第十讲光电探测器的物理效应

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三、光电发射效应
利用光电发射效应的器件 光电管
光电倍增管 像增强器
光电管
光电像倍增增强管器
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四、光电导效应
光照变化引起半导体材料电导变化的现象 称光电导效应。
半导体受光辐射时，电导率增加而变得易 于导电。
这种效应的产生，来自于材料因吸收光子后 ，其中的载流子浓度发生了改变。
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四、光电导效应
四、光电导效应
本征半导体 光辐射照射外加电压的本征半导体 ，如果光波长λ满足如下条件：
(m)
c

1.24 E g (eV )
Eg 禁带宽度
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导带 Eg
价带
四、光电导效应
掺杂半导体
光辐射照射外加电压的掺杂半导体 ，如果光波长λ满足如下条件：
(m) c

1.24 Ei (eV )
光伏效应也是太阳能发电的基本原理。
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五、光伏效应
利用光伏效应的器件 光电池
光电二极管 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
光电三极管 雪崩型光光电电场二效极应管管
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三种效应对照
光电导效应和光生伏特效应都属于内光电效应。
六、温差电效应
由两种不同材料制成的结点由于受到某
种因素作用而出现了温差，就有可能在两结 T1
能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光阴极。
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三、光电发射效应
光电发射大致可分三个过程： 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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一、光子效应
利用光子效应的器件
光电管 光电倍增管 像增强器 光导管或光敏电阻 光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器
肖特基势垒光电二极管
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二、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。
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光电探测器的物理效应 周自刚
本讲主要内容 一、光子效应 二、光热效应 三、光电发射效应 四、光电导效应 五、光伏效应 六、温差电效应 七、热释电效应 八、光电转换定律
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光电探测器(Detector) ：对各种光辐射进行接收和探测的器件
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点间产生电动势，回路中产生电流，这就是
特点 对光波频率没有选择性，响应速度比较慢。
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。
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二、光热效应
效应
相应的探测器
1）测辐射热计 负电阻温度系数 热敏电阻测辐射热计
正电阻温度系数 金属测辐射热计
超导
超导远红外探测器
2）温差电 3）热释电
热电偶、热电堆 热Fra Baidu bibliotek电探测器
当未受光照时，只有极少的热激发自由载流 子，绝大多数电子被束缚在局域价键上不能参与 导电。
导带中的自由电子极少，近似空带，而价电子 全部束缚于满的价带中，故电导率很小。
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四、光电导效应
当有光照射时，能量大于半导体禁带 宽度Eg的光子与价电子碰撞，价电子获得 能量成为自由电子，形成自由电子 -空穴 对，可参与导电的载流子。由于这一光电 效应增加了材料的载流子浓度，从而增加 了材料的电导率。
光辐射量
光电探测器
光电倍增管
电量
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一、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。
例如:光子效应在光电池等中体现
特点 对光波频率表现出选择性，响应速度快。
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一、光子效应
效应
1）光阴极发射光电子
外光电效应
2）光电子倍增 打拿极倍增
通道电子倍增
内光电效应
1）光电导（本征和非本征） 2）光生伏特
PN结和PIN结（零偏） PN结和PIN结（反偏） 雪崩
肖特基势垒
3）光电磁 光子牵引
相应的探测器 光电管
光电倍增管 像增强器 光导管或光敏电阻
光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器
4）其他
高莱盒、液晶等
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二、光热效应
光热效应探测器 热敏电阻测辐射热计 金属测辐射热计 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器 高莱盒、液晶等
新型快速热释电(Pyroelectric)探测器
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三、光电发射效应
金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν 足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料 表面逸出的现象，叫做光电发射效应，也称为外光电 效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。
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三、光电发射效应
爱因斯坦方程
Ek h E E ：光电发射体的功函数
Ek

1 m v2 2
电子离开发射体表面时的动能
截止频率


E h
c
截止波长
c (m)

1.24 E (eV )
h 6.6 1034 J s 4.131015 eV s c 31014 m / s 31017 nm / s
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一、光子效应
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。
内光电效应
当光照在物体上，使物体电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。
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。
Ei 杂质能带宽度
导带 施主能级
受主能级 价带
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Ei Ei
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四、光电导效应
利用光电导效应的器件 光敏电阻
光电摄像管 红外探测器
光敏电阻
光电摄像管
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五、光伏效应
指光照使不均匀半导体或半导体与金属组 合的不同部位之间产生电位差的现象，称为光 生伏特效应（简称为光伏效应）。
光伏被定义为射线能量的直接转换。在实 际应用中通常指太阳能向电能的转换，即太阳 能光伏。