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1、,光电子技术Photoelectronic Technique 光电探测器的物理效应 周自刚,光源,传输,调制,探测,本讲主要内容,一、光子效应和光热效应,二、光电发射效应,三、光电导效应,四、光伏效应,五、温差电效应,七、光电转换定律,六、热释电效应,光电探测器(Detector) ：对各种光辐射进行接收和探测的器件,分为热 探 测 器和光子探测器,光辐射量,光电探测器,电量,光电倍增管,28,探测器件,热电探测元件,光子探测元件,气体光电探测元件,外光电效应,内光电效应,非放大型,放 大 型,光电导探测器,光磁电探测器,光生伏特探测器,本征型,掺杂型,非放大,放大型,真空光电管,充气光电管
2、,光电倍增管,变像管,摄像管,像增强器,光敏电阻,红外探测器,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,27,一、光子效应和光热效应,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。,特点,对光波频率表现出选择性，响应速度快。,例如:光子效应在光电池等中体现,26,一、光子效应和光热效应,光子效应(Photonic Effect ),25,一、光子效应和光热效应,光子效应(Photonic Effect ),光电倍增管,
3、光电倍增管,像增强器高速相机,24,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。,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。,例如：家庭式热释电红外探测器,一、光子效应和光热效应,23,光热效应(Photothermal Effect ),一、光子效应和光热效应,22,光热效应(Photothermal Effect ),一、
4、光子效应和光热效应,红外探测器,21,二、光电发射效应,：光电发射体的功函数,电子离开发射体表面时的动能,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。,光电发射体,能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光阴极。,爱因斯坦方程,20,截止频率,截止波长,二、光电发射效应,19,三、光电导效应,光电导现象半导体材料的“体”效应,18,三、光电导效应,光电导现象半导体材料的“体”效应,17,三、光电导效应,光电导现象半导体材料的“体”效应,光电导过程,16,光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长满足如下条件：,是禁带宽度,是杂质能带宽度,光敏电阻,三、光电导效应,15,光子将在其中
5、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变化量,这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生载流子。,显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量G，我们称之为光电导。相应和杂质半导体就分别称为本征光电导和杂质光电导。,三、光电导效应,14,四、光伏效应,光伏现象半导体材料的“结”效应,例如：雪崩二极管,13,光照零偏pn结产生开路电压的效应,光照反偏,光伏效应,光电池,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,四、光伏效应,12,五、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
6、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,地磁场的起源,11,六、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| |决定了面电荷密度 的大小，当发生变化时，面电荷密也跟着变化,| |值是温度的函数温度升高| |减小。,10,升高到Tc值时，自发极化突然消失，TC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11000秒量级,热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。,六、热释电效应,9,七、光电转换定律,光辐射量转换为光电流量的过程 光电转换,D探测器的光电转换因子
7、,8,探测器的量子效率,七、光电转换定律,7,*光功率P正比于光电场的平方 平方律探测器非线性器件(本质)。,*光电探测器对入射功率响应(光电流) 一个光子探测器可视为一个电流源。,七、光电转换定律,6,光电检测器件的特点,5,A、光电发射效应B、光 电 导 效 应 C、光生伏特效应D、光 磁 效 应,BCD,光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。以下是属于内光电效应的有（ ）。,4,在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于( ),A、外光电效应B、内光电效应C、光电发射D、光导效应,BD,3,以下几种探测器属于热探测器的有：（ ）。,A、热电偶型 B、热释电型C、高莱气动型D、热敏电阻型,ABCD,2,本讲小结,1、光子效应、光热效应、光电发射效应、光电导效应、光伏效应、热释电效应、温差电效应概念、特点、应用等,1,3、光电转换定律的含义、应用,2、量子效率的含义、表达式、光电转换关系,
