第二章 光电检测技术基础 应用物理系.

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1 第二章 光电检测技术基础 应用物理系

2 第二章 光电检测技术基础 教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应

3 思 考 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？
思 考 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？ 上面是一套家用安防系统的常用配件，有一台主机、一个红外感应探测器、一个警号、两个遥控器、电源适配器是给主机供电的

4 §2.4 光电效应 光电检测器件：对各种光辐射进行接收和探测的器件 光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化。 光电探测器
电量、热量等 光辐射量 物理基础 光电效应 从广泛意义上说，凡是能把光辐射能量转换成另一种便于测量的物理量的器件，就叫光电探测器。由于近代测量技术中，对电学量如电压、电流的测量精度可以获得比较精确的值，所以从狭义上说凡是能把光辐射量转换成电学量进行测量的器件，就叫光电探测器。 光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化。

5 §2.4 光电效应 光电效应类型： 光电效应 光子效应 光热效应 外光电效应 内光电效应 温差电效益 热释电效应 光电导效应 光伏效应
光电磁效应 丹培效应 光电发射效应 光电倍增效应

6 §2.4 光电效应 光电探测器件 热电探测元件 光子探测元件 外光电效应 内光电效应 非放大型 放 大 型 光电导探测器 光磁电探测器
光生伏特探测器 光电倍增管 真空光电管 充气光电管 像增强器 掺杂型 放大型 本征型 非放大 摄像管 光电三极管 光敏电阻 红外探测器 光电池 光电场效应管 变像管 光电二极管 雪崩型光电二极管

7 利用光子效应进行探测的器件称为光子探测器
§2.4 光电效应 一、光子效应和光热效应 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变。 利用光子效应进行探测的器件称为光子探测器 对光波频率表现出选择性 光子探测器响应速度一般比较快 特点

8 光热效应(photothermal effect )
§2.4 光电效应 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，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。 例如：家庭式热释电红外探测器 特点 原则上对光波频率没有选择性 响应速度一般比较慢。 在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。

9 §2.4 光电效应 光电器件特点： 光子器件 热电器件 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。
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 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 响应慢，一般为几毫秒

10 光电发射效应、光电倍增效应 光电导效应、光生伏特效应、光电磁等
§2.4 光电效应 二、光子效应类型 外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象，其多发生于金属&金属氧化物 光电发射效应、光电倍增效应 内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象，其多发生于半导体内。 光电导效应、光生伏特效应、光电磁等

11 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，获得1921年诺贝尔物理学奖。
§2.4 光电效应 三、光电发射效应 光电发射效应 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，获得1921年诺贝尔物理学奖。 过程：（1）电子吸收光子以后产生激发，即得到能量；（2）得到光子能量的电子（受激电子）从发射体内向真空界面运动（电子传输）；（3）这种受激电子越过表面势垒向真空逸出。

12 §2.4 光电效应 三、光电发射效应 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。 光电发射体
能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光电阴极。 爱因斯坦方程 我们以前所学过的光电效应即指光电发射效应。1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，获得1921年诺贝尔物理学奖。 常见光电发射体材料：各种碱金属，K、Na等容易失去电子的材料。 发生条件: 见备课本。 ：光电发射体的功函数 电子离开发射体表面时的动能

13 §2.4 光电效应 截止（红限）频率 截止（红限）波长

14 §2.4 光电效应 光电发射器件的特点： 1. 光电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此， 可以通过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统 提高光电探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号， 成为像增强器与变相器技术的基本元件。

15 §2.4 光电效应 2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电成像器件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间分辨率要高于半导体光电图像传感器。 3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得整个探测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，造价也昂贵。 4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。

16 §2.4 光电效应 四、光电导效应 导体材料:电阻率，电导率一般为常数； 半导体材料：电阻率，电导率一般不再是常数。 1、定义：
半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导 体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。 其差别原因在于本征半导体和杂质半导体能带存在差别。半导体中电子的浓度受外界影响较大。 光电导现象——半导体材料的“体”效应

17 §2.4 光电效应 典型的光电导器件：光敏电阻 光电导器件可用于各种自动控制系统，如光电自动开关门窗、光电计数器、光电控制照明、自动安全保护等，用于夜间或淡雾中探测红外线目标，红外通信、导弹制导等。

18 §2.4 光电效应 本征半导体&杂志半导体都能产生光电导效应，当光子能量大时，易于产生本征光电导；当光子能量小时，易于发生杂质光电导。
是禁带宽度 是杂质能带宽度 由此可以解释为什么有些器件在入射光低于其红限频率一定值内也可以对其响应，发生光电效应。

19 §2.4 光电效应 2、光电系统基本模型 (1)无光照时，半导体材料在常温下具有一定的热激发载流子浓度，材料处于暗态，具有暗电导
本征半导体样品 A L U 电导的公式正好是电阻公式的倒数。

20 §2.4 光电效应 (2)有光照时，样品吸收光子能量产生光生载流子，材料处于亮态，具有亮电导 本征半导体样品 U 光 S A L

21 §2.4 光电效应 A 本征半导体样品 L 光 3、光电导与辐射通量的关系 e d 设通量为e的单色辐射入射到半导体上，其波长满足发生光电效应的条件，且被完全吸收，则光敏层单位时间所吸收的 b 光子数密度： 光子被吸收后，将在半导体中激发产生光生载流子，但并不一定是一对一的 产生关系，除此之外，由于热激发也会产生热生载流子，同时，这些电子空穴对还会有随时复合的可能性

22 §2.4 光电效应 考虑综合因素，列出载流子的各种变化 光生电子率： 为半导体材料的量子效率 热生电子率： 热电子复合率：
A 本征半导体样品 L 光 考虑综合因素，列出载流子的各种变化 d 光生电子率： b 为半导体材料的量子效率 热生电子率： 热电子复合率： kf为复合几率，ni、pi为热激发所产生的电子浓度、空穴浓度 热平衡状态下： 光敏层中总的电子产生率： 电子与空穴总的复合率：

23 §2.4 光电效应 电子与空穴总的复合率： n、  p为光生电子浓度、光生空穴浓度 平衡条件下，载流子总产生率和总复合率是相等的 即
A 本征半导体样品 L 光 电子与空穴总的复合率： d b n、  p为光生电子浓度、光生空穴浓度 平衡条件下，载流子总产生率和总复合率是相等的 即 非平衡条件下，载流子总产生率和总复合率是不相等的 因光生电子与空穴是成对出现，所以浓度变化我们只考察电子浓度即可，设载流子浓度的时间变化率为

24 §2.4 光电效应 本证半导体非热平衡时，因光生电子与空穴是成对出现，所以浓度变化我们只考察电子浓度即可，设载流子浓度的时间变化率为： 因

25 §2.4 光电效应 非热平衡时 可忽略 讨论： 弱辐射作用下： nni、  p pi，且本征吸收时n=  p
由初始条件：t=0，n=0，求解上式可得 为载流子的平均寿命

26 §2.4 光电效应 弱辐射作用下： 若时间t>>，则exp(-t/)0， n n0 =Ne，为一定值
整个半导体的载流子浓度达到一个动态平衡 载流子的迁移速率 由半导体的电导率： 载流子的迁移速率是指在外电场作用下，载流子产生漂移，形成漂移电流，其漂移速度与电场强度之比。 知光致电导率的变化量： 则光电导为：

27 §2.4 光电效应 A 本征半导体样品 L 光 弱辐射作用下： 光致电导率的变化量： d b 光电导为：

28 结论：弱辐射作用下半导体的光电导与入射辐射通量成线性关系，与两电极间距离L2成反比 在设计光敏电阻时要充分考虑材料及结构的要求！
§2.4 光电效应 结论：弱辐射作用下半导体的光电导与入射辐射通量成线性关系，与两电极间距离L2成反比 定义：光电导灵敏度（光电导对入射辐射通量的敏感程度） 结论2：弱辐射作用下Sg还与两电极间距离L2成反比 在设计光敏电阻时要充分考虑材料及结构的要求！ 结论1：弱辐射作用下Sg与材料性质有关

29 §2.4 光电效应 b. 强辐射作用下： n>>ni、  p >>pi， n = p t=0，n=0

30 结论：强辐射作用下，半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关，与入射e也有关，并且是非线性关系
§2.4 光电效应 b. 强辐射作用下： 结论：强辐射作用下，半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关，与入射e也有关，并且是非线性关系 在光敏电阻的使用中会出现明显的前例效应

31 §2.4 光电效应 4、光电导增益 光电导增益M是光电导器件的一个重要特性参数,它表示长度为L的光电半导体两端加上电压以后,由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流(eN)之间的比值。 定义式： 式中，i为光生载流子所形成的外部光电流 N为光辐射每秒激发的电子空穴对数目

32 §2.4 光电效应 由图可知，光照射到半导体上产生的光电流 在光辐射下，n=n0+n ， p=p0+p， =  0+ 
A 本征半导体样品 L 光 d b 在光辐射下，n=n0+n ， p=p0+p， =  0+  弱辐射时，n n0 =Ne， Ne为单位时间内产生的电子空穴对数的密度，假设单位时间内总共产生N对电子空穴对，则

33 §2.4 光电效应 对光电导器件如采用N型半导体，电子为多子，空穴可忽略

34 §2.4 光电效应 载流子的迁移速率为漂移速度与电场强度之比。 Mn称为光敏电阻中电子的增益系数。tn=L/n为电子的漂移时间。 同理 d
A 本征半导体样品 L 光 d 载流子的迁移速率为漂移速度与电场强度之比。 b Mn称为光敏电阻中电子的增益系数。tn=L/n为电子的漂移时间。 同理

35 §2.4 光电效应 在半导体中,电子和空穴的寿命是相同的,都可用载流子的平均寿命τ来表示,即τ=τn=τp，则本征型光敏电阻的增益可写成
如果把1/tn和1/tp之和定义为1/tdr.,即 式中,tdr称为载流子通过极间距离L所需要的有效渡越时间,于是

36 §2.4 光电效应 4、光电导增益 光敏电阻 显然，增益M与渡越时间tdr成反比。而渡越时间与两电极间距离L成正比，故为增大M，需减小L。但要提高光电导器件的灵敏度又需较大光敏面，因此两种之间存在一定矛盾。 蓝色部分为光敏材料，两侧黄色部分为金属电极，蛇形光敏面较窄，具有较小的极间距离。同时蛇形结构又在不增大极间距离的同时增大了光敏面的面积，可以提高器件的灵敏度。 常见结构：蛇形光敏面

37 §2.4 光电效应 五、光伏效应 光伏现象——半导体材料的“结”效应
1、定义：它是把光能转化为电能的一种效应，是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。 例如：光照PN结 解释： 当光照在光电材料（P区、N区或结区），当光子能量超过禁带能量时，可以激发出电子空穴对，打破原有平衡，出现新的电荷移动。P区的电子会较大几率的迁移至结区，在内建电场的作用下被拉至N区，而空穴则仍留在P区，电子空穴对被分开两侧，这时对外表现为P区为正，N区为负，存在一定的电压差，此电压差即为光生电势差。

38 §2.4 光电效应 重要参数： 开路电压Uoc：光照零偏状态的PN结产生电压，如果外电路为开路，此时PN结两端的电压即为开路电压Uoc；
短路光电流Is ：光照零偏状态的PN结产生电压，如果外电路短路，此时通过PN结的电流即为短路光电流Is；

39 §2.4 光电效应 暗电流 光电流 总电流 注意：光电流与暗电流方向相反
光伏效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，因少数载流子寿命短，所以光伏效应为基础的器件比以光电导效应为基础的器件有更快的响应速度。 暗电流 光电流 PN结在没有光照时，连接于电路中同样可以作为一个器件使用，其电流与外接电压之间存现一定关系，我们在模拟电路中已经学过。 总电流 注意：光电流与暗电流方向相反

40 §2.4 光电效应 光照零偏pn结产生开路电压的效应 光伏效应 光电池
输出电流与外电路负载阻值有关，且光电流方向在电池外部是从P流向N，电池内部是从N流向P

41 §2.4 光电效应 测量元件 电源

42 §2.4 光电效应 光照反偏 光电信号是光电流 结型光电探测器的工作原理 光电二极管 输出电流主要取决于光照条件所形成的光电流。

43 §2.4 光电效应 六、光电磁效应 光磁电效应是指在垂直于光束照方向施加外磁场时半导体两侧面间产生电位差的现象。
光磁电效应的机制是光照射到半导体表面后生成非平衡载流子的浓度梯度，使载流子产生定向扩散速度，磁场作用在载流子上的洛仑兹力使正负载流子分离，形成端面电荷累积的电位差和横向电场。当作用在载流子上的洛仑兹力与横向电场的电场力平衡时，两端面的电位差保持不变。

44 §2.4 光电效应 光磁电效应和霍尔效应的异同 相似但是不同，体现在三个方面：
1）光磁电效应中在磁场作用下移动的是电子空穴对，而霍尔效应中移动的是自由电子。 2）针对材料不同，一个是半导体材料，一个是导体材料。 3）使用情形也不一样，一个需要光照，一个不需要。 利用光磁电效应可制成半导体红外探测器。这类半导体材料有Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等。

45 §2.4 光电效应 七、丹培效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应（丹培效应）。 半导体的迎光面带正电，背光面带负电，产生光生伏特电压

46 §2.4 光电效应 八、温差电效应——光热效应 提高测量灵敏度 ——若干个热电偶串联起来使用 ——热电堆 温差电效应学说（1939），认为地球内部的放射性物质产生的热量，使熔融物质发生连续的不均匀对流，这样产生温差电动势和电流，由此电流产生地球磁场，但理论估计也同地球磁场不符合 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，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。

47 §2.4 光电效应

48 §2.4 光电效应

49 §2.4 光电效应 九、热释电效应——光热效应

50 §2.4 光电效应 九、热释电效应——光热效应 热释电材料——电介质，如硫酸三甘肽、锆钛酸铅镧等 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(即固有电偶极矩) 热电体的| |决定了面电荷密度 的大小，当发生变化时，面电荷密度也跟着变化 | |值是温度的函数——温度升高—— | |减小。

51 §2.4 光电效应 升高到Tc值时，自发极化突然消失，TC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1～1000秒量级 热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。

52 §2.4 光电效应 人体皮肤温度在37℃时，大约有32%辐射能量在8—12微米波段范围，仅有1%的辐射能量在3.2微米波段内。人体辐射探测常是安全和军事信息的重要任务，在医学诊断上也有重要价值。

53 §2.4 光电效应 十、光电转换定律 光辐射量转换为光电流量的过程 ——光电转换 D—探测器的光电转换因子 光子 电极 SiO 2 耗尽层
p + n D—探测器的光电转换因子

54 §2.4 光电效应 ——探测器的量子效率 光电转换定律： *光电探测器对入射功率响应(光电流) ——一个光子探测器可视为一个电流源。
**光功率P正比于光电场的平方 ——平方律探测器——非线性器件(本质)。

55 小 结 1、 各种光电效应的基本定义。 2、光电导效应中器件灵敏度与光辐射的关系及光电导增益。（重点、难点）
小 结 1、 各种光电效应的基本定义。 2、光电导效应中器件灵敏度与光辐射的关系及光电导增益。（重点、难点） 3、光伏效应中电流的形成及应用特点。 4、基本的光热效应。 5、光电转换定律

56 §2.4 光电效应 知识巩固 A、光电发射效应 B、光 电 导 效 应 C、光生伏特效应 D、光 磁 效 应
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（ ）。 BCD A、光电发射效应 B、光 电 导 效 应 C、光生伏特效应 D、光 磁 效 应

57 §2.4 光电效应 知识巩固 A、外光电效应 B、内光电效应 C、光电发射 D、光导效应 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( ) BD A、外光电效应 B、内光电效应 C、光电发射 D、光导效应

58 §2.4 光电效应 知识巩固 以下几种探测器属于热探测器的有：（ ）。 ABD A、热电偶型 B、热释电型 C、光电二极管 D、热敏电阻型