1、第二章 光電檢測技術(shù)基礎(chǔ) 應用物理系第二章 光電檢測技術(shù)基礎(chǔ) 教學內(nèi)容： 2.1 光的基本性質(zhì) 2.2 輻射與光度學量 2.3 半導體基礎(chǔ)知識 2.4 光電效應1、在遠離家時如何防盜并報警？2、在太空中靠什么拍攝出清晰圖片？3、在大型石化工廠中如何發(fā)現(xiàn)險情并及時處理？思 考2.4 光電效應光電檢測器件：對各種光輻射進行接收和探測的器件光輻射量光電探測器電量、熱量等光電效應光電效應：光照射到物體表面上使物體的電學特性發(fā)生變化。物理基礎(chǔ)光子效應光熱效應外光電效應內(nèi)光電效應光電發(fā)射效應光電倍增效應光電導效應光伏效應光電磁效應丹培效應溫差電效益熱釋電效應光電效應類型：2.4 光電效應光電效應光電探測器

2、件熱電探測元件光子探測元件外光電效應內(nèi)光電效應非放大型放 大 型光電導探測器光磁電探測器光生伏特探測器本征型摻雜型非放大放大型真空光電管充氣光電管光電倍增管變像管攝像管像增強器光敏電阻紅外探測器光電池光電二極管光電三極管光電場效應管雪崩型光電二極管2.4 光電效應一、光子效應和光熱效應2.4 光電效應光子效應(photonic effect ) 指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。特點對光波頻率表現(xiàn)出選擇性光子探測器響應速度一般比較快 利用光子效應進行探測的器件稱為光子探測器

3、光熱效應(photothermal effect ) 探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。特點原則上對光波頻率沒有選擇性響應速度一般比較慢。 在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。例如：家庭式熱釋電紅外探測器2.4 光電效應光子器件熱電器件響應波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應。響應波長無選擇性，對可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短， 一般為納秒到幾百微秒

4、響應慢，一般為幾毫秒光電器件特點：2.4 光電效應外光電效應：物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象，其多發(fā)生于金屬&金屬氧化物光電發(fā)射效應、光電倍增效應內(nèi)光電效應：物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運動而不會逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，其多發(fā)生于半導體內(nèi)。光電導效應、光生伏特效應、光電磁等二、光子效應類型2.4 光電效應光電發(fā)射效應1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發(fā)射效應，獲得1921年諾貝爾物理學獎。 2.4 光電效應三、光電發(fā)射效應三、光電發(fā)射效應：光電發(fā)射體的功函數(shù) 電子離開發(fā)射體表面時的動能 在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象。光電發(fā)射體 能產(chǎn)生光電

5、發(fā)射效應的物體，在光電管中又稱為光電陰極。愛因斯坦方程 2.4 光電效應截止（紅限）頻率截止（紅限）波長2.4 光電效應光電發(fā)射器件的特點： 1. 光電發(fā)射器件中的導電電子可以在真空中運動，因此，可以通過電場加速電子運動的動能，或通過電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能高速度地探測極其微弱的光信號，成為像增強器與變相器技術(shù)的基本元件。 2.4 光電效應2. 很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電成像器件方面非常有利。一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導體光電圖像傳感器。 3. 光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得整個探測器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造

6、價也昂貴。 4. 光電發(fā)射器件的光譜響應范圍一般不如半導體光電器件寬。2.4 光電效應四、光電導效應光電導現(xiàn)象半導體材料的“體”效應1、定義： 半導體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。2.4 光電效應導體材料:電阻率，電導率一般為常數(shù)；半導體材料：電阻率，電導率一般不再是常數(shù)。2.4 光電效應典型的光電導器件：光敏電阻光電導器件可用于各種自動控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門窗、光電計數(shù)器、光電控制照明、自動安全保護等，用于夜間或淡霧中探測紅外線目標，紅外通信、導彈制導等。本征半導體&雜志半導體都能產(chǎn)生光電導效應，當光子能量大時，易于產(chǎn)生本征光電導；當光子能

7、量小時，易于發(fā)生雜質(zhì)光電導。 是禁帶寬度是雜質(zhì)能帶寬度2.4 光電效應本征半導體樣品AL2、光電系統(tǒng)基本模型 (1)無光照時，半導體材料在常溫下具有一定的熱激發(fā)載流子濃度，材料處于暗態(tài)，具有暗電導2.4 光電效應UA本征半導體樣品SL光2.4 光電效應 (2)有光照時，樣品吸收光子能量產(chǎn)生光生載流子，材料處于亮態(tài)，具有亮電導U3、光電導與輻射通量的關(guān)系A(chǔ)本征半導體樣品L光dbe 設(shè)通量為e的單色輻射入射到半導體上，其波長滿足發(fā)生光電效應的條件，且被完全吸收，則光敏層單位時間所吸收的光子數(shù)密度： 光子被吸收后，將在半導體中激發(fā)產(chǎn)生光生載流子，但并不一定是一對一的 產(chǎn)生關(guān)系，除此之外，由于熱激發(fā)也

8、會產(chǎn)生熱生載流子，同時，這些電子空穴對還會有隨時復合的可能性2.4 光電效應考慮綜合因素，列出載流子的各種變化A本征半導體樣品L光db光生電子率：熱生電子率：為半導體材料的量子效率熱電子復合率：kf為復合幾率，ni、pi為熱激發(fā)所產(chǎn)生的電子濃度、空穴濃度熱平衡狀態(tài)下：光敏層中總的電子產(chǎn)生率：電子與空穴總的復合率：2.4 光電效應A本征半導體樣品L光db電子與空穴總的復合率：n、 p為光生電子濃度、光生空穴濃度平衡條件下，載流子總產(chǎn)生率和總復合率是相等的即非平衡條件下，載流子總產(chǎn)生率和總復合率是不相等的因光生電子與空穴是成對出現(xiàn)，所以濃度變化我們只考察電子濃度即可，設(shè)載流子濃度的時間變化率為2.

9、4 光電效應本證半導體非熱平衡時，因光生電子與空穴是成對出現(xiàn)，所以濃度變化我們只考察電子濃度即可，設(shè)載流子濃度的時間變化率為：2.4 光電效應因2.4 光電效應非熱平衡時討論：弱輻射作用下： nni、 p pi，且本征吸收時n= p可忽略由初始條件：t=0，n=0，求解上式可得為載流子的平均壽命2.4 光電效應弱輻射作用下： 若時間t，則exp(-t/)0，n n0 =Ne，為一定值整個半導體的載流子濃度達到一個動態(tài)平衡由半導體的電導率：知光致電導率的變化量：則光電導為：載流子的遷移速率A本征半導體樣品L光db2.4 光電效應光致電導率的變化量：光電導為：弱輻射作用下： 結(jié)論：弱輻射作用下半導

10、體的光電導與入射輻射通量成線性關(guān)系，與兩電極間距離L2成反比2.4 光電效應定義：光電導靈敏度（光電導對入射輻射通量的敏感程度）結(jié)論2：弱輻射作用下Sg還與兩電極間距離L2成反比結(jié)論1：弱輻射作用下Sg與材料性質(zhì)有關(guān)在設(shè)計光敏電阻時要充分考慮材料及結(jié)構(gòu)的要求！2.4 光電效應b. 強輻射作用下： nni、 p pi， n = p t=0，n=02.4 光電效應b. 強輻射作用下： 結(jié)論：強輻射作用下，半導體材料的光電導靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，與入射e也有關(guān)，并且是非線性關(guān)系在光敏電阻的使用中會出現(xiàn)明顯的前例效應4、光電導增益光電導增益M是光電導器件的一個重要特性參數(shù),它表示長度為L的光電半

11、導體兩端加上電壓以后,由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流(eN)之間的比值。定義式：2.4 光電效應式中，i為光生載流子所形成的外部光電流N為光輻射每秒激發(fā)的電子空穴對數(shù)目2.4 光電效應A本征半導體樣品L光db由圖可知，光照射到半導體上產(chǎn)生的光電流在光輻射下，n=n0+n ， p=p0+p， = 0+ 弱輻射時，n n0 =Ne， Ne為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)的密度，假設(shè)單位時間內(nèi)總共產(chǎn)生N對電子空穴對，則2.4 光電效應對光電導器件如采用N型半導體，電子為多子，空穴可忽略同理2.4 光電效應A本征半導體樣品L光dbMn稱為光敏電阻中電子的增益系

12、數(shù)。tn=L/n為電子的漂移時間。載流子的遷移速率為漂移速度與電場強度之比。如果把1/tn和1/tp之和定義為1/tdr.,即式中,tdr稱為載流子通過極間距離L所需要的有效渡越時間,于是在半導體中,電子和空穴的壽命是相同的,都可用載流子的平均壽命來表示,即=n=p，則本征型光敏電阻的增益可寫成2.4 光電效應光敏電阻4、光電導增益顯然，增益M與渡越時間tdr成反比。而渡越時間與兩電極間距離L成正比，故為增大M，需減小L。但要提高光電導器件的靈敏度又需較大光敏面，因此兩種之間存在一定矛盾。常見結(jié)構(gòu)：蛇形光敏面2.4 光電效應光伏現(xiàn)象半導體材料的“結(jié)”效應 例如：光照PN結(jié)1、定義：它是把光能轉(zhuǎn)

13、化為電能的一種效應，是光照使不均勻半導體或均勻半導體中光生電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。2.4 光電效應五、光伏效應2.4 光電效應開路電壓Uoc：光照零偏狀態(tài)的PN結(jié)產(chǎn)生電壓，如果外電路為開路，此時PN結(jié)兩端的電壓即為開路電壓Uoc；重要參數(shù)：短路光電流Is ：光照零偏狀態(tài)的PN結(jié)產(chǎn)生電壓，如果外電路短路，此時通過PN結(jié)的電流即為短路光電流Is；光伏效應中，與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，因少數(shù)載流子壽命短，所以光伏效應為基礎(chǔ)的器件比以光電導效應為基礎(chǔ)的器件有更快的響應速度。2.4 光電效應暗電流光電流總電流注意：光電流與暗電流方向相反光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應光伏效應光電

14、池2.4 光電效應輸出電流與外電路負載阻值有關(guān)，且光電流方向在電池外部是從P流向N，電池內(nèi)部是從N流向P2.4 光電效應測量元件電源光照反偏光電信號是光電流 結(jié)型光電探測器的工作原理光電二極管 2.4 光電效應輸出電流主要取決于光照條件所形成的光電流。光磁電效應是指在垂直于光束照方向施加外磁場時半導體兩側(cè)面間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。2.4 光電效應光磁電效應六、光電磁效應光磁電效應的機制是光照射到半導體表面后生成非平衡載流子的濃度梯度，使載流子產(chǎn)生定向擴散速度，磁場作用在載流子上的洛侖茲力使正負載流子分離，形成端面電荷累積的電位差和橫向電場。當作用在載流子上的洛侖茲力與橫向電場的電場力平衡時，兩端面

15、的電位差保持不變。相似但是不同，體現(xiàn)在三個方面：1）光磁電效應中在磁場作用下移動的是電子空穴對，而霍爾效應中移動的是自由電子。2）針對材料不同，一個是半導體材料，一個是導體材料。3）使用情形也不一樣，一個需要光照，一個不需要。利用光磁電效應可制成半導體紅外探測器。這類半導體材料有Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等。2.4 光電效應光磁電效應和霍爾效應的異同當半導體光電器件受光照不均勻時，光照部分產(chǎn)生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現(xiàn)了載流子濃度梯度，引起載流子擴散，如果電子比空穴擴散得快，導致光照部分帶正電，未照部分帶負電，從而產(chǎn)生電動勢，即為側(cè)向光電效應（丹培效應）。2.

16、4 光電效應七、丹培效應半導體的迎光面帶正電，背光面帶負電，產(chǎn)生光生伏特電壓八、溫差電效應光熱效應 當兩種不同的配偶材料（可以是金屬或半導體）兩端并聯(lián)熔接時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢。 提高測量靈敏度若干個熱電偶串聯(lián)起來使用熱電堆 2.4 光電效應2.4 光電效應2.4 光電效應2.4 光電效應九、熱釋電效應光熱效應九、熱釋電效應光熱效應熱釋電材料電介質(zhì)，如硫酸三甘肽、鋯鈦酸鉛鑭等一種結(jié)晶對稱性很差的壓電晶體在常態(tài)下具有自發(fā)電極化(即固有電偶極矩)熱電體的| |決定了面電荷密度 的大小，當發(fā)生變化時，面電荷密度也跟著變化| |值是溫度的函數(shù)溫度升高 | |

17、減小。 2.4 光電效應 升高到Tc值時，自發(fā)極化突然消失，TC稱為居里溫度 熱釋電體表面附近的自由電荷對面電荷的中和作用比較緩慢，一般在11000秒量級熱釋電探測器是一種交流或瞬時響應的器件。2.4 光電效應2.4 光電效應人體皮膚溫度在37時，大約有32%輻射能量在812微米波段范圍，僅有1%的輻射能量在3.2微米波段內(nèi)。人體輻射探測常是安全和軍事信息的重要任務，在醫(yī)學診斷上也有重要價值。十、光電轉(zhuǎn)換定律光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程 光電轉(zhuǎn)換D探測器的光電轉(zhuǎn)換因子光子電極電極耗盡層SiO2p+nn+2.4 光電效應探測器的量子效率光電轉(zhuǎn)換定律：*光功率P正比于光電場的平方 平方律探測器非線性器件(本質(zhì))。*光電探測器對入射功率響應(光電流) 一個光子探測器可視為一個電流源。 2.4 光電效應小 結(jié) 1、 各種光電效應的基本定義。 2、光電導效應中器件靈敏度與光輻射的關(guān)系及光電導增益。（重點、難點） 3、光伏效應中電流的形成及應用特點。 4、基本的光熱效應。 5、光電轉(zhuǎn)換定律知識鞏固光與物質(zhì)的作用實質(zhì)是光子與電子的作