第四章 光辐射探测
光学辐射探测
光学辐射探测的应用——基于红外成像的生命探测仪1光学辐射探测简介光学辐射是波长10nm～1mm之间的电磁辐射，包括紫外光、红外光以及可见光，可见光波长380～780nm，由于光波是电磁波的一种，因而它具有电磁波的基本特性。
以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，可以用平面镜、透镜或棱镜之类的光学元件反射、成像或色散，这种能量传播的过程称为辐射。
辐射度学：是一门测量电磁辐射的科学和技术。
在整个电磁辐射波谱范围内，不同波段的辐射能可以用不同的测量方法进行测量[1]。
光辐射探测器是一种用来探测光辐射的器件（军用光学中最常用的是可见光和红外辐射），它通过把光辐射转换成易于测量的电量来实现对光辐射的探测，是光探测系统的重要组成部分。
为了深入研究光辐射的探测过程以及对光探测系统的性能进行正确的分析计算，首先要了解光辐射探测器赖以工作的物理效应、光电转换的基本规律和光辐射探测器的特性参数。
从不同的角度出发可以将光辐射探测器分为不同的类型。
按其是否成像可以分为成像型和非成像型辐射探测器，按工作方式可以分为相干探测和非相干探测，按其反应机理可以分为光子探测器和热探测器，按其结构可分为单元和多元探测器，下面就部分类型进行介绍：热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。
这是一类研究最早并且较早得到实际应用的探测器。
由于其中的相当多探测器不需制冷，以及在全部波长上具有平坦响应两大特点，一直有广泛的应用。
而另外由于其在红外热辐射领域具有较好的大气传输特性，因此，红外热辐射的探测近年已经成为军事及民用发展的重要方向。
2红外热成像技术红外热成像技术最早在军事领域得到广泛应用，并且已经成为军事应用中具有重要战略地位的高新技术手段。
除此之外，红外成像技术还应用于各个方面，比如：应用于卫星的侦查、遥感和预警，对国家安全和经济利益有重大的影响；应用于战场系统中，避免电磁干扰，获取战场信息优势，成为获得胜利的主要技术；服务于飞机、舰艇、车辆的夜间导航与侦查，现代装备大部分装有红外仪器；应用于导弹的精确制导方面，成为重要反坦克导弹和肩射地空导弹发射的热瞄具；广泛应用于海上巡逻与救援、编队航行等方面。
第四章 光辐射的探测技术
Ri
di dP
i P
Ru
du dP
u P
(线性区内) (安/瓦) (线性区内) (伏/瓦)
R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为 电表测量的电流、电压有效值。
光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。
二、光谱灵敏度Rλ
光功率谱密度Pλ由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件
不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为iλ，于是光谱灵敏
Pt dE hv dn光
dt
dt
it dQ e dn电
dt dt
it DPt
D—探测器的光电转换因子
D e
hv
dn电 dn光
dt dt
光电转换定律:
i(t) e P(t)
hv
——探测器的量子效率
*光电探测器对入射功率响应(光电流) ——一个光子探测器可视为一个电流源。
**光功率P正比于光电场的平方 ——平方律探测器——非线性器件(本质)。
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。
二、光电发射效应
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。 光电发射体
能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光阴极。
爱因斯坦方程
Ek h E
Ek
1 2
2
E ：光电发射体的功函数
（1）如何衡量一个光电探测器的质量好坏？ （2）选择一个好的光电探测器需要注意哪些 关键指标？
一、积分灵敏度R
灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特性，光电 转换的光谱特性以及频率特性的量度。
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f (P)，称 为探测器的光电特性。
光电子技术复习
光电⼦技术复习第⼀章1、光电⼦技术的定义光电⼦技术是光学技术与电⼦技术结合的产物，是电⼦技术在光频波段的延续和发展。
是研究光（特别是相⼲光）的产⽣、传输、控制和探测的科学技术。
2、电磁波的性质1.电磁波的电场和磁场都垂直于博得传播⽅向，三者相互垂直，电磁波是横波，和传播⽅向构成右⼿螺旋关系。
2.沿给定⽅向传播的电磁波，电场和磁场分别在各⾃平⾯内振动，称为偏振。
3.空间个点磁场电场都做周期性变化，相位同时达到最⼤或最⼩。
4.任意时刻，在空间任意⼀点，H E µε=5.电磁波真空中传播速度为001µε=c ，介质中的为εµ1=v3、⾊温的概念规定两波长处具有与热辐射光源的辐射⽐率相同的⿊体的温度。
4、辐射度学与光度学的基本物理量作业：1、2第⼆章⼀、光波在⼤⽓中的传播1、光波在⼤⽓中传播时，引起的光束能量衰减和光波的振幅和相位起伏因素光波在⼤⽓中传播时，⼤⽓⽓体分⼦及⽓溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空⽓折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏2、⼤⽓分⼦散射的定义、特点；瑞利散射的定义和特点定义：当光线穿过地球周围的⼤⽓时，它的⼀些能量向四⾯⼋⽅反射。
特点：波长较短的光容易被散射，波长较长的光不容易被散射。
瑞利散射定义：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远⼤于分⼦的线度，这⼀条件下的散射为瑞利散射。
瑞利散射特点：波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
所以天空呈蓝⾊。
3、⼤⽓⽓溶胶的定义、瑞利散射、⽶-德拜散射；⼤⽓⽓溶胶：⼤⽓中有⼤量的粒度在0.03 µm到2000 µm之间的固态和液态微粒，它们⼤致是尘埃、烟粒、微⽔滴、盐粒以及有机微⽣物等。
由这些微粒在⼤⽓中的悬浮呈胶溶状态，所以通常⼜称为⼤⽓⽓溶胶。
瑞利散射：散射粒⼦的尺⼨远⼩于光波长时，散射光强。
⽶德拜散射：散射粒⼦的尺⼨⼤于等于光波长时，散射光强对波长的依赖性不强。
⼆、光波在电光晶体中的传播1、电光效应的定义及分类电光效应：在外电场作⽤下，晶体的折射率发⽣变化的现象。
(整理)辐射探测与测量-要求及答案 四川大学版
熟悉内容： 1. 闪烁体的作用； 2. 光电倍增管中光阴极、次阴极、阳极的作用； 光阴极是接受光子并放出光电子的电极。 次阴极又称倍增极打拿极，使通过光阴极的光电子通过各级时倍增。 阳极把所用电子收集起来，转变成电信号输出。 3. 光电倍增管暗电流产生的原因、对测量的影响？？？？？；
6. 几个概念： 电离损失：带电粒子与靶物质中的原子的原子核外的电子发生非弹性碰撞，导致原子电离或 激发，因而损失其能量。 辐射损失：入射带电粒子与物质原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子的形式损失能量。 散射：β粒子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量，这种过程称 为弹性散射。 轫致辐射：带电粒子与物质原子核发生非弹性碰撞时，带电粒子接近原子核时，速度迅速降 低，会发出电磁波，产生轫致辐射。 射程：入射粒子在吸收物质中，沿入射点到它终点之间的直线距离。 比电离：单位路程上的离子对数目。 歧离现象： 光电效应：γ光子与靶物质相互作用，γ光子的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些 电子从原子中发射出来，γ光子本身消失。 康普顿效应：入射入射γ光子与原子核外的电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给 电子，使它反冲出来，而光子的运动方向和能量都发生了变化，而称为散射光子。 电子对效应：γ射线从原子核旁边经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转化为一个正 电子和负电子。 角分布： 吸收曲线：粒子强度随吸收片厚度的变化的曲线。 吸收系数： 半吸收厚度：
1）测量坪曲线的方法、坪曲线各参数、由坪曲线选择工作电压的方法； 起始电压：计数管放电的阈电压；坪斜：通常以工作电压 Vp 每增 100V（或 1V）时的计数率增长的百分率表示；坪 长：坪区长度；
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精品文档 2）死时间、恢复时间、分辨时间；
光学辐射探测课件
光学辐射探测课件第一章绪论二十一世纪是光的世纪，这句话实际上在数十年前已经提出，但当时大多数人似乎还难于理解它的含义，事实上在以前由于受到器件、技术以及设备等等的限制，光学技术在高新技术领域的应用范围还是非常窄的，当时的光电领域所提及的光电产品无非是一些最常用的器件、设备和仪器，譬如说是电灯、电话、电视等，而随着现代科技的飞速发展，光学技术的应用领域正以惊人的速度扩展，光学技术的应用主要是在光探测领域的应用，包括从紫外到超远红外波段乃至亚毫米波段的成像探测与非成像探测；光通信技术中的应用，由于光通信所用的波长在0.8～1.7μm，之间，其频率比微波要高3～4个数量级，因此其通信容量也有要高3～4个数量级，事实也证明是一种效率极高的通信方式；计量学中的应用，如干涉测长，激光测速；全息技术应用，如全息干涉度量技术信息的全息存储、全息瞄准等；光纤传感技术，有光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤光谱传感器、光纤磁场传感器等；光盘技术，有光盘的记录与读取；激光加工：有激光打孔、切割、焊接、激光热处理等激光加工技术；激光武器：当前欧美等国都倾向于应用高能化学激光器。
化学激光器在各类激光器中亮度、连续平均功率最高，输出功率最高达兆瓦级。
在波段及化学激光器应用方面，现有波长 1.31μm的氧化碘(IO)、2.8μm的氟化氢(HF)及3.8μm氟化氘(DF)三种激光器。
氧碘型高能激光器的工作波段低于水蒸气吸收截止波长（1.72μm)，可用于机载或地面作战平台(如空军机载激光器采用氧碘型)，氟氢型的波段正处于大气吸收严重的2.6～3μm范围内，用于天基反导武器，而氟氘型的波长正处于3.6～4μm大气窗口波段，用于舰载及陆军的综合反导武器。
中国在2000年以前就已经实现了化学激光武器的重大突破，而这话出自于范滇元之口，权威性是毋庸置疑的，因为范滇元是我国强激光领域的权威，“神光”2号和3号的总工程师。
化学激光器是用化学反应來产生激光的．如氟原子和氢原子发生化学反应时, 能生成处於激发状态的氟化氢分子．這样, 当两种气体迅速混合后, 便能产生激光, 因此不需要别的能量, 就能直接从化学反应中获得很强大的光能．這类激光器比较适合於野外工作, 或用於军事目的, 令人畏惧的死光武器就是应用化学激光器的一项成果．从这里我们也可以看出，有相当数量的光学技术或其应用是同光学辐射的探测技术紧密相关的，如光探测、干涉计量、光纤通信、光纤传感等等，因此光学辐射探测学应该说是一门在当今科学技术高度发展的社会非常重要的课程，本课程的地位是十分重要的。
光电子学教程_课后作业答案
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
2. 说明相干长度相干时间与光源的关系：相干面积，相干体积的 物理意义。 答：根据
lc c c , c 1 1 c c , lc
故：光源频率宽度 越窄，相干时间越长，相干长度也越长。 根据P49(3-1-12),相干面积的物理意义：从单位面积光源辐射出的 光波，在其传播方向上发生相干现象的任一截面面积范围为辐 射波长λ与该截面至光源距离R的乘积的平方。
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9. 经典物理观点：跃迁所发出的电磁波不是单色波，而是分 布在中心频率附近的一个小的频率范围的单色波的组合， 在谱图上正好表现为一定宽度。 量子力学观点：由测不准关系，在某一时刻，粒子所处的 能级也是不确定的，即能级不是单一的，跃迁的结果也就 相当发出了多种不同频率的光子，形成了谱线宽度。自发 辐射过程中这种增宽效益是不可避免的，也是谱线宽度所 能达到的最低值，因而决不存在线宽为0的情况，即不可 能发出绝对的单色光。 由此可见，没有绝对单一波长的光波存在。
1好好学习天天上上03电子科学与技术光电子学课程作业光电子学课程作业参考用标准答案参考用标准答案202162203电子科学与技术章节目录第五章第五章光辐射的探测光辐射的探测第四章第四章光辐射在介质中波导中的传播光辐射在介质中波导中的传播第三章第三章激光振荡与工作特性激光振荡与工作特性第二章第二章介质中的光增益介质中的光增益第一章第一章光与物质相互作用基础光与物质相互作用基础第六章第六章发光器件发光器件第七章第七章光电转换器件光电转换器件第八章第八章第八章第八章光波调制光波调制03电子科学与技术电子科学与技术companylogo好好学习天天
1 I ( x) G ln x I0
1 1 ln 2 ln 8 5 x
光辐射的探测及成像技术
(1)对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射； (2)电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小； (3)材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出； (4)电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。
外光电效应——光电发射效应
金属的光电发射
金属反射掉大部分入射的可见光(反射系数大于90%)，吸收效率较低，且光电子与金 属中大量自由电子碰撞，能量损失大，因而只有表面附近(几纳米范围内)的光电子才 有可能克服逸出功(大都大于3eV)发出光电子。对于能量小于3eV的可见光很难产生 光电发射，只有铯(逸出功2eV)对可见光灵敏，可用于可见光电极，但其量子效率很 低(小于0.1%)，在光电发射前两阶段能量损耗极大。
外光电效应——光电发射效应
半导体光电发射
半导体光电发射的光电逸出参量有两个，分别是电子亲和势和电子逸出功。 电子亲和势是指导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级 (真空中静止电子的能量)与导带底能级之差。有表面亲和势和体内亲和势之分。表面 亲和势是材料参量，与掺杂、表面能带弯曲等因素无关，而体内亲和势不是材料参量， 可随表面能带弯曲变化。 电子逸出功是描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，在数量上等于电子逸出表面所 需的最低能量，即光电发射的能量阈值。
光电探测的物理效应
光电探测的物理效应可以分为三大类：光电效应、光热效应和波相互作用效应，并以 光电效应应用最为广泛。
光电效应
是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应。事实上，此处我 们所指的光电效应是一种光子效应，也就是单个光子的性质对产生的光电子直接 作用的一类光电效应。
外光电效应和内光电效应
流方向 I p 与结电流方向相反，而与P-N结反向饱和电流 I 0 同向，且 I p I 0 。
4-2光电探测器偏置电路-精品文档
令上式=0 VB Rs VS max R 则 R 时，有极大值： 4Rl
s l
这时叫功率匹配, 信号电压最大。
c) 最佳偏置条件的确定
VB Rl dRs Vs ( Rl Rs )2
在偏置电流Il一定条件下,由上式可知： Rl↑→Vs↑。 但实际上当负载电阻RL↑时,为保持固定的Il,应 该VB↑
例：化学沉淀PbS最大功耗Pm为0.2瓦每平方厘米,
使用时要低于比值，取0.1瓦每平方厘米推导最大 功耗Pm与VB的关系：
V Il B R S R l
2 V 2 BR S P I R m l S 2 (R R ) S l
P 0 .1 A m d V ( R R ) (R B m a x S l S R l) R R S S
输出点A的直流电压： 信号电压为：
V B Rs VA ( Rl Rs )
VB Rl dRs Vs (Rl Rs )2
V d R V R d R B s B s s V d V d V s 0 A 2 R R ( R R ) l s l s
分析： a)VS与VB的关系 VB↑→VS↑ 但太大,功耗Pm↑——损坏器件
2.三种偏置情况的比较
从可以获得的响应度来考虑，则恒流偏置优于匹配偏
置，匹配偏置又优于恒压偏置。
由于恒流偏置通常需要较高的偏置电压源，在实用中
可以采取匹配偏置而获得与恒流偏置相当的响应度。
2.三种偏置情况的比较
如果从放大器输出的信噪比考虑，那么，在以上三种
偏置状态的偏置电流相等的情况下： 当探侧器与放大器系统的噪声以探测器的非热噪声为 主时，输出的S/N与偏置状态无关； 当系统以探测器的热噪声为主时，恒流偏置可以获得 的S/N最大，匹配偏置次之，恒压偏置最小。
光电成像原理与技术第四章课后题答案
光电成像原理与技术第四章课后题答案在光电成像中，传感器的工作原理和光学成像基本相同，只是在特定条件下，传感器产生的光信号有不同的传播方向。
在光电成像中，传感器的信号由光电探测器接收。
通过光电探测器和光电传感器接收到的光信号经过光电探测器和光电传感器所构成的二维网络，然后通过二维网络传输到成像单元中储存信号。
光学成像采用像素(pixels)二维连续成像技术。
像素是指根据光子传播方向和位置，可以直接地将成像过程分为两个部分：光路部分和成像单元(pixels)。
光路部分包括光路光源与反射光（如可见光）相互作用的过程；成像单元是由二个或更多块光路组合而成，用来接收和显示从可见光到近红外所发生的各种波长（包括可见光、红外线和紫外线）传输过来的光信号。
每一个部分都由光源、反射镜和探测器三部分组成。
1.选择正确的光源光源有直接光源和间接光源两种。
直接光源指通过灯管发光的光源，如荧光灯、卤素灯等。
直接光源的亮度一般为400~1000 lm/m2。
间接光源是指利用光的辐射原理来发出光源所需各种光学元件、结构或器件时所采用的光。
例如发光二极管(LED)、激光二极管(Light-Emitting Cables)、红外 CCD灯等。
间接光源既可以直接用在光源上直接显示图像，也可以用在非直接光源上显示图像。
需要注意的是，间接光源与直接光源在工作原理上有许多不同之处。
一方面，间接光源通过光管发光但亮度不高，而直接光源通过光管不发光（如 CCD灯）且亮度可调。
另一方面，直视光源产生成像图像时还会产生一些影响图像亮度的非视场角（如 CCD灯),这会影响图像中感光元件发出的光密度。
2.光源为光电探测器提供良好的照明和热输出光源是光电探测器的直接光源，其作用是通过将光通过光路而将反射光吸收，并通过反射光产生可见光信号。
可见光光子在波长为200~400 nm范围内的波长范围内传播时有一定的散射系数。
所以需要为探测器提供良好的照明，以保证探测器的正常工作。
第四章 光辐射探测.ppt
光电探测器和其它器件一样，有一 套根据实际需要而制定的特性参数，用 于评价探测器的性能优劣。
光电探测器的性能参数主要的有：积 分度效灵功Rf敏率，N度量ER子P，，效光归率谱一η灵，化敏通探度量测R阈度λ PD，t*h频和等率噪。灵声敏等
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信号的能力越强。
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六、归一化探测度D*(读作D星)
探测度D： D 1/ NEP W 1
探测器光敏面积A和测量带宽△f对D值影响大。 探测器的噪声功率 N f —— in f 1/ 2 ——
D f 1/ 2
探测器的噪声功率—— N —A — in A1/ 2 —— D A 1/ 2
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4.3 光电探测器的噪声
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一、噪声的概念
主要分为:有形噪声和无规噪声 前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。 后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。 例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射， 半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种 无规则起伏施加给有用信号。 起伏噪声对有用信号的影响。 假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变 放大量的理想放大器。
长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其 时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。
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但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时 间的平均值，再开方，就得到所谓方均根噪声电压un，即
第四章-_光电检测技术——热电器件
测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它
与测温热电偶的原理相同，结构不同。如
图5-6（b）所示，辐射热电偶的热端接收
入射辐射，因此在热端装有一块涂黑的金 箔，当入射辐射能量 We 被金箔吸收后， 金箔的温度升高，形成热端，产生温差电 势，在回路中将有电流流过。图5-6（b）
之和。即 W eC Qdd TtG Q T
设入射正弦辐射能量为 We W0ejt
则 C Qdd TtG Q TW 0ejt (2)
若选取刚开始辐射器件的时间为初始 时间，则此时器件与环境处于热平衡 状态，即t = 0,ΔT = 0。将初始条件代入 微分方程(2)，解此方程，得到热传导 方程为
GQt
第一节 热电检测器件的基本原理
一、热电检测器件的共性
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转 换成热能，然后再把热能转换成电能的器 件。输出信号的形成过程包括两个阶段：
第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段
（入射辐射引起温升的阶段），是共性的， 具有普遍的意义。
第二阶段是将热能转换成各种形式的电能 （各种电信号的输出）阶段，是个性阶段
式中, C th 为热电堆的热容量， Rth 为热电堆的热阻抗。
从上二式可看出：若使高速化和提 高灵敏度两者并存，就要在不改变
R th 的情况下减小热容 。热阻抗
由导热通路的长和热电堆以及膜片 的剖面面积比决定。
四、使用热电偶的注意事项
（1）不许强辐射照射，Φmax<几十微瓦 （2）电流<100μA，一般在1μA以下，不要
①负温度系数的热敏电阻 RT ReBT(4-27)
②正温度系数的热敏电阻
(4-26)
RT R0eAT
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外 光 电 效 应 是指在光照情况下，电子逸出电子表 面的现象。 可制作：光电管和光电倍增管。 指在光照情况下，物质内部原
光 电 效 应
内 光 电 效 应
光电导效应 子释放的电子留在内部而使物 体的导电性能增加，电阻值减 小的现象，大多数高电阻的半 导体都具有这种现象。 光生伏特效应：产生一定方向电动势的现象。
表示是以５００k黑体为目标，调制频率为８００ＨＺ， 带宽为１ＨＺ的条件下所获得的值．
【3 光敏电阻材料】
1） Cds和CdSe Cds和CdSe这两种器件是用于可见光和红外区域最广泛 的光电导器件。CdS光敏电阻可在人视觉接近的范围内
灵敏地工作，其线性度和温度特性都很好，但缺点是响
应速度不快，约几十毫秒。 CdS常用于照相机或专门的 测光表中。 而CdSe的响应与白炽灯或氖灯的光源的输出具有良 好的匹配，线性度和温度特性都不太好，但其响应速度
快，几个毫秒。所以CdSe光敏电阻常用作光电开关使用
。
2）PbS 和 PbSe 在波长范围为1 ~ 5m 的近红外线范围内应用。
这两者的特点是：都是本征光电导器件，检测精度高，
可在室温下使用，所以被广泛地应用。 此外，还有应用于低温环境下的，如：本征型半导 体：HgCdTe ；掺杂型的： Ge：Au、Ge：Zn 、Si：Ga 等。
（2）光谱响应特性和光电灵敏度
（3）伏安特性 （V/R—V为直流负载线）
（4）频率响应特性
频率特性好,适宜于快速变化的光信号探测。
光电二极管的频率特性响应主要由三个因
素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散 时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间； (c)与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电 路时间常数。
Iv
RIv I / (A / Lm)
光照-电阻特性
光照特性
伏安特性
３) 光谱响应 光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色 灵敏度或光谱灵敏度。而把光谱灵敏度随波长的关系曲线叫 做光谱响应或光谱特性。
４) 量子效率
光敏器件的量子效率是指器件吸收辐射后，产生的光生 载流子数与入射辐射光子数之比
光子照射
产生
电子-空穴对，当pn结反向电压足
够高时，它们在结内高电场作用下，获得足够高的动 能，在定向运动过程中与晶体原子碰撞产生新的电子 -空穴对，新产生的电子和空穴又在电场中获得足够 能量，通过碰撞再产生电子和空穴……如此下去，像
雪崩一样迅速反应而激发出大量的载流子，使初始的
光电流大大增加。
4.2.4硅光电池
穴向负电极方向运动称为漂移。
讨论漂移运动的重要参量： 迁移率μ（电子迁移率μn，空穴迁移率μp），μ的大小 主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。
上图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表 面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子， 其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子 就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到 均匀分布。
光电流的形成
光电流由两部分组成：1）光照下，在I区产生
电子-空穴对，电子和空穴在强电场下分离，电子
向n区移动 而空穴向p区移动，并以光电流形式向 外流出； 2）还有一部分光电流是由于光进入到了n区里 ，产生了空穴，空穴进入I层内，同样也产生漂移
【4.2.3 雪崩二极管】
它是利用pn结当加的反向偏压接近击穿时， 发生载流子碰撞雪崩电离，以获得光生载流子
N型半导体
i u M 2 u p p eN l
tn
【2光电导器件的各种参数】
１) 光特性
表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、电压或电流 等量与入射辐射之间之间的关系。该特性将指导我们在选 用光敏器件时，确定其工作点和线性范围。
２) 灵敏度
又称为响应度。它表示器件将光辐射能转化成电能的 能力。具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号 的输入光辐射通量之比。输出电信号由器件及偏置电路的 特性决定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的 光灵敏度 R 为：
4.2 光伏效应
光电二极管和光电导器件都是利用内光电效应的光
接收器件，所不同的是：光电二极管是利用PN结在光辐
射作用下产生的光伏效应制成的。而光电导器件是利用 光生载流子引起的电流变化作为了电信号附加在外部偏 压上而被检测出来。 主要有光电池、光电二极管、光电三极管等。对于 二极管而言，由于它利用的是PN结的内部电场，所以往 往使用反向电压。
其中，q为电子电荷大小；
电导率的变化，引起通过其的电流大小的变化。
A i u l
u为加在器件两端的电压。
n
N n Al
N p p Al
带入可得：
eNu i uG 2 ( n n p p ) l
电流增益：
M i u 2 (un n u p p ) eN l
５) 光敏器件的噪声 当器件无光照时，输出电压或电流的均方值或均方 根值叫噪声。 ６) 噪声等效功率D
噪声等效功率（noise equivalent power，ＮＥＰ）
又称为等效噪声输入．它的值等于信噪比等于１时的入 射光功率的大小．它标志器件探测光辐射的极限水平． ７) 光敏器件的探测率 该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式，它
1.24 (um) Ei (eV )
光照下的伏安特性
I I s {e
qV kT
1} I
图4-5 光电二极管的电压-电流特性
4.2.1光电二极管
反偏电压pn结光伏探测器——光导工作模 式 ——光电二极管 常见的光电二极管有：Si 光电二极管， PIN光电二极管,雪崩光电二极管（APD） 肖特基势垒光电二极管等。
强内部电场的区域，减小了载流子的渡越时间；
②通过加入这个高阻层I层，扩大了携带电信号
的光生载流子的产生空间，从而提高了灵敏度；
③降低了影响频率响应的pn结的电容量，
即降低了回路的时间常数，从而提高了其
频响速度。实际应用中决定光电二极管的
频率响应的主要因素是电路的时间常数。
合理选择负载电阻是一个很重要的问题。 PIN光电二极管在光通信、光雷达和快速光 电自动控制领域有着广泛的应用。
【1结构与符号】
【2光生伏特效应】
载流子的输运—扩散与漂移 一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起
载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载
流子产生净位移，从而形成电流。
（1）扩散
载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的 点运动。
（2）漂移
载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空
【 光谱、频率响应及温度特性】
光电池的频率特性不太好,原因有二： 一是光电池的光敏面一般做的很大，导致 结电容较大；二是光电池的内阻较低，而 且会随输入光功率的大小变化。
在强光照射或聚光照射情况下，必须考
虑光电池的工作温度及散热措施。通常Si 光电池使用的温度不允许超过125℃。
【4.2.2. PIN硅光电二极管】 要改善硅光电二极管的频率特性，由 前面分析可知：应设法减小载流子的扩散 时间和结电容。 PIN硅光电二极管就是在P区和N区之 间加上一本征层（I层）光电二极管。
P I N
高阻层起的作用
I层载流子浓度非常低是一个高阻层。
①在pn结上加上反向偏压后，它将成为具有较
N ( x) N0e
x / L
光注入，非平衡载流子扩散示意图
对于漂移
在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目
远比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献 。
对于扩散
在扩散情况下，如光照产生非平衡载流子，此时非
平衡少子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是
少子。
【3 PN结光伏效应的产生】
1）内电场的形成 ① 电中性的P型半导体 电中性N型半导体
【1.Si光电二极管】 （1）结构原理
Si光电二极管有两种：
采用N型单晶硅和扩散工艺获得p+n结构硅光电二 极管(2CU)； 采用P型单晶硅和磷扩散工艺获得n+p结构硅光电 二极管（2DU）。
一律采用反偏。
p+n结构硅光电二极管(2CU)
n+p结构硅光电二极管（2DU）：
光敏区外侧有保护环（ n+ 环区），其目的是表面层 漏电流，使暗电流明显减少。其有三根引出线，n侧的 电极称为前极， n侧的电极称为后极，环极接电源偏置 正极，也可断开，空着。
零偏压pn结光伏探测器——光伏工作模式——光电 池 硅光电池的用途：光电探测器件，电源。
【 短路电流和开路电压】
光 电 池 等 效 电 路
短路电流——RL=0，开路电压——RL=∞。 单片硅光电池的开路电压约为0.45～0.6V，短路 电流密度约为150～300A/m2。
【测量方法】
在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使 光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或 电位差计接在光电池两端，测量出开路电压； 在同样条件下，将光电池两端用一低内阻 （小于1Ω）电流表短接，电流表的示值即 为短路电流。
vn vn l n E u
半导体的电导率：
p
vp E
v pl u
enn ep p
半导体的电导：
A G l
在光照情况下，光生载流子率分别为： n 和 p
则：
qne qph
e 、h 为电子和空穴的迁移率； n, p 分别为电子和空穴产生的速率。
是噪声等效功率的倒数.
D 1 / NEP
8) 光敏器件的归一化探测率 D
由于器件特性与其光敏面面积大小、检测电路的带 宽等因素有关，为将光敏器件特性建立在统一比较的基 础上，引入“归一化探测率”的概念，又称“比探测率 ”。