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1、8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1 1主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 2 2主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测
2、器的物理效应1、在远离家时如何防盗并报警？2、在太空中靠什么拍摄出清晰图片？3、在大型石化工厂中如何发现险情并及时处理？嫦娥嫦娥1号卫星号卫星8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 3 3主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应第第4章章 光辐射的探测技术光辐射的探测技术4.1 光电探测器光电探测器(Detector)的物理效应的物理效应 光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测
3、的器件光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件热热 探探 测测 器器光子探测器光子探测器光辐射量光辐射量光电探测器光电探测器电量电量光电倍增管光电倍增管8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 4 4主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应探测器件探测器件热电探测元件热电探测元件光子探测元件光子探测元件气体光电探测元件气体光电探测元件外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应非
4、放大型非放大型放放 大大 型型光电导探测器光电导探测器光磁电探测器光磁电探测器光生伏特探测器光生伏特探测器本征型本征型掺杂型掺杂型非放大非放大放大型放大型真空光电管真空光电管充气光电管充气光电管光电倍增管光电倍增管变像管变像管摄像管摄像管像增强器像增强器光敏电阻光敏电阻红外探测器红外探测器光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光电场效应管光电场效应管雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 5 5主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1
5、4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应一、光子效应和光热效应一、光子效应和光热效应光子效应光子效应(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。变。特点特点对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。对光波频率表现出选择性，响应速度一
6、般比较快。 例如例如:光子效应在光电池等中体现光子效应在光电池等中体现8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 6 6主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光热效应光热效应(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，引起探的改变，而
7、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。或其他物理性质发生变化。特点特点原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。 在在红外波段红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，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。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例如：家庭式热释电红外探测器8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共18
8、18页页 7 7主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应二、光电发射效应光电发射效应光电发射效应：光电发射体的功函数：光电发射体的功函数 电子离开发射体表面时的动能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。射电子（即光电子）的现象。光电发射体光电发射体 能产生光电发射效应的物体，在光电管能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为中又称为光阴极光阴极。爱因斯
9、坦方程爱因斯坦方程 8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 8 8主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应截止频率截止频率截止波长截止波长8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 9 9主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理
10、效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应三、光电导效应光电导现象光电导现象半导体材料的半导体材料的“体体”效应效应本征本征半导体半导体光电导过程8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1010主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长满足如下条件：满足如下条件： 是禁带宽度是禁带宽
11、度是杂质能带宽度是杂质能带宽度光敏电阻光敏电阻8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1111主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 光子将在其中激发出新的载流子光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴电子和空穴)。这就。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这个新增加
12、的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生光生载流子载流子。 显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量 ，我们称之为我们称之为光电导光电导。相应和杂质半导体就分别称为。相应和杂质半导体就分别称为本征光电本征光电导导和和杂质光电导杂质光电导。 8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1212主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应四、
13、光伏效应光伏现象光伏现象半导体材料的半导体材料的“结结”效应效应 例如：例如：雪崩二极管雪崩二极管8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1313主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光照光照零偏零偏pn结产生开路电压的效应结产生开路电压的效应光照光照反偏反偏光伏效应光伏效应光电池光电池光电信号是光电流光电信号是光电流 结型光电探测结型光电探测器的工作原理器的工作原理光电二极
14、管光电二极管 8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1414主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应五、温差电效应 当两种不同的配偶材料（可以是金属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，并联回路中就产生电动势，头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。称为温差电动势。 提高测量灵敏度提
15、高测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用若干个热电偶串联起来使用热电堆热电堆 地磁场的起源地磁场的起源8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1515主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应六、热释电效应热释电材料热释电材料电介质电介质一种结晶对称性很差的压电晶体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在常态下具有自发电极化( (即固有电偶极矩即固有电偶极矩) )热电体的
16、热电体的| | |决定了面电荷密度决定了面电荷密度 的大小，当发生变化时，的大小，当发生变化时，面电荷密度也跟着变化面电荷密度也跟着变化| | |值是温度的函数值是温度的函数温度升高温度升高| | |减小。减小。 8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1616主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 升高到升高到Tc值时，自发极化突然消失，值时，自发极化突然消失，TC称为居里
17、温度称为居里温度 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，一般在缓慢，一般在11000秒量级秒量级热释电探测器是一种热释电探测器是一种交流交流或瞬时响应的器件。或瞬时响应的器件。8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1717主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应七、光电转换定律光辐射量转换为光电流量的过程光辐射量
18、转换为光电流量的过程 光电转换光电转换D探测器的光电转换因子探测器的光电转换因子光子光子电极电极电极电极耗尽层耗尽层SiO2p+nn+8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1818主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应探测器的量子效率探测器的量子效率光电转换定律：光电转换定律：*光功率光功率P正比于光电场的平方正比于光电场的平方 平方律探测器平方律探测器非线性器件非线性器件
19、(本质本质)。*光电探测器对入射功率响应光电探测器对入射功率响应(光电流光电流) 一个光子探测器可视为一个电流源。一个光子探测器可视为一个电流源。 8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 1919主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电检测器件的特点光电检测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器截止
20、波长，超过该波长，器件无响应件无响应响应波长无选择性，对可见响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐光到远红外的各种波长的辐射同样敏感射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 2020主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电
21、探测器的物理效应知识巩固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（ ）。A A、光电发射效应、光电发射效应B B、光、光 电电 导导 效效 应应 C C、光生伏特效应、光生伏特效应D D、光、光 磁磁 效效 应应BCD8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 2121主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子
22、技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应知识巩固在光线作用下，半导体的电导率增加的现在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于象属于( ) ( ) A、外光电效应外光电效应B、内光电效应内光电效应C、光电发射光电发射D、光导效应光导效应BD8/11/2024UPDOWNBACK8/11/20248/11/2024 共共1818页页 2222主讲主讲主讲主讲: : : :周自刚周自刚周自刚周自刚光电子技术光电子技术光电子技术光电子技术4.1 4.1 4.1 4.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应知识巩固以下几种探测器属于热探测器的有：（ ）。A A、热电偶型、热电偶型 B B、热释电型、热释电型C C、高莱气动型、高莱气动型D D、热敏电阻型、热敏电阻型ABCD课后作业：课后作业：P161 4.1P161 4.1，4.24.2
