第四章 光电探测器

1、光电探测器光电探测器 光电探测器通常分为光电探测器通常分为2类类: (1)光子探测器（利用各种光子效应）；（光子探测器（利用各种光子效应）；（2）热探）热探 测器（利用温度变化效应）。测器（利用温度变化效应）。 光子效应光子效应：光电子发射、光电导、光生伏特、光电磁等。：光电子发射、光电导、光生伏特、光电磁等。 光热效应：光热效应：温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化 等。等。 基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材 料中的电

2、子能逸出材料表面，这各种器件称为料中的电子能逸出材料表面，这各种器件称为外光电效应外光电效应器件。器件。 基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能 量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应内光电效应器器 件。件。 光电子发射探测器：光电子发射探测器： 应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器。应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器。 在光电子发射探测器中，入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面在光电

3、子发射探测器中，入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面 发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光 电能量取决于光电阴极的逸出功。光电子发射的能量转换公式为电能量取决于光电阴极的逸出功。光电子发射的能量转换公式为 为使价带中的电子能跃迁到导带上，必须使入射光子的能量大于禁为使价带中的电子能跃迁到导带上，必须使入射光子的能量大于禁 带宽度带宽度Eg，即，即 使材料具有光电发射的截止波长使材料具有光电发射的截止波长c 2 0 1 2 hm V 1 .2 4 , gc gg h ch c m E EE 即 1 .2 4 () c

4、 h c m 1.光电倍增管的工作原理光电倍增管的工作原理 下图是光电倍增管的工作原理图。图中下图是光电倍增管的工作原理图。图中K为光电发射阴极，为光电发射阴极，D为聚焦为聚焦 板，板，D1D10为倍增极（或打拿极），为倍增极（或打拿极），A为收集电子的阳极。倍增极间为收集电子的阳极。倍增极间 的电压逐级增加，极间电压约为的电压逐级增加，极间电压约为80150V。 2光电倍增管的性能光电倍增管的性能 光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。负光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。负 电子亲和势材料是目前最好的光电阴极材料。倍增极二次电子电子亲和势材料是目前最好的光电阴

5、极材料。倍增极二次电子 发射特性用二次系数发射特性用二次系数描述，即描述，即 如果倍增极的总数为如果倍增极的总数为n，且各级性能相同，考虑到电子的传输损失，且各级性能相同，考虑到电子的传输损失， 则光电倍增管的电流增益则光电倍增管的电流增益M为为 1n n n N N n A K Mf i g i f为第一倍增极对阴极发射电子的收集 率；g为各倍增极之间的电子传递效率， 良好的电子光学设计可始f、g值在0.9以 上。n和值愈大，M值就愈高，但过多 的倍增极不仅使倍增管加长，而且使电 子渡越效应变得严重，从而严重影响倍 增管的频率特性和噪声特性。 值主要取决于倍增极材料 和极间电压 光电导探测器

6、光电导探测器 下图为光敏电阻（以非本征下图为光敏电阻（以非本征n型半导体为例）分析模型型半导体为例）分析模型 1.光电转换规律光电转换规律 图中图中V表示外加偏置电压，表示外加偏置电压，l、b和和d分别表示分别表示n型半导体型半导体的的三维三维 尺寸，光功率尺寸，光功率P在在x方向均匀入射，假定光电导材料的吸收系数方向均匀入射，假定光电导材料的吸收系数 为为，表面反射率为，表面反射率为R，则光功率在材料内部沿，则光功率在材料内部沿x方向的变化规方向的变化规 律为律为 相应的光生面电流密度相应的光生面电流密度j（x）为）为 式中式中e为电子电荷，为电子电荷，v为电子在外电场方向的漂移速度，为电子

7、在外电场方向的漂移速度，n（x） 为在为在x处的电子密度。流过电极的总电流为处的电子密度。流过电极的总电流为 1 x P xPR e j xevn x 00 dd ij x bdxevbn x dx 2.光电导探测电路光电导探测电路 典型的光电探测器在电路中的连接如下图所示。典型的光电探测器在电路中的连接如下图所示。 电路中的参数Vb和RL 均会影响输出信号的 电压值，那么，如何 选择Vb和RL？ 从图可见，负载电阻从图可见，负载电阻RL两端的直流压降为两端的直流压降为 当光辐射照到探测器上时，探测器电阻当光辐射照到探测器上时，探测器电阻Rd就发生变化，负载就发生变化，负载 电阻电阻RL两端压

8、降也就发生变化，这个电压的变化量就是信号两端压降也就发生变化，这个电压的变化量就是信号 电压电压Vs L L b Ld R R VV RR 2 LL ddsb d R Ld V R VVRR R RR 2 1 2dsbL LdL Ld VVRR RRR RR 当上式等于0时，有RLRd，信号电压为极大值。 从上图可见，在偏压从上图可见，在偏压Vb作用下，通过探测器电流作用下，通过探测器电流I为为 在探测器上消耗的功率在探测器上消耗的功率P为为 经验数据探测器的功耗不应超过经验数据探测器的功耗不应超过0.1W/cm2，若探测，若探测 器的面积为器的面积为Ad，则消耗功率不应超过，则消耗功率不应超

9、过0.1Ad，与最大允，与最大允 许电压关系为许电压关系为： b Ld I V RR 2 d P IR 2 max 20.1 b dd Ld V AR RR 1 2 max 2 0.1 b Ld d d RR VA R Vb,max并不是最佳偏压。 信号、噪声电压随偏流变化图信号、噪声电压随偏流变化图 3.几种典型的光电导探测器简介几种典型的光电导探测器简介 光电导探测器按晶体结构可分为多晶和单晶两类。多晶类多是薄膜型器件，光电导探测器按晶体结构可分为多晶和单晶两类。多晶类多是薄膜型器件， 如如PbS、PbSe、PbTe等，单晶类中常见的有锑化铟（等，单晶类中常见的有锑化铟（InSb）、碲镉汞

10、（）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅和掺杂型几种。）、碲锡铅和掺杂型几种。 CdS和和CdSe。这是两种造价低的可见光辐射探测器（。这是两种造价低的可见光辐射探测器（CdS：0.30.8m，CdSe：0.30.9m）。它们的主要特）。它们的主要特 点是高可靠性和长寿命，因而广泛用于自动化技术中。点是高可靠性和长寿命，因而广泛用于自动化技术中。 PbS。这是一种性能优良的近红外辐射探测器，是在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探测器，室温下的。这是一种性能优良的近红外辐射探测器，是在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探测器，室温下的 禁带宽度为禁带宽度为0.37eV，相应的长波限为，相应的长波限

11、为3m。 PbTe。在常温下对。在常温下对4m以内的红外光灵敏，冷却到以内的红外光灵敏，冷却到90K，可在，可在5m范围内使用。响应时间约为范围内使用。响应时间约为104105s。 InSb。这也是一种良好的近红外（峰值波长约为。这也是一种良好的近红外（峰值波长约为6m）辐射探测器。）辐射探测器。 HgCdTe探测器。探测器。HgCdTe是由半导体是由半导体CdTe和半金属和半金属HgTe采用半导体合金法混合而成的合金系统。采用半导体合金法混合而成的合金系统。 不同工作温度下不同工作温度下InSb光电导探测器的光谱特性光电导探测器的光谱特性 探测率 定义为 等效噪 声功率 的倒数。 当信号电流

12、或者 电压与噪声的均 方根电流（或均 方根电压）相等 时，对应的入射 辐通量e叫做等 效噪声功率 为了提高信噪比，英国首先为了提高信噪比，英国首先研研 制成制成 扫积型扫积型HgCdTe探测器探测器， 如如图。它是由若干小的方形图。它是由若干小的方形单单 元元探测器排列成的线阵探测器探测器排列成的线阵探测器， 当当目标的红外像点沿长条目标的红外像点沿长条方向方向 扫扫过时，外加电场驱使光生过时，外加电场驱使光生载载 流流子也沿光点扫描方向迁移子也沿光点扫描方向迁移， 并并使迁移速度与像点扫描使迁移速度与像点扫描速度速度 同步同步，这样可使信号积累（，这样可使信号积累（积积 分分输出）。若此扫积

13、探测器输出）。若此扫积探测器由由 n个单元组成，信号将是个单元组成，信号将是单元单元 探测器探测器输出的输出的n倍，但由于倍，但由于噪噪 声声的非相关性，噪声只会的非相关性，噪声只会增加增加 根号根号n倍，因此信噪比可倍，因此信噪比可提高提高 n1/2倍。倍。 （6）掺杂型光电导探测器。主要是以锗（）掺杂型光电导探测器。主要是以锗（Ge）为主体材料掺有其它杂质的杂质）为主体材料掺有其它杂质的杂质 半导体。它们主要用于半导体。它们主要用于814m长波段内。长波段内。 下图为掺杂下图为掺杂型光电导探测器的光谱特性型光电导探测器的光谱特性 表表45 几种光电导探测器的典型特性几种光电导探测器的典型特

14、性 4.3.3 光伏探测器光伏探测器 利用利用PN结的光伏效应而制作的光电探测器称为光伏探测器。与光电导探测器不同结的光伏效应而制作的光电探测器称为光伏探测器。与光电导探测器不同， 光光伏探测器的工作特性要复杂些，伏探测器的工作特性要复杂些，PN结受光照射时，即使没有外加偏压，结受光照射时，即使没有外加偏压，PN结结 自身自身也会产生一个开路电压，这时如果将也会产生一个开路电压，这时如果将PN结两端短接，便有短路电流通过回路结两端短接，便有短路电流通过回路。 因此利用光因此利用光生伏特效应制成的结型器件有光电池和光电二极管之分，而光电生伏特效应制成的结型器件有光电池和光电二极管之分，而光电二二

15、 极管极管又有两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。又有两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。 1.两种工作模式两种工作模式 一个一个PN结光伏探测器用图结光伏探测器用图442（a）中的符号表示，它等效为一个普通二极管）中的符号表示，它等效为一个普通二极管和和 一一个恒流源（光电流源）的并联，如图个恒流源（光电流源）的并联，如图442（b）所示。在零偏压时（图）所示。在零偏压时（图442 （c），称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压），称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时（图时（图442（d），即外加），即外加p 端端为负，为负，n端为正的电压时，称为光导工作模

16、式。端为正的电压时，称为光导工作模式。 图图442 光伏探测器及其工作模式示意图光伏探测器及其工作模式示意图 普通二极管的伏安特性为普通二极管的伏安特性为 式中，式中，iS为反向饱和电流，为反向饱和电流，u是探测器两端电压，是探测器两端电压，e是电子电荷，因而光伏是电子电荷，因而光伏探探 测测器的总电流器的总电流i为为 式中式中i为光电流。光伏探测器的伏安特性如图为光电流。光伏探测器的伏安特性如图443所示。由图可见第一所示。由图可见第一象象 限限是正偏压状态，是正偏压状态，iD本来很大，所以光电流本来很大，所以光电流i不起重要作用，因此在这一不起重要作用，因此在这一区区 域域工作没有意义。第

17、三象限是反偏压状态，这时工作没有意义。第三象限是反偏压状态，这时iD-iS，它对应于光，它对应于光功率功率 P=0时二极管的反向饱和电流，称为暗电流，其数值很小，光电流时二极管的反向饱和电流，称为暗电流，其数值很小，光电流ii-is。 由于由于这种情况的外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的这种情况的外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工工 作作方式称为光导模式。方式称为光导模式。 第四象限中，外偏压为零，当负载电阻比较小时，第四象限中，外偏压为零，当负载电阻比较小时，RL3的负载线接近于的负载线接近于理想理想 的的垂直负载线，这是，输出光电流正比于入射功率，这种状态工作

18、模式垂直负载线，这是，输出光电流正比于入射功率，这种状态工作模式叫叫 光光伏模式。伏模式。 / 1 euK T Dsiie 1 eu KT Ds i i i i ei 图图443 光伏探测器的伏安特性光伏探测器的伏安特性 2两种工作模式的比较两种工作模式的比较 光导模式工作时，光电二极管加反偏压，可以大大提高器件的频率特性光导模式工作时，光电二极管加反偏压，可以大大提高器件的频率特性。 此外此外反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线性区上限。但反偏产生的暗反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线性区上限。但反偏产生的暗电电 流流引起较大的散粒噪声，且频率低于引起较大的散粒噪声，且频率低于1KHz时还有时还有

19、1/f噪声，这又限制噪声，这又限制了了 探测探测能力的下限。能力的下限。 因光伏式二极管无偏压工作，故暗电流造成的散粒噪声小，且无因光伏式二极管无偏压工作，故暗电流造成的散粒噪声小，且无1/f噪噪 声声，有高得多的信噪比。光伏式二极管主要应用于超低噪声、低频及，有高得多的信噪比。光伏式二极管主要应用于超低噪声、低频及仪仪 器器方面。光导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。方面。光导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。 3.光谱响应和频率特性光谱响应和频率特性 光电二极管都有一定的光谱响应范围，图光电二极管都有一定的光谱响应范围，图444 给给出了出了Si光电二极管的光谱响应

20、曲线光电二极管的光谱响应曲线。高频。高频计算的简化等效电路如图计算的简化等效电路如图4- 45（b）所示，其截止频率）所示，其截止频率fc为为 通常又定义电路的时间常数通常又定义电路的时间常数c为为 1 2 c Lj f CR 2.20.35 / Lcj c f CR 图图444 Si光电二极管光谱响应曲线光电二极管光谱响应曲线 1 2 c Lj f R C 2.2 LcjCR 图图445 光电二极管的高频等效短路光电二极管的高频等效短路 截至频率： 电路的时间常数：c2.2RLCj 1 2 c Lj f R C 4常用的光伏探测器简介常用的光伏探测器简介 (1) 硅光电池。也称太阳电池或光伏

21、电池。工作在图硅光电池。也称太阳电池或光伏电池。工作在图443所示的第四象限。价格便宜，光电转所示的第四象限。价格便宜，光电转 换效率高，光谱响应宽，频率特性好，寿命长，稳定性好，耐高能辐射，适合近红外探测。换效率高，光谱响应宽，频率特性好，寿命长，稳定性好，耐高能辐射，适合近红外探测。 （2）PIN 硅光电二极管。从前面光电二极管的讨论中可知，载流子的扩散时间和电路时间常数硅光电二极管。从前面光电二极管的讨论中可知，载流子的扩散时间和电路时间常数 大约同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。为了改善频率特性，就得设法减大约同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。为了改善频率特性，

22、就得设法减 小载流子扩散时间和结电容，于是人们提出加一层中间本征层。小载流子扩散时间和结电容，于是人们提出加一层中间本征层。 （3）异质结光电二极管。异质结是由两种不同的半导材料形成的）异质结光电二极管。异质结是由两种不同的半导材料形成的P一一N结。结。P一一N结两边是由不结两边是由不 同的基质材料形成的，两边的禁带宽度不同。通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能量同的基质材料形成的，两边的禁带宽度不同。通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能量 大于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收，产生电子空穴对。如果光照面材料的厚度大于载大于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收，产生电子空穴对。如果光照面材料的厚度大于载

23、流子的扩散长度，则光生载流子达不到结区，对光电信号无贡献。而能量小于宽禁带的长流子的扩散长度，则光生载流子达不到结区，对光电信号无贡献。而能量小于宽禁带的长 波载流子却能顺利到达结区，被窄禁带材料吸收，产生光电信号。波载流子却能顺利到达结区，被窄禁带材料吸收，产生光电信号。 （4）雪崩光电极管（）雪崩光电极管（APD）。以上讨论的光电二极管都是没有内部增益的，即增益）。以上讨论的光电二极管都是没有内部增益的，即增益。这里。这里 讨论的雪崩二极管是有内部增益的，增益可达讨论的雪崩二极管是有内部增益的，增益可达102104。它是利用雪崩管在高的反向偏压下。它是利用雪崩管在高的反向偏压下 发生雪崩倍

24、增效应而制成的光电探测器。发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。 光电流增益的大小用倍增因子光电流增益的大小用倍增因子M表示。实验表明，表示。实验表明，M随反向偏压随反向偏压V的变的变 化化可用如下可用如下的经验公式近似表示的经验公式近似表示 APD的噪声主要是散粒噪声预热噪声，噪声电流有效值可写为的噪声主要是散粒噪声预热噪声，噪声电流有效值可写为 11 n B V M V 1 2 2 4 2 n sbD eq KTf IeM Ff R iii 2 11 11 M FM rM r是电子和空穴电离概率 VB为击穿电压，n为与材料 有关的常数 （5）Schottky势垒光电二极管。这是一种由金属和半

25、导体接触所制成的势垒光电二极管。这是一种由金属和半导体接触所制成的 光电二极管，所以这种光电二极管也称为金属半导体光电二极管。光电二极管，所以这种光电二极管也称为金属半导体光电二极管。 要求反偏压工作，光从金属一侧入射。为使透光性好，金属是用真要求反偏压工作，光从金属一侧入射。为使透光性好，金属是用真 空镀膜技术制成的金属膜，厚度只有几十埃。空镀膜技术制成的金属膜，厚度只有几十埃。 (6) 光电三极管。光电三极管具有内增益，但获得内增益的途径不是雪光电三极管。光电三极管具有内增益，但获得内增益的途径不是雪 崩效应，而是利用一般晶体管的电流放大原理。崩效应，而是利用一般晶体管的电流放大原理。 工

26、作原理：工作原理：基区和集电区处于反向偏压状态，内建电场从集电区指基区和集电区处于反向偏压状态，内建电场从集电区指 向基区。光照基区，产生电子空穴对，光生电子在内电场作用下向基区。光照基区，产生电子空穴对，光生电子在内电场作用下 漂移到集电区，空穴留在基区，使基区电位升高，这相当于漂移到集电区，空穴留在基区，使基区电位升高，这相当于EB结上结上 加了个正偏压，基极电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集加了个正偏压，基极电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集 电极，最后形成光电流。光电流随光照强弱而变化。电极，最后形成光电流。光电流随光照强弱而变化。 (7) InSb光伏探测器。光伏探测器。

27、InSb材料既可作光电导探测器，也可制成材料既可作光电导探测器，也可制成PN结光伏探测器。常以结光伏探测器。常以P型层表面作型层表面作 光照面，产生的少数载流子是电子，具有较大的迁移率和扩散长度，这样可以使大多数的光生少光照面，产生的少数载流子是电子，具有较大的迁移率和扩散长度，这样可以使大多数的光生少 数载流子扩散到数载流子扩散到PN结而形成光生电动势，因而可使灵敏度较高。是在结而形成光生电动势，因而可使灵敏度较高。是在35um波段内常用的高性能波段内常用的高性能 红外探测器。红外探测器。 （8）HGCdTe光伏探测器。近光伏探测器。近20年来在红外探测器方面最卓越约成绩是年来在红外探测器方

28、面最卓越约成绩是HgCdTe探测器的研制成功及投探测器的研制成功及投 入使用。和光电导型入使用。和光电导型HgCdTe一样，可采用半导体合金法将化合物一样，可采用半导体合金法将化合物CdTe和和HgTe合成合成Hg1 xCdxTe合金。 合金。 若在若在P型型HgCdTe中将中将Hg扩散进去，表面将形成扩散进去，表面将形成N型层，从而构成型层，从而构成PN结，改变组份结，改变组份x就可以改变就可以改变 HgCdTe探测器的工作波段。探测器的工作波段。 （9）长波长红外焦平面阵列。随着军事和遥感遥测科学的发展，对由大量单元红外探测器构成的高密）长波长红外焦平面阵列。随着军事和遥感遥测科学的发展，

29、对由大量单元红外探测器构成的高密 度焦平面阵列的要求日益迫切，尤其使度焦平面阵列的要求日益迫切，尤其使814m的长波长红外波段的探测器对接近景物的目标最的长波长红外波段的探测器对接近景物的目标最 为敏感，因此一直是红外焦平面阵列研究的主要方向之一。为敏感，因此一直是红外焦平面阵列研究的主要方向之一。 期望能利用成熟的工艺制作、波长可期望能利用成熟的工艺制作、波长可 调，并可将探测器与信号处理及读出电路集成在同一芯片上的大面积长波红外焦平面阵列。此概调，并可将探测器与信号处理及读出电路集成在同一芯片上的大面积长波红外焦平面阵列。此概 念念20世纪世纪70年代提出，年代提出，80年代分子束外延和金

30、属有机化学汽相淀积等工艺的发展，才成功地生长年代分子束外延和金属有机化学汽相淀积等工艺的发展，才成功地生长 出能制作长波红外探测器所必须的异质结出能制作长波红外探测器所必须的异质结 GexSi1-x/Si等伪合金及等伪合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si异质结内光发射的长波红外探测器阵列。异质结内光发射的长波红外探测器阵列。 4.3.4 其它光子探测器简介其它光子探测器简介 光子牵引探测器光子牵引探测器 光子牵引探测器是一种非势垒光伏效应探测器。它光子牵引探测器是一种非势垒光伏效应探测器。它和和 HgCdTe光电二极管一样适用于光电二极管一样适用于1.06m的激光波长探测。但是的激光

31、波长探测。但是HgCdTe光光 电电二极管只能在微弱光信号下使用，而光子牵引探测器则适用于强光二极管只能在微弱光信号下使用，而光子牵引探测器则适用于强光探探 测测。因此它广泛用于。因此它广泛用于CO2脉冲激光器输出的探测。脉冲激光器输出的探测。 P型锗的光子牵引探测器示意图型锗的光子牵引探测器示意图 这种探测器的优点是响应快，可在损伤阈值高及室温下工作，不需要电 源。缺点是灵敏度低，典型器件的单位带宽等效噪声功率为103W，只 有在强光下才能使用。 光电磁探测器光电磁探测器 如图如图448所示，将半导体置于强磁场中，当半导体表面受到光辐射所示，将半导体置于强磁场中，当半导体表面受到光辐射照照

32、射射时，在表面产生电子空穴对，并且浓度逐渐增大，电子和空穴便时，在表面产生电子空穴对，并且浓度逐渐增大，电子和空穴便向向 体内体内扩散，在扩散过程中，受到强磁场的洛伦兹力的作用，使空穴和扩散，在扩散过程中，受到强磁场的洛伦兹力的作用，使空穴和电电 子子的偏转方向相反，从而在半导体内产生一个电场，阻碍着电子和空穴的偏转方向相反，从而在半导体内产生一个电场，阻碍着电子和空穴的的 继续继续偏转，如果这时将半导体两端短路，则产生短路电流；开路时，则偏转，如果这时将半导体两端短路，则产生短路电流；开路时，则有有 开路电压开路电压。这种现象叫做光电磁效应。利用这种效应制成的光电探测器。这种现象叫做光电磁效

33、应。利用这种效应制成的光电探测器叫叫 做做光电磁探测器（光电磁探测器（PME器件）。器件）。 图图448 光电磁效应光电磁效应 图图449 PbPbOPb隧道结的伏安特性曲线隧道结的伏安特性曲线 3.Josephson结探测器结探测器 在两超导薄膜 之间被一层（厚约10）电介质隔开， 这种结构称为Jesephson结，或超导 隧道结。若通过隧道结的电流小于 某一临界值，在结上没有电位降， 则在隧道结的伏安特性曲线中存在 一个零电压的电流。若通过隧道结 的电流超过这个临界值，在结上将 产生电位降，这时在伏安特性曲线 中，将沿着测量负载线跳到正常电 子隧道的曲线上，如图449所示。 这种在隧道结中

34、有隧道电流通过而 不产生电位降的现象，称之为直流 Josephson效应。 若在隧道结上维持一个有限的电位降若在隧道结上维持一个有限的电位降V，在隧道结两超导体，在隧道结两超导体 之间将有一个频率为之间将有一个频率为f的交流电流通过，频率的交流电流通过，频率f和电压和电压V之之 间有下述关系间有下述关系 若隧道结受到光辐射照射时，在一系列分立的电压值上可若隧道结受到光辐射照射时，在一系列分立的电压值上可 以感应出额外的直流电流，则在隧道结的直流伏安特性以感应出额外的直流电流，则在隧道结的直流伏安特性 曲线上，出现常电压电流阶梯现象。阶梯处的电压曲线上，出现常电压电流阶梯现象。阶梯处的电压Vn

35、和外加辐照信号频率和外加辐照信号频率f的关系为的关系为 2/feh V 2/ n nfeh V n为阶梯级数。产生这种现象的原因是，由于隧道结受到辐射照射时，在结上可 以感应出交流电压，而这交流电压反过来对结上的Josephson电流进行调制，从 而产生许多使电流增大的边带。利用Josephson结效应可以研制出从射频到远红 外的宽广频率范围内、灵敏度为皮瓦的探测器。在射电天文、毫米波通信等方 面有实际应用。 E为电子电荷，h为普 朗克常数 4.4 热探测器热探测器 热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。它基于材料吸收了光辐射热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。它基于材料吸收了光辐射能能 量

36、量以后温度升高的现象，这一现象称为光热效应，光热效应的特点是以后温度升高的现象，这一现象称为光热效应，光热效应的特点是入射光入射光 辐射辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这与与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这与光子光子 将将能量直接转移给电子的光电效应有本质的不同。光热效应与入射的光子能量直接转移给电子的光电效应有本质的不同。光热效应与入射的光子的的 性质性质没有关系，取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成分无关，即对没有关系，取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成分无关，即对入入 射射辐射的响应无波长选择性。辐射的响应无波长选择性。 光热效应可以

37、产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的变化效应光热效应可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的变化效应、 气体气体体积和压强的变化效应等等，利用这些效应可制作各种热探测器。体积和压强的变化效应等等，利用这些效应可制作各种热探测器。 1.温差热电偶和热电堆温差热电偶和热电堆 在用不同的导体或半导体组成的具有温度梯度的电路中，在用不同的导体或半导体组成的具有温度梯度的电路中， 会有电动势产生，这就是温差电势。会有电动势产生，这就是温差电势。 （1）塞贝克（）塞贝克（Seebeck）效应。当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的）效应。当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的 两个

38、结点置于不同温度（两结点间的温差为两个结点置于不同温度（两结点间的温差为 时），在两点之间就产生一时），在两点之间就产生一 个电动势个电动势V12，这个电动势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝，这个电动势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝 克效应。定义温差电动势率为克效应。定义温差电动势率为 （2）珀耳帖（）珀耳帖（Peltier）效应。珀耳帖应被认为是塞贝克效应的逆效应。）效应。珀耳帖应被认为是塞贝克效应的逆效应。 当电流流过两个不同材料的导体或半导体组成的回路的当电流流过两个不同材料的导体或半导体组成的回路的时侯，时侯，除产除产 生不可逆的焦耳热外，在不同的节点处分别出现吸

39、热、放热现象。生不可逆的焦耳热外，在不同的节点处分别出现吸热、放热现象。 这一效应是热力学可逆的。热交换速率与通过的电流成正比，这种这一效应是热力学可逆的。热交换速率与通过的电流成正比，这种 现象称为珀耳帖效应。在每一接头上热量流出率或流入率与通过的现象称为珀耳帖效应。在每一接头上热量流出率或流入率与通过的 电流电流I间的关系可表示为间的关系可表示为 T V a T 12 0 12 lim dTaV T T1212 0 I dt dQ 12 12为比例系数 Peltier系数 （3）汤姆逊（）汤姆逊（Tomson）效应。在单一均质导体或半导体中存在着与珀）效应。在单一均质导体或半导体中存在着与

40、珀 耳帖效应相同的现象。如果通有电流的材料有温差存在，也就是说，耳帖效应相同的现象。如果通有电流的材料有温差存在，也就是说， 当电流通过具有一定温度梯度的均质导体或半导体时，就会可逆地当电流通过具有一定温度梯度的均质导体或半导体时，就会可逆地 吸收热或放出热，这一现象称为汤姆逊效应。单位时间单位体积吸吸收热或放出热，这一现象称为汤姆逊效应。单位时间单位体积吸 收或放出的热量为收或放出的热量为 I dx dT dt dQ 12 12为Tomson系数 光辐射入射到导体或半导体上便产生温度梯度，从而产生 温差电势，由电动势的高低可以测定出接收端所吸收的光 辐射的能量或功率。 当由两种不同金属或半导

41、体臂状物在两端 分别连接成的闭合回路为温差电偶，如图 所示。设J1点为光敏面，J2、J3为环境温度 Td，光照产生的J1点的温升为Td，此温差 产生的Seebeck效应会使电路产生开路电 势 01 2dVT 1 21 I Q 当形成闭合回路时，电流将与V0方向相同，此电流将会引起Peltier效应， 会使此温差电偶的热端J1变冷，使冷端变热，在热结点J1处吸收的热量 Q1为 式中式中12为珀尔帖系数，它与为珀尔帖系数，它与Seebeck系数系数12有如下关系有如下关系 由于有由于有Q1，会使，会使J1点的温度下降点的温度下降（Td），）， 式中式中Zt为热结为热结J1处敏感元的热阻。此温度降低

42、量相当于附加一个处敏感元的热阻。此温度降低量相当于附加一个 Seebeck电势电势Vp 因此，总的电势应等于：由入射辐射使因此，总的电势应等于：由入射辐射使J1升温而产生的电势升温而产生的电势V0与与 珀尔帖效应引起的电势之和珀尔帖效应引起的电势之和 1 2 1 2 dT 12ddt I TT Z 2 1212ddtp I VTT Z 2 0012dttp I VVVVT Z t dL I V RR Rd为探测器电 阻，RL为负载 电阻 由上式可得由上式可得 上式表明，珀尔帖效应相当于在电路中加了一个动态电阻上式表明，珀尔帖效应相当于在电路中加了一个动态电阻Rdn 由上式可得由上式可得 若敏感

43、面上入射功率为若敏感面上入射功率为P，敏感面表面的吸收率为，敏感面表面的吸收率为，则在敏感面，则在敏感面 上的稳定状态时的热流平衡方程为上的稳定状态时的热流平衡方程为 2 012dLdt I VRRT Z 2 12dndtRT Z 1 2d dLd n I T RRR 1 d t P T Q Z 12 d d t PI T T Z 将上式代入，得将上式代入，得 在求开路电压时，可不涉及珀尔帖效应，此时温升可用在求开路电压时，可不涉及珀尔帖效应，此时温升可用T0表示表示 探测器对常值入射辐射功率探测器对常值入射辐射功率P的响应率的响应率R为为 2 12 1 d d tdLdn P T T ZRR

44、R 0t P TZ 001212t P VTZ 012 12 t t P R PP VZ Z 为得到更高的响应率， 应选择具有高值12的 温差电偶臂的材料，光 敏面具有高的吸收率。 增大热阻也将可以成比例地增大响应率。对传导性热传输，增大热阻也将可以成比例地增大响应率。对传导性热传输， 热阻热阻Zt为为 为为研究温差电偶的动态响应，设输入辐射为研究温差电偶的动态响应，设输入辐射为P，此时敏感面，此时敏感面 结点结点J1系统的热流动平衡方程为（未计珀尔帖效应）系统的热流动平衡方程为（未计珀尔帖效应） t L k A Z d t dTT P dt C Z / 0 1 t t Tt eP Z 增大温

45、差电偶臂L、减小热导系数k 和电偶臂界面A均可以增大Zt，从 而增大温差电偶的响应率。 式中，CdZt为若P为一阶跃量P0，解上面的一阶线性微分方程，可 得其解为 时间常数，要增加系统的快速响应，就要减小时间常数；要增大热阻Zt， 就要减小敏感元件与周围环境的热交换。 Cd为热容。 为了研究温差电偶系统对交变的输入量的影响，将热流动平衡方程写为：为了研究温差电偶系统对交变的输入量的影响，将热流动平衡方程写为： 由自动控制原理可知，它们的传递函数为由自动控制原理可知，它们的传递函数为 其频率特性为其频率特性为 dT TP dt 1 1 Ws s 1 1 G j j 式中，CdZt，PZtP 其幅

46、频特性为其幅频特性为 其对数幅频特性为其对数幅频特性为 1 2 1 2 1 AGj 1 2 2 20lg20lg1LA 图图451 温差电堆示意图温差电堆示意图 2.测辐射热计测辐射热计 测辐射热计是利用入射辐射使敏感元件的温度提高后从而使电阻随之改测辐射热计是利用入射辐射使敏感元件的温度提高后从而使电阻随之改 变而测出辐射的热探测器。变而测出辐射的热探测器。 对温度敏感的电阻（也称热敏电阻）材料有两类，一类是金属材料；另对温度敏感的电阻（也称热敏电阻）材料有两类，一类是金属材料；另 一类是半导体材料。材料电阻随温度的变化可用下式表示一类是半导体材料。材料电阻随温度的变化可用下式表示 式中式中T T称为材料的电阻温度系数。金属材料的与温度成反比而为称为材料的电阻温度系数。金属材料的与温度成反比而为 在室温下金属材料的在室温下金属材料的T T0.0033。半导体材料与。半导体材料与T2成反比而为成反比而为 TRaR T 1 T T 2 T T 图图452 测辐射热计原理图测辐射热计原理图 由两个相同的热敏电阻R1和R2和两个负载电阻构成桥式电路， 两个热敏电阻中的一个作为热辐射接收元件，另一个作为 环境温度补偿元件。 在无入射辐射时，电桥平衡，输出电压在无入射辐射时，电桥平衡，输出电压V=0。此时。此