隙能量的光子作用下，雜質(zhì)能級(jí)和相應(yīng)的能帶間出現(xiàn)電子躍遷而形成的非平衡載流子－電子或空穴。雜質(zhì)吸收的光譜區(qū)位于本征吸收的長(zhǎng)波方向，其光子能量應(yīng)大于或等于所需的電離能。⒊載流子吸收載流子濃度很大（~）時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴產(chǎn)生帶內(nèi)能級(jí)間躍遷而出現(xiàn)的非選擇性吸收⒋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?dòng)能量，或由庫(kù)侖力相互作用形成電子和空穴的能量。這種吸收對(duì)光電導(dǎo)沒(méi)有貢獻(xiàn)，甚至?xí)档凸怆娹D(zhuǎn)換效率。第五節(jié)光電效應(yīng)光電效應(yīng)的定義光電效應(yīng)的分類光電效應(yīng)的物理現(xiàn)象一、光電效應(yīng)

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(dòng)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(shí)，必須掌握以下三個(gè)要點(diǎn)：原因：是輻射，而不是升溫；現(xiàn)象：電子運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單記為：輻射→電子運(yùn)動(dòng)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。光對(duì)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(shí)，電子就會(huì)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(chǎng)作用下參與導(dǎo)電，因而產(chǎn)生了光電效應(yīng)。這里需要說(shuō)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(dòng)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)。二、光電效應(yīng)分類

光與物質(zhì)的作用實(shí)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(yùn)動(dòng)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(dǎo)致了不同的光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)光電子發(fā)射光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)丹倍效應(yīng)光磁效應(yīng)外光電效應(yīng)，是指物質(zhì)受光照后而激發(fā)的電子逸出物質(zhì)的表面，在外電場(chǎng)作用下形成真空中的光電子流。這種效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。內(nèi)光電效應(yīng),是指受光照而激發(fā)的電子在物質(zhì)內(nèi)部參與導(dǎo)電，電子并不逸出光敏物質(zhì)表面。這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的主要區(qū)別在于：受光照而激發(fā)的電子，前者逸出物質(zhì)表面形成光電子流，而后者則在物質(zhì)內(nèi)部參與導(dǎo)電。三、光電效應(yīng)的物理現(xiàn)象（一）光電導(dǎo)效應(yīng)（1873年）半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大（電阻減?。?這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。（1）光電導(dǎo)率：假設(shè)在輻射作用下，由于吸收光子能量而產(chǎn)生的自由電子及空穴的濃度增量分別為Δn及Δp，則在光照穩(wěn)定情況下光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率變?yōu)椋?）本征半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)光照時(shí)，處在價(jià)帶中的電子吸收入射光子的能量，若光子能量大于禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶成為自由電子，同時(shí)在原來(lái)的價(jià)帶中留下空穴，外電場(chǎng)作用時(shí)，光激發(fā)的電子空穴對(duì)將同時(shí)參加導(dǎo)電。從而使電導(dǎo)率增加。光照激發(fā)電子由價(jià)帶躍過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶的條件是

能夠激發(fā)電子的光輻射長(zhǎng)波限為

（3）雜質(zhì)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)N型光電導(dǎo)體，主要是光子激發(fā)施主能級(jí)中的電子躍遷到導(dǎo)帶中去，電子為主要載流子，增加了自由電子的濃度。P型光電導(dǎo)體，主要是光子激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷到受主能級(jí)，與受主能級(jí)中的空穴復(fù)合，而在價(jià)帶中留有空穴，作為主要載流子參加導(dǎo)電。增加了空穴的濃度。只要光子能量滿足就能激發(fā)出光生載流子。相應(yīng)的雜質(zhì)光電導(dǎo)體的長(zhǎng)波限為

（4）光電導(dǎo)體的靈敏度靈敏度指一定條件下，單位照度引起的光電流。光電導(dǎo)體的靈敏度指一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱?？捎霉怆娫鲆鍳表示。（4）：量子產(chǎn)額，即吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子空穴數(shù)。：光生載流子壽命，非平衡載流子復(fù)合快慢或平均存在時(shí)間。（5）將（5）代入（4）得（5）光電導(dǎo)的弛豫光電導(dǎo)是一種非平衡載流子效應(yīng)，因此有弛豫現(xiàn)象。光照到物體后，光電導(dǎo)逐漸增加，最后達(dá)到定態(tài)。光照停止后，光電導(dǎo)在一段時(shí)間內(nèi)逐漸消失，這種現(xiàn)象表現(xiàn)了光電導(dǎo)對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)的快慢，光電導(dǎo)上升或下降的時(shí)間就是弛豫時(shí)間，或稱為響應(yīng)時(shí)間（惰性）。從實(shí)際應(yīng)用將講，其決定了在迅速變化光強(qiáng)下，能否有效工作。從光電導(dǎo)的機(jī)理看，弛豫表現(xiàn)為在光強(qiáng)變化時(shí)，光生載流子的積累和消失過(guò)程。光電導(dǎo)弛豫現(xiàn)象有兩種典型的形式。（6）光電導(dǎo)的光譜分布光譜分布首先是光生載流子的激發(fā)問(wèn)題，即某種波長(zhǎng)的光能否激發(fā)非平衡載流子及其效率如何的問(wèn)題。對(duì)于本征半導(dǎo)體，當(dāng)波長(zhǎng)增加時(shí)，光電導(dǎo)隨之增加，經(jīng)過(guò)一個(gè)最大值后，有陡峭的下降，由于不存在一個(gè)明顯的長(zhǎng)波限，莫斯提出把光電導(dǎo)的數(shù)值降到最大值一半處的波長(zhǎng)定為長(zhǎng)波限。對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，吸收光子要將雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴激發(fā)為自由的光生載流子，要求而，所以，由于很小，很長(zhǎng)。（二）光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴，并在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。即將光能轉(zhuǎn)化成電能。不均勻半導(dǎo)體：由于半導(dǎo)體對(duì)光的吸收，內(nèi)建電場(chǎng)使載流子定向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電位差。（像PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)）均勻半導(dǎo)體：無(wú)內(nèi)建電場(chǎng)，半導(dǎo)體對(duì)光的吸收后，由于載流子的擴(kuò)散速度不同，導(dǎo)致電荷分開，產(chǎn)生的光生電勢(shì)。如丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)。⒈PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)PN結(jié)受到光照時(shí)：光線足以透過(guò)P型半導(dǎo)體入射到PN結(jié)，對(duì)于能量大于材料禁帶寬度的光子，由于本征吸收，就可激發(fā)出電子空穴對(duì)。內(nèi)建電場(chǎng)把N中的空穴拉向P區(qū)，把P中的電子拉向N區(qū)。大量的積累產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，即形成一個(gè)光生電勢(shì)差。表示電子表示空穴光照度越強(qiáng)，光生電動(dòng)勢(shì)也就越大。當(dāng)PN結(jié)兩端通過(guò)負(fù)載構(gòu)成閉合回路時(shí)，就會(huì)有電流沿著由經(jīng)外電路到的方向流動(dòng)。只要輻射光不停止，這個(gè)電流就不會(huì)消失。這就是PN結(jié)被光照射時(shí)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)和光電流的機(jī)理。注意：

⑴PN結(jié)產(chǎn)生光生伏特的條件是，與照射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)；⑵光生伏特的大小與照射光的強(qiáng)度成正比。開路光電壓、短路光電流與入射光功率之間的關(guān)系

若入射光作用下，產(chǎn)生光生電壓為U、光生電流為Ip，入射光功率為P。在PN結(jié)兩端通過(guò)負(fù)載RL構(gòu)成的回路及等效電路為在PN結(jié)兩端通過(guò)負(fù)載RL構(gòu)成的回路中，外電流I與光生電流Ip和PN結(jié)結(jié)電流IJ之間的關(guān)系為

由PN結(jié)電流特性知，結(jié)電流所以

光生電壓為⒉異質(zhì)結(jié)的光生伏特效應(yīng)同質(zhì)結(jié)是用同一本征半導(dǎo)體摻以不同雜質(zhì)形成的結(jié)。異質(zhì)結(jié)是采用外延技術(shù)在一種半導(dǎo)體晶體上生長(zhǎng)不同半導(dǎo)體材料形成的結(jié)。由于兩種不同半導(dǎo)體材料具有不同的禁帶寬度。只有當(dāng)入射光子到達(dá)結(jié)區(qū)時(shí)，小于寬禁帶寬度而大于窄禁帶寬度的光子被吸收，而且吸收光子和激發(fā)光生載流子的地方和結(jié)區(qū)相重合，從而排除了表面載流子的復(fù)合損失，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，得到快速響應(yīng)的特性。⒊肖特基結(jié)的光生伏特效應(yīng)當(dāng)在半導(dǎo)體基底上沉積一層金屬形成的“金屬－半導(dǎo)體”接觸時(shí)，在接觸區(qū)附近也會(huì)形成空間電荷區(qū)和勢(shì)壘，這種勢(shì)壘稱為肖特基結(jié)或肖特基勢(shì)壘。在肖特基結(jié)中，載流子的激發(fā)有二種途徑：一種是，光子被半導(dǎo)體吸收，形成電子空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子向半導(dǎo)體漂移，空穴向金屬漂移；另一種是，光子被金屬吸收，激發(fā)的光電子向半導(dǎo)體移動(dòng)。⒋丹倍效應(yīng)由于光生載流子的擴(kuò)散在光的傳播方向產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象稱為光電擴(kuò)散效應(yīng)或丹倍效應(yīng)。當(dāng)：用光照射均勻半導(dǎo)體的表面時(shí)，在近表面層發(fā)生強(qiáng)烈地吸收，產(chǎn)生高濃度的電子和空穴。在半導(dǎo)體近表面層至體內(nèi)形成載流子濃度的梯度分布，因而發(fā)生電子和空穴都從照射表面向半導(dǎo)體內(nèi)部的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。電子與空穴相比具有較大的遷移率和擴(kuò)散系數(shù)，因此電子會(huì)擴(kuò)散到半導(dǎo)體的更深處。在短期內(nèi)導(dǎo)致被光照表面帶正電，另一面帶負(fù)電，建立起光生電場(chǎng)。即在照射表面和未照射表面間產(chǎn)生一定電位差。⒌光磁電效應(yīng)放在磁場(chǎng)內(nèi)的均勻半導(dǎo)體材料受到光照射時(shí)，如果磁場(chǎng)的方向垂直于xoy平面，洛倫茲力把擴(kuò)散電子和空穴偏轉(zhuǎn)到相反方向，導(dǎo)致電子和空在垂直于光照方向和磁場(chǎng)方向的半導(dǎo)體的兩端面分別積累，產(chǎn)生光磁電場(chǎng)，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)被稱為光磁電電動(dòng)勢(shì)。(三）光電發(fā)射效應(yīng)1、光電發(fā)射原理

具有能量hν的光子，被物質(zhì)（金屬或半導(dǎo)體）吸收后激發(fā)出自由電子，當(dāng)自由電子的能量足以克服物質(zhì)表面勢(shì)壘并逸出物質(zhì)的表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，逸出電子在外電場(chǎng)作用下形成光電子流。這就是物質(zhì)的光電發(fā)射現(xiàn)象。光電發(fā)射現(xiàn)象又叫做外光電效應(yīng)?？梢园l(fā)射電子的物質(zhì)稱為光電發(fā)射體。2、光電發(fā)射的基本定律（1）愛(ài)因斯坦定律（光電發(fā)射第二定律）發(fā)射體發(fā)射的光電子的最大動(dòng)能，隨入射光頻率的增加而線性的增加，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。（2）斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）當(dāng)入射輻射的光譜分布不變時(shí)，入射輻射通量越大（攜帶的光子數(shù)越多），激發(fā)電子逸出光電發(fā)射體表面的數(shù)量也越多，因而發(fā)射的光電流就增加，所以光電流正比于入射輻射通量。3、光電發(fā)射長(zhǎng)波限根據(jù)愛(ài)因斯坦公式

式中

m為電子質(zhì)量；為電子逸出后的最大速度；為入射光的頻率；為普朗克常數(shù)，其值為；為光電發(fā)射體的逸出功。顯然，當(dāng)時(shí)，逸出電子無(wú)動(dòng)能，那么，就不會(huì)產(chǎn)生光電發(fā)射，因此，光電發(fā)射存在長(zhǎng)波限探測(cè)器件所依據(jù)的物理效應(yīng)的共同特性是：（1）光電效應(yīng)的有、無(wú)只與入射光的波長(zhǎng)、頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)；

——光電效應(yīng)的產(chǎn)生，唯一的取決于入射光的波長(zhǎng)、頻率以及器件的能級(jí)結(jié)構(gòu)。

（2）光電效應(yīng)的強(qiáng)弱既與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，也與入射光的波長(zhǎng)、頻率有關(guān)。

——入射光的強(qiáng)弱反映入射光子數(shù)的多少；入射光的波長(zhǎng)、頻率不同，器件對(duì)其的響應(yīng)度不同。作業(yè)1.簡(jiǎn)述半導(dǎo)體的特性和能帶理論。2.什么是熱平衡和非平衡載流子？說(shuō)說(shuō)它們的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。3.半導(dǎo)體對(duì)光的吸收有哪些？4.描述光電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理。

預(yù)習(xí)第二章第一、二節(jié)第三講光電器件性能參數(shù)和真空光電管光電器件的分類一、按工作波段分紫外光探測(cè)器可見(jiàn)光探測(cè)器紅外光探測(cè)器二、按應(yīng)用分換能器將光信息（光能）轉(zhuǎn)換成電信息（電能）非成像型光信息轉(zhuǎn)換成電信息探測(cè)器變像管成像型像增強(qiáng)器攝像管真空攝像管固體成像器件CCD探測(cè)器件熱光電探測(cè)元件光電探測(cè)元件氣體光電探測(cè)元件外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型放大型光電導(dǎo)探測(cè)器光磁電效應(yīng)探測(cè)器光生伏特探測(cè)器本征型摻雜型非放大放大型真空光電管充氣光電管光電倍增管變像管攝像管像增強(qiáng)器光敏電阻紅外探測(cè)器光電池光電二極管光電三極管光電場(chǎng)效應(yīng)管雪崩型光電二極管光電系統(tǒng)的光電器件包括光電探測(cè)器件和光電成像器件，其相應(yīng)的性能參數(shù)也有兩類：

1、光電探測(cè)器件主要應(yīng)說(shuō)明其響應(yīng)特性和噪聲特性。

2、光電成像器件，除了上述參數(shù)外，為了說(shuō)明其成像特性，還引入了反映亮度空間分布失真程度的量，比如分辨率、空間頻率特性以及空間抽樣特性等。光電探測(cè)器和其它器件一樣，有一套根據(jù)實(shí)際需要而制定的特性參數(shù)。它是在不斷總結(jié)各種光電探測(cè)器的共同基礎(chǔ)上而給以科學(xué)定義的，所以這一套性能參數(shù)科學(xué)地反映了各種探測(cè)器的共同因素。依據(jù)這套參數(shù)，人們就可以評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的優(yōu)劣，比較不同探測(cè)器之間的差異，從而達(dá)到根據(jù)需要合理選擇和正確使用光電探測(cè)器的目的。顯然，了解各種性能參數(shù)的物理意義是十分重要的。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，光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度。光電流i(或光電壓u)和入射光功率P之間的關(guān)系i＝f(p)，稱為探測(cè)器的光電特性。靈敏度R定義為這個(gè)曲線的斜率，即

(線性區(qū)內(nèi))(安/瓦)或

(線性區(qū)內(nèi))(安/瓦)Ri和Ru分別稱為電流和電壓靈敏度，i和u稱為電表測(cè)量的電流、電壓有效值。式中的光功率P是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率，因此，這里的Ri和Ru又分別稱為積分電流靈敏度和積分電壓靈敏度。二、光譜靈敏度Rλ

如果我們把光功率P換成波長(zhǎng)可變的光功率譜密度Pλ，由于光電探測(cè)器的光譜選擇性，在其它條件下不變的情況下，光電流將是光波長(zhǎng)的函數(shù)，記為iλ(或uλ)，于是光譜靈敏度Rλ定義為如果Rλ是常數(shù)，則相應(yīng)的探測(cè)器稱為無(wú)選擇性探測(cè)器(如光熱探測(cè)器)，光子探測(cè)器則是選擇性探測(cè)器。上式的定義在測(cè)量上是困難的，通常給出的是相對(duì)光譜靈敏度Sλ定義為式中Rλm是指Rλ的最大值，相應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)，Sλ是無(wú)量綱的百分?jǐn)?shù)，Sλ隨λ變化的曲線稱為探測(cè)器的光譜靈敏度曲線。R和Rλ以及Sλ的關(guān)系說(shuō)明如下。引入相對(duì)光譜功率密度函數(shù)，它的定義為把(2)和(3)式代入(1)式，只要注意到和就有積分上式，有式中并注意到由此便得式中稱為光譜利用率系數(shù)，它表示入射光功率能被響應(yīng)的百分比。光譜匹配系數(shù)K的說(shuō)明如圖0.1lS'lf''0llldfSò￥ò￥0''lldf三、頻率靈敏度Rf(響應(yīng)頻率fc和響應(yīng)時(shí)間t)如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其它條件不變下，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，定義為式中if是光電流時(shí)變函數(shù)的付里葉變換，通常式中τ稱為探測(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。頻率靈敏度這就是探測(cè)器的頻率特性，Rf隨f升高而下降的速度與τ值大小關(guān)系很大。一般規(guī)定，Rf下降到時(shí)的頻率fc為探測(cè)器的截止響應(yīng)頻率和響應(yīng)頻率。從上式可見(jiàn)：當(dāng)f<fc時(shí)，認(rèn)為光電流能線性再現(xiàn)光功率P的變化。如果是脈沖形式的入射光，則更常用響應(yīng)時(shí)間來(lái)描述。探測(cè)器對(duì)突然光照的輸出電流，要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能上升到與這一幅射功率相應(yīng)的穩(wěn)定值i。當(dāng)輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能下降到零。一般而論，上升和下降時(shí)間相等，時(shí)間常數(shù)近似地由決定。綜上所述，光電流是兩端電壓u，光功率P，光波長(zhǎng)λ、光強(qiáng)調(diào)制頻率f的函數(shù)，即以u(píng)，p，λ為參變量，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。同樣，i=F(p)及曲線稱為光電特性曲線。i＝F(λ)及其曲線稱為光譜特性曲線。而i＝F(u)及其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，而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特性曲線來(lái)設(shè)計(jì)探測(cè)器的使用電路。這一點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中往住是十分重要的。四、量子效率η如果說(shuō)靈敏度R是從宏觀角度描述了光電探測(cè)器的光電、光譜以及頻率特性，那么量子效率η則是對(duì)同一個(gè)問(wèn)題的微觀—宏觀描述。量子效率的意義在光電轉(zhuǎn)換定律得內(nèi)容中我們已經(jīng)討論過(guò)了這里給出量子效率和靈敏度關(guān)系又有光譜量子效率：式中C是材料中的光速。可見(jiàn)，量子效率正比于靈敏度而反比于波長(zhǎng)。五、能量閾P(yáng)th和噪聲等效功率NEP從靈敏度R的定義式可見(jiàn)，如果P＝0，應(yīng)有i=0實(shí)際情況是，當(dāng)P＝0時(shí)，光電探測(cè)器的輸出電流并不為零。這個(gè)電流稱為暗電流或噪聲電流，記為它是瞬時(shí)噪聲電流的有效值。顯然，這時(shí)靈敏度R巳失去意義，我們必須定義一個(gè)新參量來(lái)描述光電探測(cè)器的這種特性。in產(chǎn)生的原因?qū)⒃谙乱还?jié)中專門討論。考慮到這個(gè)因素之后，一個(gè)光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的模型如圖所示。圖中的光功率Ps和Pb分別為信號(hào)和背景光功率?？梢?jiàn)，即使Ps和Pb都為零，也會(huì)有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測(cè)微弱信號(hào)的能力。通常認(rèn)為，如果信號(hào)光功率產(chǎn)生的信號(hào)光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測(cè)到光信號(hào)存在。依照這一判據(jù)，定義探測(cè)器的通量閾P(yáng)th為例如，若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，則通量閾P(yáng)th＝0.001μW。也就是說(shuō)，小于0.001微瓦的信號(hào)光功率不能被探測(cè)器所得知，所以，通量閾是探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率。同一個(gè)問(wèn)題，還有另一種更通用的表述方法，這就是噪聲等效功率NEP。它定義為單位信噪比時(shí)的信號(hào)光功率。信噪比SNR定義為

(電流信噪比)(電壓信噪比)

于是有：顯然，NEP越小，表明探測(cè)器探測(cè)微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。所以NEP是描述光電探測(cè)器探測(cè)能力的參數(shù)。六、歸一化探測(cè)度D*(讀作D星)NEP越小，探測(cè)器探測(cè)能力越高，不符合人們“越大越好”的習(xí)慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測(cè)度D，即這樣，D值大的探測(cè)器就表明其探測(cè)力高。實(shí)際使用中，經(jīng)常需要在同類型的不同探測(cè)器之間進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)“D值大的探測(cè)器其探測(cè)能力一定好”的結(jié)論并不充分。究其原因，主要是探測(cè)器光敏面積A和測(cè)量帶寬Δf對(duì)D值影響甚大。從下一節(jié)討論中我們將會(huì)知道，探測(cè)器的噪聲功率N∝Δf，所以，于是由D的定義知。另一方面，探測(cè)器的噪聲功率N∝

A

所以，又有。把兩種因素一并考慮，為了消除這一影響，定義并稱為歸一化探測(cè)度。這時(shí)就可以說(shuō)：D*大的探測(cè)器其探測(cè)能力一定好。考慮到光譜的響應(yīng)特性，一般給出D*值時(shí)注明響應(yīng)波長(zhǎng)λ、光輻射調(diào)制頻率f及測(cè)量帶寬Δf，即D*(λ,f,Δf)。七、其它參數(shù)光電探測(cè)器還有其它一些特性參數(shù)，在使用時(shí)必須注意到，例如光敏面積，探測(cè)器電阻，電容等。特別是極限工作條件，正常使用時(shí)都不允許超過(guò)這些指標(biāo)，否則會(huì)影響探測(cè)器的正常工作，甚至使探測(cè)器損壞。通常規(guī)定了工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍，使用時(shí)要特別加以注意。噪聲概念信號(hào)在傳輸和處理過(guò)程中總會(huì)受到一些無(wú)用信號(hào)的干擾，人們常稱這些干擾信號(hào)為噪聲。光電探測(cè)器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，同樣要引入噪聲，稱為光電探測(cè)器的噪聲。如果用us(t)表示信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳輸或變換后變成u(t)，那么式中un(t)就是噪聲。顯然，噪聲un(t)表示了u(t)偏離us(t)的程度。根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因，大體上可以把噪聲分為人為噪聲、自然干擾和物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾三類。前兩種又稱為有形噪聲，一般可以預(yù)知，因而總可以設(shè)法減少和消除。最后一種噪聲來(lái)自物理系統(tǒng)內(nèi)部，表現(xiàn)為一種無(wú)規(guī)則起伏，稱為無(wú)規(guī)噪聲。例如，電阻中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)，真空臂中電子的隨機(jī)發(fā)射，半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)的產(chǎn)生和復(fù)合等，這些隨機(jī)因素把一種無(wú)規(guī)則起伏施加給有用信號(hào)。起伏噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響，如圖所示。假定入射光是正弦強(qiáng)度調(diào)制的，放大器是一個(gè)可以任意改變放大量的理想放大器。當(dāng)入射光強(qiáng)度較大時(shí)，在示波器上可以看到正弦變化的信號(hào)電壓波形。降低入射光功率時(shí)，增大放大率，發(fā)現(xiàn)正弦電壓信號(hào)上出現(xiàn)許多無(wú)規(guī)起伏，使正弦信號(hào)變得模糊不清(圖(b))。再降低入射光功率時(shí)，正弦波幅度越來(lái)越小，而雜亂無(wú)章的變化愈來(lái)愈大。最后只剩下了無(wú)規(guī)則的起伏，完全看不出什么正弦變化，這叫做噪聲完全埋沒(méi)了信號(hào)。當(dāng)然這時(shí)探測(cè)器也失去了探測(cè)弱光信號(hào)的能力。探測(cè)器放大器示波器(a)(b)(c)光從上面討論中，我們應(yīng)該建立這樣的觀念：上述現(xiàn)象并不是探測(cè)器不好所致。它是探測(cè)器所固有的不可避免的現(xiàn)象。任何一個(gè)探測(cè)器，都一定有噪聲。也就是說(shuō)，在它輸出端總存在著一些毫無(wú)規(guī)律，事先無(wú)法預(yù)知的電壓起伏。這種無(wú)規(guī)起伏，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中稱為隨機(jī)起伏，它是微觀世界服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的反映。從這個(gè)意義上說(shuō)，實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)的探測(cè)，就是從噪聲中如何提取信號(hào)的問(wèn)題，這是當(dāng)今信息探測(cè)理論研究的中心課題之一。噪聲的描述噪聲電壓隨時(shí)間無(wú)規(guī)則起伏情況重畫如下。顯然，無(wú)法用預(yù)先確知的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述它。然而，噪聲本身是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，所以能用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)描述。長(zhǎng)時(shí)間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機(jī)會(huì)是相等的，其時(shí)間平均值一定為零。所以用時(shí)間平均值無(wú)法描述噪聲大小。)(tun)0(g)(tgtt00(a)(b)但是，如果我們先取噪聲電壓的平方，然后求這些平方值對(duì)時(shí)間的平均值，再開方，就得到所謂均方根噪聲電壓un，即這正是我們用電壓表所測(cè)量到的那種有效電壓。我們看到，雖然噪聲電壓的起伏是毫無(wú)規(guī)則，無(wú)法預(yù)知的，但其均方根電壓卻具有確定值。這就是噪聲電壓(噪聲電流也一樣)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的反映。由于產(chǎn)生探測(cè)器起伏噪聲的因素往往很多，且這些因素又彼此獨(dú)立，所以總的噪聲功率等于各種獨(dú)立的噪聲功率之和，即為此，我們就把探測(cè)器輸出的均方根噪聲電壓(電流)稱為探測(cè)器的噪聲電壓(電流)。顯然，探測(cè)噪聲的存在，就使得探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的探測(cè)本領(lǐng)受到一個(gè)限制。所以定量估計(jì)探測(cè)器的噪聲大小就顯得很重要了。由于許多時(shí)域問(wèn)題往往在頻域中討論可能更為方便，方法是付里葉變換。若噪聲電壓為un(t)，則其付里葉變換對(duì)為上式成立的條件是un(t)絕對(duì)可積，即顯然，無(wú)限延續(xù)的噪聲電壓并不能滿足上式。因此，無(wú)限延續(xù)的噪聲電壓的幅度付里葉譜不存在。為了克服這個(gè)困難，但還要使用付里葉變換的方法，辦法是引入噪聲電壓的自相關(guān)和功率譜。自相關(guān)定義為：意思是對(duì)噪聲電壓進(jìn)行卷積運(yùn)算并求時(shí)間平均值。自相關(guān)的圖形如前圖(b)所示。顯然它滿足絕對(duì)可積條件，因而它的變換譜存在，即在自相關(guān)定義中，令t＝0，則式中表示噪聲電壓平方的平均值，它的物理意義：噪聲電壓消耗在1Ω電阻上的平均功率。同樣，在(3)式中令t＝0，則有：式中使用了的關(guān)系。為了表述得更清楚一些，還可以從(4)式出發(fā)，并令再應(yīng)用付里葉變換對(duì)，可以證明：比較(5)和(6)式，就有或它們是單位頻帶噪聲電壓消耗在1Ω電阻上的平均功率，稱為噪聲電壓的功率譜。實(shí)際上，探測(cè)器的測(cè)量帶寬是有限的，用Δf表示，那么當(dāng)g(f)＝常數(shù)(這種噪聲又稱為白噪聲)時(shí):于是，求噪聲或Vn的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為求解噪聲功率譜g(f)的問(wèn)題了.光電探測(cè)器的噪聲源依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測(cè)器的噪聲可大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生—復(fù)合噪聲、熱噪聲和低頻噪聲。上述噪聲是光電轉(zhuǎn)換物理過(guò)程中固有的，是一種不可能人為消除的輸出信號(hào)的起伏，是與器件密切相關(guān)的一個(gè)參量。因?yàn)樵诠怆娹D(zhuǎn)換過(guò)程中，半導(dǎo)體中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，或者電子逸出材料表面等過(guò)程，都是一系列獨(dú)立事件，是一種隨機(jī)的過(guò)程。每一瞬間出現(xiàn)多少載流子是不確定的，所以隨機(jī)的起伏將不可避免地與信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)。尤其在信號(hào)較弱時(shí)，光電探測(cè)器的噪聲會(huì)顯著地影響信號(hào)探測(cè)的準(zhǔn)確性。

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(fù)合噪聲

光子噪聲

熱噪聲

低頻噪聲

溫度噪聲

放大器噪聲

1.散粒噪聲：無(wú)光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機(jī)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(cè)器中。熱激發(fā)散粒均方噪聲電流為其有效值為相應(yīng)的噪聲電壓為如果探測(cè)器具有內(nèi)增益M，則上式還應(yīng)乘以M。光電探測(cè)器是依靠?jī)?nèi)場(chǎng)把電子—空穴對(duì)分開，空穴對(duì)電流貢獻(xiàn)不大，主要是電子貢獻(xiàn)。上兩式也適用于光伏探測(cè)器2.產(chǎn)生－復(fù)合噪聲對(duì)光電導(dǎo)探測(cè)器，載流子熱激發(fā)是電子—空穴對(duì)。電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中，與光伏器件重要的不同點(diǎn)在于存在嚴(yán)重的復(fù)合過(guò)程，而復(fù)合過(guò)程本身也是隨機(jī)的。因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，這樣就使起伏加倍，雖然本質(zhì)也是散粒噪聲，但為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個(gè)因素，取名為產(chǎn)生—復(fù)合散粒噪聲，簡(jiǎn)稱為產(chǎn)生—復(fù)合噪聲，記為Ig-r和Vg-r即式中M是光電導(dǎo)的內(nèi)增益。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(rèn)為熱激發(fā)直流電流Id為零。由于光子本身也服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。我們平常說(shuō)的恒定光功率，實(shí)際上是光子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，而每一瞬時(shí)到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)是隨機(jī)的。因此，光激發(fā)的載流子一定也是隨機(jī)的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。因?yàn)檫@里強(qiáng)調(diào)光子起伏，故稱為光子噪聲。它是探測(cè)器的極限噪聲，不管是信號(hào)光還是背景光，都要伴隨著光子噪聲，而且光功率愈大，光子噪聲也愈大。于是我們只要把id用ib和is代替，即可得到光子噪聲的表達(dá)式。即光子散粒噪聲電流這適用于光電發(fā)射和光伏情況，如果有內(nèi)增益，則再乘以M。而光電子產(chǎn)生—復(fù)合噪聲這里ib和is又可用光功率Pb和Ps表示出來(lái)考慮到id、ib和is的共同作用，光電探測(cè)器的總散粒噪聲可統(tǒng)一表示為總散粒噪聲可統(tǒng)一表示為式中S=2(光電發(fā)射和光伏)或S=4(光電導(dǎo))M內(nèi)增益系數(shù)(無(wú)內(nèi)增益=1)B(測(cè)量帶寬)4.熱噪聲光電探測(cè)器本質(zhì)上可用一個(gè)電流源來(lái)等價(jià)，這就意味著探測(cè)器有一個(gè)等效電阻R。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(yùn)動(dòng)狀態(tài)也是隨機(jī)的，由此而構(gòu)成無(wú)偏壓下的起伏電動(dòng)勢(shì)。這種由載流子的熱運(yùn)動(dòng)引起的起伏就是電阻材料的熱噪聲，或稱為約翰遜（Johnson）噪聲。熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)熱激發(fā)的波動(dòng)而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。可以證明，單個(gè)電子的噪聲貢獻(xiàn)為K是波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，m是電子質(zhì)量，τ0為電子的平均碰撞時(shí)間。濃度為n，體積V＝Ad的電阻樣品中共有nV個(gè)電子，它們產(chǎn)生電流脈沖的個(gè)數(shù)等于電子平均碰撞的個(gè)數(shù)，由固體物理得知，電阻樣品的電阻值為于是噪聲功率譜為由電阻R的熱噪聲電流為相應(yīng)的熱噪聲電壓為有效噪聲電壓和電流分別為一個(gè)電阻R在其噪聲等效電路中，可以等效為電阻R與一個(gè)電壓源Un的串聯(lián)，也可以等效為電阻R與一個(gè)電流源In相并聯(lián)，如圖所示。VnRInRAdx5.1/f噪聲1/f噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲。這種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(dāng)電流流過(guò)時(shí)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(cè)器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對(duì)這種噪聲的影響很大，所以有時(shí)也稱為表面噪聲或過(guò)剩噪聲。1/f噪聲的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律為：式中，Kf為與元件制作工藝、材料尺寸、表面狀態(tài)等有關(guān)的比例系數(shù)；α為系數(shù)，它與流過(guò)元件的電流有關(guān)，其值通常取2；β為與元件材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，其值在0.8~１.３之間，大部分材料的β值取１；γ與元件阻值有關(guān)，一般在１.４～１.７之間。一般說(shuō)，只要限制低頻端的調(diào)制頻率不低于1千赫茲，這種噪聲就可以防止。６.溫度噪聲它是由于材料的溫度起伏而產(chǎn)生的噪聲。在熱探測(cè)器件中必須考慮溫度噪聲的影響。當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時(shí)，由于有溫差ΔT的存在，因而引起材料有熱流量的變化Δφ，這種熱流量的變化導(dǎo)致產(chǎn)生物體的溫度噪聲。溫度為T的物體的熱流量噪聲均方值為式中，A為傳熱面積；h為傳熱系數(shù)，其單位為[W/(m2K)]；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為材料溫度；Δf為通帶寬度。溫度噪聲與熱噪聲在產(chǎn)生原因、表示形式上有一定的差別，主要區(qū)別在于：對(duì)于熱噪聲，材料的溫度T一定，引起粒子隨機(jī)性波動(dòng)，從而產(chǎn)生了隨機(jī)性電流；對(duì)于溫度噪聲，材料溫度有變化ΔT，從而導(dǎo)致熱流量的變化Δφ，此變化就表示了溫度噪聲的大小。光電管光電管是依據(jù)光電發(fā)射效應(yīng)而工作的一種光電探測(cè)器。其結(jié)構(gòu)原理和偏置電路如圖所示，主要由光陰極K、陽(yáng)極A和管殼組成。如果管殼內(nèi)是真空狀態(tài)，就稱為真空光電管。如果管殼內(nèi)充有增益氣體，就稱為充氣光電管。按照接收光輻射的形式又有反射型和透射型光電管之分。光陽(yáng)極A陰極K光透射型反射型VRLuAKGD光電管的核心部件是光陰極K，它的光電發(fā)射性能的好壞，在很大程度上決定了光電管工作性能的優(yōu)劣。陽(yáng)極A起著收集電子的作用，其形狀和位置都經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)。國(guó)產(chǎn)光電管的代號(hào)用字符GD表示。鑒于光電管光陰極的重要性以及光電管陰極和光電倍增管光陰極材料的通用性，我們首先集中介紹一下關(guān)于光陰極材料的基本概念和光譜響應(yīng)特性，然后再討論光電管的工作特性。

真空光電管

真空光電管由玻殼、光電陰極和陽(yáng)極三部分組成。光電陰極即半導(dǎo)體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi)壁，受光照時(shí)，可向外發(fā)射光電子。陽(yáng)極是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對(duì)面，加正的高電壓，用來(lái)收集從陰極發(fā)射出來(lái)的電子。

真空光電管特點(diǎn)：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達(dá)20～200μA/lm；暗電流小，最低可達(dá)10-14A；光電發(fā)射弛豫過(guò)程極短。缺點(diǎn)：真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等。光陰極材料及其光譜響應(yīng)光陰極光譜響應(yīng)的截止波長(zhǎng)λc由下式?jīng)Q定，即式中是光陰極材料的功函數(shù)。該式僅僅說(shuō)明了理想情況下光陰極材料能否產(chǎn)生光電發(fā)射的條件，至于發(fā)射效應(yīng)本身是否有效，該式無(wú)法說(shuō)明。實(shí)際上，光電子從光陰極內(nèi)部逸出表面經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程：

1.光陰極內(nèi)部電子吸收光子能量，被激發(fā)到真空能級(jí)以上的高能量狀態(tài)；2.這些高能量的光電子在向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到其它電子碰撞，散射而失去一部分能量；3.光電子到達(dá)表面時(shí)還要克服表面勢(shì)壘才能最后逸出。因此，一個(gè)良好的光陰極應(yīng)該滿足三個(gè)條件：1.光陰極表面對(duì)光輻射的反射小而吸收大；2.光電子在向表面運(yùn)動(dòng)中受到的能量散射損耗小3.光陰極表面勢(shì)壘低，電子逸出概率大。許多金屬和半導(dǎo)體材料雖然都能產(chǎn)生光電效應(yīng)，但依據(jù)上述原則，金屬和半導(dǎo)體材料相比光電發(fā)射效率要低得多。因而光陰極通常都采用半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料光陰極又分為正電子親和勢(shì)(亦稱經(jīng)典光陰極)和負(fù)電子親和勢(shì)(NEA陰極)兩種類型。NEA光陰極是當(dāng)前性能最好的光陰極。為了有一個(gè)明確的物理概念，結(jié)合圖示來(lái)說(shuō)明兩種光陰極類型之間的主要差別。eeeEFE0EFEVECEAjEjEE0ECEFEVEAeEDEAjEE0EECEVEFEAjEE0e(a)金屬(b)理想半導(dǎo)體(c)正電子親和勢(shì)(d)負(fù)電子親和勢(shì)對(duì)于金屬情況，見(jiàn)圖(a)，金屬內(nèi)的“冷”電子(即光電子)發(fā)射來(lái)源于費(fèi)米能級(jí)EF附近。光電發(fā)射閾值定義為電子真空能級(jí)E0與EF之差，即這里的Eφ應(yīng)理解為，光電子到達(dá)金屬表面而逸出時(shí)至少必須具有的能量。所以，考慮到散射能量的損失，金屬體內(nèi)光電子的能量必須大于Eφ才可能逸出。金屬中銫(Cs)的Eφ值最小，約為2.1(eV)，其截止波長(zhǎng)最長(zhǎng)，大約為600(nm)。大多數(shù)金屬的Eφ值都在3(eV)以上。由于金屬對(duì)光輻射的反射強(qiáng)而吸收弱，加之金屬中自由電子濃度大，光電子受到的能量散射損失自然大，因而光電發(fā)射效率很低。對(duì)半導(dǎo)體材料，見(jiàn)圖(b)，體內(nèi)“冷”電子發(fā)射來(lái)源于價(jià)帶EV附近，因此表面處的Eφ為式中Eg為禁帶寬度，EA為E0和導(dǎo)帶EC之差，稱為電子親和勢(shì)。由半導(dǎo)體物理可知，實(shí)際的半導(dǎo)體能級(jí)，在半導(dǎo)體表面附近要發(fā)生彎曲，見(jiàn)圖(c)，這時(shí)EA定義為E0與表面處導(dǎo)帶底EC之差?？紤]到導(dǎo)帶在表面處的彎曲量用ΔE表示，于是體內(nèi)光電子的有效電子親合勢(shì)變?yōu)镋vEFEcEAeEφE0(b)理想半導(dǎo)體我們通常所說(shuō)的電子親合勢(shì)就是指的EAe，這樣，半導(dǎo)體材料的光電發(fā)射閾值變?yōu)椋河捎讦的量值可以人為控制，EAe值可以人為地加以改變。如果EAe>0，就稱為正電子親和勢(shì)光陰極，亦稱經(jīng)典光陰極，目前廣泛用的光陰極就屬此類。(c)正電子親和勢(shì)EAeECEFEvE0EφΔEEA如果使EAe<0，見(jiàn)圖(d)，就出現(xiàn)了一種非常有利的光電子發(fā)射條件，只要激發(fā)到導(dǎo)帶中的光電子，因?yàn)闆](méi)有表面勢(shì)壘的阻擋，所以都能有效地逸出表面。這就是NEA光陰極的基本原理。半導(dǎo)體材料與金屬相比，對(duì)光輻射的吸收率大，內(nèi)部能量散射損失小，表面勢(shì)壘又可以人為控制，因而采用半導(dǎo)體材料作光陰極獲得了廣泛應(yīng)用。(d)負(fù)電子親和勢(shì)EvEFEcEAeEAE0Eφe根據(jù)國(guó)際電子工程協(xié)會(huì)規(guī)定，把NEA光陰極出現(xiàn)以前的各種光陰極，按其出現(xiàn)的先后順序和所配置的窗口材料，以S—XX(數(shù)字)的形式進(jìn)行編排命名，如表所示。

S—XX光陰極特性*帶25伏起偏電壓編號(hào)光陰極材料窗口材料工作方式R－反射型T－透射型峰值波長(zhǎng)λm(nm)靈敏度Ri(μA/lm)Riλm(mA/W)ηλm(%)暗電流25℃條件(A/cm2)S-1AgOCs玻璃T,R800302.80.439×10-13S-3AgORb玻璃R4206~51.80.53-S-4Cs,Sb玻璃R400404012.42×10-16S-5Cs,Sb透紫外玻璃R340405018.23×10-16S-8Cs,Bl玻璃R3653230.781.3×10-16S-9Cs,Sb7052玻璃T4803020.55.33×10-16S-10AgOBlCs玻璃T45040205.57×10-16S-11Cs,Sb玻璃T440705615.73×10-16S-13Cs,Sb石英T440604813.54×10-16S-14Ge玻璃-150012400*520*43*-S-16Cd,Se玻璃-730----S-17Cs,Sb玻璃R49012583211.2×10-15S-19Cs,Sb石英R330406524.43×10-16S-20NaKCsSb玻璃T4201506418.83×10-16S-21Cs,Sb透紫外玻璃T44030236.64×10-16S-23Tb,Te石英T240-421×10-10S-24Na,KSb7052玻璃T380456721.83×10-13S-25NaKCsSb玻璃T4202004312.71×10-13一、銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極銀氧銫陰極是最早出現(xiàn)的實(shí)用光電陰極。目前，除了III-V族的光電陰極外，它仍然是在近紅外區(qū)具有使用價(jià)值的唯一陰極。銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過(guò)剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成，可用[Ag]-Cs2OAgCs-Cs的符號(hào)表示，如圖所示。Ag2OAgCS2O內(nèi)吸附CS原子CS原子(a)結(jié)構(gòu)有一些光電器件也有不用氧化，而是用硫化，或以堿金屬代替銫原子，目的都是希望得到高的響應(yīng)率及合適的光譜響應(yīng)范圍。

Ag-O-Cs光電陰極的光譜響應(yīng)曲線如圖所示。它的長(zhǎng)波靈敏度延伸至紅外1.2μm，并且有兩個(gè)峰值，近紅外800nm處有一主峰，另一主峰處于紫外350nm。h=0.1%h=1%1010.20.40.60.81.01.2(b)光譜相應(yīng)曲線l(mm)S(l)(mA/W)η=1%η=0.1%Ag-O-Cs光電陰極的靈敏度較低。光照靈敏度約為30μA/1m，輻照靈敏度為3mA/W，量子效率在峰值波長(zhǎng)處也只有1%;它的熱電子發(fā)射密度在室溫下超過(guò)任何其它實(shí)用陰極，約為10-11~10-14A/cm2。此外，當(dāng)陰極長(zhǎng)期受光照后，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞現(xiàn)象，且疲勞特性與光照度、光照波長(zhǎng)等都有密切關(guān)系，疲勞后光譜響應(yīng)曲線也會(huì)發(fā)生變化，因此它的應(yīng)用受到很大限制。將近紅外區(qū)具有高靈敏度的Ag-O-Cs陰極和藍(lán)光區(qū)具有高靈敏度的Bi-Cs-O陰極相結(jié)合，可獲得在整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)具有較均勻響應(yīng)和高靈敏度的Bi-Ag-O-Cs光電陰極。該陰極的量子效率達(dá)10%，但長(zhǎng)波限只有750nm。隨著多堿光電陰極的不斷發(fā)展，而且靈敏度都高于Bi-Ag-O-Cs陰極，因此Bi-Ag-O-Cs陰極逐漸被多堿陰極所取代。二、單堿銻化物光電陰極金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫中的一種化合，都能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射體LiSb、NaSb、KSb、RbSb和CsSb等。其中，以CsSb陰極的靈敏度為最高，是最有實(shí)用價(jià)值的光電發(fā)射材料，廣泛用于紫外和可見(jiàn)光區(qū)的光電探測(cè)器中。銻銫陰極的典型光譜響應(yīng)曲線如圖所示。1001010.30.50.70.9l(mm)S(l)(mA/W)SbKCsCsSbNaKSbCs它在可見(jiàn)光的短波區(qū)和近紫外區(qū)(0.3~0.45μm)響應(yīng)率最高，其量子效率可達(dá)25％，長(zhǎng)波限在0.65μm附近；它的典型光照靈敏度達(dá)60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。CsSb陰極的熱電子發(fā)射(約10-16A/cm2)和疲勞特性均優(yōu)于銀氧銫陰極，而且制造工藝簡(jiǎn)單，目前使用比較普遍。1001010.30.50.70.9l(mm)S(l)(mA/W)SbKCsCsSbNaKSbCs三、多堿銻化物光電陰極當(dāng)銻和幾種堿金屬形成化合物時(shí)，具有更高的響應(yīng)率，其中有雙堿、三堿和四堿等，統(tǒng)稱為多堿銻化物光電陰極。銻鉀鈉(NaKSb)陰極是雙堿陰極中的一種，它的光譜響應(yīng)與銻銫陰極相近，在峰值波長(zhǎng)0.4μm處的量子效率達(dá)25％，其典型光照靈敏度可達(dá)50μA/lm。它的最大特點(diǎn)是耐高溫，工作溫度可達(dá)175℃，而一般含銫陰極的工作溫度不能超過(guò)60℃，因此銻鉀鈉陰極可用于石油勘探等特殊場(chǎng)合。與之相關(guān)，NaKSb陰極的熱電子發(fā)射很小，室溫下約10-17～10-18A/cm2，光電疲勞效應(yīng)也小，因此也常用于光子計(jì)數(shù)技術(shù)中。另一些雙堿陰極為含銫的SbKCs或SbRbCs等。SbKCs陰極在波長(zhǎng)0.4μm處的量子效應(yīng)為26％，光照靈敏度(典型值為70μA/lm)比CsSb陰極高，熱電子發(fā)射小(約為10-17A/cm2)。銻鉀鈉銫(NaKSbCs)陰極是三堿陰極中最有實(shí)用價(jià)值的一種，它從紫外到近紅外的光譜區(qū)都具有較高的量子效率。NaKSbCs陰極典型的光照靈敏度為150μA/lm，長(zhǎng)波限為850nm，熱電子發(fā)射約10-14～10-16A/cm2，而且工作穩(wěn)定性好，疲勞效應(yīng)很微小。近幾年，經(jīng)過(guò)特殊處理的NaKSbCs陰極，其光譜響應(yīng)的長(zhǎng)波限可擴(kuò)展到930nm，峰值波長(zhǎng)也從420nm延伸至600nm，光照靈敏度提高到400μA/lm。四、紫外光電陰極一般來(lái)說(shuō)，對(duì)可見(jiàn)光靈敏的光電陰極，對(duì)紫外光也都具有較高的量子效率。但在某些應(yīng)用中，為了消除背景輻射的影響，要求光電陰極只對(duì)所探測(cè)的紫外輻射信號(hào)靈敏，而對(duì)可見(jiàn)光無(wú)響應(yīng)，這種陰極通常稱為“日盲”型光電陰極。目前比較實(shí)用的“日盲”型光電陰極有碲化銫(CsTe)和碘化銫(CsI)兩種。CsTe陰極的長(zhǎng)波限為0.32μm，而CsI陰極的長(zhǎng)波限為0.2μm。五、負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極前面討論的常規(guī)光電陰極都屬于正電子親和勢(shì)(PEA)類型，表面的真空能級(jí)位于導(dǎo)帶之上。但如果給半導(dǎo)體的表面作特殊處理．使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢(shì)為負(fù)值，經(jīng)這種特殊處理的陰極稱作負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極(NEA)?，F(xiàn)以Si-Cs2O光電陰極為例加以說(shuō)明。Si-Cs2O是在p型Si的基質(zhì)材料上涂一層極薄的金屬Cs，經(jīng)特殊處理而形成n型Cs2O。表面為n型的材料有豐富的自由電子，基底為p型材料有豐富的空穴，它們相互擴(kuò)散形成表面電荷局部耗盡。與p-n結(jié)情況類似，耗盡區(qū)的電位下降Ed，造成能帶彎曲，如圖所示。EAeEA2EdEv2Ev1EFEc1Ec2E0EF﹢﹢﹢﹢﹢﹣﹣﹣﹣﹣表面耗盡區(qū)Ev1EFEC1E0Eg1EA1EV2EFEC2EA2Cs2OSi本來(lái)p型Si的發(fā)射閾值是EA1

，電子受光激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶后需克服親和勢(shì)Ed1=EA1+Eg1才能逸出表面。現(xiàn)在由于表面存在n型薄層，使耗盡區(qū)的電位下降，表面電位降低Ed。光電子在表面附近受到耗盡區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用，從Si的導(dǎo)帶底部漂移到表面Cs2O的導(dǎo)帶底部。此時(shí)，電子只需克服EA2就能逸出表面。對(duì)于p型Si的光電子需克服的有效親和勢(shì)為由于能級(jí)彎曲，使