光辐射的探测及成像技术精选PPT.ppt

关于光辐射的探测及成关于光辐射的探测及成像技术像技术第1页，讲稿共61张，创作于星期日光电探测技术基础光电探测技术基础光电探测技术光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光探测过程可以形象地称为光频解调。光探测过程可以形象地称为光频解调。光探测器光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。第2页，讲稿共61张，创作于星期日光电探测技术基础光电探测技术基础1873年，英国的年，英国的Smith和和 May在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的作电阻的Se棒后，其电阻值约改变棒后，其电阻值约改变30%，同年，同年Simens将白金绕在这种将白金绕在这种Se棒上，制成了第一个光棒上，制成了第一个光电池；电池；1888年，德国的年，德国的Hallwachs在作在作Hertz的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射，的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射，1909年，年，Richtmeyer发现，封入真空中的发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；奠定了光电管的基础；接着美国的接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于1933年发明了光年发明了光电摄像管；电摄像管；1950年，美国的年，美国的Weimer等人研制出光导摄像管，等人研制出光导摄像管，1970年年Boyle等人发明了等人发明了CCD(电荷耦合器件电荷耦合器件)。如今，激光的发展进一步促进和刺激了光电探测领域的发展，各种光电探测器件大都已工业化、如今，激光的发展进一步促进和刺激了光电探测领域的发展，各种光电探测器件大都已工业化、商品化，摄像机等已微型化。由于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量，因而光电探商品化，摄像机等已微型化。由于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量，因而光电探测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义。测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义。第3页，讲稿共61张，创作于星期日光电探测的物理效应光电探测的物理效应光电探测的物理效应可以分为三大类：光电探测的物理效应可以分为三大类：光电效应光电效应、光热效应光热效应和和波相互作用效应波相互作用效应，并以光电效应，并以光电效应应用最为广泛。应用最为广泛。光电效应光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应。事实上，此处我们所指的光电效应是一是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应。事实上，此处我们所指的光电效应是一种光子效应，也就是单个光子的性质对产生的光电子直接作用的一类光电效应。种光子效应，也就是单个光子的性质对产生的光电子直接作用的一类光电效应。根据效应发生的部位和性质，又将其分为外光电效应和内光电效应。根据效应发生的部位和性质，又将其分为外光电效应和内光电效应。外光电效应外光电效应是指发生在是指发生在物质表面上的光电转换现象，主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象，典型的例子是物质表物质表面上的光电转换现象，主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象，典型的例子是物质表面的光电发射；面的光电发射；内光电效应内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象，特别是半导体内部载流子产生指发生在物质内部的光电转换现象，特别是半导体内部载流子产生效应，主要包括光电导效应与光伏效应。效应，主要包括光电导效应与光伏效应。外光电效应和内光电效应外光电效应和内光电效应第4页，讲稿共61张，创作于星期日光电探测的物理效应光电探测的物理效应光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态改变，因而光子能量的大光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态改变，因而光子能量的大小直接影响内部电子状态改变的大小，因而这类探测器受波长限制，存在小直接影响内部电子状态改变的大小，因而这类探测器受波长限制，存在“红限红限”截止波长截止波长 ，截止波长表达式：，截止波长表达式：式中，式中，c为真空中光速，为真空中光速，E在外光电效应中为表面逸出功，在内光电效应中为半导体禁带宽度。在外光电效应中为表面逸出功，在内光电效应中为半导体禁带宽度。第5页，讲稿共61张，创作于星期日光电探测的物理效应光电探测的物理效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起内是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。探测器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，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，并进一步使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化的现象。并进一步使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化的现象。探测体常用探测体常用Pt、Ni、Au等金属和热敏电阻、热释电器件、超导体等。原则上，光热效应对光等金属和热敏电阻、热释电器件、超导体等。原则上，光热效应对光波波长没有选择性，但由于材料在红外波段的热效应更强，因而光热效应广泛用于对红外波波长没有选择性，但由于材料在红外波段的热效应更强，因而光热效应广泛用于对红外辐射、特别是长波长的红外线的测量，许多激光功率计常用该种类型的探测器。由于温升辐射、特别是长波长的红外线的测量，许多激光功率计常用该种类型的探测器。由于温升是热积累的作用，所以光热效应的速度一般比较慢，而且易受环境温度变化的影响。是热积累的作用，所以光热效应的速度一般比较慢，而且易受环境温度变化的影响。是指激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量是指激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应等。子效应等。光热效应光热效应波相互作用效应波相互作用效应第6页，讲稿共61张，创作于星期日外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应金属或半导体受光照时，若入射光子能量金属或半导体受光照时，若入射光子能量 足够大，它就和物质当中的电子相互作用，使电子从材足够大，它就和物质当中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出，这种现象就称为料表面逸出，这种现象就称为光电发射效应光电发射效应，也称，也称外光电效应外光电效应。其中，能够产生光电发射效应的物。其中，能够产生光电发射效应的物体称为体称为光电发射体光电发射体，在光电管中又称光阴极。光电发射效应是真空光电器件中光电阴极的物理基，在光电管中又称光阴极。光电发射效应是真空光电器件中光电阴极的物理基础，它遵从两个基本定律：础，它遵从两个基本定律：(1)光电效应第一定律光电效应第一定律斯托列托夫定律：斯托列托夫定律：当照射到光电阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流当照射到光电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即单位时间内发射的光电子数目目)与入射光强度成正比：与入射光强度成正比：式中，式中，是光电流，是光电流，是入射光强，是入射光强，是该阴极对入射光线的灵敏度。是该阴极对入射光线的灵敏度。该定律有时表达为该定律有时表达为 式中，式中，是是t时刻入射到探测器上的光功率，时刻入射到探测器上的光功率，是探测器的量子效率。该式常被称作光电转换定律。是探测器的量子效率。该式常被称作光电转换定律。第7页，讲稿共61张，创作于星期日外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应(2)光电发射第二定律光电发射第二定律爱因斯坦定律：爱因斯坦定律：如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定速度从发射体表面发射，如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关 式中，式中，为光电子的初动能，为光电子的初动能，m为电子质量，为电子质量，为电子离开发射体表面为电子离开发射体表面时的速度，时的速度，为入射光子能量，为入射光子能量，为金属逸出功为金属逸出功(从材料表面逸出时所需的最低能量从材料表面逸出时所需的最低能量)，又，又称功函数。该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生称功函数。该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光发射，就此推出外光电效应发生的条件为：光发射，就此推出外光电效应发生的条件为：截止波长：截止波长：第8页，讲稿共61张，创作于星期日入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间有多长，都不会有光电子发射。光电发射入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间有多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：大致可分为三个过程：(1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；(2)受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其它电子或晶格发生碰撞而受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其它电子或晶格发生碰撞而失去部分能量；失去部分能量；(3)到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。由此得到光电发射对阴极材料的要求：由此得到光电发射对阴极材料的要求：(1)对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；(2)电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；(3)材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；(4)电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应第9页，讲稿共61张，创作于星期日外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应金属的光电发射金属的光电发射 金属反射掉大部分入射的可见光金属反射掉大部分入射的可见光(反射系数大于反射系数大于90%)，吸收效率较低，且光电子与金属中大量自，吸收效率较低，且光电子与金属中大量自由电子碰撞，能量损失大，因而只有表面附近由电子碰撞，能量损失大，因而只有表面附近(几纳米范围内几纳米范围内)的光电子才有可能克服逸出功的光电子才有可能克服逸出功(大都大于大都大于3eV)发出光电子。对于能量小于发出光电子。对于能量小于3eV的可见光很难产生光电发射，只有铯的可见光很难产生光电发射，只有铯(逸出功逸出功2eV)对可见光灵敏，可用于可见光电极，但其量子效率很低对可见光灵敏，可用于可见光电极，但其量子效率很低(小于小于0.1%)，在光电发射前两阶段能量，在光电发射前两阶段能量损耗极大。损耗极大。第10页，讲稿共61张，创作于星期日外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应半导体光电发射半导体光电发射 半导体光电发射的光电逸出参量有两个，分别是电子亲和势和电子逸出功。半导体光电发射的光电逸出参量有两个，分别是电子亲和势和电子逸出功。电子亲和势电子亲和势是指导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级是指导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级(真空真空中静止电子的能量中静止电子的能量)与导带底能级之差。有表面亲和势和体内亲和势之分。表面亲和势是材与导带底能级之差。有表面亲和势和体内亲和势之分。表面亲和势是材料参量，与掺杂、表面能带弯曲等因素无关，而体内亲和势不是材料参量，可随表面能带料参量，与掺杂、表面能带弯曲等因素无关，而体内亲和势不是材料参量，可随表面能带弯曲变化。弯曲变化。电子逸出功电子逸出功是描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，在数量上等于电子逸出表面所需的最低是描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，在数量上等于电子逸出表面所需的最低能量，即光电发射的能量阈值。能量，即光电发射的能量阈值。第11页，讲稿共61张，创作于星期日外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应金属与半导体逸出功金属与半导体逸出功金属金属有大量的自由电子，没有禁带，费米能级以下基本上为电子所填满，而费米能级以上基本上是空有大量的自由电子，没有禁带，费米能级以下基本上为电子所填满，而费米能级以上基本上是空态，因而表面能受内外电场影响很小，费米能级只决定于材料，因而其态，因而表面能受内外电场影响很小，费米能级只决定于材料，因而其逸出功定义逸出功定义为为T=0K时真空能级时真空能级与费米能级之差，是材料的参量，可用来做为电子发射的能量阈值。与费米能级之差，是材料的参量，可用来做为电子发射的能量阈值。半导体中自由电子较少，且有禁带，费米能级一般都在禁带当中，且随掺杂和内外场变化，所以真空能级与半导体中自由电子较少，且有禁带，费米能级一般都在禁带当中，且随掺杂和内外场变化，所以真空能级与费米能级之差不是材料参量。费米能级之差不是材料参量。半导体的逸出功定义半导体的逸出功定义为为T=0K时真空能级与电子发射中心能级之差，而时真空能级与电子发射中心能级之差，而电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是导带底，情况复杂，而不管逸出功从何算起，其中都包含电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是导带底，情况复杂，而不管逸出功从何算起，其中都包含以亲和势，因而半导体中很少用逸出功而常用亲和势来判别光电子发射的难易，许多资料中光电发射以亲和势，因而半导体中很少用逸出功而常用亲和势来判别光电子发射的难易，许多资料中光电发射的能量阈值常用亲和势加禁带宽度来计算。的能量阈值常用亲和势加禁带宽度来计算。第12页，讲稿共61张，创作于星期日内光电效应内光电效应 内光电效应型探测器主要包括内光电效应型探测器主要包括光电导光电导(Photoconductive：PC)型型和和光伏光伏(Photovoltaic：PV)型型两两种。种。1.光电导效应光电导效应 光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，从而导致材料电导率增大。使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，从而导致材料电导率增大。该现象是该现象是100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象。下图为光电多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象。下图为光电导效应示意图。导效应示意图。光电导效应光电导效应 第13页，讲稿共61张，创作于星期日内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应对于本征半导体，在无光照时，由于热激发只有少数电子从价带跃迁至导带，此时半导体的对于本征半导体，在无光照时，由于热激发只有少数电子从价带跃迁至导带，此时半导体的电导率很低，称为半导体的暗电导，用电导率很低，称为半导体的暗电导，用 表示，且表示，且式中，式中，e为电子电荷，为电子电荷，n和和 分别是无光照时导带电子密度和迁移率；分别是无光照时导带电子密度和迁移率；p和和 分别是无光照时价带空分别是无光照时价带空穴密度和迁移率。穴密度和迁移率。当光入射到本征半导体材料上时，入射光子将电子从价带激发到导带，使导电电子、空穴数量变化当光入射到本征半导体材料上时，入射光子将电子从价带激发到导带，使导电电子、空穴数量变化 、，从而引起电导率变化，从而引起电导率变化 ：第14页，讲稿共61张，创作于星期日以以N型半导体为例，如上图。图中，型半导体为例，如上图。图中，V为外加偏压，为外加偏压，为负载电阻，为负载电阻，L、W、d分别为样品分别为样品模型的长、宽、高，则探测器电极面积模型的长、宽、高，则探测器电极面积A=Wd。若光功率。若光功率P沿沿x方向均匀入射，光电导材料吸收方向均匀入射，光电导材料吸收系数为系数为 ，则入射光功率在材料内部沿，则入射光功率在材料内部沿x方向的变化为方向的变化为 式中式中P为为x=0处的入射光功率。则光生电子在外电场作用下的漂移电流处的入射光功率。则光生电子在外电场作用下的漂移电流 为为式中式中 为为x处光生载流子密度，处光生载流子密度，为光生载流子在外电场为光生载流子在外电场E作用下的漂移速作用下的漂移速度。则探测器收集极上的光电流平均值为度。则探测器收集极上的光电流平均值为内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应第15页，讲稿共61张，创作于星期日代入上式，得光电流平均值为代入上式，得光电流平均值为 与光生载流子的产生复合率有关，若非平衡载流子平均寿命为与光生载流子的产生复合率有关，若非平衡载流子平均寿命为 ，则复合率，则复合率为为 ，产生率为，产生率为 ，在稳态条件下产生率与复合率相等，由此得，在稳态条件下产生率与复合率相等，由此得于是的光电导探测器输出的平均光电流为于是的光电导探测器输出的平均光电流为内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应第16页，讲稿共61张，创作于星期日同时求得，入射光功率全部被吸收时，探测器体内的平均光生载流子浓度为同时求得，入射光功率全部被吸收时，探测器体内的平均光生载流子浓度为 此时的光电流为此时的光电流为内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应根据量子效率的定义根据量子效率的定义可求得可求得式中，式中，为外电场下载流子在电极间的渡越时间，为外电场下载流子在电极间的渡越时间，为光电导探测器的内部增益，为光电导探测器的内部增益，表示一个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献，它是光电导探测器的一个特有参数。为了提高表示一个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献，它是光电导探测器的一个特有参数。为了提高其值，应该用平均寿命长、迁移率大的材料作探测器，且将探测器电极做成梳状，以减小极间距离。其值，应该用平均寿命长、迁移率大的材料作探测器，且将探测器电极做成梳状，以减小极间距离。G的大小随使用条件和器件本身的结构不同而不同，可在的大小随使用条件和器件本身的结构不同而不同，可在 量级间很宽的范围内变量级间很宽的范围内变化。化。第17页，讲稿共61张，创作于星期日指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡层的存在引起的，我们就以的机理有多种，主要的一种是由于阻挡层的存在引起的，我们就以P-N结为例来分析光伏效结为例来分析光伏效应。应。P-N结结区存在一个由结结区存在一个由N指向指向P的内建电场，热平衡时，多数载流子的扩散作用与少数载流子的的内建电场，热平衡时，多数载流子的扩散作用与少数载流子的漂移作用相抵消，没有电流通过漂移作用相抵消，没有电流通过P-N结；当有光照射结；当有光照射P-N结时，样品对光子的本征和非本征吸收都结时，样品对光子的本征和非本征吸收都将产生光生载流子，但由于将产生光生载流子，但由于P区和区和N区的多数载流子都被势垒阻挡而不能穿过结，因而只有本区的多数载流子都被势垒阻挡而不能穿过结，因而只有本征吸收所激发的少数载流子能引起光伏效应：征吸收所激发的少数载流子能引起光伏效应：P区的光生电子和区的光生电子和N区的光生空穴以及结区的区的光生空穴以及结区的电子电子-空穴对扩散到结电场附近时，在内建电场的作用下漂移过结，电子空穴对扩散到结电场附近时，在内建电场的作用下漂移过结，电子-空穴对被阻挡层空穴对被阻挡层的内建电场分开，光生电子与空穴分别被拉向的内建电场分开，光生电子与空穴分别被拉向N区与区与P区，从而在阻挡层两侧形成电荷堆积区，从而在阻挡层两侧形成电荷堆积，产生与内建电场反向的光生电场，使得内建电场势垒降低，降低量等于光生电势差。，产生与内建电场反向的光生电场，使得内建电场势垒降低，降低量等于光生电势差。光生电势差导致的光生电流方向光生电势差导致的光生电流方向 与结电流方向相反，而与与结电流方向相反，而与P-N结反向饱和电流结反向饱和电流 同向，且同向，且 。内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应2.光伏效应光伏效应第18页，讲稿共61张，创作于星期日并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在其寿命区中空穴在其寿命 p时间内扩散距离为时间内扩散距离为Lp，P区中电子在区中电子在 e时间内扩散距离为时间内扩散距离为Le，一般情况下，一般情况下L=Lp+Le远大于远大于P-N结宽度，因而可得，结宽度，因而可得，结附近平均扩散距离结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子对光电流有贡献，此外的电子内所产生的光生载流子对光电流有贡献，此外的电子-空穴对在扩散过程中空穴对在扩散过程中将复合掉，对将复合掉，对P-nN结光伏效应无贡献。结光伏效应无贡献。光伏效应有两个重要参数：开路电压光伏效应有两个重要参数：开路电压Uoc与短路电流与短路电流Isc，他们的定义都要从，他们的定义都要从P-N结电流出发。光伏结电流出发。光伏效应下效应下P-N结总电流结总电流其中其中E为光照度，为光照度，U为结电压，为结电压，T为绝对温度，为绝对温度，S为光照面积。为光照面积。内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应第19页，讲稿共61张，创作于星期日则定义光照下则定义光照下P-N结外电路开路结外电路开路(即即I=0)时时P端对端对N端的电压为开路电压端的电压为开路电压Uoc：在一定温度下，它与光照度在一定温度下，它与光照度E呈对数关系，但最大值不超过接触电势差。呈对数关系，但最大值不超过接触电势差。短路电流短路电流Isc定义为光照下定义为光照下p-n结外电路短路结外电路短路(即即U=0)时，从时，从p端流出，经过外电路流入端流出，经过外电路流入n端的电流：端的电流：可见它在弱光照射下与可见它在弱光照射下与E呈线性关系。呈线性关系。内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应第20页，讲稿共61张，创作于星期日光热效应光热效应光热效应中典型的有光热效应中典型的有温差电效应温差电效应和和热释电效应热释电效应。1.温差电效应温差电效应 当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势，这种电动势的当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势，这种电动势的大小和方向与该接点处两种不同材料的性质和接点处温差有关，如果把这两种不同材料连大小和方向与该接点处两种不同材料的性质和接点处温差有关，如果把这两种不同材料连接成回路，当两接头温度不同时，回路中即产生电流，这种现象称为温差电效应，又称塞接成回路，当两接头温度不同时，回路中即产生电流，这种现象称为温差电效应，又称塞贝克效应。下图是温差电效应示意图贝克效应。下图是温差电效应示意图温差电效应温差电效应 第21页，讲稿共61张，创作于星期日光热效应光热效应温差热电偶接收辐射一端称为热端，另一端为冷端。为了提高吸收系数，热端常装有涂黑的温差热电偶接收辐射一端称为热端，另一端为冷端。为了提高吸收系数，热端常装有涂黑的金箔。半导体热电偶热端接收辐射后升温，载流子浓度增加，多子从热端向冷端扩散，从而金箔。半导体热电偶热端接收辐射后升温，载流子浓度增加，多子从热端向冷端扩散，从而使使p型材料热端带负电、冷端带正电，型材料热端带负电、冷端带正电，n型则相反。当冷端开路时，开路电压为：型则相反。当冷端开路时，开路电压为：式中，式中，M是一个比例系数，称为塞贝克常数，又称温差电势率，单位为是一个比例系数，称为塞贝克常数，又称温差电势率，单位为V/;为温度增量。为温度增量。为了提高灵敏度，并使工作稳定，常把温差热电偶或温差热电堆放在真空外壳里。真空温为了提高灵敏度，并使工作稳定，常把温差热电偶或温差热电堆放在真空外壳里。真空温差热电偶的主要参量有：灵敏度差热电偶的主要参量有：灵敏度R，响应时间常数，响应时间常数，噪声等效功率，噪声等效功率NEP等。等。第22页，讲稿共61张，创作于星期日光热效应光热效应温差热电偶的灵敏度定义式为：温差热电偶的灵敏度定义式为：式中，式中，为冷端负载上所产生的电压降；为冷端负载上所产生的电压降；为入射于探测器的辐射通量。要使为入射于探测器的辐射通量。要使R大，应选用大，应选用M大的材料，大的材料，并增大吸收系数，同时减小内阻与热导。交变情况下，调制频率并增大吸收系数，同时减小内阻与热导。交变情况下，调制频率 低时低时R更大，更大，和和 减小都有利于减小都有利于R提高，提高，响应率与带宽之积为一常数。由于温差热电偶的响应率与带宽之积为一常数。由于温差热电偶的 多为毫秒量级，因而带宽较窄，多用于测量恒定辐多为毫秒量级，因而带宽较窄，多用于测量恒定辐射或低频辐射，只有少数射或低频辐射，只有少数 小的材料才能测量中高频辐射。小的材料才能测量中高频辐射。第23页，讲稿共61张，创作于星期日光热效应光热效应2.热释电效应热释电效应热电晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器电容改变的现象称为热热电晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器电容改变的现象称为热释电效应。热释电效应示意图如下图，图中释电效应。热释电效应示意图如下图，图中 为热电体的居里温度。为热电体的居里温度。热释电效应热释电效应 热电晶体是一种结晶对称性很差热电晶体是一种结晶对称性很差(即具有非中心对称性即具有非中心对称性)的压电晶体，在常态下，某个方向上的压电晶体，在常态下，某个方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自发极化。晶体温度变正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自发极化。晶体温度变化会引起正负电荷中心发生位移，从而引起表面极化电荷变化。化会引起正负电荷中心发生位移，从而引起表面极化电荷变化。第24页，讲稿共61张，创作于星期日光热效应光热效应温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于周围空气的异性电荷，因而观察不到自发极化现象；温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于周围空气的异性电荷，因而观察不到自发极化现象；温度变化时，晶体表面的极化电荷发生变化，而周围的吸附自由电荷对面电荷的中和作用温度变化时，晶体表面的极化电荷发生变化，而周围的吸附自由电荷对面电荷的中和作用十分缓慢，一般在十分缓慢，一般在11000s量级，难以跟上温度变化导致的极化点和变化速度，因而晶体表面量级，难以跟上温度变化导致的极化点和变化速度，因而晶体表面电荷失去平衡，自发极化现象得以显示。但这种温度变化相应的面电荷变化过程仅发生在平均电荷失去平衡，自发极化现象得以显示。但这种温度变化相应的面电荷变化过程仅发生在平均作用时间作用时间内。其中，内。其中，为晶体介电常数，为晶体介电常数，为晶体电导率。可见，这种辐射探测方法仅适用于变化的辐射，为晶体电导率。可见，这种辐射探测方法仅适用于变化的辐射，且辐射调制频率必须大于且辐射调制频率必须大于 。第25页，讲稿共61张，创作于星期日光热效应光热效应如果把热释电体放进一个电容器极板之间，并将一个电流表与电容器极板连接，电流表中就会如果把热释电体放进一个电容器极板之间，并将一个电流表与电容器极板连接，电流表中就会有电流流过，该电流称为短路热释电流：有电流流过，该电流称为短路热释电流：可见，当照射光恒定不变时，可见，当照射光恒定不变时，与与 均为恒值，热释电流为零。均为恒值，热释电流为零。设晶体的自发极化矢量为设晶体的自发极化矢量为 ，其方向垂直于晶体表面，则辐射引起的表面极化电荷变化为，其方向垂直于晶体表面，则辐射引起的表面极化电荷变化为式中，式中，A为接收辐射面与另一面的重合部分面积，为接收辐射面与另一面的重合部分面积，为辐射引起的晶体温度变化，为辐射引起的晶体温度变化，称为热释电系数。称为热释电系数。返回返回第26页，讲稿共61张，创作于星期日光探测器性能参数光探测器性能参数 表征光探测器的基本性能参数有量子效率表征光探测器的基本性能参数有量子效率 ，响应度，响应度 ，灵敏度，灵敏度 ，噪声等效功率，噪声等效功率 ，探测度，探测度 ，光谱响应和频率响应等。，光谱响应和频率响应等。(1)量子效率量子效率，又称量子产额，是指每一个入射光子所释放的平均电子数。它与入射光子能量又称量子产额，是指每一个入射光子所释放的平均电子数。它与入射光子能量(即入射即入射光波长光波长)有关。对内光电效应还与材料内电子的扩散长度有关；对于外光电效应与光电材料的表面有关。对内光电效应还与材料内电子的扩散长度有关；对于外光电效应与光电材料的表面逸出功有关。其表达式为：逸出功有关。其表达式为：式中式中P是入射到探测器上的光功率，是入射到探测器上的光功率，是入射光产生的平均光电流大小，是入射光产生的平均光电流大小，是单位时是单位时间内入射光子平均数，间内入射光子平均数，是单位时间产生的光电子平均数，是单位时间产生的光电子平均数，是电子电荷。是电子电荷。想光探测器应有想光探测器应有 ，实际光探测器一般有，实际光探测器一般有 。显然，光探测器的量子效率越高。显然，光探测器的量子效率越高越好。对于光电倍增管、雪崩光电二极管等有内部增益机制的光探测器，越好。对于光电倍增管、雪崩光电二极管等有内部增益机制的光探测器，可大于可大于1。第27页，讲稿共61张，创作于星期日光探测器性能参数光探测器性能参数(2)响应度响应度 ，为探测器输出信号电压为探测器输出信号电压 与输入光功率与输入光功率 之比：之比：单位为单位为V/W。(3)灵敏度灵敏度 为探测器输出信号电流为探测器输出信号电流 与输入光功率与输入光功率 之比：之比：和和 均用来描述探测器输出电信号与输入光功率的关系，均是波长均用来描述探测器输出电信号与输入光功率的关系，均是波长 的函数。入射光波长一的函数。入射光波长一定，则响应度与灵敏度确定。定，则响应度与灵敏度确定。第28页，讲稿共61张，创作于星期日光探测器性能参数光探测器性能参数(4)光谱响应光谱响应，就是表征，就是表征 (或或 )随波长随波长 变化的特性参数，如图所示。变化的特性参数，如图所示。光电探测器与热电探测器的光谱响应曲线光电探测器与热电探测器的光谱响应曲线 由于许多光探测器是基于光电效应而工作的，由于许多光探测器是基于光电效应而工作的，因而存在一个最低频率因而存在一个最低频率 ，只有入射光频率大于，只有入射光频率大于 才能有响应信号输出，相应存在一个探测波长极限才能有响应信号输出，相应存在一个探测波长极限 ，在时，在时 ，探测器对于某一频率，探测器对于某一频率(波长波长)光的响应光的响应与探测器对该波长光子的吸收速率，即单位时间内入射的与探测器对该波长光子的吸收速率，即单位时间内入射的光子数密度成正比，因而光子数密度成正比，因而 时，其响应随着波长的增时，其响应随着波长的增加而呈线性上升。而加而呈线性上升。而 时，光谱响应曲线迅速下降到时，光谱响应曲线迅速下降到零。零。光谱响应中还有一个重要参量，称为响应峰值波长，它光谱响应中还有一个重要参量，称为响应峰值波长，它指相对光谱响应曲线中对应于最高响应率的辐射波长。指相对光谱响应曲线中对应于最高响应率的辐射波长。第29页，讲稿共61张，创作于星期日光探测器性能参数光探测器性能参数(5)噪声等效功率噪声等效功率，定义为相应于单位信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，定义为相应于单位信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，定义式为：定义式为：越小，探测能力越强。越小，探测能力越强。由于噪声频谱很宽，为减小噪声影响，一般将探测器后面的放大器做成窄带通的，其中由于噪声频谱很宽，为减小噪声影响，一般将探测器后面的放大器做成窄带通的，其中心频率选为调制频率。这样，信号将不受损失而噪声可被滤去，从而使心频率选为调制频率。这样，信号将不受损失而噪声可被滤去，从而使 减小，这种情况下减小，这种情况下 的定义为：的定义为：式中式中f为放大器带宽。为放大器带宽。第30页，讲稿共61张，创作于星期日光探测器性能参数光探测器性能参数(6)探测度探测度 ，是，是 的倒数，即单位入射功率相应的信噪比。的倒数，即单位入射功率相应的信噪比。通常归一化探测度通常归一化探测度 比前述比前述 更能体现探测器性能。更能体现探测器性能。表示单位探测器面积、单位带宽的表示单位探测器面积、单位带宽的探测度，定义式为：探测度，定义式为：式中式中 为探测器面积，为探测器面积，为放大器带宽。为放大器带宽。和和 一样是波长的函数，由于噪声通常和信号调制频率有关，故一样是波长的函数，由于噪声通常和信号调制频率有关，故 也是调制也是调制频率的函数。频率的函数。第31页，讲稿共61张，创作于星期日光探测器性能参数光探测器性能参数(7)频率响应频率响应 ，是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率变化的特性参数。，是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率变化的特性参数。它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反应，是表征光探测器频率特性的重要参数，它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反应，是表征光探测器频率特性的重要参数，其曲线如图。其曲线如图。光探测器频率响应曲线光探测器频率响应曲线 第32页，讲稿共61张，创作于星期日光探测器性能参数光探测器性能参数除了以上除了以上7个基本参数以外，我们在使用探测器时还会遇到以下参数：个基本参数以外，我们在使用探测器时还会遇到以下参数：1.暗电流，指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流；暗电流，指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流；2.工作温度，对于非冷却型探测器指环境温度，对于冷却型探测器指冷工作温度，对于非冷却型探测器指环境温度，对于冷却型探测器指冷却源标称温度；却源标称温度；3.响应时间，指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的弛豫时间；响应时间，指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的弛豫时间；4.光敏面积，指灵敏元的几何面积。光敏面积，指灵敏元的几何面积。返回返回第33页，讲稿共61张，创作于星期日光电探测方式光电探测方式 直接探测与外差探测直接探测与外差探测 光探测器的光吸收过程是直接由某种光量子作用产生的，这种量子作用由检测系统读取其光探测器的光吸收过程是直接由某种光量子作用产生的，这种量子作用由检测系统读取其大小，因此其输出是由光量子的吸收率决定的，而不是由光量子的能量来决定，其工作原大小，因此其输出是由光量子的吸收率决定的，而不是由光量子的能量来决定，其工作原理基础是单位时间内探测器的输出电信号正比于光生载流子数目，而单位时间内光生载流理基础是单位时间内探测器的输出电信号正比于光生载流子数目，而单位时间内光生载流子的数目，即载流子的跃迁速率，正比于总入射光场振幅的平方，即子的数目，即载流子的跃迁速率，正比于总入射光场振幅的平方，即 设入射为缓变场设入射为缓变场 与与 的合成场，则：的合成场，则：于是：于是：第34页，讲稿共61张，创作于星期日直接探测与外差探测直接探测与外差探测 直接探测系统直接探测系统 直接探测法能检测光强及光强的变化，是非相干辐射的唯一探测方法，而对于相干辐射直接探测法能检测光强及光强的变化，是非相干辐射的唯一探测方法，而对于相干辐射进行直接探测具有简单、方便、室温运转等优点，但它不能反映光载波频率及相位的变进行直接探测具有简单、方便、室温运转等优点，但它不能反映光载波频率及相位的变化，因而探测灵敏度低，信噪比差。化，因而探测灵敏度低，信噪比差。(1)当当 时，它对应于直接探测方式，这种方式下，由于探测器的输出电信号正时，它对应于直接探测方式，这种方式下，由于探测器的输出电信号正比于光生载流子跃迁速率，而光生载流子跃迁速率又正比于比于光生载流子跃迁速率，而光生载流子跃迁速率又正比于 (即