1、光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用第三章 光電檢測(cè)器件的工作原理,上一章主要內(nèi)容回顧,一、光源的分類,二、發(fā)光二極管,三、激光器,光的基本性質(zhì),牛頓微粒說 根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象,高速微粒，對(duì)反射和折射做了解釋 不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振 波動(dòng)理論 惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等，光是一種波動(dòng)，由發(fā)光體引起，和聲一樣依靠媒質(zhì)傳播，隨后被證實(shí)電磁波 麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波 解釋了光的干涉和衍射現(xiàn)象，但不能解釋光與物質(zhì)相互作用中的能量量子化轉(zhuǎn)換的性質(zhì)。,光的基本性質(zhì),光量子說 1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提出光量子的概念 光子的能量與光的頻率成正比 光具有波粒二象性 光既可以看作光波又可

2、以 看作光子流，光子是電磁場(chǎng)能量和動(dòng)量量子化的粒子，電磁波是光子的概率波 光作為波的屬性用波長和頻率來描述，作為光子的屬性用能量和動(dòng)量來表征,輻射度的基本物理量,輻射能Qe ：一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接受的能量。單位：焦耳J 輻射通量e：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的能量，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時(shí)間變化率。單位：瓦 輻射強(qiáng)度e：點(diǎn)輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：W/Sr,輻射度的基本物理量,輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量。單位：W/m2 輻射出射度e ：擴(kuò)展輻射源單位面積所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：W/m2 輻射亮度e ：輻射表面定向

3、發(fā)射的輻射強(qiáng)度。單位：W/m2Sr 光譜輻射通量e（）：輻射通量的光譜密度，即單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。,基本輻射度量的名稱、符號(hào)和定義方程,光度量的最基本單位,發(fā)光強(qiáng)度Iv：發(fā)出波長為555nm的單色輻射，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度規(guī)定為1cd。單位：坎德拉（Candela）cd，它是國際單位制中七個(gè)基本單位之一。 光通量v：光強(qiáng)度為1cd的均勻點(diǎn)光源在1sr內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：流明lm。 光照度Ev：?jiǎn)挝幻娣e所接受的入射光的量 ，單位：勒克斯lx，相當(dāng)于 1平方米面積上接受到1個(gè)流明的光通量。,光度的基本物理量,光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對(duì)應(yīng)的。輻射度量下標(biāo)為e，例如Qe，e，I

4、e，Me，Ee，光度量下標(biāo)為v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。 光度量只在可見光區(qū)（nm)才有意義。 輻射度量和光度量都是波長的函數(shù)。,晴天陽光直射地面照度約為100000lx 晴天背陰處照度約為10000lx 晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx 晴天室內(nèi)中央照度約為200lx 晴天室內(nèi)角落照度約為20lx 陰天室外50500lx 陰天室內(nèi)550lx 月光（滿月）2500lx 日光燈5000lx 電視機(jī)熒光屏100lx 閱讀書刊時(shí)所需的照度5060lx 在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx 晴朗月夜照度約為0.2lx 黑夜0.001lx,一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ),1、光電發(fā)射第一

5、定律斯托列托夫定律：,其中：Ik：光電流 , F：是入射輻射通量，單位是 lm; S是光電陰極靈敏度（積分靈敏度）,單位是 A/lm 。,當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)度成正比：,Ik=SkF,一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ),2、光電發(fā)射第二定律愛因斯坦定律：,Emax：光電子的最大初動(dòng)能。 h：普朗克常數(shù)h=4.1356674310（-15） eVs （電子伏特秒）。 0：產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值。 W0 ：金屬電子的逸出功（從材料表面逸出時(shí)所需的最低能量），單位eV，與材料有關(guān)的常數(shù)，也稱功函數(shù)。,光電子的最大動(dòng)能與入

6、射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)：,Emax=(1/2)m2max =h- h0 =h- W0,一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ),3、結(jié)論,入射光子的能量至少要等于逸出功W時(shí)，才能發(fā)生光電發(fā)射。,波長閾值0：0=C/0,當(dāng)入射光波長大于0時(shí)，不論光強(qiáng)如何，以及照射時(shí)間多長，都不會(huì)有光電子產(chǎn)生。,一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ),光電子發(fā)射的基本過程 大致可分三個(gè)過程： 1)光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)。,2)受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。,3)達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)

7、壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。,光電效應(yīng)： 輻射光照射引起材料的電學(xué)性質(zhì)變化，如電導(dǎo)率改變、發(fā)射電子、產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等。 光電效應(yīng)是德國物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)的，愛因斯坦給出正確解釋。光電效應(yīng)的深入研究對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性作用。,一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ),光電效應(yīng) (電學(xué)性質(zhì)) 光熱效應(yīng) (固體晶格振動(dòng)),外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng),光與物質(zhì) 的作用,熱釋電效應(yīng),輻射熱計(jì)效應(yīng),溫差電效應(yīng),光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng),外光電效應(yīng)器件 內(nèi)光電效應(yīng)器件,光電管 光電倍增管,光敏電阻 光電池 光敏二極管 光敏三極管,一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ),光電效應(yīng)器件,一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ),外光電

8、效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。外光電效應(yīng)的光電探測(cè)器具有光譜選擇性。 內(nèi)光電效應(yīng)：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會(huì)逸出物體外部多發(fā)生在半導(dǎo)體,內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng),光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象。,一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ),光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。,一、光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ),光熱效應(yīng),光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化 熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化

9、強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象 輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象 溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流,2.1光電導(dǎo)效應(yīng),光照射到半導(dǎo)體材料上，電子吸收光子的能量，從原來的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)。即非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大。 在外電場(chǎng)的作用下，流過半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)增大，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。,光電導(dǎo)材料：硅、鍺摻雜和硅、鍺合金摻雜等。 光電導(dǎo)效應(yīng)器件：光敏電阻。,二、光電效應(yīng),導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。 固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)

10、體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。 電阻率10-6 10-3歐姆厘米范圍內(nèi)導(dǎo)體 電阻率1012歐姆厘米以上絕緣體 電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間半導(dǎo)體,半導(dǎo)體的特性,半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對(duì)溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，熱電探測(cè)器件。 導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為2 /(歐姆厘米) 半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。,本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。 在絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著。 在純凈的半導(dǎo)體

11、中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。 摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子，同時(shí)向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。,平衡和非平衡載流子,處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的，有條件的。如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子

12、濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。,非平衡載流子的產(chǎn)生,光注入：用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。 當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。 光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。 其它方法：電注入、高能粒子輻照等。,非本征光電導(dǎo)效應(yīng)(雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)) 本征光電導(dǎo)效應(yīng),本征型半導(dǎo)體： 晶格完整且不含雜質(zhì)的晶體半導(dǎo)體。參與導(dǎo)電的電子和空穴的數(shù)目相等，如硅和鍺。 非本征半導(dǎo)體：

13、半導(dǎo)體中添加施主或受主物質(zhì)（稱為摻雜物），使本征半導(dǎo)體產(chǎn)生額外的電導(dǎo)，成為非本征半導(dǎo)體。 非本征半導(dǎo)體由于添加受主型雜質(zhì)或施主型雜質(zhì)分別成為p型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。,二、光電效應(yīng),能帶理論： 固體中運(yùn)動(dòng)電子的能量譜是由一系列準(zhǔn)連續(xù)的具有一定寬度的能帶(稱為允帶)所組成。兩個(gè)相鄰的允帶之間的區(qū)域?yàn)椴荒鼙浑娮诱紦?jù)的能量禁區(qū)，稱為禁帶。禁帶所覆蓋的能量區(qū)間即為禁帶寬度。,2.1.1 本征光電導(dǎo)效應(yīng),光子能量大于材料禁帶寬度的入射光，激發(fā)出電子空穴對(duì)，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)現(xiàn)象。,禁帶寬度： 導(dǎo)帶的能量下邊界和價(jià)帶的能量上邊界之間的間隙。,二、光電效應(yīng),光照激發(fā)電子由價(jià)帶躍過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶的條件是：,能夠

14、激發(fā)電子的光輻射截止波長：,本征半導(dǎo)體光電效應(yīng)現(xiàn)象： 電場(chǎng)、光照、光電流,即只有波長小于 的入射光，才能產(chǎn)生本征光電導(dǎo)。,二、光電效應(yīng),光電導(dǎo)的弛豫,光照射到樣品后，光電導(dǎo)逐漸增加，光照停止，光電導(dǎo)在一段時(shí)間內(nèi)逐漸消失。 反應(yīng)了光電導(dǎo)對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)的快慢。 弛豫特性限制了器件對(duì)調(diào)制頻率高的光功率的響應(yīng)。,矩形脈沖光照下光電導(dǎo)弛豫過程,二、光電效應(yīng),光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個(gè)重要參數(shù)。 它表示長度L的光電導(dǎo)體在電壓U下，光照產(chǎn)生的光生載流子形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比。,M為光電導(dǎo)增益， 為器件的響應(yīng)時(shí)間， 為載流子在兩極間渡越時(shí)間。,光電導(dǎo)增益與帶寬之積為常數(shù)，即光

15、電靈敏度與帶寬是矛盾的。,書P13，最下面的文字。,光電導(dǎo)的增益,二、光電效應(yīng),典型結(jié)構(gòu)型式： 絕緣基底、光電導(dǎo)材料薄膜、電極、引線、帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。,蛇形光敏面 即保證有較大的受光面，也可以減小電極之間的距離，從而減小載流子的兩極間渡越時(shí)間，提高靈敏度,二、光電效應(yīng),N型光電半導(dǎo)體施主能級(jí)中的電子躍遷到導(dǎo)帶中去，電子為主要載流子，增加了自由電子的濃度。 P型光電半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子躍遷到受主能級(jí)，與受主能級(jí)中的空穴復(fù)合，而在價(jià)帶中留有空穴，作為主要載流子參加導(dǎo)電。增加了空穴的濃度。,是雜質(zhì)半導(dǎo)體中的施主（受主）吸收光子能量后電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，使材料電導(dǎo)率增加。,2.1.2雜

16、質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng),二、光電效應(yīng), 電離能級(jí)比禁帶寬度小很多； 非本征的光譜響應(yīng)波長比本征光電導(dǎo)的長； 雜質(zhì)原子數(shù)目少，雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)比本征光電導(dǎo)微弱。,多數(shù)非本征半導(dǎo)體器件工作在低溫狀態(tài)，避免熱激發(fā)的載流子產(chǎn)生的噪聲超過光激發(fā)的信號(hào)載流子，常放在裝有制冷劑的容器中使用。,本征與非本征效應(yīng)的比較：,書P14，中間一段文字。,二、光電效應(yīng),光照射PN結(jié)，在PN結(jié)兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，稱為光生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。,PN結(jié)材料,同質(zhì)結(jié)同一種半導(dǎo)體摻雜突變形成的 異質(zhì)結(jié)兩種不同半導(dǎo)體接觸形成的 肖特基結(jié)金屬與半導(dǎo)體結(jié)合形成的,2.1.3 光生伏特效應(yīng),光伏器件：光電池、光敏二極管、光敏

17、PIN管、雪崩光敏二極管。,二、光電效應(yīng),PN結(jié)的光生電動(dòng)勢(shì)： 無光照時(shí)，PN結(jié)存在內(nèi)部自建電場(chǎng)E； 當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，載流子在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近就產(chǎn)生少數(shù)載流子。 載流子的移動(dòng)產(chǎn)生附加電動(dòng) 勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)稱為光生電動(dòng)勢(shì)。,光生伏特效應(yīng)示意圖,二、光電效應(yīng),光電流： 通過負(fù)載構(gòu)成閉合回路，就會(huì)有電流。 輻射光不停止，電流不消失。,注意： 產(chǎn)生光生伏特的條件是： 與照射光的強(qiáng)度無關(guān)； 光生伏特的大小與照射光的強(qiáng)度成正比。,光生伏特效應(yīng)檢器件比光電導(dǎo)效應(yīng)檢測(cè)器件有更快的響應(yīng)速度：（書P15，中間一段） 光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子的行為，光電導(dǎo)效應(yīng)是多數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命

18、通常很短。,二、光電效應(yīng),光照引起材料溫度變化，進(jìn)而使材料性質(zhì)變化。,光電效應(yīng)與光熱效應(yīng)區(qū)別： 光電效應(yīng)中，光能量直接變?yōu)殡娮幽芰浚?光熱效應(yīng)中，光能量使材料晶格振動(dòng)加劇，形成溫升。,熱釋電效應(yīng) 輻射熱計(jì)效應(yīng) 溫差電效應(yīng),光熱效應(yīng),三、光熱效應(yīng),1.光熱釋電效應(yīng)： 是指光照使介質(zhì)產(chǎn)生溫生，介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。, 畸變極化：原子核外的電子云分布產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生不等于零的電偶極矩。 位移極化：原來正、負(fù)電中心重合的分子，在外電場(chǎng)作用下正、負(fù)電中心分離。 轉(zhuǎn)向極化：具有固有電偶極矩的分子原來的取向是混亂的，宏觀上電偶極矩總和等于零，在外電場(chǎng)作用下，各個(gè)電偶極子趨向于一致的

19、排列，從而宏觀電偶極矩不等于零。,典型極化形式：,三、光熱效應(yīng),熱釋電效應(yīng)的特征： 熱電材料； 垂直于電極化方向的材料表面出現(xiàn)面束縛電荷； 溫度升高，極化強(qiáng)度減小，電荷減少，似于釋放電荷； 溫度升高到Tc值時(shí)，自發(fā)極化突然消失；（居里溫度點(diǎn) 光照強(qiáng)度變化，熱電體的溫度發(fā)生變化，面電荷變化。,極化晶體：自發(fā)極化、穩(wěn)態(tài)下不能測(cè)出； 光照使自發(fā)極化強(qiáng)度變化、動(dòng)態(tài)測(cè)量。,三、光熱效應(yīng),注意： 熱釋電探測(cè)器是一種交流或瞬時(shí)響應(yīng)的器件。 熱釋電效應(yīng)是指電介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化，釋放表面吸附的部分電荷現(xiàn)象。 光熱釋電效應(yīng)是指光照引起電介質(zhì)的溫度變化，隨之極化強(qiáng)度變化，釋放表面吸附的部分電荷現(xiàn)象。 典型器件

20、： 紅外探測(cè)器、熱電激光量熱計(jì)、夜視儀、光譜儀。,熱釋電名稱的來源： 書P16，中間一段。,三、光熱效應(yīng),紅外熱釋電器件： 是對(duì)紅外光敏感的光熱釋電器件。 采用高熱電系數(shù)的材料，如鋯(gao)鈦酸鉛系陶瓷、鉭(tan)酸鋰、硫酸三甘鈦等。 敏感紅外線能力弱、輸出電壓信號(hào)微弱：為了提高靈敏度、增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)菲涅爾透鏡，可將信號(hào)放大70分貝以上，敏感距離可達(dá)1020米。為了加大輸出信號(hào)，常在探頭內(nèi)加場(chǎng)效應(yīng)管放大。,三、光熱效應(yīng),人體發(fā)出的紅外線波長為8-12微米，人體的體溫一般在37度。 被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線來工作，人體發(fā)射的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件上。 菲尼爾濾光片具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。 在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛。,人體熱釋電紅外傳感器,三、光熱效應(yīng),2.輻射熱計(jì)效應(yīng) 光的照射使材料由于受熱引起電阻率變化現(xiàn)象。,3.溫差電效應(yīng)（參閱熱電偶相關(guān)內(nèi)容） 當(dāng)兩種不同的材料兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流（熱電偶）； 光照射結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫度變化引起溫差電現(xiàn)象； 熱電效應(yīng)（