光辐射的探测技术光电探测器的物理效应

光辐射的探测技术光电探测器的物理效应第一页，共三十八页，2022年，8月28日什么是光电探测器？凡事能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件，都叫做光探测器。凡事把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器，都称为光电探测器。光电探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应。第二页，共三十八页，2022年，8月28日4.1.1光子效应和光热效应光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，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，直接影响内部电子状态改变的大小。光子效应对光波频率表现出选择性：E＝hν，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。第三页，共三十八页，2022年，8月28日光热效应：不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引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。光热效应和光子效应完全不同，光热效应与单光子能量hν的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。

热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。第四页，共三十八页，2022年，8月28日光电发射效应什么是光电发射效应？在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象，称为光电发射效应。能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体，在光电管中又称为光阴极。第五页，共三十八页，2022年，8月28日爱因斯坦方程：物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子的能量hυ大于发射体的功函数Eφ的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。是电子离开发射体表面时的动能。光电发射效应发生的条件为截止频率

截止波长第六页，共三十八页，2022年，8月28日Eφ小的发射体，才能对波长较长的光辐射产生光电发射效应。第七页，共三十八页，2022年，8月28日4.1.3光电导效应光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。金属导电机构：金属原子形成晶体时产生了大量的自由电子，自由电子浓度n是个常量，不受外界因素影响。第八页，共三十八页，2022年，8月28日半导体导电机构：

0k：导电载流子浓度为0。

>0k：由于热激发而不断产生热生载流子（电子和空穴），它在扩散过程中又受到复合作用而消失。热平衡下：产生=消失，即np=ni2。n－热平衡的电子浓度，其平均寿命为τnp－热平衡的空穴浓度，其平均寿命为τpni－相应温度下本征半导体中的本征热生载流子浓度。说明在n型或p型半导体中，一种浓度增大，另一种浓度减少，但绝对不会减少到0。第九页，共三十八页，2022年，8月28日外电场E作用下，载流子产生漂移运动。载流子迁移率μ为电导率σ为电导G：电阻Rd：漂移速度与电场之比表示载流子的漂移运动效果第十页，共三十八页，2022年，8月28日什么是光电导？当光辐射照射外加电压的半导体，如果满足光子将激发出新的载流子（n和p）。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量Δn和Δp。这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子，现在又称为光生载流子。第十一页，共三十八页，2022年，8月28日对本征情况，显然，Δn和Δp将使半导体的电导增加一个量ΔG，称为光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导。N－光照每秒钟产生的电子-空穴对数；τn和τp－分别为电子和空穴的平衡寿命。第十二页，共三十八页，2022年，8月28日eN－光辐射每秒钟激发的电荷量。由于ΔG的增量将使外回路电流产生增量Δi，即V-外电压。所以，Δi不等于eN，于是有M－光电导体的电流增益。第十三页，共三十八页，2022年，8月28日以N型半导体为例tn－渡越时间，表示电子在外电场作用下渡越半导体长度l所花费的时间。若tn小于τn，则 M>1，就有电流增益效果。第十四页，共三十八页，2022年，8月28日4.1.4光伏效应

当照射光激发出电子-空穴对时，电势垒的内建电场将把电子-空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光伏效应。

pn：内建电场从n侧指向p侧的内建电场热平衡：零偏状态，没有净电流通过pn结。pn结正向电压偏置（p区接正，n区接负）：有较大的正向电流流过pn结。pn结反向电压偏置（p区接负，n区接正）：有一很小的反向电流通过pn结。反向饱和电流（Is0）。第十五页，共三十八页，2022年，8月28日pn结伏安特性零偏时，pn结的电阻R0为此时，i=0，所以pn结的开路电压为0。在零偏条件下，如果照射光的波长λ满足条件那么，无论光照n区或p区，都会激发出光生电子-空穴对。第十六页，共三十八页，2022年，8月28日例如光照p区：光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小；光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面向区内自然形成电子扩散趋势。若p区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进pn结，一进入pn结，就被内电场扫向n区。这样，光生电子-空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能量出p区正、n区负的开路电压u0，称为光生伏特效应。第十七页，共三十八页，2022年，8月28日如果用一个理想电流表接通pn结，则有电流i0通过，称为短路光电流。显然u0=R0i0

综上所述，光照零偏pn结产生开路电压的效应，称为光伏效应。这也是光电池的工作原理。在光照反偏条件下工作时，观测到的光电信号是光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的工作原理。反偏pn结通常称为光电二极管。第十八页，共三十八页，2022年，8月28日4.1.5温差电效应温差电动势：当两种不同的配偶材料两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。回路中就有电流流通。把冷端分开并与一个电表连接，那么当光照熔接端时，吸收光能使电偶接头温度升高，电表就有相应的电流读数，电流的数值就间接反映了光照能量大小。这就是用热电偶来探测光能的原理。为了提高测量灵敏度，常将若干个热电偶串联起来使用，称为热电堆，它在激光能量计中获得应用。第十九页，共三十八页，2022年，8月28日4.1.6热释电效应

热释电材料是一种电介质、绝缘体、是一种结晶对称性很差的压电晶体，因而在常态下具有固有电偶极矩。面电荷密度σs=|Ps|。由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的Ps并不大。再加上中和作用，通常觉察不出有面电荷存在。如果对热电体施加直流电场，自发极化矢量将趋向于一致排列，总的Ps加大。当电场去掉后，如果总的Ps仍能保持下来，这种热电体有时常称为热电-铁电体。它是实现热释电现象的理想材料。第二十页，共三十八页，2022年，8月28日热释电现象：

|Ps|值是温度的函数。温度升高，|Ps|减小。升高到Tc值时，自发极化突然消失，Tc称为居里温度。在Tc温度以下，才有热释电现象。当强度变化的光照射热电体时，热电体的温度发生变化，Ps也发生变化，面电荷从原来的平衡值跟着发生变化。在来不及中和之前，热电体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，这就是热释电现象。第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日

若把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表，这个电流称为短路热释电流，如果极板面积为A，则电流为β=dPs/dT－热释电系数。

热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日4.1.7光电转换定律光电转换：把光辐射量转换为光电流量的过程。光通量：即光功率，P（t）可以理解为光子流，光子能量hυ是光能量E的基本单元。光电流：光生电荷Q的时变量，电荷e是光生电荷的基本单元。n光和n电分别为光子和电子数。第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日D－探测器的光电转换因子。探测器的量子效率，它表示探测器吸收的光子数和激发的电子数之比。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日（1）光电探测器对入射功率有响应，响应量是光电流。因此，一个光子探测器可视为一个电流源。（2）因为光功率P正比于光电场的平方，故把光电探测器称为平方律探测器。或者说，光电探测器本质上一个非线性器件。光电转换定律：第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日4.2光电探测器的

性能参数第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日一、积分灵敏度R

灵敏度也常称作响应度，它是光电探测器光电转换特性的量度。光电流（或光电压u）和入射光功率P之间的关系称为探测器的光电特性。第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日灵敏度R定义为这个曲线的斜率：Ri——电流灵敏度（积分电流灵敏度）Ru——电压灵敏度（积分电压灵敏度）P——分布在某一光谱范围内的总功率。第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日二、光谱灵敏度Rλ

相对光谱灵敏度：光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要。如果是Rλ是常数，则相应的探测器为无选择性探测器，如：光热探测器；反之，则为选择性探测器，如光子探测器。是指的最大值，对应的波长称为峰值波长。Pλ——波长可变的光功率谱密度。第三十页，共三十八页，2022年，8月28日三、频率灵敏度Rf（响应频率fc和响应时间τ）

如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流if将随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf

。

探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。

f<fci能线性再现P的变化。第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日i=F（u，P，λ，f）

i=F（f）的关系称为光电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。

i=F（P）及曲线称为光电特性曲线。

i=F（λ）及曲线称为光谱特性曲线。

i=F（u）及曲线称为伏安特性曲线。当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线中求出。第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日四、量子效率η光谱量子效率：量子效率表示探测器吸收的光子数和激发的电子数之比。

R宏观描述光电探测器的光电，光谱以及频率特性。量子效率η是对同一个问题的微观-宏观描述。c是材料中的光速。可见，量子效率正比于灵敏度而反比于波长。第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日五、通量阈Pth