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1、第七章 光辐射的探测及成像技术,1 光电探测的物理效应 2 光探测器性能参数 3 光电探测方式 4 光电探测器,光电探测技术基础,光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。光探测器的发展可追溯到1873年，英国的Smith和 May在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的Se棒后，其电阻值约改变30%，同年Simens将白金绕在这种Se棒上，制成了第一个光电池；1888年，德国的Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起
2、电子发射，1909年，Richtmeyer发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管；1950年，美国的Weimer等人研制出光导摄像管，1970年Boyle等人发明了CCD(电荷耦合器件)。如今，激光的发展进一步促进和刺激了光电探测领域的发展，各种光电探测器件大都已工业化、商品化，摄像机等已微型化。由于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量，因而光电探测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义。,光电探测的物理效应,光电探测的物理效应可以分
3、为三大类：光电效应、光热效应和波相互作用效应，并以光电效应应用最为广泛。,光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应。事实上，此处我们所指的光电效应是一种光子效应，也就是单个光子的性质对产生的光电子直接作用的一类光电效应。根据效应发生的部位和性质，习惯上又将其分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象，主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象，典型的例子是物质表面的光电发射；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象，特别是半导体内部载流子产生效应，主要包括光电导效应与光伏效应。光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态改变，因而
4、光子能量的大小直接影响内部电子状态改变的大小，因而这类探测器受波长限制，存在“红限”截止波长 ，截止波长表达式：,式中，c为真空中光速，E在外光电效应中为表面逸出功，在内光电效应中为半导体禁带宽度。,光电探测的物理效应,光热效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。探测器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，并进一步使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化的现象。探测体常用Pt、Ni、Au等金属和热敏电阻、热释电器件、超导体等。原则上，光热效应对光波波长没有选择性，但由于材料在红外波段的热效应更强，因而光热效应广泛用于
5、对红外辐射、特别是长波长的红外线的测量，许多激光功率计常用该种类型的探测器。由于温升是热积累的作用，所以光热效应的速度一般比较慢，而且易受环境温度变化的影响。,波相互作用效应是指激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应等。,外光电效应光电发射效应,金属或半导体受光照时，若入射光子能量 足够大，它就和物质当中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出，这种现象就称为光电发射效应，也称外光电效应。其中，能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，在光电管中又称光阴极。光电发射效应是真空光电器件中光电阴极的物理基础，它遵从两个基本定律：,(1)光电效应第一定律斯托
6、列托夫定律：,当照射到光电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：,式中， 是光电流， 是入射光强， 是该阴极对入射光线的灵敏度。,该定律有时表达为,式中， 是t时刻入射到探测器上的光功率， 是探测器的量子效率。该式常被称作光电转换定律。,外光电效应光电发射效应,(2)光电发射第二定律爱因斯坦定律：,如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关，,式中， 为光电子的初动能，m为电子质量， 为电子离开发射体表面 时的速度，
7、为入射光子能量， 为金属逸出功(从材料表面逸出时所需的最低能量)，又称功函数。该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光发射，就此推出外光电效应发生的条件为：,截止波长：,入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间有多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：,(1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态； (2)受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其它电子或晶格发生碰撞而失去部分能量； (3)到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。,由此得到光电发射对阴极材料的要求：,(1)对光的吸收大，以便体内有
8、较多的电子受激发射； (2)电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小； (3)材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出； (4)电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。,外光电效应光电发射效应,外光电效应光电发射效应,1.金属的光电发射,金属反射掉大部分入射的可见光(反射系数大于90%)，吸收效率较低，且光电子与金属中大量自由电子碰撞，能量损失大，因而只有表面附近(几纳米范围内)的光电子才有可能克服逸出功(大都大于3eV)发出光电子。对于能量小于3eV的可见光很难产生光电发射，只有铯(逸出功2eV)对可见光灵敏，可用于可见光电极，但其量子效率很低(小于0.1%)，在光电发射前两
9、阶段能量损耗极大。,2.半导体光电发射,半导体光电发射的光电逸出参量有两个，分别是电子亲和势和电子逸出功。,电子亲和势是指导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级(真空中静止电子的能量)与导带底能级之差。有表面亲和势和体内亲和势之分。表面亲和势是材料参量，与掺杂、表面能带弯曲等因素无关，而体内亲和势不是材料参量，可随表面能带弯曲变化。,电子逸出功是描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，在数量上等于电子逸出表面所需的最低能量，即光电发射的能量阈值。,金属有大量的自由电子，没有禁带，费米能级以下基本上为电子所填满，而费米能级以上基本上是空态，因而表面能受内外电场影响很小，费米能级
10、只决定于材料，因而其逸出功定义为T=0K时真空能级与费米能级之差，是材料的参量，可用来做为电子发射的能量阈值。,外光电效应光电发射效应,半导体中自由电子较少，且有禁带，费米能级一般都在禁带当中，且随掺杂和内外场变化，所以真空能级与费米能级之差不是材料参量。半导体的逸出功定义为T=0K时真空能级与电子发射中心能级之差，而电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是导带底，情况复杂，而不管逸出功从何算起，其中都包含以亲和势，因而半导体中很少用逸出功而常用亲和势来判别光电子发射的难易，许多资料中光电发射的能量阈值常用亲和势加禁带宽度来计算。,由于n型半导体的能带向上弯曲，使得体内电子亲和势比能带不弯曲时增
11、加一个势垒高度eUs，从而逸出功增大，体内光电子发射变得更为困难；而p型半导体则相反，其能带向下弯曲，逸出功减小，大大有利于体内的光电子发射。因而各种实用光电阴极几乎全是用p型半导体材料作衬底，然后在它上面涂以带正电的金属或n型半导体材料而制成。通过进一步减小能带弯曲还可使光电子发射的主要部位来自半导体体内，从而使量子效率大大提高；采用费米能级很靠近价带的强p型半导体还可使热电子发射导致的暗电流较小。,内光电效应,内光电效应型探测器主要包括光电导 (Photoconductive：PC) 型和光伏(Photovoltaic：PV)型两种。,1.光电导效应,光电导效应是光照变化引起半导体材料电导
12、变化的现象。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，从而导致材料电导率增大。该现象是100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象。下图为光电导效应示意图。,光电导效应,内光电效应,对于本征半导体，在无光照时，由于热激发只有少数电子从价带跃迁至导带，此时半导体的电导率很低，称为半导体的暗电导，用 表示，且,式中，e为电子电荷，n和 分别是无光照时导带电子密度和迁移率；p和 分别是无光照时价带空穴密度和迁移率。,当光入射到本征半导体材料上时，入射光子将电子从价带激发到导带，使导电电子、空穴数量变化 、 ，从而引起电导率变化
13、：,以n型半导体为例，如上图。图中，V为外加偏压， 为负载电阻，L、W、d分别为样品模型的长、宽、高，则探测器电极面积A=Wd。若光功率P沿x方向均匀入射，光电导材料吸收系数为 ，则入射光功率在材料内部沿x方向的变化为,式中P为x=0处的入射光功率。则光生电子在外电场作用下的漂移电流 为,式中 为x处光生载流子密度， 为光生载流子在外电场E作用下的漂移速度。则探测器收集极上的光电流平均值为,内光电效应,代入上式，得光电流平均值为,与光生载流子的产生复合率有关，若非平衡载流子平均寿命为 ，则复合率 为 ，产生率为 ，在稳态条件下产生率与复合率相等，由此得,于是的光电导探测器输出的平均光电流为,同
14、时求得，入射光功率全部被吸收时，探测器体内的平均光生载流子浓度为,此时的光电流为,内光电效应,根据量子效率的定义,可求得,式中， 为外电场下载流子在电极间的渡越时间， 为光电导探测器的内部增益，表示一个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献，它是光电导探测器的一个特有参数。为了提高其值，应该用平均寿命长、迁移率大的材料作探测器，且将探测器电极做成梳状，以减小极间距离。G的大小随使用条件和器件本身的结构不同而不同，可在 量级间很宽的范围内变化。,内光电效应,2.光伏效应,光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡
15、层的存在引起的，我们就以p-n结为例来分析光伏效应。,p-n结结区存在一个由n指向p的内建电场，热平衡时，多数载流子的扩散作用与少数载流子的漂移作用相抵消，没有电流通过p-n结；当有光照射p-n结时，样品对光子的本征和非本征吸收都将产生光生载流子，但由于p区和n区的多数载流子都被势垒阻挡而不能穿过结，因而只有本征吸收所激发的少数载流子能引起光伏效应：p区的光生电子和n区的光生空穴以及结区的电子-空穴对扩散到结电场附近时，在内建电场的作用下漂移过结，电子-空穴对被阻挡层的内建电场分开，光生电子与空穴分别被拉向n区与p区，从而在阻挡层两侧形成电荷堆积，产生与内建电场反向的光生电场，使得内建电场势垒
16、降低，降低量等于光生电势差。光生电势差导致的光生电流方向与结电流方向相反，而与p-n结反向饱和电流 同向，且 。,光伏效应,内光电效应,并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设n区中空穴在其寿命p时间内扩散距离为Lp，p区中电子在e时间内扩散距离为Le，一般情况下L=Lp+Le远大于p-n结宽度，因而可得，结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子对光电流有贡献，此外的电子-空穴对在扩散过程中将复合掉，对p-n结光伏效应无贡献。,光伏效应有两个重要参数：开路电压Uoc与短路电流Isc，他们的定义都要从p-n结电流出发。光伏效应下p-n结总电流,其中E为光照度，U为结电压，T为绝对温度，S为光照面积。,则定义光照下p-n结外电路开路(即I=0)时p端对n端的电压为开路电压Uoc：,在一定温度下，它与光照度E呈对数关系，但最大值不超过接触电势差。,短路电流Isc定义为光照下p-n结外电
