第十讲 光电探测器的物理效应

1、 本讲主要内容本讲主要内容一、光子效应一、光子效应三、光电发射效应三、光电发射效应四、光电导效应四、光电导效应五、光伏效应五、光伏效应六、温差电效应六、温差电效应八、光电转换定律八、光电转换定律七、热释电效应七、热释电效应二、光热效应二、光热效应光电探测器光电探测器(Detector) ：对各种光辐射进行：对各种光辐射进行接收接收和和探测探测的器件的器件光辐射量光辐射量电量电量32光电倍增管光电倍增管光电探测器光电探测器一、光子效应一、光子效应(Photonic Effect ) 指单个光子的性质对产生的光电子起指单个光子的性质对产生的光电子起直接直接作用的一类光电效应。探测器作用的一类光电效

2、应。探测器吸收光子后，吸收光子后，直接直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接直接影响内部电子状态的改变。影响内部电子状态的改变。特点特点对光波频率表现出对光波频率表现出选择性选择性，响应速度快响应速度快。 例如例如:光子效应在光电池等中体现光子效应在光电池等中体现31一、光子效应一、光子效应效应效应相应的探测器相应的探测器外光电效应外光电效应1）光阴极发射光电子）光阴极发射光电子2）光电子倍增）光电子倍增 打拿极倍增打拿极倍增 通道电子倍增通道电子倍增光电管光电管光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器内光电效应内光电效应1）光

3、电导（本征和非本征）光电导（本征和非本征）2）光生伏特）光生伏特 PN结和结和PIN结（零偏）结（零偏） PN结和结和PIN结（反偏）结（反偏） 雪崩雪崩 肖特基势垒肖特基势垒3）光电磁）光电磁 光子牵引光子牵引光导管或光敏电阻光导管或光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管肖特基势垒光电二极管光电磁探测器光电磁探测器光子牵引探测器光子牵引探测器30 当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量动量传递给传递给自由载流自由载流子子，自由载流子将，自由载流子将顺着光线的传播方向顺着光线的传播方向做相对于做

4、相对于晶格的运动晶格的运动。结果，在开。结果，在开路的情况下，半导体样品将路的情况下，半导体样品将产生电场产生电场，它，它阻止载流子的运动阻止载流子的运动。这个现象被。这个现象被称为光子牵引效应。称为光子牵引效应。 一、光子效应一、光子效应光子牵引效应光子牵引效应29内光电效应内光电效应外光电效应外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应外光电效应。当光照在物体上，使物体电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做当光照在物体上，使物体电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应内光电效应。一、

5、光子效应一、光子效应利用光子效应的器件利用光子效应的器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器光导管或光敏电阻光导管或光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管肖特基势垒光电二极管光电磁探测器光电磁探测器光子牵引探测器光子牵引探测器28肖特基势垒光电二极管肖特基势垒光电二极管(Photothermal Effect ) 探测元件吸收光辐射能量后，并探测元件吸收光辐射能量后，并不直接不直接引起内部电子状态的改变，而引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的是把吸收的光能变为晶格的热运动能热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上量，引

6、起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特点特点对光波频率对光波频率没有选择性没有选择性，响应速度比较慢响应速度比较慢。 在在红外红外波段上，材料吸收率高，波段上，材料吸收率高，光热效应光热效应也就更强烈，所以广泛用也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。于对红外线辐射的探测。二、光热效应二、光热效应27二、光热效应二、光热效应效效 应应相应的探测器相应的探测器1）测辐射热计）测辐射热计 负电阻温度系数负电阻温度系数 正电阻温度系数正电阻温度系数 超导超导2）温差电）温差电3）热释电）热释电4）其

7、他）其他热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计金属测辐射热计金属测辐射热计超导远红外探测器超导远红外探测器热电偶、热电堆热电偶、热电堆热释电探测器热释电探测器高莱盒、液晶等高莱盒、液晶等26光热效应探测器光热效应探测器热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计金属测辐射热计金属测辐射热计超导远红外探测器超导远红外探测器热电偶、热电堆热电偶、热电堆热释电探测器热释电探测器高莱盒、液晶等高莱盒、液晶等25新型快速热释电新型快速热释电(Pyroelectric)探测器探测器 二、光热效应二、光热效应三、光电发射效应三、光电发射效应 金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量金属或半导体受光照时，如果入射的光子

8、能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，叫做光电发射效应，也称为表面逸出的现象，叫做光电发射效应，也称为外光电外光电效应效应。它是真空光电器件。它是真空光电器件光电阴极光电阴极的物理基础。的物理基础。 能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光阴极光阴极。24三、光电发射效应三、光电发射效应231)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。态跃迁到能量高于真空能级的激发态。光电发射大致可分三个过程：

9、光电发射大致可分三个过程：2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。三、光电发射效应三、光电发射效应22EhEk221mvEkE：光电发射体的功函数：光电发射体的功函数 电子离开发射体表面时的动能电子离开发射体表面时的动能 爱因斯坦方程爱因斯坦方程 截止频率

10、截止频率截止波长截止波长chEsnmsmcseVsJh/103/1031013. 4106 . 617141534)(24.1)(eVEmc三、光电发射效应三、光电发射效应21利用光电发射效应的器件利用光电发射效应的器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器光电管光电管光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器四、光电导效应四、光电导效应 光照变化光照变化引起半导体材料引起半导体材料电导变化电导变化的现象的现象称光电导效应。称光电导效应。 半导体受光辐射时，半导体受光辐射时，电导率增加电导率增加而变得易而变得易于导电。于导电。 这种效应的产生，来自于材料因吸收光子后这种效应的产生，来自于材

11、料因吸收光子后，其中的载流子浓度发生了改变。，其中的载流子浓度发生了改变。20四、光电导效应四、光电导效应 当未受光照时，只有极少的热激发自由载流当未受光照时，只有极少的热激发自由载流子，绝大多数子，绝大多数电子被束缚电子被束缚在局域价键上不能参与在局域价键上不能参与导电。导电。 导带中的自由电子极少，近似空带，而价电子导带中的自由电子极少，近似空带，而价电子全部束缚于满的价带中，故全部束缚于满的价带中，故电导率很小电导率很小。19四、光电导效应四、光电导效应 当有光照射时，能量大于半导体禁带当有光照射时，能量大于半导体禁带宽度宽度Eg的光子与价电子的光子与价电子碰撞碰撞，价电子获得，价电子获

12、得能量成为能量成为自由电子自由电子，形成自由电子，形成自由电子 -空穴空穴对，可参与导电的对，可参与导电的载流子载流子。由于这一光电。由于这一光电效应增加了材料的载流子浓度，从而增加效应增加了材料的载流子浓度，从而增加了材料的了材料的电导率电导率。18光辐射照射外加电压的本征半导体光辐射照射外加电压的本征半导体，如果光波长，如果光波长满足如下条件：满足如下条件：)(24.1)(eVEmgc禁带宽度禁带宽度gE四、光电导效应四、光电导效应17导导 带带价价 带带本征半导体本征半导体光辐射照射外加电压的掺杂半导体光辐射照射外加电压的掺杂半导体，如果光波长，如果光波长满足如下条件：满足如下条件：)(

13、24.1)(eVEmiciE杂质能带宽度杂质能带宽度四、光电导效应四、光电导效应16掺杂半导体掺杂半导体导带导带施主能级施主能级Ei价带价带受主能级受主能级Ei四、光电导效应四、光电导效应15利用光电导效应的器件利用光电导效应的器件光敏电阻光敏电阻光电摄像管光电摄像管红外探测器红外探测器光敏电阻光敏电阻光电摄像管光电摄像管五、光伏效应五、光伏效应 指光照使不均匀半导体或半导体与金属组指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生合的不同部位之间产生电位差电位差的现象，称为光的现象，称为光生伏特效应（简称为光伏效应）。生伏特效应（简称为光伏效应）。14 光伏被定义为射线能量的光伏被定义

14、为射线能量的直接转换直接转换。在实。在实际应用中通常指太阳能向电能的转换，即太阳际应用中通常指太阳能向电能的转换，即太阳能光伏。能光伏。光伏效应也是太阳能发电的基本原理。光伏效应也是太阳能发电的基本原理。五、光伏效应五、光伏效应13利用光伏效应的器件利用光伏效应的器件光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光电场效应管光电场效应管雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管光电三极管光电三极管光电场效应管光电场效应管雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管三种效应对照三种效应对照12光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应都属于都属于内光电效应内光电效应。 六、温差电效应六、温差电效应 由两种

15、由两种不同材料不同材料制成的结点由于受到某制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生点间产生电动势电动势，回路中产生电流，这就是，回路中产生电流，这就是温差电效应。该温差电动势又叫塞贝克温差电效应。该温差电动势又叫塞贝克(T.J.Seebeck)电动势。电动势。11xyT1T212导体导体a导体导体b七、热释电效应七、热释电效应10 在某些电解质晶体中，不加外电场就存在电极化现象，且具有一定的在某些电解质晶体中，不加外电场就存在电极化现象，且具有一定的极化强度，这种极化强度称为自发极化强度，极化强度，这种极化强度称为自发极化强度，

16、Ps为自发极化强度方向。具为自发极化强度方向。具有有自发极化的晶体自发极化的晶体，由于在晶体发生，由于在晶体发生温度变化温度变化时，就会产生时，就会产生热释电热释电效应，效应，因而称为热释电晶体。因而称为热释电晶体。热释电流只与热释电材料的热释电流只与热释电材料的温度变化率温度变化率有关，与温度本身无关。有关，与温度本身无关。 主要用于主要用于防盗报警防盗报警和和安全报警装置安全报警装置（防止人们误入危险区）、（防止人们误入危险区）、自动门自动门、自动照明装置自动照明装置、火灾报警火灾报警等一些自动控制系统中。等一些自动控制系统中。七、热释电效应七、热释电效应9红外热释电传感器红外热释电传感器

17、热释电人体红外线传感器原理图热释电人体红外线传感器原理图 八、光电转换定律八、光电转换定律光辐射量转换为光电流量的过程光辐射量转换为光电流量的过程 光电转换光电转换 dtdnhvdtdEtP光 dtdnedtdQti电 tDPtiD探测器的光电转换因子探测器的光电转换因子光子光子电极电极电极电极耗尽层耗尽层SiO2p+nn+8dtdndtdn光电hveD 探测器的探测器的量子效率量子效率)()(tPhveti八、光电转换定律八、光电转换定律7*光功率光功率P正比于光电场的平方正比于光电场的平方 平方律探测器平方律探测器非线性器件非线性器件(本质本质)*光电探测器对入射功率响应光电探测器对入射功

18、率响应(光电流光电流) 一个光子探测器可视为一个电流源一个光子探测器可视为一个电流源 八、光电转换定律八、光电转换定律6光电探测器件的特点光电探测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应超过该波长，器件无响应响应波长无选择性，对可见光到远红响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒5A、光电发射效应、光电发射效应 B、光、光 电电 导导 效效 应应 C、光生伏特效应、光生伏特效应 D、光、光 磁磁 效效 应应BCD 1、光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，、光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致的作用条件不同，在光子作用下产生的载