光敏感材料第八章第二讲

光敏感材料第八章第二讲第1页，课件共52页，创作于2023年2月光—电转换特性外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象称为。这种效应多发生于金属和金属氧化物。内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子只在物质的内部运动而不会逸出物质外部的现象。包括（1）光电导效应－电导率发生变化；（2）光生伏特效应－产生光电动势。光电效应当光照射到物体上使物体发射电子，或导电率发生变化，或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。光电效应可归纳为两大类：播放视频光电效应第2页，课件共52页，创作于2023年2月（1）光电发射第一定律（也叫斯托列托夫定律）

当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK

与被阴极所吸收的光通量ΦK

成正比。即

IK=SKΦK式中SK为表征光电发射灵敏度的系数。它是用光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。（2）光电发射第二定律（也叫爱因斯坦定律）

发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方程：第3页，课件共52页，创作于2023年2月（3）光电发射第三定律

当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何，如果入射光的频率小于这一金属的红限vo，就不会产生光电子发射。显然，在红限处光电子的初速应该为零，因此，金属的红限为

vo=φo/h

（4）光电发射的瞬时性

光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要特性。实验证明，光电发射的延迟时间不超过3×10-13s的数量级。因此，实际上可以认为光电发射是无惯性的，这就决定了外光电效应器件具有很高的频响。第4页，课件共52页，创作于2023年2月单位时间内,从受光照射的电极上释放出来的光电子数目N与入射光的强度I成正比。规律一规律二光电效应具有瞬时性。光电流的大小与入射光的强度成正比。光电效应的实验规律光电子的最大初动能随入射光的频率呈线性地增加,与入射光强度无关。当光照射某一金属时,无论光强如何,照射时间多长,只要入射光的频率ν小于这一物质的红限ν0(ν<ν0),就不会产生光电效应。规律三规律四第5页，课件共52页，创作于2023年2月(一)光电管及其基本特性1.结构与工作原理

光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。光电管的结构示意图

光阳极光电阴极光窗

它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。插入光电效应3:20——4:20第6页，课件共52页，创作于2023年2月GD-10型号光电管第7页，课件共52页，创作于2023年2月（1）光电管的伏安特性2、主要性能在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。光电管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012U/VIA/μA光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。第8页，课件共52页，创作于2023年2月

通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。

光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51（2）光电管的光照特性第9页，课件共52页，创作于2023年2月

保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。（3）光电管光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。(1)红线频率限制：一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率υ0，因此它们可用于不同的光谱范围。（3）除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率υ0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。(2)光电流正比于入射光强度。第10页，课件共52页，创作于2023年2月

国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ0=7000Å，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%~30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。

一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。第11页，课件共52页，创作于2023年2月（二）、光电倍增管及其基本特性

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。硫光电倍增管

用于ANTEK9000硫氮分析仪上的硫检测器中，是检测荧光信号的关键部件。1.结构和工作原理插入光电效应4:26——6:20第12页，课件共52页，创作于2023年2月（1）光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极（3）阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105～106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。（2）次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；第13页，课件共52页，创作于2023年2月当用具有一定能量或速度的电子（或离子等其他粒子）轰击金属等物质时,也会引起电子从这些物体中发射出来,这种物理现象称为二次电子发射。二次电子发射：

被发射出的电子叫做二次电子,而引起二次电子出现的入射粒子叫做原粒子。如果在真空中用电子轰击金属表面,那么会发现从金属上发射出的反电流（二次电子）。在一次电子能量足够大的情况下,与一次电子到达这一表面的同时,从被轰击面上发出的二次电子数可以达到一个相当大的数值。

对于相同的二次电子阴极材料和相同的一次电子能量,二次电子数和一次电子数成正比。=n2/n1，式中，为二次电子发射系数。它表示一个一次电子所产生的二次电子数。

二次发射系数取决于一次电子的能量。随着一次电子能量增大,很快上升。在一次电子的能量约为400～800eV时达到极大值。继续增加一次电子的能量,则发生了的下降。在一次电子的能量很大时,重新降为较小的数值。金属的发射系数极大值不大，大约在1～1.4的范围内。第14页，课件共52页，创作于2023年2月第15页，课件共52页，创作于2023年2月M与所加电压有关，M在105～

108之间，稳定性为1％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为1000～

2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50

～

100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。2、主要参数（1）倍增系数M如果n个倍增电极的δ都相同，则等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。i—光电阴极的光电流阳极电流I为光电倍增管的电流放大倍数β为:第16页，课件共52页，创作于2023年2月103104105106255075100125极间电压/V

放大倍数光电倍增管的特性曲线第17页，课件共52页，创作于2023年2月

一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度（3）暗电流

一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。第18页，课件共52页，创作于2023年2月光电倍增管的应用：由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体广度测量和天体分光光度测量中。

其优点是：测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较多的是锑铯光阴极的倍增管,如RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近，为20％左右。还有一种双硷光阴极的光电倍增管,如GDB-53。它的信噪比的数值较RCA1P21大一个数量级，暗流很低。为了观测近红外区，常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管，后者量子效率最大可达50％。第19页，课件共52页，创作于2023年2月第20页，课件共52页，创作于2023年2月

材料吸收光子能量后导致导带电子和价带空穴数目增加，形成非平衡附加载流子，使非传导态电子变为传导态电子，使载流子浓度显著增大，因而导致材料电导率增大。1、定义光照变化引起半导体材料电导率的变化的现象称光电导效应。

当光提供的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，在晶体中就会产生一个自由电子和一个空穴，这两种载流子都参与导电。来自带间跃迁的非平衡载流子引起的光电导叫做本征光电导。本征光电导2、分类杂质光电导（1）本证光电导第21页，课件共52页，创作于2023年2月3、最大相应波长

入射光的光子能量等于或大于该激发过程相应的能隙ΔE(禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限λC来自杂质能级上电子或空穴的电离引起的光电导称为杂质光电导。（2）杂质光电导λC=1.24/ΔE

单位：λC：μm；ΔE：eV第22页，课件共52页，创作于2023年2月4、数学描述光照引起半导体电导率的增加量。：半导体在光照下的电导率：半导体在无光照时的电导率Δn和Δp—电子的浓度和空穴浓度增量。—电子、空穴的迁移率n＝n0＋Δn，p＝p0＋Δp，（1）附加电导率第23页，课件共52页，创作于2023年2月(2)光电导的相对值为对光电导率有贡献的载流子主要是多数载流子。在本征半导体中，光激发的电子和空穴数量虽然相等，但是在复合前，光生少数载流子往往被陷住，对光电导无贡献。(3)实际应用光电导公式第24页，课件共52页，创作于2023年2月通常把在恒定光照下的光电导数值称为定态光电导。（4）光电导（按电导率分类）的类型①直线性光电导②抛物线性光电导在低光强照射下，定态光电导率与光强呈线性关系－直线性光电导。比如：（Ge、Si等）定态光电导率与光强的平方根成正比。还有些半导体（如CdS、ZnS等），在低光强下是直线性光电导，在强光下是抛物线性光电导。（如TeS）

两种光电导反映着两种简单的复合规律，光电导率的变化直接体现为Δn和Δp的变化，其值由光生载流子的产生过程和复合过程的动态平衡过程决定。第25页，课件共52页，创作于2023年2月5、光电导的弛豫过程光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或响应时间。光电导上升和下降所需的时间一般称为

弛豫时间或称为响应时间。显然，弛豫时间长---光电导反应慢---惯性大；弛豫时间短---光电导反应快---惯性小。

在分析定态光电导和光强之间的关系时，通常讨论下面的两种情况：直线性光电导的弛豫过程和抛物线性光电导的弛豫过程。这两种典型情况的△n（或△p）与光强的关系可表示成：△n=I式中为光电转换因子，一般指在某一光强范围内的值第26页，课件共52页，创作于2023年2月（1）直线性光电导的弛豫过程α：光电导体对光的吸收系数；β:量子产额；τ为光生载流子寿命;In：以光子计算的入射光强（即单位时间内通过单位面积的光子数）；光电导上升：光电导下降：直线性光电导上升和下降曲线1-1/e1/e1t第27页，课件共52页，创作于2023年2月（2）抛物线性光电导的弛豫过程0.510.75tt第28页，课件共52页，创作于2023年2月6、本征光电导的光谱分布半导体的光电导与入射光的波长有密切的关系，通常有某一波长为峰值，往长波方向和短波方向光电导均会下降。（1）本征光电导的光谱分布第29页，课件共52页，创作于2023年2月2）杂质光电导的光谱分布图是典型的锗掺金杂质光电导光谱分布。6、本征光电导的光谱分布第30页，课件共52页，创作于2023年2月1、定义光照使不均匀或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。光生伏特效应是把光能变为电能的一种效应。第31页，课件共52页，创作于2023年2月2、分类（1）光生伏特效应

在不均匀的半导体中，由于同质的半导体不同的掺杂形成的P－N结、不同的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场。当光照这种晶体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和积聚而产生电位差。

在均匀半导体中没有内建电场。当光照这种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不相等，使得在不均匀光照时，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷的分开，从而出现光生电势。（2）丹倍效应第32页，课件共52页，创作于2023年2月3、以PN结举例说明光生伏特效应

只要入射光子能量比半导体禁带宽度大，在结区、P区(空穴)区和N（电子）区都会引起本征激发而产生电子－空穴对，N区的光生空穴和P区的光生电子会向结区扩散，只要在载流子寿命时间内到达结区，强大的内建电场就会把P区的光生电子拉向N区，把N区的光生空穴拉向P区，因而导致在N区边界有光生电子积累，在P区边界有光生空穴积累，产生一个与内建电场相反的光生电场，使原来的势垒高度降低，相当于在PN结上加上一个正向电压V，这就是光生电动势。与外电路相连，就有电流流过，PN结起电池作用。第33页，课件共52页，创作于2023年2月短路光电流ISC

：短路时由内电场分开的非平衡载流子沿外电路流动，不产生电荷的积累，光生电压为零，这是得到的最大电流。pn开路电压Voc：既是光生电动势。有光照pnRVId反向饱和电流IS：Eg:半导体禁带宽度；A0：与温度和材料有关的常数暗电流：外电路接上电阻，PN结加上正向电压，无光照时，RpnVV0ISV:PN结电压；K：波尔兹曼常数q:电子电量；T:绝对温度第34页，课件共52页，创作于2023年2月光电流pnRV有光照IdISCIL光电压：当IL=0时第35页，课件共52页，创作于2023年2月各向同性物质外界作用各向异性物质各向异性物质外界作用物质的各向异性变化第36页，课件共52页，创作于2023年2月双折射基本概念光的传播速度与光的传播方向无关；与光的偏振状态无关。玻璃片放在有字的纸上一字一象.光的传播速度与光传播方向有关；与光的偏振状态有关。2、光学各向异性媒质1、光学各向同性媒质第37页，课件共52页，创作于2023年2月3、双折射现象

一束自然光在各向异性媒质的分界面上发生折射时产生两束折射光。透明的方解石晶体放在纸上一字双象用检偏器检验发现:----o光、e光都是线偏振光。寻常光线和非常光线寻常光线（o光）:遵循折射定律非常光线（e光）:不遵循折射定律o光、e光在晶体中具有不同的传播速度4晶体的光轴

光学各向异性的晶体内，存在着特殊的方向，在该方向上，不产生双折射现象。该方向称为晶体的光轴。第38页，课件共52页，创作于2023年2月光光当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转双折射纸面方解石晶体第39页，课件共52页，创作于2023年2月

光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体第40页，课件共52页，创作于2023年2月方解石AB2107821078方解石碳酸钙晶体结构：形状为平行六面体各晶面为菱形一对约102的钝角一对约78的锐角沿解理面截取的等棱长的方解石菱块菱体的四对顶点中只有一对顶点是由三个钝角面会合而成（图中、）AB2107878210210782107878210210787878210210210782107821078点击鼠标，步进显示各侧面钝、锐角关系第41页，课件共52页，创作于2023年2月方解石的光轴方解石碳酸钙晶体结构：形状为平行六面体各晶面为菱形一对约102的钝角一对约78的锐角AB2107821078菱体的四对顶点中只有一对顶点是由三个钝角面会合而成（图中、）AB点击鼠标，步进显示各侧面钝、锐角关系沿解理面截取的等棱长的方解石菱块CCCCCC通过A或B，并与三个会合钝角的界面成等角的直线方向，就是方解石晶体的光轴方向（对于严格等棱长的方解石菱体，即AB连线方向）与此平行通过晶体的直线都是光轴方向，常用CC表示第42页，课件共52页，创作于2023年2月续上方解石AB2107821078沿解理面截取的等棱长的方解石菱块通过或，并与三个钝角会合界面成等角的直线方向，就是方解石晶体的光轴方向。AB与此方向平行通过方解石的一切直线都是方解石晶体的光轴方向用表示CCCC若磨平顶点，AB沿光轴方向入射一细光束，晶体中o光和e光的传播方向和速度大小相同无双折射现象第43页，课件共52页，创作于2023年2月5主平面和主截面主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。e光光轴e光的主平面o光光轴o光的主平面····o光的振动方向垂直于o光的主平面；e光的振动方向平行于e光的主平面。第44页，课件共52页，创作于2023年2月主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。6晶体的主折射率，正晶体、负晶体光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同,光的传播速度也不同，沿晶体光轴方向o光和e光的传播速度相同。························vot光轴光轴vetvot主平面：包含晶体光轴和光线的平面。第45页，课件共52页，创作于2023年2月o光:e光:

n0，ne称为晶体的主折射率正晶体:ne>no负晶体:ne<novotvet光轴

负晶体(vo<ve)子波源子波源votvet光轴

正晶体

(vo>ve)(e<o)(e