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1、教学内容： 握） 解） 光电检测技术基础 第三节 光电效应 1、光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。 光电检测技术基础 2、分类 外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管等； 内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象称为内光电效应。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。 光电检测技术基础 光电导效应：是指半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象，如光
2、敏电阻。 光生伏特效应：是指光照在半导体 半导体接触面上时，会在 光敏二极管、光敏三级管、光电池。 光电检测技术基础 一、光电导效应 在半导体中，电子未获得其它能量之前处于基态，价带充满着电子，导带没有电子，所以这些材料的电阻是较大的。 但是，如果这些材料内的电子受到一种外来能量如光子的激发，且这种激发又能使电子获得足够的能量越过禁带而跃入导带的话，则材料中就会产生大量的电子及空穴 (光生载流子 )参与导电，因而材料的电阻就相应减少。这是由光吸收所引起的光电导效应。 光电检测技术基础 就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度、弛豫时间（惰性 )和光谱分布。 1、灵敏度（光电流或光电增益） 灵敏度通
3、常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。 光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益 光电检测技术基础 根据定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等，可以得出： 光电导体的非平衡载流子寿命 越长，迁移率 越大，电极间距 足够小，灵敏度就越高。 与制造有关与使用有关与材料有关其中22)(,/ 2、光电导的驰豫 光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象：光照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止，光电导在一段时间内逐渐消失。这种弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时
4、间就是弛豫时间，或称为响应时间(惰性 )。 显然，弛豫时间长，表示光电导反应馒，这时称惯性大；弛豫时间短，即光电导反应快，称为惯性小。从实际应用讲， 光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效工作的问题。 光电检测技术基础 两种典型情况： 直线性光电导 抛物线性光电导 直线性光电导：光电导与光强成线性关系； 抛物线性光电导：光电导与光强的平方根成正比。 多数光电导器件特点：在低光强下属于直线性光电导，在较强光强下属于抛物线性光电导。 光电检测技术基础 注： 灵敏度和驰豫时间是相矛盾的，通常要求灵敏度愈高，驰豫时间愈短。 但是实际上，灵敏度高，驰豫时间也就越长；灵敏度低，驰豫时间
5、也就越短。 相对灵敏度（） 光子能量 波长 本征半导体光谱分布曲线 i 一曲线都有一个峰值，光谱分布存在一长波限。 3、光电导的光谱分布 本征半导体的光谱分布曲线（见书图 2 24） 相对光响应 光子能量 杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的要长。 杂质光电导的光谱响应曲线 杂质半导体的光谱分布曲线 多个峰值，由于杂质的电离能小，对应的长波限很长，实际在红外范围。 光电检测技术基础 二、光生伏特效应 光照使不均匀半导体或均匀半导体中产生光生电子或空穴在空间分开而产生电势差的现象。 光电检测技术基础 1、均匀半导体 由于半导体对光的吸收而在半导体的近表面层中产生高浓度的光生非平衡电子空穴对。由
6、于载流子浓度梯度差，两种载流子都向半导体内部扩散。电子比空穴扩散得快，从而使半导体表面带正电而内部带负电，这种现象称为光电扩散效应或丹倍效应。所产生的光电压称为光电扩散电压或丹倍电压。 光电检测技术基础 2、不均匀半导体 光照下，结区、 样， 使 来势垒降低，相当于向 光生电动势。 光电检测技术基础 三、光电发射效应 被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用下形成光电子流。 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，获得 1921年诺贝尔物理学奖。 光电检测技术基础 1、斯托列托夫定律 (光电发射第一定律 ) 当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电流 与被阴极
7、所吸收的光通量 成正比。即： 式中， 为表征光电发射灵敏度的系数。 是用光电探测器件进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。 kI 2、 爱因斯坦定律 (光电发射第二定律 ) 发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。 3、光电发射的红限 光电子刚刚能从阴极逸出的临界波长，动能为 0。 即： 只有 时才逸出。 0m a a 21()21( 0 光电检测技术基础 4、光电发射的瞬时性 驰豫时间 5、光电发射的三个阶段 得到能量 受激电子的电子传输 越过表面势垒向真空逸出 3第二章 光电检测器件 一 . 光电器件的基本特性参数 二 三 四 光电检测器件是利用物质
8、的光电效应把光信号转换成电信号的器件 . 光电检测器件分为两大类 : 光子 (光电子 )检测器件 热电检测器件 光电检测器件 光子器件 热电器件 真空器件 固体器件 光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管 光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 电荷耦合器件 热电偶 /热电堆 热辐射计 /热敏电阻 热释电探测器 光电检测器件的特点 光子器件 热电器件 响应波长有选择性，一般有截止波长，超 过该波长，器件无响应。 响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短， 一般为纳秒到几百微秒 响应慢，一般为几毫秒 器件的基本特性参数 响应特性
9、 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度 一 )、响应特性 响应度（或称灵敏度）： 是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。 响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率 电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比 电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比 光谱响应度 ：探测器在波长为 的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比 积分响应度 ：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度 ()()()()()() 响应时间 ：响应时间 是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数 上升时间：入射光照射到光电探测器后，
10、光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。 频率响应 ：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。 二 )、噪声特性 在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。 01 ()TI i i t d 用均方噪声来表示噪声值大小 2201( ) ( ) ( ) Ti t i t i t d 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声
11、总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。 光电探测器常见的噪声 热噪声 散粒噪声 产生 1/1、热噪声 或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。 导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动 (相当于微电脉冲 )，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。 热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声 2、散粒噪声 散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，
12、光电子从光电阴极表面逸出是随机的，生载流子流的随机涨落。 散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。 例如光伏器件的 3、产生 半导体受光照，载流子不断产生 在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的 但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。 载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。 4、 1/ 或称闪烁噪声或低频噪声，由光敏材料的不均匀或不必要的微量杂质引起。 噪声的功率近似与频率成反比 多数器件的 1/00300 、信噪比 信噪比是判定噪声大小的参数。 是负载电阻上信号功率与噪声功率之比 若用分贝（ 示，为 2222、噪声等效功率 ( 定义：信号功率与噪声功率比为 1（ ）时，入射到探测器件上的辐射通量 (单位为瓦 )。 这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流） 一般一个良好的探测器件的 0 声越小，器件的性能越好。 () P 三 )、量子效率 （ ） 量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1 实际上， 1 量子效率是一个微观参数，量子效率
