光电子技术课件：6_1 光电探测器的物理效应

*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)。
光电检测器件的特点
光子器件 响应波长有选择性，一般有 截止波长，超过该波长，器 件无响应
响应快，吸收辐射产生信号 需要的时间短，一般为纳秒 到几百微秒
热电器件 响应波长无选择性，对可见 光到远红外的各种波长的辐 射同样敏感 响应慢，一般为几毫秒
光电二极管
五、温差电效应
提高测量灵敏度 ——若干个热电偶串联起来使用 ——热电堆
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。
六、热释电效应
热释电材料——电介 一质种结晶对称性很差的压电晶体
在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩)
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。
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
Ri
di dP
i P
(线性区内) (安/瓦)
Ru
du dP
u P
(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。
Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光 谱灵敏度曲线。
七、光电转换定律
光辐射量转换为光电流量的过程 ——光电
转换 Pt
dE
hv
dn光
dt
dt
光子
p+
电极
it dQ e dn电
dt dt
it DPt
SiO2 n
耗尽层
电极 n+
D—探测器的光电转换因子
D e
hv
dn电 dn光
dt dt
i(t) e P(t)
hv 光电转换定律：
—— 探测器的量子效率
掺杂型 红外探测器
非放大 光电池 光电二极管
光生伏特探测器
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
一、光子效应和光热效应
光子效应(photonic effect )
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。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。光子能量的大小 直接影响内部电子状态的改变。
个量 G，我们称之为光电导。相应和杂质半导体就
分别称为本征光电导和杂质光电导。
四、光伏效应 光伏现象——半导体材料的“结”效应
例如：雪崩二极管
id is0 eeu/ kBT 1
m
1.24
Ei eV
光照零偏pn结产生开路电压的效
应
光伏效应
光电池
光照反偏
光电信号是光电流
结型光电探测器 的工作原理
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 条件下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为iλ， 于是光谱灵敏度Rλ定义为
R i / dP
Rλ是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测 器)，光子探测器则是选择性探测器。
通Biblioteka Baidu给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为 S R / Rm
光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的 能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性 能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生 的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。以 下是属于内光电效应的有（ BCD ）。
A、光电发射效应 B、光 电 导 效 应 C、光生伏特效应 D、光 磁 效 应
( m)
c
1.24 Eg (eV )
(本征)
1.24
(杂质)
Ei (eV )
Eg 是禁带宽度
Ei 是杂质能带宽度
光敏电阻
光子将在其中激发出新的载流子(电子 和空穴)。这就使半导体中的载流子浓度在 原来平衡值上增n加了变p 化量 和
这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载 流子-光生载流子。
显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一
特点:
对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。
光热效应(photothermal effect )
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部 电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运 动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又 使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。
特点:
原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。
§6.1 光电探测器的物理效应
光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件
光辐射量
光电探测器
电量
光子探测器 热探测器
热电探测元件
探测器件
光子探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管
光电导探测器
光磁电探测器
像增强器 摄像管 变像管
本征型 光敏电阻
电子离开发射体表面时的动能
截止频 率
截止波长
E h
c
h 6.6 1034 J s 4.131015eV s
c 31014 m / s 31017 nm / s
c (m)
1.24 E (eV )
三、光电导效应 光电导现象——半导体材料的“体”效应
光电导过程
光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件：
在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于( BD)
A、外光电效应 B、内光电效应 C、光电发射 D、光导效应
以下几种探测器属于热探测器的有：（ ABCD ）。
A、热电偶型 B、热释电型 C、高莱气动型 D、热敏电阻型
4.2 光电探测器的性能参数
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。
热电体的| |P决s 定了面电荷密度 的大s 小，当发生变 化时，面电荷密度也跟着变化
| P|s值是温度的函数——温度升高——| |减Ps小。
升高到Tc值时，自发极化突然消失，TC称为居里温度 热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用 比较缓慢，一般在1～1000秒量级 热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。
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
E ：光电发射体的功函数
Ek
1 mv2 2