光辐射的探测技术

光辐射的探测技术

[教学目的]

1、掌握光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原

理，光电探测器的噪声产生的原因和抑制方法。

2、了解光电探测器的性能参数、光敏电阻、硅光电池、光

电二极管的结构和工作原理。

[教学重点与难点]

重点：光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原理。难点：光电探测器的性能参数的内涵、各种常见光电探测元件的工作原理。

§1 光电探测器的物理效应

光电探测器——能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。

一、光子效应和光热效应

1. 光子效应

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。

特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。

2. 光热效应

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。

（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

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。

能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体，在光电管中又称

为光阴极。

爱因斯坦方程：ϕνE h E k -= 截止波长：)

(24.1)(eV E m c ϕμλ=

三、光电导效应

光导现象——半导体材料的体效应

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：

)

()

eV (E 24.1)m (g c 本征=

λ≤μλ

)

()

(24.1杂质eV E i =

式中g E 是禁带宽度, i E 是杂质能带宽度。

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加了一个量n ∆和p ∆。这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子,我们现在称之为光生载流子。显然, p ∆和n ∆将使半导体的电导增加一个量G ∆,我们称之为光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导。 四、光伏效应

光伏现象——半导体材料的“结”效应

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

——光电二极管

五、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。

提高测量灵敏度——若干个热电偶串联起来使用——热电堆

六、热释电效应

热释电材料——电介质——一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)。

热电体的|s P|决定了面电荷密度s 的大小，当s发生变化时，面电荷密度也跟着变化。

| s P |值是温度的函数——温度升高——| s P |减小。

升高到Tc值时,自发极化突然消失,T C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。

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。

()dt dn hv dt dE

t P 光==

()dt dn e dt dQ

t i 电

== D ——探测器的光电转换因子

()()t DP t i =

ηhv e D =

式中：

dt

dn dt dn 光电

=

η——探测器的量子效率

)()(t P hv e t i η=

基本的光电转换定律：

(1)光电探测器对入射功率有响应,响应量是光电流。因此,一个光子探测器可视为一个电流源。

(2)因为光功率P 正比于光电场的平方,故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说,光电探测器本质上一个非线性器件。

§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，它是光电探测器光电转换特性的量度。 光电流i （或光电压u ）和入射光功率P 之间的关系)(P f i =称为探测器的光电特性。

灵敏度R 定义为这个曲线的斜率：

)

/()(W A P i

dP di R i 线性区内==

)

/()

(W V P

u dP du R u 线性区内==

R i ——电流灵敏度（积分电流灵敏度） R u ——电压灵敏度（积分电压灵敏度） 二、光谱灵敏度R λ

λ

λλ=

dP i R

相对光谱灵敏度λS ：

m R R s λλλ/= 光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要 三、频率灵敏度R f （响应频率f c 和响应时间τ）

如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流i f 将随调制频率f 的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度R f 。

τ——探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定：

2

0)2(1τπ+=

f R R f

四、量子效率η

i R e h ν=

η

光谱量子效率：

λλλ=

ηi R e hc

五、通量阈P th 和噪声等效功率NEP

通量阈——探测器所能探测的最小光信号功率 噪声等效功率NEP ——单位信噪比时的信号光功率 信噪比SNR 定义为：

()电压信噪比电流信噪比n

s

n

s

u u SNR i i SNR =

=)(

六、归一化探测度D *(读作D 星)

探测度D ：

()1

/1-=W NEP

D

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f N ∆∝——()2/1f i n ∆∝——()2

/1-∆∝f D

探测器的噪声功率A N ∝——A N ∝——()2/1A i n ∝——()

2

/1-∝A D

定义：

()W

Hz

cm f

A D

D /2

/1-∆=*——归一化探测度

给出D *值时注明响应波长λ、光辐射调制频率f 及测量带宽△f,

即D *(λ, f, △f )。 七、噪声

依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声和低频噪声三类。

§3 常用光电探测器简介

一、光敏电阻

光电导效应原理（半导体材料的体效应）——光电导探测器 ——光照下改变自身的电阻率（光照愈强,器件自身的电阻愈小） ——光敏电阻（光导管）

本征型光敏电阻 —— 一般在室温下工作

适用于可见光和近红外辐射探测

非本征型光敏电阻—— 通常在低温条件下工作

常用于中、远红外辐射探测

1. 光敏电阻的结构和偏置电路