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1、光电信号检测,第二章 光电检测器件工作原理及特性,2-1光电检测器件的物理基础光电导效应杂质光电导效应光生伏特效应光热效应2-2光电检测器件的特性参数,光电信号检测,光辐射探测器分类,按原理分：光子探测器、热探测器1.光子探测器：基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类光辐射探测器。 特点：灵敏度高，响应快，对波长敏感2.热探测器：基于光辐射作用的光-热效应和热-电转换效应院里的一类光辐射探测器。 特点：响应慢，对波长不敏感，灵敏度比光子探测器低，工作环境要求低（室温）。,光电信号检测,光与物质作用,光电效应,光热效应,外光电效应,内光电效应,热释电效应,温差电效应,辐射热计效应,光
2、电信号检测,按探测器的应用方式，结构和作用分： 点探测器 、阵列探测器（成像探测器） 光辐射探测器的选取对光电信号探测系统的设计和改善具有重要意义。 熟悉各类光辐射探测器的特点性能。,光电信号检测,2-1 光子探测器,一、光电子发射探测器定义：利用了光电效应原理制成的一类光辐射探测器被称为。光电效应： 因光照而引起材料电学特性的改变统称为光电效应。种类：真空光电二极管，光电倍增管 微通道板 各类成像光电子发射器件特点：响应速度快、增益高、噪声低 可大面积探测，探测元密度高， 良好的探测灵敏度 ，良好空间分辨率。,光电信号检测,光电效应的种类：1 外光电效应光电发射效应：当光照射到材料上使材料向
3、真空中发射电子。2 内光电效应光电导效应：当光照射到材料上使材料电导率发生变化。光伏效应：当光照射到材料上使材料产生光电势。,光电信号检测,（一）光电子发射与光电阴极光电子发射效应 金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，称为光电子发射效应，也称作外光电效应。,光电信号检测,光电子发射效应是真空光电器件光电阴极的物理基础。(外光电效应) 光电子发射效应演示图,光电信号检测,1905年,爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。1921年，爱因斯坦以他在理论物理方面的成就，特别是发现光电效应定
4、律，获诺贝尔物理学奖。,光电信号检测,光量子学说的提出，成功的解释了光电效应现象的实验结果，促进了光电检测理论、光电检测技术和光电检测器件等学科领域的飞速发展；因此，从这个意义上讲，爱因斯坦是光电检测理论之父。 爱因斯坦在其光量子学说中所提出的有关光量子这一概念，光量子学说是光子学、光子技术、光子工程和光子产业的发端；因此，从这个意义上讲，爱因斯坦是光子学、光子技术、光子工程和光子产业的先导。,光电信号检测,2009年诺贝尔奖各奖项即将揭晓之际，诺贝尔基金会评出了诺贝尔奖百余年历史上“最受尊崇的”三位获奖者，爱因斯坦是其中之一。1921年物理学奖得主阿尔伯特爱因斯坦 因其有关“光电效应”的论文
5、，狭义相对论而获奖。相对论是人类科学史上最重要的理论之一。1964年和平奖得主马丁路德金 是著名的美国黑人民权运动领袖。他于1963年在林肯纪念堂前发表演说我有一个梦想，反对种族歧视、争取平等的正义呼声至今回荡不绝。,光电信号检测,1979年和平奖得主特里萨修女是天主教仁爱传教会创建人，毕生致力于慈善事业。她于1910年出生在阿尔巴尼亚，18岁时因受印度大诗人泰戈尔的影响，来到印度投身慈善事业。1949年，特里萨修女在加尔各答创立了慈善机构“慈善会”，并以此为基地，在印度开展救助孤儿、穷人、老人和麻风病患者的慈善工作。特里萨修女在印度和其他国家创办了50余所学校、医院、济贫所、青年中心和孤儿院
6、。,光电信号检测,人为什么而活着？ 人生的意义是什么？哲学书籍 解决这个问题。 如传统国学：大学，论语，老子等 尼采，笛卡尔，卢梭，叔本华 台大傅佩荣教授，周国平教授,光电信号检测,大学大学内容与注解在明明德，在亲民，在止于至善。孔子图片知止而后有定，定而后能静，静而后能安，安而后能虑，虑而后能得。 物有本末，事有终始。知所先后，则近道矣。 物格而后知致，知致而后意诚，意诚而后心正，心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。,光电信号检测,汤之盘铭曰：“苟日新，日日新，又日新。” 译文：商汤王刻在洗澡盆上的箴言说”如果能够一天新，就应保持天天新，新了还要更新。”,光电信号检测,
7、2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟 发明的光纤(有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面 )500万瑞典克朗（71.8万美元）美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯。 发明成像半导体电路电荷耦合器件(CCD)图像传感器,光电信号检测,诺贝尔物理学奖评选委员会主席约瑟夫努德格伦用一根光纤电缆形象地解释了高锟的重要成就：早在1966年，高锟就取得了光纤物理学上的突破性成果，他计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输，这项成果最终促使 光纤通信系统问世，而正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道路。“今天文字、音乐、图片和图像在一眨眼间传遍全球”，高锟功不可没。获奖感言 我对于获颁诺贝尔物理学奖
8、深感荣幸。诺贝尔奖鲜有表彰应用科学的成就，故我从来没有想过会获奖，感到非常惊喜。 高锟,光电信号检测,由此，从1841年开始，有科学家尝试利用玻璃棒甚至是水柱，制造传输光的管道。1889年，巴黎世博会上，一条条传导着光线的水流组成一道缤纷的瀑布，吸引了许多人的眼球。其后，玻璃光纤被用于胃窥镜，传输光的游戏由此拥有了更实际的意义。但直到高锟之前，光纤的实际价值也仅限于医疗等有限领域。科学家曾经考虑过将光作为通信信号的传输载体，因为制备玻璃光纤的材料几乎就源于砂石，那远比铜廉价。那是在1960年代。但几经努力，结果却让人失望。光在玻璃光纤中传输，会剧烈衰减，1公里之后就会衰减到100亿分之一按此计
9、算，如果经过一条1公里长的输水管，“水立方”满满一池的水将只剩下一滴。,光电信号检测,刚过而立之年的高锟，就面对着这样的局面主流的科学家都认为，基于如此高的损耗，光纤虽然可用在短短的胃镜导管上，但用于长距离通信根本不可能。伟大的发现，往往就蕴藏于对于“不可能”的否定。高锟1933年生于中国上海。小时候住在法租界，父亲是位律师。据报道，童年的高锟对化学最感兴趣，小小年纪的他曾经自己做土炸弹。后来，他又迷上了无线电，小小年纪就曾成功地装了一部收音机。,光电信号检测,1948年 高锟离开香港，举家迁往香港，就读香港大学，但没有他喜欢的电机工程专业，转到英国的伦敦大学。在英国国际电报电话公司就职，并开
10、始攻读博士学位。带着几个人的小团队开始不可完成的任务“光纤通讯研究”。围绕如何降低光在光纤中的剧烈衰减，高锟做了大量研究，排除一系列的影响因素，最终证明玻璃中的离子杂质对光的衰减起到决定性作用。他发现了最适合长距离传输的光的波长。他预言，只要每公里的光衰减小于20dB，即只要保留1%，光纤就可用于通讯。,光电信号检测,科学的价值，在于揭示出某种技术的极限，如果这种极限是可以实现的，那就意味着为新技术开启了一扇大门。高锟的这篇具有历史意义的论文于1966年7月发表。不过，当时人们还无法制造出可以达到高锟要求的那种“超纯净玻璃”。为此，这位物理学家不得不担当起一个“布道者”的角色。他四处拜访玻璃工
11、厂，宣扬他的理论，激励大家一起开发超纯玻璃。高锟以及通信界都没有等待太久。4年后的1970年，美国康宁公司发明了一种特殊的玻璃制造工艺，首次迈过了“20分贝/公里”门槛。之后，技术不断进步，到后来，每公里光纤的衰减被控制在5%之内。成名之前，高锟曾遭受到许多人的嘲笑，但高锟的信心并没有动摇。他说：所有的科学家都应该固执，都要觉得自己是对的，否则不会成功。 人要有 野心 才能成功!,光电信号检测,另一位评委英厄马尔伦德斯特勒默手持一部数码照相机深入浅出地描述了另两位科学家的成就。博伊尔和史密斯1969年共同发明了CCD图像传感器。这个传感器好似数码照相机的电子眼，通过用电子捕获光线来替代以往的胶
12、片成像，摄影技术由此得到彻底革新。此外，这一发明也推动了医学和天文学的发展，在疾病诊断、人体透视及显微外科等领域都有着广泛用途。,光电信号检测,2010年的诺贝尔物理学奖授予了现年51岁的Andre Geim 和他的学生36岁的Konstantin Novoselov，以表彰他们在“2维石墨烯材料实验”中的创新之处。,光电信号检测,三位科学家分享2011年诺贝尔物理学奖 三位科学家分享2011年诺贝尔物理学奖 图_资讯频道_凤凰网.mht,光电信号检测,1光电发射第二定律爱因斯坦定律光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关： Emax=(1/2)m2max =h- h0 =h-
13、 W0 Emax：光电子的最大初动能。 h：普朗克常数。 0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。 W0 ：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的最低能量），单位eV，与材料有关的常数，也称功函数。,外光电效应的两个基本定律,光电信号检测,2光电发射第一定律斯托列托夫定律： 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比： Ik=SkF 其中：Ik：光电流 , F：是入射辐射通量，单位是 lm; S是光电阴极灵敏度（积分灵敏度）,单位是 A/lm 。,光电信号检测,入射光子的能量至少要等于逸出功W时，才能发生光电发射。 波长阈值0：
14、0=C/0hc/W=1.24(meV)/W =1240/W(nm) 当入射光波长大于0时，不论光强如何，以及照射时间多长，都不会有光电子产生。要用红外光（0.76m）发射电子，必须寻求低于1.8eV的低能阈值材料。,光电信号检测,光电子发射的基本过程大致可分三个过程：1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。,光电信号检测,光电发射过程图,光电信号检测,好的光电
15、发射材料（做光电阴极的）应该是：（1）对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；（2）受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；（3）材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；（4）另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。,光电信号检测,光电阴极材料：1.金属光电阴极 忽略散射能量损失，克服表面势垒，吸收光子能量大于金属的逸出功，就有光电子发射。 Emax=(1/2)m2max=h- h0 =h-W0 金属表面发射强，对光辐射吸收低。 自由电子数量大，容易碰撞散射损失大量的能量。金属的逸出功是费米能级到真空能级之间的能量差。,光电信号检测,2.半导体光电阴极半导体材料具有良好的光电子发射性能：有较大的吸收系数；导电性适中，避免光电子向表面运动时能量更多的损失；半导体材料价带中电子密度大，存在大量发射电子中心；具有较小的光电逸出功。逸出功根据参杂不同，N型，P型不一样。,
