第三章光電探測器,3.1 光電探測器的物理基礎(chǔ) 3.2 光電子發(fā)射探測器 3.3 光電導(dǎo)探測器 3.4 光伏探測器 3.5 熱電探測器 3.6 光電成值器件 3.7 各類光電探測器的性能及應(yīng)用比較,第三章光電探測器,3.1 光電探測器的物理基礎(chǔ) 3.2 光電子發(fā)射探測器 3.3 光電導(dǎo)探測器 3.4 光伏探測器 3.5 熱電探測器 3.6 光電成值器件 3.7 各類光電探測器的性能及應(yīng)用比較,3.1 光電探測器的物理基礎(chǔ),3.1.1 光輻射與度量 3.1.2 光電探測器概述 3.1.3 光電探測器的性能參數(shù) 3.1.4 光電探測器的噪聲,3.1.1 光輻射與度量,光的基本性質(zhì)回顧 1.光是一種電磁波物質(zhì) 2.電磁波譜（22個(gè)量級(jí) ） 3.光學(xué)波段 4.光的波粒二象性,3.1.1 光輻射與度量,光學(xué)中定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類： 1.一類是物理的輻射度學(xué)量，是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量； 2.另一類是生理的光度學(xué)量，是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強(qiáng)度。即光度量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性的人眼所接收到輻射量的度量。 3.輻射度量和光度量兩者在研究方法和概念上非常類似，它們的基本物理量也是一一對(duì)應(yīng)的。 4.在衡量光電探測器的性能時(shí)，或者是評(píng)價(jià)光電測量系統(tǒng)的指標(biāo)時(shí)，輻射度量和光度量是緊密相關(guān)的。,一、輻射度的基本物理量,1輻射能Q 輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J(焦耳)。 當(dāng)輻射能被物質(zhì)吸收時(shí)，可以轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，如熱能、電能等。 2輻射通量 輻射通量又稱輻射功率P，是輻射能的時(shí)間變化率。單位為W(瓦)，是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能。 =dQ/dt (Js，焦耳每秒),3輻射強(qiáng)度I 點(diǎn)輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位為Wsr(瓦每球面度)。 I =,在所有方向上輻射強(qiáng)度都相同的點(diǎn)輻射源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量為 = I 在空間所有方向( 4 )上發(fā)射的輻射通量為=4I 實(shí)際上，一般輻射源多為各向異性的輻射源，其輻射強(qiáng)度隨方向而變化，如圖所示。,4輻射照度E 輻射照度為投射在單位面積上的輻射通量，dA是投射輻射通量d的面積元，單位為Wm2(瓦每平方米)。 EddA 5輻射出射度M 輻射出射度為擴(kuò)展輻射源單位面積所輻射的通量，d是擴(kuò)展源表面dS在半球空間（2立體角)所發(fā)出的總的輻射通量，單位為W(瓦每平方米)。 M=ddS E和M的單位相同，區(qū)別：前者是描述輻射接收面（探測器）所接收的輻射特性。后者則為描述擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射特性。,6輻射率 L,輻射率定義為輻射強(qiáng)度與輻射表面在垂直于該方向平面上的投影面積的比值。又稱輻射亮度。,二光譜輻射量,1.光譜輻射量也叫輻射量的光譜密度。 2.光譜輻射量是輻射量隨波長的變化率。,光譜輻射通量（）： 輻射源發(fā)出的光在波長處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。輻射通量與波長的關(guān)系如圖。其關(guān)系式為 單位為Wm(瓦每微米)，或Wnm(瓦每納米)。,多色輻通量，全色輻通量,前面介紹的幾個(gè)重要的輻射量，都有與光譜輻射量相對(duì)應(yīng)的關(guān)系：,光譜輻照度： 光譜輻射出射度： 光譜輻射亮度： 輻射源的總輻射通量是：,三、光度學(xué)的基本物理量,1光譜光視效能 人的視神經(jīng)對(duì)各種不同波長光的感光靈敏度存在差異。不同的人對(duì)各種波長光的感光靈敏度也有差異。 對(duì)人眼來說采用光譜光視效能K()來表征不同波長輻射下的響應(yīng)能力。光譜光視效能K()為同一波長下光譜光通量與光譜輻通量之比，即 K()=v/e,2.光譜光視效率,由于人眼對(duì)等能量的不同波長的可見光輻射能所產(chǎn)生的光感覺是不同的，國際照明委員會(huì)(CIE)根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，確定了人眼對(duì)各種波長光的平均相對(duì)靈敏度，稱之為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”光譜光視效率，或稱之為視見函數(shù)V()。 不同光亮度條件下，人眼對(duì)波長的光譜光視效率不同，分為明視覺光譜光視效率和暗視覺光譜光視效率。,暗視覺光譜光視效率 虛線是亮度小于0.001cd/時(shí)的暗視覺光譜光視效率，用V()表示，此時(shí)的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的桿狀細(xì)胞刺激所引起的；V()的最大值在507nm處。,V(),V(),明視覺光譜光視效率 實(shí)線是亮度大于3cd/m2時(shí)的明視覺光譜光視效率，用V()表示，此時(shí)的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的錐體細(xì)胞的刺激所引起的V()的最大值在555nm處。,按人眼的視覺特性V()來評(píng)價(jià)的輻射通量即為光通量V，這兩者的關(guān)系為：,3.光通量,等號(hào)的左邊是光通量，其單位是流明(lm)； 等號(hào)的右邊的()d是輻射通量，單位是瓦(wnm），V()是光視效率，單位是1/nm。所以等號(hào)右邊引進(jìn)一個(gè)系數(shù)Km，從而使兩邊的單位一致。 Km的單位為流明瓦(lm/W) Km表示人眼對(duì)波長為555nmV(555)=1光輻射產(chǎn)生光感覺的效能。稱為最大光譜光視效能。亦稱為光功當(dāng)量。,按國際實(shí)用溫標(biāo)IPTS68的理論計(jì)算值為 Km683 ( lm/W ) Km683lmW。它表示在波長為555nm處，即人眼光譜光視效率最大(V=1)處，1W的輻射能通量相當(dāng)?shù)墓馔繛?83lm；換句話說，此時(shí)1lm相當(dāng)于1683W。 4.光度量和輻射度量之間的換算 Km確定之后，即可對(duì)光度量和輻射度量之間進(jìn)行準(zhǔn)確的換算。 由此可進(jìn)一步探討輻射度和光度基準(zhǔn)的統(tǒng)一。 同理，其它光度量也有類似的關(guān)系。用一般的函數(shù)表示光度量與輻射量之間的關(guān)系 ：,人眼的光譜光視效率的數(shù)值,5光度學(xué)的基本物理量,在輻射度量學(xué)中介紹的各個(gè)基本量、M、I、L和E對(duì)整個(gè)電磁波譜都適用； 在光度學(xué)中光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對(duì)應(yīng)的，只是光度量只在光譜的可見波段(380780nm)才有意義。為避免混淆，在光度量符號(hào)上加下標(biāo)“v”。 光度學(xué)中相應(yīng)量V、MV、IV、LV和EV與輻射度量、 M、 I、 L和E之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系由表給出。,輻射度量和光度量的對(duì)照表,6.光度量中的單位,1）最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉(cd) 是國際單位制中七個(gè)基本單位之一。 定義是頻率為5401012Hz(對(duì)應(yīng)在空氣中555nm波長)的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為 1/683(W/sr)時(shí)，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd。 2）光通量的單位是流明(lm) 1lm它是發(fā)光強(qiáng)度為1cd的均勻點(diǎn)光源在單位立體角(1sr)內(nèi)發(fā)出的光通量。 3）光照度的單位是勒克斯(lx) 1lx它相當(dāng)于1lm的光通量均勻地照在1面積上所產(chǎn)生的光照度。,解： OP=x，P點(diǎn)所在球面的面積為：s=4x2 通過s的光通量： =I= 4 (lm) 因?yàn)槭屈c(diǎn)光源，均勻輻射，則P點(diǎn)的光照度： EV= /s= 4 / 4x2=1/x2 當(dāng)x=1m， EV=1 （lx) 當(dāng)x=2m， EV=0.25 （lx),思考題：在O點(diǎn)處，有一點(diǎn)光源，發(fā)光強(qiáng)度為1cd， 求：空間任意一點(diǎn)P的光照度EV=?,思考：若光源為1W的燈泡，結(jié)論如何？,四、輻射度與光度中的基本定律,1.余弦定律,s,S,0,S和S對(duì)O點(diǎn)所張的立體角是相同的，對(duì)于兩個(gè)面來講其輻射通量是相同的，兩個(gè)面的輻照度分別為,由于,所以,任一表面上的輻照度隨該表面法線和輻射能傳輸方向之間夾角的余弦而變化。,2.距離平方反比定律,在不考慮輻射傳輸損失時(shí)， 點(diǎn)光源在傳輸方向上某點(diǎn)的輻照度和該點(diǎn)到點(diǎn)光源的距離平方成反比。,3.亮度守恒定律,一個(gè)封閉光束在無損失的同種介質(zhì)傳輸時(shí)，不僅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封閉光束的各個(gè)截面的亮度也處處相等。,光源發(fā)射光波的過程或光波自身稱為光輻射 1）躍遷輻射與受激輻射 2）熱輻射：有一定溫度的物體引起的輻射 3）湮滅輻射 4）場致發(fā)光 5）同步輻射,1.光輻射,五、黑體輻射,2.熱輻射,任何溫度在絕對(duì)溫度以上的物體都存在熱輻射； 熱輻射的光譜是連續(xù)光譜； 熱輻射的光譜分布取決于發(fā)射體的溫度和性質(zhì)。 發(fā)射本領(lǐng)與吸收本領(lǐng) 發(fā)射本領(lǐng)：單位頻率間隔內(nèi)單位面積物體所發(fā)射的輻射通量稱為發(fā)射本領(lǐng)，它是溫度和頻率的函數(shù)。 吸收本領(lǐng)：被物體吸收的輻射通量占射到物體上的輻射通量的百分比,也是溫度和頻率的函數(shù)。,3.黑體輻射定律,基爾霍夫定律：任何物體的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)在同一溫度下成正比，其比值是與物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)、僅隨頻率和溫度而改變的普適函數(shù)。 吸收本領(lǐng)等于1的黑體，其發(fā)射本領(lǐng)即為普適函數(shù)。 普朗克公式,4.維恩維移定律：任何溫度下黑體的發(fā)射本領(lǐng)都有一最大值，它對(duì)應(yīng)的波長和絕對(duì)溫度成反比，即 mT = b ( b=2898 m.K ) 它表明，隨著溫度的提高，輻射本領(lǐng)的最大值向短波方向移動(dòng)。根據(jù)它可判斷熱輻射顏色與溫度的關(guān)系，并確定探測器的選擇。 5.斯忒藩波爾茲曼定律： 測溫中的應(yīng)用 黑體總輻射通量和絕對(duì)溫度的四次方成正比 ： =T 4,6.比輻射率(輻射率),在自然界中黑體的發(fā)射能力最強(qiáng)，它實(shí)際上是一種理想情況，實(shí)際物體的發(fā)射能力都小于黑體。 為了描述實(shí)際物體的熱輻射情況，在普朗克公式中應(yīng)乘以一個(gè)小于1的系數(shù)。這個(gè)系數(shù)稱為物體的比輻射率(發(fā)射率)，也稱為熱輻射效率。,的值不僅依賴于波長和溫度，也依賴發(fā)射的角度。 大多數(shù)常見物體的與發(fā)射角度的依賴關(guān)系基本上可忽略，與波長和溫度的依賴關(guān)系也很微弱。在常用的波長范圍內(nèi)，為實(shí)用方便，常把作為常數(shù)。,定義：實(shí)際物體的輻射能力M(T)與同溫度下黑體輻射能力Mb(T)的比值：,常見物質(zhì)的輻射率,瀝青：0.90-0.98 混凝土：0.94 水泥：0.96 土： 0.92-0.96 水：0.92-0.96 人的皮膚：0.98 塑料：0.85,六、光電儀器中的常用光源,1.光源的基本特性參數(shù),（1）輻射效率和發(fā)光效率,輻射效率是在給定波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比,發(fā)光效率是指某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比,常用光源的發(fā)光效率,2.光譜功率分布,1）連續(xù)光譜源 它通常是熱激發(fā)源，由從紫外到紅外范圍的發(fā)射波長，如白熾燈。 2）線光譜源 它的光譜在紫外到紅外有一些分立的窄帶。氣體放電燈和磷光燈。 3）帶狀光譜 如高壓鈉燈。 4）混合光譜 如熒光燈。,3.光源的色溫,1）分布色溫 輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜功率分布與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為輻射源的分布色溫。,2）輻射源的色溫 輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某溫度下輻射光的顏色相同，則黑體這一溫度稱為輻射源的色溫。,3.1.2 光電探測器概述,光電探測器：光電探測器是一種將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測量信號(hào)，并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。 光電探測器的分類 光電探測器的種類很多，新的器件也不斷出現(xiàn)，按探測機(jī)理的物理效應(yīng)可分為兩大類： 一類是利用各種光子效應(yīng)的光子探測器， 另一類是利用溫度變化效應(yīng)的熱探測器。,光電管 光電倍增管 真空攝像管 變像管 像增強(qiáng)器 光敏電阻 光電池 光電二極管 光電三極管 光電耦合器 位置傳感器PSD 電荷耦合器件CCD,真空器件,固體器件,光子探測器,熱探測器,光 電 探 測 器,熱電偶和熱電堆 測輻射熱計(jì) 熱釋電探測器 高萊管,一光子探測器,光電子效應(yīng) 幾乎所有情況下，所用的材料都是半導(dǎo)體。 光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光子牽引效應(yīng) 分類 基于光電子發(fā)射效應(yīng)的器件在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中的電子能逸出材料表面，這種器件稱為外光電效應(yīng)器件。 基于光電導(dǎo)、光伏特和光電磁效應(yīng)的器件，在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱為內(nèi)光電效應(yīng)器件。,1.光電子發(fā)射探測器,（1）光電子發(fā)射效應(yīng)也稱外光電效應(yīng)。入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。 光電子發(fā)射第一定律 陽極接收光電陰極發(fā)射的光電子所產(chǎn)生的光電流正比于入射輻射的功率。 光電子發(fā)射第二定律 產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光電能量取決于光電陰極的逸出功。因此，光電子發(fā)射存在長波限。光子能量hc低于陰極材料逸出功就不能產(chǎn)生光電子發(fā)射。,（2）光電子發(fā)射探測器：其中有真空光電管、充氣光電管和光電倍增管。 真空光電管由光電陰極和陽極構(gòu)成，用于響應(yīng)要求極快的場合。 應(yīng)用最廣的是光電倍增管，它的內(nèi)部有電子倍增系統(tǒng)，因而有很高的電流增益，能檢測極微弱的光輻射信號(hào)。 （3）光電子發(fā)射探測器主要是可見光探測器，因?yàn)閷?duì)紅外輻射響應(yīng)的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極和新發(fā)展的負(fù)電子親和勢光電陰極，它們的響應(yīng)波長也只擴(kuò)展到125m，只適用于近紅外的探測，因此在紅外系統(tǒng)中應(yīng)用不多。,1.原子能級(jí)與晶體能帶 能級(jí)、能帶、禁帶(Eg)、價(jià)帶(Ev)、導(dǎo)帶(Ec),2.本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體 單晶、多晶、本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體、摻雜、N型半導(dǎo)體、施主能級(jí)ED、P型半導(dǎo)體、受主能級(jí)EA 3.載流子 熱平衡載流子、光生載流子 4.摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,2 .光電導(dǎo)探測器內(nèi)光電效應(yīng),（1）光電導(dǎo)效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)是應(yīng)用最廣泛的光電子效應(yīng)。 入射輻射與晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛電子相互作用，產(chǎn)生自由電子一空穴對(duì)(本征光電導(dǎo))、自由電子或空穴(非本征光電導(dǎo))，從而使半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)增加。光子所激發(fā)的載流子仍保留在材料內(nèi)部，所以光電導(dǎo)是一種內(nèi)光電效應(yīng)。 是一種非平衡多數(shù)載流子過程。弛豫時(shí)間。 利用光電導(dǎo)效應(yīng)的探測器是光電導(dǎo)探測器。,（2）注意事項(xiàng) 光譜響應(yīng)范圍根據(jù)器件材料不同可從可見光、近紅外延伸至遠(yuǎn)紅外。 光譜響應(yīng)范圍與工作溫度有關(guān)，冷卻可以使光譜響應(yīng)曲線的峰值和長波限向長波方向移動(dòng)，同時(shí)可提高器件的靈敏度； 光電導(dǎo)探測器是均質(zhì)型器件，沒有極性之分，工作時(shí)必須外加偏壓(偏流)，并應(yīng)注意選擇正確工作溫度和最佳偏壓(或偏流)，以便充分發(fā)揮器件性能。,（3）典型器件：光敏電阻 光敏電阻應(yīng)用原理圖：,Rd,RL,C,V0,光輻射,3.光伏探測器,（1）光伏效應(yīng) 光伏效應(yīng)是另一種應(yīng)用廣泛的內(nèi)光電效應(yīng)，是半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。 它與光電導(dǎo)效應(yīng)不同之處，在于需要一種將正、負(fù)載流子在空間上分離的機(jī)制內(nèi)部勢壘。 雖然非本征光伏效應(yīng)也是可能的，但幾乎所有實(shí)用的光伏探測器都采用本征的光伏效應(yīng)。,（2）用PN結(jié)來實(shí)現(xiàn) 當(dāng)入射光子在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，光生裁流子受勢壘區(qū)電場作用，電子漂移到n區(qū)，空穴漂移到p區(qū)。如果在外電路中把p區(qū)和n區(qū)短接，就產(chǎn)生反向的短路信號(hào)電流。假若外電路開路，則光生的電子和空穴分別在n區(qū)和P區(qū)積累，兩端便產(chǎn)生電動(dòng)勢，這稱為光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。,（3）注意事項(xiàng) 利用光伏效應(yīng)的光伏探測器都用單晶材料制作，所用材料和光電導(dǎo)探測器材料基本相同。結(jié)型光伏探測器工作時(shí)不需加偏置電壓。 不加偏置電壓的是光電池。 如果加上反向偏壓，則入射輻射會(huì)使反向電流增加，這時(shí)觀測到的光電信號(hào)是光電流。加偏壓工作的探測器是光電二極管等。 （4）常用器件 光電池、光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極管(APD)、PIN光電二極管,4.光子探測器的特點(diǎn) 它是一種選擇性探測器，要產(chǎn)生光子效應(yīng)，光子的能量要超過某一確定的值，即光子的波長要短于長波限。波長長于長波限的入射輻射不能產(chǎn)生所需的光子效應(yīng)，因而也就不能被探出來。 另一方面，波長短于長波限的入射輻射，當(dāng)功率一定時(shí)，波長愈短，光子數(shù)就愈少。因此理論上光子探測器的響應(yīng)率(即單位輻射功率所產(chǎn)生的光信號(hào))應(yīng)與波長成正比。,二、熱探測器,熱敏效應(yīng) 熱探測器對(duì)輻射的響應(yīng)和光子探測器不同。它基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為熱敏效應(yīng)。 熱敏效應(yīng)的機(jī)理是入射光輻射與物質(zhì)中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動(dòng)能量，這又引起物質(zhì)的溫度上升，從而導(dǎo)致與溫度有關(guān)的材料的某些物理性質(zhì)的變化。,特點(diǎn) 與光電效應(yīng)有本質(zhì)的不同。光熱效應(yīng)與入射輻射的光子的性質(zhì)沒有關(guān)系。因此，熱效應(yīng)一般與波長無關(guān)，即光電信號(hào)取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成份無關(guān)，即對(duì)光輻射的響應(yīng)無波長選擇性， 這是在假定了輻射的吸收機(jī)理本身與波長無關(guān)時(shí)成立。但是在大多數(shù)情況下，這一假定并不嚴(yán)格成立。 光熱效應(yīng)可以產(chǎn)生溫差電效應(yīng)、電阻率變化效應(yīng)、自發(fā)極化強(qiáng)度的變化效應(yīng)、氣體體積和壓強(qiáng)的變化效應(yīng)等等。利用這些效應(yīng)可制作各種熱探測器。 熱電效應(yīng)：電阻溫度效應(yīng)、溫差電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)。,1 測輻射溫差熱電偶和熱電堆,（1）溫差電效應(yīng) 當(dāng)由兩種不同材料制成的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差時(shí)，在該兩點(diǎn)間就有電動(dòng)勢產(chǎn)生，通過這兩點(diǎn)的閉合回路中就有電流流過，這個(gè)現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)。 溫差電效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)。,（2）塞貝克(seebeck)效應(yīng)：,當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)置于不同溫度(兩結(jié)點(diǎn)間的溫差為T)時(shí)，在兩點(diǎn)之間就產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢；這個(gè)電動(dòng)勢在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。 其產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為溫差電動(dòng)勢或塞貝克電動(dòng)勢； 上述回路稱為熱電偶； 產(chǎn)生塞貝克電動(dòng)勢的原因：是由于受熱不均勻的兩結(jié)點(diǎn)