第4章-光电探测原理及器件

光电子技术基础
第4章 光电探测原理及器件
厚德博学
求实创新
学习目标
通过本章学习，掌握光电探测的基本物理效应、 光电探测器及其性能参数、各种光电探测器件
的基本结构、特性参数的相关知识，掌握直接
探测系统和光频外差探测系统的性能，了解各 种光电探测器件的实际应用，为光电探测器的 选用和设计打下基础。
学习要求
d T dt
C 称为热容，是表明内能的增量为温度变化的函数。 式中，

热传导方程为
Φ0e Φ0e jt T t G jC G jC

G t C


当时间 t T 时，第一项衰减到可以忽略的程度，温度的变化为正 弦变化的函数。可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收 系数成正比。 减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间常数 成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。
•基于光生伏特效应的光电器件有 光电池、光电二极管和光敏晶体管 等。
4.1. 3

光热效应的一般规律

光热效应指材料受光照射后，光子能量与晶格 相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的 变化而造成物质的电学特性变化。 利用光热效应的探测器有热敏电阻、热电偶、 热电堆和热释电探测器等。
1）温度变化方程
为了实现能级的跃迁，入射光的 能量必须大于光电导材料的禁带 hc 1.24 宽度Eg，即 hv ≥E

g
1）光电导效应

材料的光导性能决定于禁带宽度Eg；

对于一种光电导材料，同样存在一个照射光波
长限 c ，只有波长小于的光照射在光电导体
上，才能产生电子能级间的跃迁，从而使光电
导体的电导率增加。
4.1.2 内光电效应

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ 发生变化，或产生光生电动势的现象称 为内光电效应，它多发生于半导体内。

Байду номын сангаас
根据工作原理的不同，内光电效应分为 光电导效应和光生伏特效应两类。
1）光电导效应


在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡 到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现 象被称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 当光照射到半导体材料上 时，价带中的电子受到能 量大于或等于禁带宽度的 光子轰击，使其由价带越 过禁带跃入导带，材料中 导带内的电子和价带内的 空穴浓度增加，从而使电 导率变大。
1 2 3 4
熟悉光电探测的基本物理效应 掌握光电探测器及其性能参数 熟悉各种光电探测器件结构及特性 掌握直接探测系统和光频外差探测系统的性能
4.1 光电探测的基本物理效应
光电探测器的基本物理效应通常分为两类：光子效 应和光热效应。
光子效应是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，光电探测器吸收光子后， 直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。 光热效应指材料受光照射后，光子能量与晶格相互 作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造 成物质的电学特性变化。 光子效应又可以细分为外光电效应和内光电效应； 光热效应又可以细分为温差电效应和热释电效应。
3）热电导效应

某些半导体材料吸收光辐射后温度升高，随着温度的 升高电导率增大，即电阻下降。而有些金属材料，随 着温度升高电阻升高，即电导率减小。把这些现象称 为热电导效应。 半导体材料具能带结构，吸收光后引起晶格振动加剧， 即温度升高，使更多的电子被激发到导带，电导率增 大。 利用热电导效应的探测器有热敏电阻等。
1 2 h mv0 A0 2
式中：hv为单个光子的能量；m为电子质量； v0为电子逸出速度；A0为物体表面电子逸出功。 可知，光电子能否产生，取决于光子的能量是 否大于该物体的表面电子逸出功A0。
外光电效应
不同的物质具有不同的逸出功，即每一种物质都 有一个对应的光频阈值，称为红限频率（或截止 频率。 A0 c 光电子发射的红限频率为 h 对应的波长限为 hc c
4.1.1 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外光电效应，也 称为光电发射效应。 光电发射效应多发生于金属和金属氧化物， 向外发射的电子称为光电子。 基于光电发射效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。 最重要的公式是爱因斯坦光电效应方程。
外光电效应
爱因斯坦光电效应方程
热电器件在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处 于平衡状态，其温度为 T0。当辐射功率为 Φe的热辐射入射 到器件表面时，令表面的吸收系数为 ，则器件吸收的热 辐射功率为 Φe ；其中一部分使器件的温度升高，另一部 分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。 设单位时间器件的内能增量为 Φi，则有 Φi C
2）光生伏特效应
•在入射光照射下，当光子能量hv大 于光电导材料的禁带宽度Eg时，会 在材料中激发出光生电子-空穴对， 破坏结的平衡状态。在结区的光生 电子和空穴以及新扩散进结区的电 子和空穴，在结电场的作用下，电 子向N区移动，空穴向P区移动，从 而形成光生电流。
•在热平衡下，多数载流子的扩散 作用与少数载流子的 漂移作用相 抵消，没有净电流通过pn结。

T 称为器件的热时间常数。
2）温差电效应


当两种不同的配偶材料（可以是 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。 如果将热电偶的冷端分开，并与 一个电表相连接，则当光照射电 偶接头时，电偶接头吸收光能， 温度升高，电表就有一个相应的 电流读数，其数值的大小间接反 应光照的能量大小。这就是利用 热电偶来探测光能的基本原理。
A0
c 为产生光电子发射的 式中：c为真空中的光速， c 为产生光电子发射的入 入射光波的截止频率， 射光波的截止波长。
讨论


若入射光线频率低于红限频率（截止频率）， 光子能量不足以使物体内的电子逸出，即使光 强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光 频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光 电子射出。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与 光强成正比，即光强愈大，意味着入射光子数 目越多，逸出的电子数也就越多。