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1、光 电 检 测 原 理 与 技 术,陈 翔 宇 Email D Tel 13986267362 QQ 552136081 电子信息工程系 2006-10,第四章 光电测试常用器件,第一节光电器件的性能参数第二节光电发射器件第三节光电导器件第四节光伏器件第五节光探测器件的性能比较和应用选择第六节热电探测器件第七节光电成像器件第八节光调制器件,常用器件类别,光电探测器件 利用各种光子效应，使入射辐射强度转换成电学信息或电能热电探测器件(光热探测器) 利用光热效应，使入射辐射能量引起温升并导致 相关参量变化,无波长选择性光电成像器件 利用光电效应工作，能输出图像信号光调制器件 利用各种物理效应实现对
2、光的变换，进行光的调制和扫描,第一节光电器件的性能参数,表征参数 ( 与工作条件相关 ) 探测灵敏度 ( 响应度 ) 电压灵敏度 电流灵敏度 单色灵敏度 光谱灵敏度 R 表征对单色辐射的响应能力 积分灵敏度 表征对连续辐射总的响应能力 应指明色温,光电流 I 或输出电压 U 与入射光波长的关系 I=FI() 或 U=FU() 称为光谱特性,光电器件的响应时间,响应时间 滞后过程影响灵敏度 惰性 光电器件的响应落后于作用光信号的特性 脉冲响应特性 用阶跃光信号作用于光电器件的 时域响应特性 上升时间 tr 从稳态值的10上升到90的时间 下降时间 tf 从稳态值的90下降到10的时间 用器件的单
3、位冲击响应函数的半值宽度(FWHM)表示,光电器件的频率响应特性,频率响应特性 光电器件的响应随 入射光调制频率而变化的频域特性 调制圆频率,上限截止频率 信号功率下降到零频的一半( 幅度的0.707 )时的频率,噪声等效功率与探测度,实验表明,最小可测功率,归一化噪声等效功率,噪声等效功率,NEP 和器件的光敏面 A 与测量系统的带宽 f 乘积的平方根成正比,探测度 D,比探测度 D*,单位 cm.Hz1/2/w,比探测度由内部噪声和背景噪声决定 应附测量条件,量子效率,量子效率即一个入射光子激发的平均光电子数表征光电器件的光电转换能力，光电子数与入射光子数之比,量子效率是微观灵敏度，统计平
4、均量通常小于 有增益时改用放大倍数描述,第二节光电发射器件,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，出现电子从材料表面逸出现象。它是真空光电器光电阴极的物理基础。,光电效应主要包括 ：1外光电效应 光电发射效应：当光照射到物体上使物体向真空中发 射电子 2内光电效应光电导效应：光照射到物体上使物体电导率发生变化 光伏效应：光照射到固体上使不均匀物体产生光电势,光电效应 因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应,光电特性和光照特性当光电器件上的电压一定时，光电流 I 与入射于光电器件上的光通量之间的关系 I=F() 称为光电特性；而光电流I 与入射于光电
5、器件上的光照度 L 之间的关系 I=F(L) 称为光照特性,光电效应两定律,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 ：阴极光电流光电特性 Sk ：阴极对入射光线的灵敏度 ：入射光通量,几种重要半导体材料的波长阈值,光电效应两定律,由Einstein定律知：入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。波长阈值为： 0=C/0 hc / A = 1.24 (m eV ) / A=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,光电
6、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-W Emax：光电子的最大初动能0：产生光电发射的极限频率，频率阈值 W：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的最低能量）光电发射的能量阈值单位eV，与材料有关的常数，也称功函数,光电发射的过程,三个基本步骤：Step1: 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。Step2: 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。Step3: 达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以
7、克服表面势垒对电子 的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。,材料基本条件量子效率较高光的吸收系数逸出深度电导率较大逸出功较小,金属的光电发射,光的吸收效率低反射系数达逸出深度很小电导率较大逸出功多大于,金属电子的逸出功W,金属的光电发射效率低紫外区,半导体的光电发射,电子亲和势表征电子逸出的难易程度常规材料新型材料负电子亲和势（衬底材料）光电子能量集中负电子亲和势阴极光谱响应均匀光谱延伸至近红外区,a) 绝缘体 b) 半导体 c & d) 金属,绝缘体、半导体、金属的能带图,能带理论,光电真空器件,真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。为了防止氧化，将管内抽成真空。 光电阴极即半导体光电
8、发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。 阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。,真空光电管的结构图,光电倍增管,非常重要的一种真空光电器件引入电子倍增机制,光电子发射效应,二次电子发射效应,电子光学,理论基础,基本结构及工作原理,光电倍增管（hoto ultiplier ube） 是一种多阳极的真空光电管，内部有电子倍增机构，内增益极高，目前灵敏度最高的一种光电探测器，响应时间快，多用于微光检测。光电倍增管由 光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统 和 阳极五个主要部分组成。,注：Cathode: 阴极Focusing elec
9、trode: 聚焦电极Dynode: 倍增管电极Anode: 阳极,基本结构及工作原理,1光窗 光窗是入射光的通道 分为 侧窗式 端窗式 一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等 由于光窗对光的吸收与波长有关，,波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料,基本结构及工作原理,3电子光学系统 任务主要有两个： 一个是通过对电极结构的适当设计，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的收集率接近于1； 另一个任务是，使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。,2光电阴极 多是
10、由化合物半导体材料制作，它接收入射光，向外发射光电子。 倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。,电子倍增系统,4倍增系统 是决定整管灵敏度最关键的部分。 倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。,具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子，这种现象成为二次电子发射。轰击材料的入射电子称为一次电子，从材料表面将发射出的电子称为二次电子。,电子倍增系统,不同材料的二次发射能力是不一样的。为表征材料的这种能力，通常把二次发射的电子数 N2 与入射的一次电子数 N1的比值定义为该材料的二次
11、发射系数，即 ： = N2 / N1 与材料的性质、电极的结构、形状及所加的电压有关,倍增极材料,倍增极材料大致可分以下四类： 1）含碱复杂面主要是银氧铯和锑铯两种，它们既是灵敏的光电发射 体，也是良好的二次电子发射体。 2）氧化物型，主要是氧化镁。 3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。 4）负电子亲合势发射体。 这几类材料在低电压下有大的值，以便整管工作电压不致于过高；热发射小，以便整管的暗电流和噪声小；二次电子发射稳定，以便温度较高或一次电流较大时，长时间工作不下降；而且容易制备。,倍增极结构,各种倍增极的结构形式a) 百叶窗式 b) 盒栅式 c) 直瓦片式 d) 圆瓦片
12、式,聚焦型,渡越时间,基本结构及工作原理,5阳极阳极结构比倍增极系统简单的多，它的作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。对阳极的结构要求：要具有较高的电子收集率 能承受较大的电流密度 在阳极附近的空间不致产生空间电荷效应 阳极输出的电容要小，即阳极与末级倍增极及与其他倍增极间的电容要很小目前阳极广泛采用金属网作的栅网状结构。,主要参数和特性,基本参数原理工艺基本性能应用参数方法对象具体响应时间噪声运行特性条件环境极限值温度1.灵敏度,主要参数和特性,2.电流增益 阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比，即 =IA/IK=SA/SK若倍增管有 n 个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等，则 n因为是电压的函数，所以也是电压的函数。,
