光电子技术Photoelectronic TechniquePhotoelectronic Technique 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 周自刚周自刚周自刚周自刚 本讲主要内容本讲主要内容一、光子效应和光热效应一、光子效应和光热效应二、光电发射效应二、光电发射效应三、光电导效应三、光电导效应四、光伏效应四、光伏效应五、温差电效应五、温差电效应七、光电转换定律七、光电转换定律六、热释电效应六、热释电效应光电探测器光电探测器(Detector) ：对各种光辐射进行：对各种光辐射进行接收接收和和探测探测的器件的器件分为热分为热 探探 测测 器和光子探测器器和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28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27一、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指单个光子的性质对产生的光电子起直接直接作用的一类光电效应。探测器作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，吸收光子后，直接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直接影响内部电子状态的改变。影响内部电子状态的改变。特点特点对光波频率表现出对光波频率表现出选择性选择性，响应速度快响应速度快。 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26一、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 ) 效应相应的探测器外光电效应1）光阴极发射光电子2）光电子倍增 打拿极倍增 通道电子倍增光电管光电倍增管像增强器内光电效应1）光电导（本征和非本征）2）光生伏特 PN结和PIN结（零偏） PN结和PIN结（反偏） 雪崩 肖特基势垒3）光电磁 光子牵引光导管或光敏电阻光电池光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管光电磁探测器光子牵引探测器25一、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 ) 光子效应器件光电管光电倍增管像增强器光导管或光敏电阻光电池光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管光电磁探测器光子牵引探测器光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管像增强器高速相机像增强器高速相机24光热效应光热效应(Photothermal Effect ) 探测元件吸收光辐射能量后，并探测元件吸收光辐射能量后，并不直接不直接引起内部电子状态的改变，而引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的是把吸收的光能变为晶格的热运动能热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上量，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或其他物理性质发生变化。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。特点特点对光波频率对光波频率没有选择性没有选择性，响应速度比较慢响应速度比较慢。 在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用在红外波段上，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。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一、光子效应和光热效应一、光子效应和光热效应23光热效应光热效应(Photothermal Effect )一、光子效应和光热效应一、光子效应和光热效应效应相应的探测器1）测辐射热计 负电阻温度系数 正电阻温度系数 超导2）温差电3）热释电4）其他热敏电阻测辐射热计金属测辐射热计超导远红外探测器热电偶、热电堆热释电探测器高莱盒、液晶等22光热效应光热效应(Photothermal Effect )一、光子效应和光热效应一、光子效应和光热效应光热效应探测器热敏电阻测辐射热计金属测辐射热计超导远红外探测器热电偶、热电堆热释电探测器高莱盒、液晶等红外探测器红外探测器21二、光电发射效应二、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射电子在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。（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，在光电管中又称能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为为光阴极光阴极。爱因斯坦方程爱因斯坦方程 20截止频率截止频率截止波长截止波长二、光电发射效应二、光电发射效应19三、光电导效应三、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18三、光电导效应三、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17三、光电导效应三、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”效应效应光电导过程光电导过程16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度是杂质能带宽度是杂质能带宽度光敏电阻光敏电阻三、光电导效应三、光电导效应15 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)。这就使半导体中的。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的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生载流子光生载流子。 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G，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导本征光电导和和杂质光电导杂质光电导。 三、光电导效应三、光电导效应14四、光伏效应四、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13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 结型光电探测器结型光电探测器的工作原理的工作原理光电二极管光电二极管 四、光伏效应四、光伏效应12五、温差电效应五、温差电效应 当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）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，如果两个接头的温度不同，并联两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。回路中就产生电动势，称为温差电动势。提高测量灵敏度提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11六、热释电效应六、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，面电荷密的大小，当发生变化时，面电荷密也跟着变化也跟着变化| |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。 10 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缓慢，一般在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。六、热释电效应六、热释电效应9七、光电转换定律七、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探测器的量子效率探测器的量子效率七、光电转换定律七、光电转换定律7*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(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。 七、光电转换定律七、光电转换定律6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，一般有截止波长，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间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒5知识巩固A、光电发射效应、光电发射效应B、光、光 电电 导导 效效 应应 C、光生伏特效应、光生伏特效应D、光、光 磁磁 效效 应应BCD光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子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（是属于内光电效应的有（ ）。）。4知识巩固在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于( ) 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BD3知识巩固以下几种探测器属于热探测器的有：（以下几种探测器属于热探测器的有：（ ）。）。A、热电偶型、热电偶型 B、热释电型、热释电型C、高莱气动型、高莱气动型D、热敏电阻型、热敏电阻型ABCD2本讲小结本讲小结1、光子效应、光热效应、光电发射效应、光电导效应、光伏效、光子效应、光热效应、光电发射效应、光电导效应、光伏效应、热释电效应、温差电效应应、热释电效应、温差电效应概念、特点、应用等概念、特点、应用等13、光电转换定律、光电转换定律的含义、应用的含义、应用2、量子效率、量子效率的含义、表达式、光电转换关系的含义、表达式、光电转换关系