1、第三章光电探测器第三章光电探测器3.1 光电探测器的物理基础光电探测器的物理基础3.2 光电子发射探测器光电子发射探测器3.3 光电导探测器光电导探测器3.4 光伏探测器光伏探测器3.5 热电探测器热电探测器3.6 光电成像器件光电成像器件3.7 各类光电探测器的性能各类光电探测器的性能及应用比较及应用比较第三章光电探测器第三章光电探测器3.1 光电探测器的物理基础光电探测器的物理基础3.2 光电子发射探测器光电子发射探测器3.3 光电导探测器光电导探测器3.4 光伏探测器光伏探测器3.5 热电探测器热电探测器3.6 光电成像器件光电成像器件3.7 各类光电探测器的性能各类光电探测器的性能及应
2、用比较及应用比较 3.1 光电探测器的物理基础光电探测器的物理基础3.1.1 光辐射与度量光辐射与度量3.1.2 光电探测器概述光电探测器概述3.1.3 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数3.1.4 光电探测器的噪声光电探测器的噪声3.1.1 光辐射与度量光辐射与度量光的基本性质回顾1.光是一种电磁波物质2.电磁波谱（22个量级）3.光学波段4.光的波粒二象性3.1.1 光辐射与度量光辐射与度量光学中定量地描述辐射能强度的量有两类：光学中定量地描述辐射能强度的量有两类：1.1.一类是一类是物理的物理的辐射度学辐射度学量，是用能量单位描述光量，是用能量单位描述光辐射能的辐射能的客观客观物理
3、量；物理量；2.2.另一类是另一类是生理的生理的光度学光度学量，是描述光辐射能为平量，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度。即光度量是均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度。即光度量是具有具有标准人眼视觉特性标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量。的人眼所接收到辐射量的度量。3.3.辐射度量辐射度量和和光度量光度量两者在两者在研究方法研究方法和和概念概念上非常类似，上非常类似，它们的它们的基本物理量也是一一对应基本物理量也是一一对应的。的。4.4.在衡量光电探测器的性能时，或者是评价光电测量系在衡量光电探测器的性能时，或者是评价光电测量系统的指标时，辐射度量和光度量是紧密相
4、关的统的指标时，辐射度量和光度量是紧密相关的。一、辐射度的基本物理量一、辐射度的基本物理量 1辐射能辐射能Q 辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为J(焦耳)。当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热能、电能等。2辐射通量辐射通量 辐射通量又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率。单位为W(瓦)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。=dQ/dt (Js，焦耳每秒)3辐射强度辐射强度I 点辐射源在给定方向上单位点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射通量，单位立体角内的辐射通量，单位为为Wsr(瓦每球面度瓦每球面度)。I=d d 在在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源所
5、有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角在有限立体角内发射内发射的辐射通量为的辐射通量为 =I l在空间所有方向在空间所有方向(4 )上发射的辐射通量为上发射的辐射通量为=4I l实际上，实际上，一般辐射源多为各向异性的辐射源一般辐射源多为各向异性的辐射源，其辐射强度随方，其辐射强度随方向而变化，如图所示。向而变化，如图所示。4辐射照度辐射照度E 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，dA是投射是投射辐射通量辐射通量d的面积元，单位为的面积元，单位为Wm2(瓦每平方米瓦每平方米)。EddA 5辐射出射度辐射出射度M 辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射
6、的通量，辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量，d是扩展源表面是扩展源表面dS在半球空间（在半球空间（2立体角立体角)所发出的总所发出的总的辐射通量，单位为的辐射通量，单位为W(瓦每平方米瓦每平方米)。M=ddSE和和M的单位相同，区别：前者是描述辐射接收面的单位相同，区别：前者是描述辐射接收面（探测器）所接收的辐射特性。后者则为描述扩展辐（探测器）所接收的辐射特性。后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。射源向外发射的辐射特性。6辐射率辐射率 L辐射率定义为辐射强辐射率定义为辐射强度与辐射表面在垂直度与辐射表面在垂直于该方向平面上的投于该方向平面上的投影面积的比值。又称影面积的比值。又
7、称辐射亮度辐射亮度。二光谱辐射量二光谱辐射量1.光谱辐射量也叫光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度辐射量的光谱密度。2.光谱辐射量是辐射量随波长的光谱辐射量是辐射量随波长的变化率变化率。l 光谱辐射通量光谱辐射通量（）：辐射源发出的光在波长辐射源发出的光在波长处的处的单位波长间隔内的辐射通量。单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。辐射通量与波长的关系如图。其关系式为其关系式为 l单位为单位为Wm(瓦每微米瓦每微米)，或或Wnm(瓦每纳米瓦每纳米)。l多色辐通量，全色辐通量多色辐通量，全色辐通量 前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对
8、应的关系：相对应的关系：光谱辐照度：光谱辐射出射度：光谱辐射亮度：辐射源的总辐射通量是：三、光度学的基本物理量三、光度学的基本物理量1光谱光视效能光谱光视效能 人的视神经对人的视神经对各种不同波长光各种不同波长光的感光灵敏度存的感光灵敏度存在差异。在差异。不同的人不同的人对各种波长光的感光灵敏度也对各种波长光的感光灵敏度也有差异。有差异。对人眼来说采用光谱光视效能对人眼来说采用光谱光视效能K()来表征不同来表征不同波长辐射下的响应能力。光谱光视效能波长辐射下的响应能力。光谱光视效能K()为为同同一波长一波长下光谱下光谱光通量光通量与光谱与光谱辐通量辐通量之比，即之比，即 K()=v/e2.光谱
9、光视效率光谱光视效率 由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的，生的光感觉是不同的，国际照明委员会国际照明委员会(CIE)根据对根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者标准光度观察者”光光谱光视效率谱光视效率，或称之为，或称之为视见函数视见函数V()。不同光亮度条件下，人眼对波长的不同光亮度条件下，人眼对波长的光谱光视效率光谱光视效率不不同，分为同，分为明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率和和暗视觉光谱光视效暗视
10、觉光谱光视效率。率。暗视觉光谱光视效率暗视觉光谱光视效率虚线是亮度小于虚线是亮度小于0.001cd/时时的暗视觉光谱光视效率，用的暗视觉光谱光视效率，用V()表示，此时的视觉主要表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的由人眼视网膜上分布的杆状细杆状细胞胞刺激所引起的；刺激所引起的；V()的最的最大值在大值在507nm处。处。V()V()n明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率实线是亮度大于实线是亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用时的明视觉光谱光视效率，用V()表示，表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞锥体细胞的刺激所引起的的刺激所引起的V
11、()的最大值在的最大值在555nm处。处。按人眼的视觉特性按人眼的视觉特性V()来评价的辐射通量来评价的辐射通量即为光通量即为光通量V，这两者的关系为：，这两者的关系为：780380)()(dVKmV3.3.光通量光通量等号的左边是光通量，其单位是流明等号的左边是光通量，其单位是流明(lmlm)；等号的右边的等号的右边的()d)d 是辐射通量，单位是瓦是辐射通量，单位是瓦(wnmwnm），），V(V()是光视效率，单位是是光视效率，单位是1/nm1/nm。所以等号右边引进一个。所以等号右边引进一个系数系数KmKm，从而使两边的单位一致。，从而使两边的单位一致。KmKm的单位为流明瓦的单位为流明
12、瓦(lm/Wlm/W)KmKm表示人眼对波长为表示人眼对波长为555nmV(555)=1555nmV(555)=1光辐射产生光感光辐射产生光感觉的效能。称为最大光谱光视效能。亦称为觉的效能。称为最大光谱光视效能。亦称为光功当量光功当量。按国际实用温标按国际实用温标IPTS68IPTS68的理论计算值为的理论计算值为K Km m683(lm/W)683(lm/W)K Km m683683lmlmW W。它表示在波长为。它表示在波长为555nm555nm处，即人眼光谱光视效处，即人眼光谱光视效率最大率最大(V=1)(V=1)处，处，1W1W的辐射能通量相当的光通量为的辐射能通量相当的光通量为683
13、lm683lm；换句；换句话说，此时话说，此时1lm1lm相当于相当于1 1683W683W。4.4.光度量和辐射度量之间的换算光度量和辐射度量之间的换算KmKm确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。同理，其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示光度同理，其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示光度量与辐射量之间的关系量与辐射量之间的关系 ：780380)()(dVXKXmV人眼的光谱光视效率的数值人眼的光谱光视效率的数值5 5光度学的基本物理量
14、光度学的基本物理量在在辐射度量学辐射度量学中介绍的各个基本量中介绍的各个基本量、M、I、L和和E对整个电磁波谱都适用对整个电磁波谱都适用；在在光度学光度学中光度量和辐射度量的定义、定义方中光度量和辐射度量的定义、定义方程是程是一一对应一一对应的，只是光度量的，只是光度量只在光谱的可见波只在光谱的可见波段段(380780nm)才有意义才有意义。为避免混淆，在光。为避免混淆，在光度量符号上加下标度量符号上加下标“v”。光度学中相应量光度学中相应量V V、M MV V、I IV V、L LV V和和E EV V与辐射度量与辐射度量、M M、I I、L L和和E E之间的对应关系由表给出。之间的对应关
15、系由表给出。辐射度量辐射度量 符号符号 单位单位 光度量光度量符号符号 单位单位辐射能辐射能 QJ(焦焦)光量光量 QV lms辐射通量辐射通量 W（瓦）（瓦）光通量光通量Vlm（流明）（流明）辐照度辐照度EWm2光照度光照度EVlx=lmm2辐出度辐出度MWm2光出射度光出射度 MVlmm2 辐射强度辐射强度 IWsr-1发光强度发光强度 IVcd=lmsr1（坎德拉）辐射亮度辐射亮度 LW s r-1m2光亮度光亮度LVcdm2辐射度量和光度量的对照表辐射度量和光度量的对照表6.光度量中的单位光度量中的单位1）最基本的单位是）最基本的单位是发光强度发光强度单位单位坎德拉坎德拉(cd)是国际
16、单位制中七个基本单位之一。是国际单位制中七个基本单位之一。定义是频率为定义是频率为5401012Hz(对应在空气中对应在空气中555nm波长波长)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为 1/683(W/sr)时，在该方向上的发光强度为时，在该方向上的发光强度为1cd。2）光通量光通量的单位是的单位是流明流明(lm)1lm它是发光强度为它是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角的均匀点光源在单位立体角(1sr)内发出的光通量。内发出的光通量。3 3）光照度光照度的单位是的单位是勒克斯勒克斯(lx)1lx 1lx它相当于它相当于1lm的光通量均匀地照在的光通量均
17、匀地照在1面积上所面积上所产生的光照度。产生的光照度。解：OP=x，P点所在球面的面积为：s=4x2通过s的光通量：=I=4 (lm)因为是点光源，均匀辐射，则P点的光照度：EV=/s=4/4x2=1/x2当x=1m，EV=1（lx)当x=2m，EV=0.25（lx)思考题：在思考题：在O点处，有一点光源，发光强度为点处，有一点光源，发光强度为1cd，求：空间任意一点求：空间任意一点P的光照度的光照度EV=?思考：若光源为思考：若光源为1W的灯泡，结论如何？的灯泡，结论如何？四、辐射度与光度中的基本定律四、辐射度与光度中的基本定律1.余弦定律余弦定律sS0S和和S对对O点所张的立体角点所张的立
18、体角是相同的，对于两个面来讲是相同的，对于两个面来讲其辐射通量是相同的，两个其辐射通量是相同的，两个面的辐照度分别为面的辐照度分别为SESE,cosSScosEE 由于所以任一表面上的辐照度随该表任一表面上的辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之面法线和辐射能传输方向之间夹角的余弦而变化。间夹角的余弦而变化。2.距离平方反比定律距离平方反比定律在不考虑辐射传输损失时，在不考虑辐射传输损失时，点光源在传输方向点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比。反比。3.亮度守恒定律亮度守恒定律一个封闭光束在无损失的同种介质传输时，不一个封闭光束在无
19、损失的同种介质传输时，不仅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封闭仅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封闭光束的各个截面的亮度也处处相等。光束的各个截面的亮度也处处相等。光源发射光波的过程或光波自身称为光辐射光源发射光波的过程或光波自身称为光辐射1）跃迁辐射与受激辐射跃迁辐射与受激辐射2）热辐射热辐射：有一定温度的物体引起的辐射：有一定温度的物体引起的辐射3）湮灭辐射湮灭辐射4）场致发光场致发光5）同步辐射同步辐射1.光辐射光辐射五、黑体辐射五、黑体辐射2.热辐射热辐射 任何温度任何温度在绝对温度以上在绝对温度以上的物体都存在热辐射；的物体都存在热辐射；热辐射的光谱是热辐射的光谱是连续光谱连续光
20、谱；热辐射的光谱分布取决于发射体的热辐射的光谱分布取决于发射体的温度温度和和性质性质。发射本领与吸收本领发射本领与吸收本领 发射本领发射本领：单位频率间隔内单位面积物体所发：单位频率间隔内单位面积物体所发射的辐射通量称为发射本领，它是射的辐射通量称为发射本领，它是温度和频率温度和频率的函数的函数。吸收本领吸收本领：被物体吸收的辐射通量占射到物体：被物体吸收的辐射通量占射到物体上的辐射通量的百分比上的辐射通量的百分比,也是也是温度和频率的函数温度和频率的函数。3.黑体辐射定律黑体辐射定律 基尔霍夫定律基尔霍夫定律：任何物体的发射本领和吸收本领：任何物体的发射本领和吸收本领在同一温度下成正比，其比
21、值是与物质性质无关、在同一温度下成正比，其比值是与物质性质无关、仅随频率和温度而改变的普适函数。仅随频率和温度而改变的普适函数。吸收本领等于吸收本领等于1的黑体，其发射本领即为普适函数。的黑体，其发射本领即为普适函数。普朗克公式普朗克公式112/52kThcTehcE4.维恩维移定律：任何温度下黑体的发射本领都有一最大值，它对应的波长和绝对温度成反比，即 mT=b (b=2898 m.K)它表明，随着温度的提高，辐射本领的最大值向短波方向移动。根据它可判断热辐射颜色与温度的关系，并确定探测器的选择。5.斯忒藩波尔兹曼定律：测温中的应用黑体总辐射通量和绝对温度的四次方成正比：=T 4)/(106
22、7.54212KcmW6.6.比辐射率比辐射率(辐射率辐射率)在自然界中在自然界中黑体的发射能力最强黑体的发射能力最强，它实际上是，它实际上是一种理想情况，实际物体的发射能力都小于黑体。一种理想情况，实际物体的发射能力都小于黑体。为了描述为了描述实际物体的热辐射情况实际物体的热辐射情况，在普朗克公，在普朗克公式中应乘以一个小于式中应乘以一个小于1的系数的系数。这个系数称为。这个系数称为物体的比辐射率物体的比辐射率(发射率发射率)，也称为热辐射效率。，也称为热辐射效率。的值不仅依赖于波长和温度，也依赖发射的角的值不仅依赖于波长和温度，也依赖发射的角度。度。大多数常见物体的大多数常见物体的与发射角
23、度的依赖关系基本与发射角度的依赖关系基本上可忽略，与波长和温度的依赖关系也很微弱。上可忽略，与波长和温度的依赖关系也很微弱。在常用的波长范围内，为实用方便，在常用的波长范围内，为实用方便，常常把把作为作为常数常数。定义定义：实际物体的辐射能力：实际物体的辐射能力M(T)与与同温度同温度下下黑体辐射能力黑体辐射能力Mb(T)的比值：的比值：)()()(TMTMTb常见物质的辐射率沥青：0.90-0.98混凝土：0.94水泥：0.96土：0.92-0.96水：0.92-0.96人的皮肤：0.98塑料：0.85六、光电仪器中的常用光源六、光电仪器中的常用光源光源热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光
24、器太阳白炽灯、卤钨灯黑体辐射器汞灯荧光灯钠灯氙灯金属卤化物灯空心阴极灯场致发光灯发光二极管气体激光器固体激光器染料激光器半导体激光器1.光源的基本特性参数光源的基本特性参数（1）辐射效率和发光效率辐射效率是在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比PdPeee21)(发光效率是指某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比PdVKPemvv780380)()(常用光源的发光效率常用光源的发光效率光源种类发光效率（lm/W)光源种类发光效率（lm/W)普通钨丝灯 8 18高压汞灯 30 40卤钨灯 14 30高压钠灯 90 100普通荧光灯 35 60球
25、形氙灯 30 40三基色荧光灯 55 90金属卤化物灯 60 802.光谱功率分布光谱功率分布1）连续光谱源连续光谱源它通常是热激发源，由从紫外到红外范围的发射波长，它通常是热激发源，由从紫外到红外范围的发射波长，如白炽灯。如白炽灯。2）线光谱源线光谱源它的光谱在紫外到红外有一些分立的窄带。气体放电它的光谱在紫外到红外有一些分立的窄带。气体放电灯和磷光灯。灯和磷光灯。3）带状光谱带状光谱如高压钠灯。如高压钠灯。4）混合光谱混合光谱如荧光灯。如荧光灯。3.光源的色温光源的色温1）分布色温分布色温辐射源辐射源在某一波长范围内辐射的在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布相对光谱功率分布与与黑体黑体在
26、某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为辐射源的那么该黑体的温度就称为辐射源的分布色温。分布色温。2）辐射源的色温）辐射源的色温辐射源发射光的颜色与黑体在某温度下辐射光的颜辐射源发射光的颜色与黑体在某温度下辐射光的颜色相同，则黑体这一温度称为色相同，则黑体这一温度称为辐射源的色温。辐射源的色温。3.1.2 光电探测器概述光电探测器概述光电探测器光电探测器：光电探测器是一种将辐射能转换成电光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的核心组成部分，在光电信号的器件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信
27、号，并为随后的系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。应用提取某些必要的信息。光电探测器的分类光电探测器的分类 光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，按光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，按探测机理的物理效应可分为两大类：探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种一类是利用各种光子效应光子效应的的光子探测器光子探测器，另一类是利用另一类是利用温度变化效应温度变化效应的的热探测器热探测器。光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强器像增强器光敏电阻光敏电阻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耦合器光电耦合器
28、位置传感器位置传感器PSD电荷耦合器件电荷耦合器件CCD真空器件真空器件固体器件固体器件光子探测器光子探测器热探测器热探测器光光电电探探测测器器热电偶和热电堆热电偶和热电堆测辐射热计测辐射热计热释电探测器热释电探测器高莱管高莱管一光子探测器一光子探测器光电子效应光电子效应几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。光电子发射效应光电子发射效应、光电导效应光电导效应、光生伏特效应光生伏特效应和和光光子牵引效应子牵引效应分类分类基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中的电子能的光子能量以后，器
29、件材料中的电子能逸出材料表面逸出材料表面，这种器件称为这种器件称为外光电效应外光电效应器件。器件。基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中器件材料中出现光出现光生自由电子和空穴，这种器件称为生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应内光电效应器件。器件。1.光电子发射探测器光电子发射探测器（1）光电子发射效应也称）光电子发射效应也称外光电效应外光电效应。入射辐射的作用。入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生
30、光电子发射。电子发射。光电子发射第一定律光电子发射第一定律阳极阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入光电流正比于入射辐射的功率射辐射的功率。光电子发射第二定律光电子发射第二定律产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功逸出功。因此，光电子发射因此，光电子发射存在长波限存在长波限。光子能量。光子能量hc低于阴极低于阴极材料逸出功就不能产生光电子发射。材料逸出功就不能产生光电子发射。（2）光电子发射探测器光电子发射探测器：其中有：其中有真空光电管真空光电管、充气光充气光电管电管和和光电倍增管光电倍增管。真空
31、光电管由光电阴极和阳极构成，真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响应要求用于响应要求极快的场合极快的场合。应用最广的是光电倍增管，它的内部有电子倍增系应用最广的是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，统，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐能检测极微弱的光辐射信号射信号。（3 3）光电子发射探测器）光电子发射探测器主要是可见光探测器主要是可见光探测器，因为对，因为对红外辐射响应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极红外辐射响应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲和势光电阴极，它们的响应波和新发展的负电子亲和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展到长也只扩展到125m
32、，只适用于近红外的探测，只适用于近红外的探测，因此在红外系统中应用不多。因此在红外系统中应用不多。半导体电子学的基本概念半导体电子学的基本概念1.原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带 能级、能带、禁带能级、能带、禁带(Eg)、价带、价带(Ev)、导带、导带(Ec)2.本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体 单晶、多晶、本征半导体、杂质半导体、掺杂、单晶、多晶、本征半导体、杂质半导体、掺杂、N型半导体、施主能级型半导体、施主能级ED、P型半导体、受主能级型半导体、受主能级EA 3.载流子载流子热平衡载流子、光生载流子热平衡载流子、光生载流子4.掺杂对半导体导电性的影响掺杂对半导体导电性的影
33、响2.光电导探测器光电导探测器内光电效应内光电效应（1 1）光电导效应光电导效应光电导效应是应用最广泛的光电子效应。光电导效应是应用最广泛的光电子效应。入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产生自由电子一空穴对生自由电子一空穴对(本征光电导本征光电导)、自由电子或空穴、自由电子或空穴(非本非本征光电导征光电导)，从而使半导体材料的电导增加。光子所激发的，从而使半导体材料的电导增加。光子所激发的载流子仍保留在材料内部，所以光电导是一种内光电效应。载流子仍保留在材料内部，所以光电导是一种内光电效应。是一种是一种非平衡多数载流子过程非平衡多
34、数载流子过程。弛豫时间。弛豫时间。利用光电导效应的探测器是光电导探测器。利用光电导效应的探测器是光电导探测器。（2）注意事项注意事项光谱响应范围光谱响应范围根据器件材料不同可从根据器件材料不同可从可见光、近红外延伸至远可见光、近红外延伸至远红外红外。光谱响应范围与工作温度有关光谱响应范围与工作温度有关，冷却可以使光谱响应曲线的峰，冷却可以使光谱响应曲线的峰值和长波限向长波方向移动，同时可提高器件的灵敏度；值和长波限向长波方向移动，同时可提高器件的灵敏度；光电导探测器是均质型器件，光电导探测器是均质型器件，没有极性之分没有极性之分，工作时，工作时必须外加必须外加偏压偏压(偏流偏流)，并应注意选择
35、正确工作温度和最佳偏压，并应注意选择正确工作温度和最佳偏压(或偏流或偏流)，以便充分发挥器件性能。以便充分发挥器件性能。（3）典型器件典型器件：光敏电阻光敏电阻光敏电阻应用原理图：光敏电阻应用原理图：RdRLCV0光辐射光辐射3.光伏探测器光伏探测器（1 1）光伏效应光伏效应光伏效应是另一种应用广泛的内光电效应，是半光伏效应是另一种应用广泛的内光电效应，是半导体导体受光照射产生电动势受光照射产生电动势的现象。的现象。它与光电导效应不同之处，在于需要一种将正、它与光电导效应不同之处，在于需要一种将正、负载流子在空间上分离的机制负载流子在空间上分离的机制内部势垒内部势垒。虽然非本征光伏效应也是可能
36、的，但几乎所有实虽然非本征光伏效应也是可能的，但几乎所有实用的光伏探测器都采用用的光伏探测器都采用本征的光伏效应本征的光伏效应。（2）用用PN结来实现结来实现当入射光子在当入射光子在PN结及其附近产生电子结及其附近产生电子空穴对时，空穴对时，光生裁流子受光生裁流子受势垒区电场势垒区电场作用，电子漂移到作用，电子漂移到n区，区，空穴漂移到空穴漂移到p区。如果在外电路中把区。如果在外电路中把p区和区和n区短接，区短接，就产生反向的短路信号电流。假若外电路开路，则就产生反向的短路信号电流。假若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在光生的电子和空穴分别在n区和区和P区积累，两端便区积累，两端便产生电动势
37、，这称为产生电动势，这称为光生伏特效应光生伏特效应，简称光伏效应。，简称光伏效应。（3 3）注意事项注意事项利用光伏效应的光伏探测器利用光伏效应的光伏探测器都用单晶材料都用单晶材料制作，所用材料制作，所用材料和光电导探测器材料基本相同。结型光伏探测器工作时和光电导探测器材料基本相同。结型光伏探测器工作时不不需加偏置电压需加偏置电压。不加偏置电压的是光电池。不加偏置电压的是光电池。如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的探测器是光电观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的探测器是光电二极管等。二极管等
38、。（4）常用器件常用器件光电池、光电二极管、光电三极管、光电池、光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)、PINPIN光电二极管光电二极管4.4.光子探测器的特点光子探测器的特点它是一种它是一种选择性选择性探测器，要产生光子效应，光子的探测器，要产生光子效应，光子的能量要超过某一确定的值，即光子的能量要超过某一确定的值，即光子的波长要短于长波长要短于长波限波限。波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的。波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应，因而也就不能被探出来。光子效应，因而也就不能被探出来。另一方面，波长短于长波限的入射辐射，当功率一另一方面，波长短于长波限的入
39、射辐射，当功率一定时，波长愈短，光子数就愈少。因此理论上定时，波长愈短，光子数就愈少。因此理论上光子光子探测器的响应率探测器的响应率(即单位辐射功率所产生的光信号即单位辐射功率所产生的光信号)应应与波长成正比与波长成正比。二、热探测器二、热探测器热敏效应热敏效应热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。它热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。它基于材料吸收了光辐射能量以后基于材料吸收了光辐射能量以后温度升高的现温度升高的现象象，这一现象称为，这一现象称为热敏效应热敏效应。热敏效应的机理热敏效应的机理是入射光辐射与物质中的晶格是入射光辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，相互作用
40、，晶格因吸收光能而增加振动能量，这又引起物质的温度上升，从而导致这又引起物质的温度上升，从而导致与温度有与温度有关的材料的某些物理性质的变化关的材料的某些物理性质的变化。特点特点与光电效应有本质的不同。与光电效应有本质的不同。光热效应与入射辐射光热效应与入射辐射的光子的性质没有关系的光子的性质没有关系。因此，热效应一般与波。因此，热效应一般与波长无关，即光电信号取决于入射辐射功率而与入长无关，即光电信号取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成份无关，即射辐射的光谱成份无关，即对光辐射的响应无波对光辐射的响应无波长选择性长选择性，这是在假定了辐射的吸收机理本身与波长无关时这是在假定了辐射的吸收机理
41、本身与波长无关时成立。但是在大多数情况下，这一假定并不严格成立。但是在大多数情况下，这一假定并不严格成立。成立。光热效应可以产生温差电效应、电阻率变化效应、光热效应可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的变化效应、气体体积和压强的变自发极化强度的变化效应、气体体积和压强的变化效应等等。利用这些效应可制作各种化效应等等。利用这些效应可制作各种热探测器热探测器。热电效应热电效应：电阻温度效应、温差电效应、热释电：电阻温度效应、温差电效应、热释电效应。效应。1 测辐射温差热电偶和热电堆测辐射温差热电偶和热电堆（1）温差电效应温差电效应当由当由两种不同材料两种不同材料制成的制成的两个结点两个
42、结点出现出现温差温差时，时，在该两点间就有在该两点间就有电动势产生电动势产生，通过这两点的闭合，通过这两点的闭合回路中就有电流流过，这个现象称为温差电效应。回路中就有电流流过，这个现象称为温差电效应。温差电效应：温差电效应：塞贝克效应塞贝克效应、珀耳帖效应珀耳帖效应和和汤姆汤姆逊效应逊效应。（2 2）塞贝克塞贝克(seebeck)效应效应：当由当由两种不同的导体或半导体两种不同的导体或半导体组成闭合回路的组成闭合回路的两个结点置于不同温度两个结点置于不同温度(两结点间的温差为两结点间的温差为T)时，在两点之间就产生一个电动势；这个电动时，在两点之间就产生一个电动势；这个电动势在闭合回路中引起连
43、续电流，这种现象称为势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝克效应塞贝克效应。其产生的电动势称为温差电动势或塞贝克电动其产生的电动势称为温差电动势或塞贝克电动势；势；上述回路称为上述回路称为热电偶热电偶；产生塞贝克电动势的原因：是由于受热不均匀产生塞贝克电动势的原因：是由于受热不均匀的两结点的的两结点的接触电位差接触电位差不同所致。不同所致。（3 3）测辐射热电堆测辐射热电堆为了增加信号电压，测辐射为了增加信号电压，测辐射热电偶热电偶可可串联成串联成测测辐射辐射热电堆热电堆。测辐射热电堆常常是在衬底上蒸上一层金属膜，测辐射热电堆常常是在衬底上蒸上一层金属膜，然后再蒸上第二种材科与第一层膜部
44、分重叠，然后再蒸上第二种材科与第一层膜部分重叠，从而形成若干接触点。虽然测辐射热电偶和热从而形成若干接触点。虽然测辐射热电偶和热电堆的光电信号要比许多种光子探测器弱，但电堆的光电信号要比许多种光子探测器弱，但它们它们牢固牢固，而且，而且不需要电偏置和致冷不需要电偏置和致冷，故有不，故有不少应用。少应用。2.电阻温度效应与测辐射热计电阻温度效应与测辐射热计（1）测辐射热计测辐射热计电阻温度效应原理电阻温度效应原理：当吸收光辐射而温度升高时，：当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低。金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低。从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率。利
45、从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率。利用材料的电阻变化制成的热探测器就是用材料的电阻变化制成的热探测器就是电阻测辐射电阻测辐射热计热计。材料的电阻与温度的关系可用材料的材料的电阻与温度的关系可用材料的电阻温度电阻温度系数系数T来表征。来表征。（2）电阻温度系数电阻温度系数T材料温度从材料温度从T改变到了改变到了T+T，材料的阻值改变量，材料的阻值改变量为为：R=TRT 当当T足够小时，则有：足够小时，则有：dR=T RdT由此得到：由此得到：T=电阻温度系数电阻温度系数T与材料的种类和温度有关与材料的种类和温度有关。在室温下金属材料的在室温下金属材料的T约为约为0.0033。半导体材料。半
46、导体材料的的T值约为值约为-0.033；比金属材料的比金属材料的T值大一个数值大一个数量级。量级。dTdRR13.热释电探测器热释电探测器热释电效应热释电效应某些晶体某些晶体(如硫酸三甘肽如硫酸三甘肽TGS、铌酸锂、铌酸锂LiNbO3、铌酸锶、铌酸锶钡钡SBN等晶体等晶体)受光照射时温度升高，从而在晶体的特定受光照射时温度升高，从而在晶体的特定方向上由于方向上由于自发极化自发极化随温度变化而引起随温度变化而引起表面电荷的变化表面电荷的变化。这种现象称为这种现象称为热释电效应热释电效应。热释电探测器由热释电探测器由热释电晶体热释电晶体制成。制成。当当强度调制过强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上
47、时，引起自发的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，由此可测定所两个外表面之间出现微小变化的信号电压，由此可测定所吸收的光辐射功率。吸收的光辐射功率。4.4.热探测器的特点热探测器的特点所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同的响应，因而的响应，因而是非选择性探测器是非选择性探测器。这和光子探测。这和光子探测器在光谱响应上的主要区别。器在光谱响应上的主要区别。热探测器除低温测辐射热器外热探测器除低温测辐射热器外一般无需致冷一般无需致冷。热探测器的热探测器的响应时间比光子探测器长响应时间比光子探测器长，（取决于，（取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢）热探测器热容量的大小和散热的快慢）
