第二章光电检测器件工作原理及特性
光电检测器工作原理
光电检测器工作原理光电检测器是一种将光信号转换为电信号的装置。
其工作原理可以分为以下几个步骤：1. 光信号入射：光线经过透镜等光学元件聚焦成束，射向光电检测器的光敏元件。
2. 光敏元件吸收光能：光敏元件通常使用半导体材料，如硅、锗及化合物半导体等。
光敏元件能够吸收入射光的能量，使其内部的电子被激发。
3. 电子运动：激发后的电子受到电场的作用，开始在光敏元件中运动。
一部分电子通过电流传输到输出电路中。
4. 电荷生成：当光敏元件中的电子受到光照时，会产生一些正电荷不断积累，形成电荷对。
一部分电子-空穴对会在光敏元件中一直保持平衡，这样就形成了一个光生载流子。
5. 转化为电信号：通过连接在光敏元件上的电路，将电荷对转化为电信号。
这个电信号能够被检测器所连接的仪器或设备所读取和处理。
总结来说，光电检测器的工作原理就是利用光敏元件吸收光能，并将其转化为电信号。
这种转化过程是通过光生载流子的产生和电子运动来实现的。
光电检测器的性能主要由光敏元件的材料和结构决定。
不同的光电检测器根据其材料和结构的不同，可以实现不同波段的光信号检测。
当光线入射到光敏元件上时，光子的能量被转化为电子的激发能量。
这种转化过程产生了一个光生电子空穴对。
接下来，这些电子和空穴会被电场分开，形成电流。
光电检测器通常有不同的工作模式，包括光电导模式、光电二极管模式、光电倍增管模式和光电子倍增管模式等。
以下是一些光电检测器的工作原理：1. 光电二极管（Photodiode）：光电二极管是一种PN结构的半导体器件。
当光照射到PN结上时，光子的能量被转化为电子的能量，并通过PN结的电场将电子和空穴分开，形成电流。
2. 光电导（Photoconductor）：光电导使用光敏物质，如硒化铟（InSe）或硒化铟镉（InCdSe）等。
当光照射到光电导上时，光子的能量使光电导的电阻发生变化，从而产生电流。
3. 光电子倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）：光电子倍增管由光电阴极和多个倍增极组成。
光电检测器的工作原理
光电检测器的工作原理
光电检测器是一种利用光电效应原理来检测光信号的装置。
它由光电发射器和光电接收器两部分组成。
光电发射器是一个发射光源，常见的有发光二极管（LED）或激光器。
当电流通过发光二极管时，其内部的半导体材料会发出特定波长的光。
光电接收器是一个接收光信号并产生电信号的元件，常见的有光敏二极管（LDR）或光电二极管（photodiode）。
光敏二极管或光电二极管的外围电路会对接收到的光信号进行放大和处理。
光电检测器的工作原理是当光电发射器发出的光照射到光电接收器上时，光能被光电接收器吸收并转化为电能。
这个转化过程是通过光电效应实现的。
光电效应的基本原理是当光束照射到半导体材料上时，光子会激发半导体材料中的电子跃迁到导带上，形成电子空穴对。
而这些电子空穴对可以导致半导体中的电流流动。
当光电接收器中的光电二极管或光敏二极管吸收到光子后，其内部会产生电流。
这个电流大小与光强度成正比。
通过对光电接收器产生的电流进行测量，我们可以间接地获得光的强度或光的存在与否。
光电检测器广泛应用于多个领域，如光通信、光电传感、光电测量等。
在各个领域中，光电检测器都起到了至关重要的作用。
光电检测两种基本工作原理
光电检测两种基本工作原理光电检测是一种广泛应用于自动控制、仪器仪表、光学信号测量等领域的技术。
它通过光电传感器来实现光信号的检测和转化，从而实现对物体特征及其动态变化的测量。
光电检测技术在生产过程中被广泛使用，可以提高生产线的自动化程度，提高生产效率和质量。
下面将详细介绍光电检测的两种基本工作原理。
一种基本工作原理是光电敏感效应原理。
在光电传感器中，我们常常使用光敏器件来感受和转换光信号。
光敏器件是一种能够将光信号转化为电信号的电子器件。
它包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。
当光信号照射到光敏器件上时，器件内部的光敏材料会发生光电效应，产生电流或电压信号。
通过测量这个信号的强度和变化，我们就可以获得光信号的相关信息。
另一种基本工作原理是光电反射原理。
在一些特殊的应用中，我们需要根据物体的反射光来进行光电检测。
这时，我们使用光电传感器中的光源和光敏器件来实现对物体反射光的检测。
光源会发射一束光，当物体处于光源的照射范围内时，它会反射部分光到光敏器件上。
光敏器件会感应到这个反射光，并将其转化为电信号。
通过对这个电信号的测量和分析，我们可以得到物体的特征和状态信息。
光电检测技术具有许多优点。
首先，它对被测物体没有接触，无需直接接触物体表面，避免了在测量过程中对物体造成损害的可能性。
其次，光电检测具有高精度和快速的特点，可以实时准确地获取物体的信息。
此外，光电传感器的体积小、重量轻，便于安装和使用，并且具有较长的使用寿命。
在实际应用中，我们可以根据需要选择合适的光电传感器和适当的光源来实现光电检测。
在选择光源时，应考虑被测物体的特性和环境条件，例如光强度、波长等。
在选择光敏器件时，要考虑其灵敏度、响应速度以及稳定性等因素。
总之，光电检测技术是一种非常重要和实用的技术，它通过光电传感器实现对物体特征和状态的检测，广泛应用于自动化控制和仪器仪表等领域。
掌握光电检测的基本工作原理，可以帮助我们更好地理解和应用这一技术，提高工作效率和产品质量。
光电检测技术与应用课后答案
光电检测技术与应⽤课后答案第2章1、简述光电效应的⼯作原理。
什么是暗电流？什么是亮电流？P11答：暗电流指的是在⽆光照时，由外电压作⽤下P-N结内流过的单向电流；光照时，光⽣载流⼦迅速增加，阻值急剧减少，在外场作⽤下，光⽣载流⼦沿⼀定⽅向运动，形成亮电流。
2、简述光⽣伏特效应的⼯作原理。
为什么光伏效应器件⽐光电导效应器件有更快的响应速度？P15答：（1）光⽣伏特效应的⼯作基础是内光电效应.当⽤适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作⽤（不加外电场），光⽣电⼦拉向n区，光⽣空⽳拉向p区，相当于PN结上加⼀个正电压。
（2）光⽣伏效应中，与光照相联系的是少数载流⼦的⾏为，因为少数载流⼦的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件⽐以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。
3、简述光热效应⼯作原理。
热电检测器件有哪些特点？P15、P17第3章2、对于同⼀种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同⽽温度不同时情况⼜会如何？3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。
p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产⽣，这是因为p-n结在反偏电压下产⽣的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光⽣电流就会明显增加。
5、光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件⼯作频率哪个⾼？实际使⽤时如何改善其⼯作频率响应？6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升⾼⽽下降？影响光电倍增管⼯作的环境因素有哪些？如何减少这些因素的影响？答：温度升⾼时，半导体的导电性将发⽣⼀定的变化，即少数载流⼦浓度随着温度的升⾼⽽指数式增⼤，相对来说多数载流⼦所占据的⽐例即越来越⼩，这就使得多数载流⼦往对⽅扩散的作⽤减弱，从⽽起阻挡作⽤的p-n结势垒⾼度也就降低。
光电检测技术研究
光电检测技术研究摘要光电检测技术，作为现代信息技术领域的一大支柱，已在通信、工业生产、医疗健康和环境监控等诸多方面展现出广泛的应用潜力。
本研究致力于深入探索光电检测技术的奥秘，从基础理论、应用实践、未来趋势到所面临的挑战进行全面剖析。
通过细致解析光电效应的本质、各类光电检测器件的特性和功能，以及光电信号的精密处理与解析方法，本研究揭示了光电技术如何巧妙地将光信息转化为电信号的核心转化机制。
此外，论文还深入挖掘了光电检测技术在不同领域的具体应用案例，比如在工业生产线上对产品质量的精密检测、医学领域中影像诊断的高精度实现，以及环境监测中污染物的敏感识别，充分证明了光电检测技术在实际应用中的多元化优势与深远的社会效益。
这些分析不仅彰显了技术的现时影响力，也为预测其未来发展路径提供了宝贵洞见。
在技术发展方面，本论文指出光电检测技术正朝着更高灵敏度、更快响应速度、智能化及网络化的方向发展。
针对目前存在的技术挑战，如提高光电检测器件性能指标、降低噪声干扰、实现复杂环境下信号的稳定传输等，提出了相应的解决方案和建议。
此外，针对产业发展，本论文提出了加强技术研发投入、优化产业规划和布局、完善法律法规和标准体系以及加强国际合作与交流等建议，旨在推动光电检测技术产业的持续健康发展。
光电检测技术以其独特的技术优势和广泛的应用前景，在现代社会中扮演着越来越重要的角色。
未来，随着新材料、新工艺的涌现以及人工智能、物联网等技术的快速发展，光电检测技术将在更多领域展现出其巨大的潜力和价值。
本论文的研究成果不仅为光电检测技术的发展和应用提供了理论支持和实践指导，也为相关领域的研究和产业发展提供了新的思路和方向。
关键词：光电检测技术；光电效应；光电检测器件；信号处理；应用领域；技术发展趋势；挑战与解决方案；产业发展建议目录摘要 (1)第一章引言 (3)1.1 光电检测技术的背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状与发展趋势 (4)1.3 论文的研究方法与创新点 (5)第二章光电检测技术的基本原理 (6)2.1 光电效应及其应用 (6)2.2 光电检测器件的种类与特性 (7)2.3 光电信号的处理与分析 (8)第三章光电检测技术的应用领域 (10)3.1 在工业检测中的应用 (10)3.2 在医学影像中的应用 (11)3.3 在环境监测中的应用 (11)第四章光电检测技术的发展与挑战 (13)4.1 技术发展趋势 (13)4.2 技术挑战与解决方案 (13)4.3 产业发展与政策建议 (14)第五章结论 (16)5.1 研究成果总结 (16)5.2 未来研究方向与展望 (17)第一章引言1.1 光电检测技术的背景与意义光电检测技术是现代信息科学领域的一个重要分支，该技术通过光电效应将光信号转换成电信号，从而实现信息的有效检测、识别与传输。
光电检测器的工作原理和性能分析
光电检测器的工作原理和性能分析在现代科技领域中，光电检测器是一种十分重要的器件。
它能够将光信号转换为电信号，从而实现信息的采集和处理。
光电检测器广泛应用于成像、通信、测量、环境监测等领域。
而要深入了解光电检测器，我们就需要了解它的工作原理和性能分析。
一、光电检测器的工作原理光电检测器的工作原理基础是光电效应。
所谓光电效应，就是指当光线照射到金属表面时，金属表面所吸收的能量大于金属表面的电子维持在金属原子内部的能量时，这些电子将受到足以克服束缚力而逸出金属表面的能量。
光电效应是描述光电检测器中电子释放的物理现象。
基于光电效应原理，光电检测器将光能转换为电能的机制就是光电转换。
光电检测器会将光线转换为电子，并且利用电（光子）离子化的功能来检测没有其他光子影响之前光子的光强度。
光电检测器通常由两个基本部件构成：感光组件和电子放大器。
感光组件负责将光信号转换为电信号，而电子放大器则负责放大电信号，以便更好地采集和处理。
具体而言，光电检测器的工作原理大致可分为以下几个步骤：1. 光线照射到感光组件，使光电子被放出。
2. 放出的光电子经过电子放大器的放大作用，转变成弱电信号。
3. 采集和处理这些弱电信号。
其中，感光组件通常使用半导体材料制成，半导体技术不仅在光电检测器领域应用广泛，而且在集成电路芯片、太阳能电池等领域都有重要应用。
二、光电检测器的性能分析1. 灵敏度灵敏度是光电检测器性能的关键指标之一。
它反映了光电检测器对于光信号强度的检测能力。
一般来说，越高的灵敏度代表着光电检测器所能检测到的最小光信号强度越低。
2. 噪声在信号检测过程中，噪声是常常存在的。
光电检测器的噪声可以分为两种类型：热噪声和信号电路噪声。
其中，热噪声是与检测物体本身热运动有关的随机噪声，而信号电路噪声是由于电子器件限制造成的。
3. 带宽带宽是指光电检测器所能接收的频率范围，是另一个重要的性能指标。
通常来说，带宽越宽，光电检测器所能适应的工作条件就越多。
光电检测器件工作原理及特性
光电检测器件的应用
02
光电检测器件工作原理
光电转换原理是指光子与物质相互作用，将光能转换为电能的过程。在光电检测器件中，光子通过照射在光敏材料上，激发出电子-空穴对，形成光生电流或电压。
光电转换效率是衡量光电检测器件性能的重要参数，它与光敏材料的性质、光的波长和入射角度等因素有关。
光电转换原理
光电检测器件的光谱响应特性
光电检测器件对不同波长的光具有不同的响应能力，这种响应能力即为光谱响应特性。
总结词
光谱响应特性描述了光电检测器件在不同波长光线下的敏感度。不同类型的光电检测器件具有不同的光谱响应范围，例如硅光电二极管对可见光和近红外光敏感，而硒镉汞光电探测器则对中红外光敏感。了解光谱响应特性对于选择适合特定应用的光电检测器件至关重要。
光电检测器件通常由光敏材料、电极和封装结构组成。光敏材料是实现光电转换的核心部分，电极的作用是收集和传输光生电流或电压，而封装结构则起到保护和支撑器件的作用。
不同类型的光电检测器件可能在结构上有所差异，但它们的基本原理是相似的。
光电检测器件的基本结构
光电检测器件的工作过程通常包括光的吸收、电荷的分离和电流或电压的产生三个步骤。
总结词
光电检测器件在接收光信号时产生的随机波动，即噪声特性。
详细描述
噪声特性是评价光电检测器件性能的重要参数。常见的噪声源包括散粒噪声、热噪声和闪烁噪声等。低噪声光电检测器件能够在弱光信号下提供更高的信噪比，从而提高检测精度和灵敏度。了解和优化光电检测器件的噪声特性对于提高其性能和应用范围具有重要意义。
总结词
影响光电检测器件稳定性的因素包括材料、工艺、封装等。
详细描述
采用高品质的材料和先进的工艺技术可以制造出具有高稳定性的光电检测器件。此外，良好的封装和保护措施也可以提高器件的稳定性，使其在恶劣环境下仍能保持性能参数的稳定。
光电检测技术
光电检系统：是利用光电传感器实现各类检测。它
将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利 用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量
光电检测系统包括
– 光学变换 – 光电变换 – 电路处理
光学变换
– – – – 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光 学信息。
半导体基础知识
导体、半导体和绝缘体 半导体的特性 半导体的能带结构 本征半导体与杂质半导体 平衡和非平衡载流子 载流子的输运过程 半导体的光吸收 PN结
导体、半导体和绝缘体
自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。
固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两 者之间的半导体。
非平衡载流子的产生
光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把 价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导 带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部 分空穴。
产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增 加。
自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间 的跃迁引起的。
) aE( dE
PN结
将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成 半导体半导体内有一物理界面，界面附 近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。 是二极管、三极管、集成电路和其它结 型光电器件最基本的结构单元。
PN 结反向偏置
变厚
－ 内电场被被加强，多 子的扩散受抑制。少 子漂移加强，但少子 数量有限，只能形成 较小的反向电流。
光电二极管的工作原理与性能评估
光电二极管的工作原理与性能评估引言：光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，广泛应用于光电传感、通信和能源等领域。
本文将介绍光电二极管的工作原理以及如何评估其性能。
一、光电二极管的工作原理光电二极管是一种半导体器件，其工作原理基于光电效应。
当光线照射到光电二极管的PN结上时，光子的能量会被电子吸收，使得电子跃迁至导带中，从而产生电流。
这个过程可以用能带理论来解释。
在光电二极管的PN结中，导带和价带之间存在能隙，当光子的能量大于等于这个能隙时，光子的能量被电子吸收，电子从价带跃迁到导带中，形成电流。
光电二极管的导电特性与光的强度成正比，因此可以通过测量电流的大小来评估光的强度。
二、光电二极管的性能评估1. 响应速度光电二极管的响应速度是指其从光照射到电流达到稳定状态所需的时间。
响应速度取决于光电二极管内部的载流子扩散时间和电荷收集时间。
一般来说，载流子扩散时间较短，电荷收集时间较长的光电二极管具有较快的响应速度。
在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的光电二极管，以满足所需的响应速度。
2. 光谱响应光电二极管的光谱响应是指其对不同波长光的响应情况。
不同材料的光电二极管对光的波长有不同的响应范围。
例如，硅光电二极管对可见光和红外线有较好的响应，而锗光电二极管对红外线的响应更强。
在选择光电二极管时，需要根据具体应用场景中的光源波长来匹配合适的光电二极管，以获得最佳的光电转换效率。
3. 噪声特性光电二极管的噪声特性是指其在工作过程中产生的噪声信号。
噪声信号会降低光电二极管的信号传输质量和精度。
在实际应用中，需要评估光电二极管的噪声特性，以确保其在特定环境下的可靠性和稳定性。
常用的评估指标包括噪声等效功率、噪声等效电流和噪声等效电阻等。
4. 线性度光电二极管的线性度是指其输出电流与输入光强度之间的关系。
线性度越高，表示光电二极管的输出电流与输入光强度呈线性关系越好。
在实际应用中，需要根据具体需求选择具有较高线性度的光电二极管，以获得更准确的测量结果。
光电二极管的特性及原理
光电二极管的特性及原理光电二极管（Photodiode）是一种能够将光信号转换为电信号的半导体器件。
它具有高灵敏度、快速响应和广泛的波长响应范围的特点，因此被广泛应用于光电转换、光通信、光测量等领域。
本文将详细介绍光电二极管的特性及其工作原理。
1.光电二极管的特性：（1）高灵敏度：光电二极管能够将入射的光信号转换为电流信号，具有很高的光电转换效率。
其灵敏度可以通过材料选择、结构设计以及工艺改进等手段来提高。
（2）快速响应：光电二极管具有快速的响应速度，能够迅速响应光信号的变化，并产生相应的电信号。
这使得光电二极管在光通信和光测量等高速应用中起到重要作用。
（3）波长响应范围广：不同类型的光电二极管对于不同波长的光具有不同的响应特性。
通常，可见光电二极管能够响应整个可见光谱范围，而红外光电二极管可以响应更长波长的光。
这使得光电二极管能够适应不同的光信号处理需求。
2.光电二极管的工作原理：一般来说，光电二极管采用PN结构，即材料中掺杂有P型和N型半导体，形成一个结。
当没有光照射时，PN结处的内建电场通过扩散过程和漂移过程使得电子向P区域扩散，空穴向N区域扩散，形成一个电子漂移电流和一个空穴漂移电流，相互抵消，使得整个结处的电流为零。
而当光照射到PN结上时，光子能量会激发材料中的电子跃迁到导带，形成自由电子，从而增加了电子的浓度。
同时，也会产生空穴与自由电子复合的现象，减少了空穴的浓度。
因此，光电二极管PN结处的电流会发生变化，形成一个光电流。
此外，光电二极管可以根据工作模式的不同分为正向偏置和反向偏置两种。
正向偏置时，PN结处的载流子会受到电场力的引导，从而增加载流子的移动速度，提高光电二极管的响应速度。
反向偏置时，由于PN结反相，电流基本为零，只有在光照射下才会有微小的光电流产生。
3.光电二极管的应用：（1）光电转换：光电二极管广泛应用于光电转换领域，可以将光信号转换为电信号，并进行放大、处理等操作。
光电检测器件的工作原理及特性
热释电器件只能检测变化的温度。
思考：为什么热释电器件只能检测变化的温度？
相 变：
随着温度的逐渐升高，极化强度越来越弱，当温度达到一特定 温度之后，自发极化强度下降为零，即为极化晶体发生了相变。 极化晶体变为非极化晶体。产生相变的温度为居里温度。
2、辐射热计效应
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探测器。 材料电阻随温度的变化可用下式表示
材料的电阻温度系数
一般情况下： 金属材料的电阻温度系数与温度成反比，αT≈0.0033
αT=1/T
半导体材料的电阻温度系数与T2成反比
αT=-β/T2
辐射热计效应的应用：
探测原理
把冷端分开并与一个电流表连接，当光照熔接端(称为电偶接 头)时，熔接端（电偶接头）吸收光能使其温度升高，电流表 就有相应的电流读数，电流的数值就间接反映了光照能量的 大小。
实际中为了提高测量的灵敏度，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较多应用。
温差电效应主要有三种形式：
黑球温度计：利用黑体吸收辐射热量最强的原理，用一个深 黑色的空心铜球和一支插在铜球中心的温度计构成。测定时 悬挂在测点，大约15分钟后可读出稳定读数。
3、温差电效应
当两种不同的配偶材料(金属或半导体)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。
4)、光子牵引效应
当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自 由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的 运动。结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻
第二章 光电检测器件工作原理及特性
散粒噪声也属于白噪声。
8、信噪比（S/N）：
信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是在负载电 阻RL上产生的信号功率与噪声功率比。 S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2 用分贝（dB）表示： （S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN)
原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电 子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。 引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。 属于内光电效应。
包括：
本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。
1、本征光电导效应 本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。
即：光子能量hv大于材料禁带宽度E 即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激光出 电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即： hv>Eg 即存在截止波长：λ 即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。 基本概念： 基本概念： 1、稳态光电流：稳定均匀光照 、稳态光电流： 3、亮电导率和亮电流 、 2、暗电导率和暗电流 、 4、光电导和光电流 、
的晶体，原因是内部电偶极矩不为零，表面感应束缚电荷。
_ _ _ _ _ _ _ _ _
P(T2)
P(T1)
-
-
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-
-
-
工作温度T1（左）和工作温度T2>T1（右）
极化晶体表面束缚电荷，被周围自由电荷不断中和，表面无电荷。光照时， 晶体温度升高，电偶极子热运动加剧，极化强度减弱，表面感应电荷数减小， 但中和过程（达数秒）要远大于极化强度的响应过程（10-12s），相当于释 放了一些电荷，对外表面为电流。可以在这些电荷被中和之间测量到。
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定的电导率，以便能够通过外电源来补充因 光电发射所失去的电子。
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光电阴极材料： 1.金属光电阴极
忽略散射能量损失，克服表面势垒，吸收光子能 量大于金属的逸出功，就有光电子发射。
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纤维中的传输以用于光学通信方面 )500万 瑞典克朗（71.8万美元）
• 美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。 发明成像半导体电路———电荷耦合器件 (CCD)图像传感器
2020/9/26
• 诺贝尔物理学奖评选委员会主席约瑟夫·努德格伦用一根 光纤电缆形 象地解释了高锟的重要成就：早在1966年，高锟就取得了光纤物理学 上的突破性成果，他计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输， 这项成果最终促使 光纤通信系统问世，而正是光纤通信为当今互联网 的发展铺平了道路。“今天文字、音乐、图片和图像在一眨眼间传遍 全球”，高锟功不可没。
量。
➢金属的逸出功是费米能级到真空能级之间的能量 差。
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• 2.半导体光电阴极 半导体材料具有良好的光电子发射性能： ➢有较大的吸收系数； ➢导电性适中，避免光电子向表面运动时能
量更多的损失；
➢半导体材料价带中电子密度大，存在大量 发射电子中心；
• ◎获奖感言 我对于获颁诺贝尔物理学奖深感荣幸。诺贝尔奖鲜有表彰应用科学的成 就，故我从来没有想过会获奖，感到非常惊喜。 ——高锟
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• 由此，从1841年开始，有科学家尝试利用玻璃棒 甚至是水柱，制造传输光的管道。1889年，巴黎 世博会上，一条条传导着光线的水流组成一道缤 纷的瀑布，吸引了许多人的眼球。其后，玻璃光 纤被用于胃窥镜，传输光的游戏由此拥有了更实 际的意义。
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光电子发射效应演示图
• 1905年,爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用 于光电效应之中，提出光子理论。
• 1921年，爱因斯坦以他在理论物理方面的成就，特 别是发现＂光电效应定律＂，获诺贝尔物理学奖。
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• 光量子学说的提出，成功的解释了光电效 应现象的实验结果，促进了光电检测理论 、光电检测技术和光电检测器件等学科领 域的飞速发展；因此，从这个意义上讲， 爱因斯坦是光电检测理论之父。
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2．光电发射第一定律——斯托列托夫定律：
• 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分 不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光 电子数目）与入射光强度成正比：
•
Ik=SkF0
其中：Ik：光电流 Sk：光强 F0：该阴极对入射光线的灵敏度
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• 入射光子的能量至少要等于逸出功W时，才 能发生光电发射。
• 另一位评委英厄马尔·伦德斯特勒默手持一部数码照相机深入浅出地描 述了另两位科学家的成就。他说，博伊尔和史密斯1969年共同发明了 CCD图像传感器。这个传感器好似数码照相机的电子眼，通过用电子 捕获光线来替代以往的胶片成像，摄影技术由此得到彻底革新。此外 ，这一发明也推动了医学和天文学的发展，在疾病诊断、人体透视及 显微外科等领域都有着广泛用途。
• 爱因斯坦在其光量子学说中所提出的有关 光量子这一概念，光量子学说是光子学、 光子技术、光子工程和光子产业的发端； 因此，从这个意义上讲，爱因斯坦是光子 学、光子技术、光子工程和光子产业的先 导。
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2009年诺贝尔奖各奖项即将揭晓之际，诺贝尔基金 会评出了诺贝尔奖百余年历史上“最受尊崇的”三 位获奖者，爱因斯坦是其中之一。 • 1921年物理学奖得主阿尔伯特·爱因斯坦 因其有关“光电效应”的论文，狭义相对论而获奖 。相对论是人类科学史上最重要的理论之一。
可大面积探测，探测元密度高， 良好的探测灵敏度 ，良好空间分辨率。
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光电效应的种类： 1 外光电效应 • 光电发射效应：当光照射到材料上使材料向
真空中发射电子。 2 内光电效应 • 光电导效应：当光照射到材料上使材料电导
率发生变化。 • 光伏效应：当光照射到材料上使材料产生光
电势。
人为什么而活着？
人生的意义是什么？
哲学书解决这个问题，如尼采，卢梭，台大 傅佩荣教授
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孔子提出： • 人才教育——安身
“礼，乐，射，御，书，数”六艺 • 人格教育——立命
人性向善，人人皆可成为圣人 • 人文教育——和谐人生
诗歌音乐等，音乐陶冶情操，抒发喜怒 哀乐
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• 2009年诺贝尔物理学奖授予 • 英国华裔科学家高锟 发明的光纤(有关光在
人要有 野心 才能成功!
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• 高锟的发明使信息高速公路在全球迅猛发展，因此获得了 巨大的世界性声誉。不过，由于技术的专利权是属于雇用 他的公司，他并没有从中得到很多财富。一次，在接受电 视采访时，高锟说，我心里觉得，一个人有这样的好运， 能做一件前所没有的事情，而且做出来的影响是非常非常 大，这对我自己个人说，很满足。就像印刷机让所有老百 姓都可以拿到印刷出来的书，可以增加知识，光纤把我们 的知识时代，把我们所有的信息，所有要传送的资料，都 可以很快地送给人家。所以我很满足，我拿不拿奖，完全 对我是没有甚么意思。
• 波长阈值： • λ0=C/ν0≤hc/W=1.24(μm·eV)/W
=1240/W(nm) • 当入射光波长大于λ0时，不论光强如何，
以及照射时间多长，都不会有光电子产生。 要用红外光（λ>0.76μm）发射电子，必须寻 求低于1.8eV的低能阈值材料。
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光电子发射的基本过程
大致可分三个过程：
• 1)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。
• 2)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。
• 3)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。
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• 科学的价值，在于揭示出某种技术的极限，如果这种极限 是可以实现的，那就意味着为新技术开启了一扇大门。
• 高锟的这篇具有历史意义的论文于1966年7月发表。不过， 当时人们还无法制造出可以达到高锟要求的那种“超纯净 玻璃”。为此，这位物理学家不得不担当起一个“布道者 ”的角色。他四处拜访玻璃工厂，宣扬他的理论，激励大 家一起开发超纯玻璃。
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光电发射过程图
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好的光电发射材料（做光电阴极的）应该是： • （1）对光的吸收系数大，以便体内有较多的
电子受到激发； • （2）受激电子最好是发生在表面附近，这样
向表面运动过程中损失的能量少； • （3）材料的逸出功要小，使到达真空界面的
电子能够比较容易地逸出； • （4）另外，作为光电阴极，其材料还要有一
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• 1948年 高锟离开香港，举家迁往香港，就读香港 大学，但没有他喜欢的电机工程专业，转到英国 的伦敦大学。在英国国际电报电话公司就职，并 开始攻读博士学位。带着几个人的小团队开始不 可完成的任务“光纤通讯研究”。
• 围绕如何降低光在光纤中的剧烈衰减，高锟做了 大量研究，排除一系列的影响因素，最终证明玻 璃中的离子杂质对光的衰减起到决定性作用。他 发现了最适合长距离传输的光的波长。他预言， 只要每公里的光衰减小于20dB，即只要保留1% ，光纤就可用于通讯。
• 高锟以及通信界都没有等待太久。4年后的1970年，美国康 宁公司发明了一种特殊的玻璃制造工艺，首次迈过了“20 分贝/公里”门槛。之后，技术不断进步，到后来，每公里 光纤的衰减被控制在5%之内。
• 成名之前，高锟曾遭受到许多人的嘲笑，但高锟的 信心并没有动摇。他说：所有的科学家都应该固执 ，都要觉得自己是对的，否则不会成功。
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外光电效应的两个基本定律
1．光电发射第二定律——爱因斯坦定律
• 光电子的最大动能与入射光的频率成正比， 而与入射光强度无关：
• Emax=(1/2)mυ2max=hν- hν0 =hν- W0 Emax：光电子的最大初动能。 h：普朗克常数。 ν0：产生光电发射的极限
频率，频率阈值。 W0 ：金属电子的逸出功（ 从材料表面逸出时所需的最低能量），单位 eV，与材料有关的常数，也称功函数。