第 4 章

1. 第4章 光辐射的探测技术

2. 回 顾

3. 主要内容

4. 如何实现对光辐射的探测？ • 当光入射到某些半导体上时，光子(或者说电磁波)与物质中的微粒产生相互作用，引起物质的光电效应和光热效应 • 在这种效应里实现了能量的转换，把光辐射的能量变成了其它形式的能量，光辐射所带有的信息也变成了其它能量形式(电、热等)的信息 • 通过对这些信息(如电信息、热信息等)进行检测，也就实现了对光辐射的探测

5. 什么是光电探测？ • 对光辐射的探测，最广泛使用的方法就是通过光电转换，光信号  电信号，继而用现已十分成熟的电子技术对电信号进行测量与处理，这就是光电探测 • 转换途径： • 光电效应 • 也有某些物质在吸收光辐射的能量后，主要表现为温度变化，产生了物质的光热效应；这种温度变化又引起电信号的变化（热电效应），间接实现了光电的转换

6. §4.1 光电探测的物理效应 • 光电探测的物理效应有哪些？ • 光电效应 • 外光电效应(光电子发射) • 内光电效应(光电导效应和光伏效应) • 光热效应 + 热电效应 • 温差电效应、热释电效应、测辐射热计效应

7. 光子效应与光热效应 • 光子效应：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 • 光热效应：探测元件吸收大量光子，转换成晶格热运动能量，温度升高，使探测器的电学性质或其他物理性质发生变化。对光频率没有选择性。

8. 外光电效应 • 即光电子发射 • 在光照作用下，物体（金属或半导体）表面发射出光电子的现象 • 满足两个定律 • Einstein方程 • 斯托列托夫定律 • 一般过程光吸收→电子向界面运动→表面电子克服势垒向外逸出 当 （或 ）时，无论光强有多大，照射时间有多长，都不会有光电子发射 要使频率较低的光辐射产生外光电效应，可采用 较小的物质做发射体 即

9. 内光电效应 – 光电导效应 • 受到光照射的物质内部电子能量状态发生变化，但不存在表面发射电子的现象 • 光电导效应 • 光照变化引起半导体材料电导变化的现象 • 原因 • 材料吸收光子能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大 • 可分为本征型和杂质型两类

10. 描述方式 • 载流子迁移率 ：在外电场的作用下，载流子发生漂移，漂移速度和电场强度之比称为迁移率 • 电导率 ：描述载流子漂移的效果 分别表示热平衡时电子浓度和空穴浓度 单位 (Ω·m)-1

11. 电导（热平衡暗电导） • 光电导：由载流子浓度增大致使电导率的增量 A：半导体截面积 光生载流子浓度 此处半导体只是作为一个类似电阻作用的“导体”，而不表现出“结”效应

12. 光电导的驰豫 • 光照射到材料上时，总是会经过一个延迟的时间，光生载流子才会增加到相应的数量而趋于稳定 • 同样，光照结束后，光生载流子也需要经历一定的时间才能复合完毕 • 这反映了光电导材料对光强度变化反应快慢的程度 • 通常用弛豫时间来描述，驰豫时间越短，说明器件的响应速度越快

13. 光电导的电流增益 M • 的增量将使外回路电流产生增量 • 但是，电流增量 不等于每秒光激发的电荷量 • 定义， 其中，、 表示载流子的寿命； 是端电压； 是半导体长度 • 对于 N 型半导体 其中， 是渡越时间 即，如果渡越时间小于电子平均寿命，则有电流增益效果

14. 光伏效应 • 光伏效应 • 定义：当照射光激发出电子-空穴对时，PN 结的内建电场将把e-p对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生电压 • 机理 • 无光照，处于平衡状态时，PN结→内建电场 • 有光照时， • 可测出开路电压或短路电流 • 驰豫时间比光电导短 P、N、结区会产生e-p对 e→N区 p→P区 在原内建电场的作用下移动 使得无光照时形成的势垒高度降低 相当于在PN结上加上了正向电压 eVD ↓ eVD-eV 光生电压

15. 光热效应 • 某些物质在受到光照后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象 • 根据不同材料、不同结构，可分为 • 温差电效应 • 热释电效应 • 测辐射热计效应 光能量→晶格振动→温度升高→性质变化

16. 温差电效应 • 温差电效应 • PeltierEffect • SeebeckEffect • ThomsonEffect 两种导体或半导体串联组成回路，通以电流时，出现一头吸热另一头放热的现象 Peltier效应的逆效应 在单一均匀导体上通以电流，如果在电流流动的方向上存在温差，则在这段导体上会有吸（或放）热的现象 且吸（或放）热的速率满足左边的公式

17. 塞贝克(Seebeck) 效应(1821年) • 由两种不同材料串联成的回路，其结点由于受到某种因素的作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，即温差电效应 • 这是因为温度梯度导致载流子向冷端扩散、堆积 • 在温差较小时，V与△T是线性的 • 这是热能转换为电能的现象 • 通常为了得到较大的电动势而做成热电堆——多个热电偶串联 • 一般 Seebeck系数（V/K） 光照→晶格振动→温差→电动势→测量

18. 热释电效应 • 热释电效应 • 介质的极化强度随温度变化而改变，引起表面电荷变化的现象 • 机理 • 根据原子或分子中正负电荷相对位置关系，可将晶体分为两种类型

19. 热释电机理 • 对于极化晶体，表面存在着一定量的极化电荷，并且在温度变化时发生变化 • 温度恒定时，晶体表面的电荷会被空气中的异性电荷中和，因而观察不到自发极化现象 • 温度变化时，中和过程(1~1000s)，赶不上电荷变化(10-12s)的速度，因而显示出自极化现象 • 过程时间 T大于Tc（居里温度）时，自发极化突然消失 只能探测调制频率大于 的辐射

20. 计量方法 • 一般是将热释电晶体放到电容器中，这样，其表面电极化强度的变化就会引起电容的改变，从而在电路中测量出来 • 辐射引起的表面极化电荷改变为 热释电系数 特别注意的是，此处A应象电容器理论中指明的一样，是有效电容面积，接收辐射面与另一面的重合部分面积

21. 将电流表与电容器极板连接，电流表中就会有电流通过，即短路电流，△Q的电荷变化在外电路中（短路时）引起的电流为将电流表与电容器极板连接，电流表中就会有电流通过，即短路电流，△Q的电荷变化在外电路中（短路时）引起的电流为 • 热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件

22. 测辐射热计效应 • 测辐射热计效应 • 入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象 • 当温度变化足够小时 • 金属 • 半导体 与光电效应不同 电阻温度系数

23. 比 较 • 以光电效应为基础的光电探测方法及以光热效应为基础的光热探测方法已经获得广泛的应用，对两种效应作一比较，可以看出它们之间的差别

24. 光电转换定律 • 光电转换：将光辐射能量转换为光电流的过程 • 光电转换定律 • 设入射光功率P(t)，频率为ν，光生电荷量Q，则 基本关系为 D：光电探测器的光电转换因子 量子效率，即激发电子数与探测器吸收总光子数之比

25. 光电转换定律 代入 光电探测器对入射光功率有响应，响应是光电流，可视为一个电流源 平方律探测器——非线性器件

26. §4.2 光电探测器性能参数和噪声 性能参数 噪声 散粒噪声 产生—复合噪声 光子噪声 热噪声 噪声 • 灵敏度 • 光谱灵敏度 • 频率响应和响应时间 • 量子效率 • 噪声等效功率NEP • 归一化探测度

27. 性能参数 灵敏度R • 也称响应度 • Def：探测器输出信号电压（或电流）均方根值Vs（Is）与输入光功率均方根值P的比值 • 是探测器光电转换特性的量度 • P一般是指分布在某一光谱范围内的总功率，所以又称为积分电压灵敏度和积分电流灵敏度 电压灵敏度 电流灵敏度

28. 性能参数 光谱灵敏度 • Def：灵敏度随波长而变化的特性 • 通常以灵敏度随波长变化的规律曲线表示，衡量探测器光电转换的光谱特性以及频率特性 • 归一化光谱灵敏度曲线(相对灵敏度) • 当把灵敏度的最大值取为1，其它值取其与最大值的比值(通常﹤1)

29. 性能参数 频率响应Rf和响应时间τ • 响应时间 τ • 表示光辐射照射到探测器上所引起的响应的快慢 • 由材料（驰豫特性）、结构和外电路决定 • 光电测量时，为了真实反映被测光辐射的大小及其变化规律，探测器的响应时间必须小于光辐射变化的时间

30. 性能参数 • 频率响应 Rf • Def： • 是光探测器的灵敏度在入射光波长不变时随入射光调制频率变化的特性 • 一般规定， 时的频率为探测器的截止响应频率 fc 其中 Rf表示调制频率为 f时的灵敏度 R0表示调制频率为 0 时的灵敏度

31. 性能参数 量子效率η • Def：每个入射光子所释放的平均电子数（在光电转换定律中有讨论） • 一般， η ﹤1 • 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， η可大于1 单位时间产生的光电子平均数 单位时间入射光子平均数

32. 性能参数 噪声等效功率 NEP • 输入为0时，输出并不为0，由噪声引起 • Def：SNR=1时的入射光功率 • 当SNR=1时一般难以探测到信号，常通过下式计算NEP • NEP表征探测器的最小可探测功率 (W) NEP越小，探测能力越强

33. 性能参数 • 由于噪声频谱很宽，为减小噪声的影响，一般将探测器后面的放大器做成窄带型的，其中心频率为调制频率，这样信号不受损失而噪声可以滤去很多，从而使NEP减小，此时定义NEP为： (W/Hz1/2) 放大器带宽

34. 性能参数 归一化探测度 • 探测度D：NEP的倒数，即单位入射功率产生的信噪比 • 归一化探测度D * 与线度无关的参量 D越大，探测能力越强

35. 噪 声 • 附加在有用信号上的各种干扰信号 • 是限制检测系统性能的决定性因素 • 波形杂乱无序 • 散粒噪声 • 产生—复合噪声 • 光子噪声 • 热噪声 • 噪声

36. 噪 声 散粒噪声 In • 也称量子噪声 • 光电发射材料表面光电子的随机发射或半导体内光生载流子的随机产生和流动（随机起伏单元是一个电子的电荷量） • 反映了随机性，与信号电平有关：光信号越大，单位时间里打到探测器面上的光子数越多，起伏也越大 • 这种噪声的产生是与统计特性有关，因而是不可消除的，它决定了噪声的最小极限 • 表示为 e为造成电流流动的粒子带的电荷 i为探测器的暗电流(无光照时的电流) 测量带宽 探测器内部增益

37. 噪 声 光子噪声 • 恒定的光功率实际是光子数的统计平均值，每一瞬时到达探测器的光子数有一定的涨落，因此导致激发的载流子也是随机起伏的，形成光子噪声 • 不管是信号光还是背景光都要产生光子噪声 • 表示 • 光电发射和光伏型 • 光电导型 b、s分别表示背景光与信号光 M为光电导探测器的内增益

38. 噪 声 产生—复合噪声 Igr • 半导体内光生载流子随机产生和复合过程引起的噪声 • 半导体体内的载流子浓度处于产生与复合的动态平衡中，其浓度总是围绕着其平均值涨落，从而引起电导率的起伏，导致外电路电压或电流的起伏 M为光电导探测器的内增益

39. 噪 声 热噪声 • 也称白噪声 • 光电探测器内电路中自由电子的随机运动（热运动）引起的电压（或电流）起伏 R为探测器的等效内阻 k为玻尔兹曼常数 T为热力学温度

40. 噪 声 噪声 • 也称低频噪声，原因不明 • 主要出现在大约1kHz以下的低频区（指调制频率），可以比散拉噪声大好几倍，也有称之为闪烁噪声，红噪声。一般来说，只要调制频率不低于1kHz就可以避免这种噪声，在高频端， 噪声与白噪声相比可以忽略。 • 经验规律 • 通常

41. §4.3 典型的光电探测器 • 按照工作转换机理的不同，可如下分类 教材上有一些工程计算举例，请自己阅读

42. 光电倍增管 • 典型的光电子发射型(外光电效应)探测器 • 特别适用于微弱光信号的探测 • 光谱范围 • 紫外~近红外 • 优点 • 灵敏度高 • 稳定性好 • 响应速度快 • 噪声小 • 缺点 • 结构复杂 • 工作电压高 • 体积大

43. 结构和工作原理 • 增益 若g=5、N=9，则G~2 ×106 b：由材料和结构决定的系数

44. 光敏电阻 • 也称光导管 • 利用光电导效应工作，在光照下会改变自身的电阻；光照越强，器件电阻率越低 • 分类： • 本征型光敏电阻 • 一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测 • 非本征型光敏电阻 • 通常在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测

45. 光敏电阻的结构和偏置电路 • 光电导是具有内部增益M的器件，M的大小取决于探测器类型、端电压u和结构尺寸（宽度 W和长度L） • 以CdS光敏电阻为例 梳状电极排列使得较小面积上的 CdS层W更宽，而长度 L更小，有利于提高 M

47. 光敏电阻工作特性 • 光谱响应曲线、光谱响应范围 • 峰值响应波长

48. 光敏电阻的光照特性 • 实际的光敏电阻在一定的端电压下光照特性是非线性的，在低偏压和弱光照条件下近似为线性

49. 光敏电阻的伏安特性 • 负载电阻、点亮电阻、暗电阻 • 匹配工作状态 • 响应频率低，响应时间长 • 偏置电压的选择 • 额定最大耗散功率 • 偏压条件 • 匹配时 同样条件下，光敏面积越小，能承受的偏置电压越低

50. 光敏电阻的时间响应特性 • 光敏电阻的响应时间常数由电流上升时间tr、衰减时间tf • 光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。 • 一般而言，照度越强，响应时间越短；前历时间越长，响应时间也相应延长。