第三章 光辐射探测器

率应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和
Ge Gt Ne, rt
导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为
R K f (n ni )(p pi )
式中，Kf为载流子的复合几率，Δ n为导带中的光生电 子浓度，Δ p为导带中的光生空穴浓度，ni与pi分别为热 激发电子与空穴的浓度。 同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及价带内空
物质表面，形成真空中的电子的现象称为外光
电效应。
1 内光电效应
1）. 光电导效应
光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导
效应两种，本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸
收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生 自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空 穴使半导体的电导率发生变化。这种在光的作用下由 本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光
电导效应。
通量为Φe,λ 的单色辐射入射到如图所示的半
导体上，波长λ 的单色辐射全部被吸收，则光敏层
单位时间所吸收的量子数密度Ne,λ应为
N e,
Φe, hbdl
光敏层每秒产生的电子数密度Ge为
Ge Ne,
在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与
热电子复合率rt相平衡。光敏层内电子总产生
电探测器件，这些器件统称为光电发射器件。
光电发射器件具有许多不同于内光电器件的特点：
1. 光电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，可以
通过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统提高光电
探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号，成为像增强
器与变相器技术的基本元件。 2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电成像器 件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间分辨率要高于半导 体光电图像传感器。
Ne, K f (np pni npi )
下面分为两种情况讨论：
（1）在微弱辐射作用下，光生载流子浓度Δ n远小于热激
发电子浓度ni，光生空穴浓度Δ p远小于热激发空穴的浓
度pi，并考虑到本征吸收的特点，Δ n=Δ p，式子可简化
为
dn Ne, K f n(ni pi ) dt
半导体的光磁电效应。
光磁电场为
EZ qBD( n p )( p0 pd ) n0 n p0 p
式中，Δp0，Δpd分别为x=0，x=d处n型半导体在 光辐射作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓 度；D为双极性载流子的扩散系数，在数值上等 于
D Dn Dp (n p) nDn pDp
结区形成由正负离子
组成的空间电荷区或耗尽区。
当设定内建电场的方向为电压与电流的正方向时，将PN
结两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量为Φe,λ 的辐射作用于PN结上，则有电流I流过负载电阻，并在 负载电阻RL的两端产生压降U，流过负载电阻的电流应 为
qU KT
I I I D (e
其中，Dn与Dp分别为电子与空穴的扩散系数。
5. 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，它阻止载流子的运动。这个现象被称为光 子牵引效应。 在室温下，P型锗光子牵引探测器的光电灵敏度为
第3章 光辐射探测器
采用探测器将光辐射能变成可测量的量 常用：光电探测器、热探测器
几个概念

1.辐射能量的探测方法： 目视（主观）测量法 物理（客观）测量方法→光电效应 ，热电效 应
光电效应：把入射到物体表面的辐射能变成可测 量的电量（I、V、R）
热电效应：探测器接收光辐射能，引起物体自身 温度升高，温度的变化使探测器的相关电性能 参数变化（R、C、Q、V）
光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结
上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生
电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如图所示
的方向运动，
形成光生伏特电压或光
生电流的现象。
半导体PN结的能带结构如图所示，当P型与N型半 导体形成PN结时，P区和N区的多数载流子要进行 相对的扩散运动，以便平衡它们的费米能级差， 扩散运动平衡时，它 们具有如图所示的同 一费米能级EF，并在
结构图，由能级结构图可以得到处于导带中的电子的光电发射阈
值为
Eth EA
即导带中的电子接收的能量 大于电子亲合势为EA的光子 后就可以飞出半导体表面。
而对于价带中的电子，其光电发射阈值Eth为
Eth Eg EA
光电发射长波限为
hc 1239 L (nm) Eth Eth
利用具有光电发射效应的材料也可以制成各种光
4.光磁电效应
在半导体上外加磁场，磁场的方向与光照方向垂直，当半导 体受光照射产生丹培效应时，由于电子和空穴在磁场中的运
动必然受到洛伦兹力的作用，使它们的运动轨迹发生偏转，
空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方。 结果在垂直于光照方向与 磁场方向的半导体上下表 面上产生伏特电压，称为
光磁电场。这种现象称为
1 2
抛物线关系。 进行微分得
1 bd 1 e,2 d e, dg q 2 hK f l 3
1 2
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏 度不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关， 是非线性的。
2. 光生伏特效应
光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将
3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得整个探
测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，造价也昂贵。 4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。
Eth Evac E f
式中，为真空能级，一般设为参考能级为0；费米能级为 低于真空能级的负值；因此光电发射阈值Eth大于0。
对于半导体，情况较为复杂，半导体分为本征半导体与杂质半导 光电发射阈值的定义也不同。如图所示为三种半导体的综合能级
体，杂质半导体中又分为P型与N型杂质半导体，其能级结构不同，
1)
式中， IΦ为光生电流，ID为暗电流。
IΦ的另一种定义，当U=0（PN结被短路）时的输出电流ISC
即短路电流，并有
q I sc I (1 e d )Φe, h
同样，当I=0时（PN结开路），PN结两端的开路电压
UOC为
U OC
KT I ln( 1) q ID
光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为
I=IΦ+ID 光电二极管的暗电流ID一般要远远小于光电流IΦ，因此，
常将其忽略。光电二极管的电流与入射辐射成线性关系
q d I (1 e )Φe, h
3. 丹培（Dember）效应
如图所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被 光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高密 度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载流子浓度很低，形成浓 度差。
利用初始条件t = 0时，Δ n = 0，解微分方程得
n N e, (1 e
t

)
式中τ =1/Kf(ni+pi)称为载流子的平均寿命。
可见，光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，
当t>>τ 时，载流子浓度Δ n达到稳态值Δ n0，即达
到动态平衡状态
n0 Ne,
光激发载流子引起半导体电导率的变化Δ σ为
穴浓度pi的乘积成正比。即
rt K f ni pi
在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即
Ne, K f ni pi K f (n ni )(p pi )
在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生 率与总复合率的差。即
dn Ne, K f ni pi K f (n ni )(p pi ) dt
式中，n0与p0为热平衡载流子的浓度；Δn0为半导体表面 处的光生载流子浓度；μn与μp分别为电子与空穴的迁移 率。μn=1400cm2/(V· s)，而μp=500 cm2/(V· s)，显然， μn>>μp。
半导体的迎光面带正电，背光面带负电，产生光生伏特电压。称
这种由于双极性载流子扩散运动速率不同而产生的光生伏特现象 为丹培效应。
N e, n K f 2 tanh t
1
式中， 命。

1 K f N e,
为强辐射作用下载流子的平均寿
强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射 辐射通量间的关系为
bd 1 e2, g q hK l 3 f
光电探测器: 光电倍增管、光电管、光电池、光 导管、计数管
热Байду номын сангаас探测器：
热敏电阻、热电偶、热辐射计
光电效应
光与物质作用产生的光电效应分为内光电
效应与外光电效应两类。内光电效应是被光激
发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物
质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生
光生伏特的现象。而被光激发产生的电子逸出
这种由于载流子
迁移率的差别产
生受照面与遮光
面之间的伏特现
象称为丹培效应。
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
KT n p n p n0 ln1 UD n p q n p 0 n 0 p
p (1 r ) 1 e l Sv Ac 1 re l p p0 p 1 p0
2
外光电效应（光电发射效应）
当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表
面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射效应或称为外 光电效应。 外光电效应中光电能量转换的基本关系为