第 4 章 光辐射的探测技术
第 4 章 光辐射的探测技术. §1 光电探测器的物理效应. 光子效应分类. 光热效应分类. 一、光子效应和光热效应. 光子效应 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。 特点 —— 光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。. 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。
第 4 章 光辐射的探测技术
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第4章 光辐射的探测技术 §1 光电探测器的物理效应
一、光子效应和光热效应 • 光子效应 • 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。 • 特点——光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。
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。 • 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。 • 光热效应
二、光电发射效应 • 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阴极。 • 爱因斯坦方程 ：光电发射体的功函数 电子离开发射体表面时的动能
截止波长 • 截止频率
三、光电导效应 • 光电导现象——半导体材料的“体”效应
光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件： 式中 是禁带宽度, 是杂质能带宽度。
光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量 和 。这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子,我们现在称之为光生载流子。显然, 和 将使半导体的电导增加一个量 ,我们称之为光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称为本征光电导和杂质光电导。
四、光伏效应 • 光伏现象——半导体材料的“结”效应
光照零偏pn结产生开路电压的效应 ——光伏效应——光电池 • 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
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）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。 提高测量灵敏度 ——若干个热电偶串联起来使用 ——热电堆
六、热释电效应 • 热释电材料——电介质 • ——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。
升高到Tc值时,自发极化突然消失,TC称为居里温度。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。
七、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
——探测器的量子效率 • 基本的光电转换定律： • 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)。
§2 光电探测器的性能参数 一、积分灵敏度 • 灵敏度也常称作响应度，它是光电探测器光电转换特性的量度。 光电流i（或光电压u） 入射光功率P 灵敏度R定义为这个曲线的斜率
——电流灵敏度（积分电流灵敏度） ——电压灵敏度（积分电压灵敏度）
二、光谱灵敏度Rλ 相对光谱灵敏度
三、频率灵敏度Rf（响应频率fc和响应时间） • 如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流if 将随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf ——探测器的响应时间或时间常数， 由材料、结构和外电路决定
一般规定，Rf下降到 时的频率fc为探测器的截止响应频率或响应频率 • 对脉冲形式的入射光，常用响应时间来描述。探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这一辐射功率相应的稳定值。当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到0。
四、量子效率η • 灵敏度R——从宏观角度描述光电探测器的光电、光谱以及频率特性 • 量子效率η——对同一个问题的微观—宏观描述 光谱量子效率
五、通量阈Pth和噪声等效功率NEP • 通量阈——探测器所能探测的最小光信号功率 • 噪声等效功率NEP——单位信噪比时的信号光功率 • 信噪比SNR定义为：
六、归一化探测度D*(读作D星) • 探测度D： • 探测器光敏面积A和测量带宽△f对D值影响 • 探测器的噪声功率
定义归一化探测度 • 给出D*值时注明响应波长λ、光辐射调制频率f及测量带宽△f,即D*(λ, f, △f)
七、噪声 • 依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为三类： • 散粒噪声、热噪声、低频噪声
§2 常用光电探测器简介 一、光敏电阻 • 光电导效应原理（半导体材料的体效应） • ——光电导探测器 • ——光照下改变自身的电阻率（光照愈强,器件自身的电阻愈小） • ——光敏电阻（光导管）
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
以CdS光敏电阻为例 1 光敏电阻的结构和偏置电路
2 工作特性 • 光敏响应特性
光敏电阻的响应时间常数 • 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。 • 时间响应特性
光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率,在弱光照和强光照时都较大,而中等光照时,则较小。光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率,在弱光照和强光照时都较大,而中等光照时,则较小。 • CdS光敏电阻的温度系数在10lx照度时约为0；照度高于10lx时，温度系数为正；小于10lx时，温度系数反而为负；照度偏离10lx愈多，温度系数也愈大。 • 稳定特性
当环境温度在0～+60℃的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变当环境温度在0～+60℃的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变 • 在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例如，-30℃时的响应时间约为+20℃时的两倍。 • 光敏电阻的允许功耗,随着环境温度的升高而降低。 • 噪声特性
3 几种典型的光敏电阻 • CdS和CdSe • 低造价、可见光辐射探测器 • 光电导增益比较高(103～104) • 响应时间比较长(大约50ms)
PbS • 近红外辐射探测器 • 波长响应范围在1～3.4μm，峰值响应波长为2μm • 内阻（暗阻）大约为1MΩ • 响应时间约200μs
InSb • 在77k下,噪声性能大大改善 • 峰值响应波长为5μm • 响应时间短（大约50×10-9s）
HgxCd1-xTe • 化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化。 • 当x=0.2时响应波长为8～14μm,工作温度77k，用液氮致冷
4 使用注意事项 • 用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配 • 要防止光敏电阻受杂散光的影响 • 要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值 • 根据不同用途,选用不同特性的光敏电阻
二、硅光电池——太阳电池 • 零偏压pn结光伏探测器 ——光伏工作模式——光电池 • 硅光电池的用途：光电探测器件，电源
1 短路电流和开路电压 • 光电池等效电路
短路电流——RL=0 • 开路电压——RL=∞ • 单片硅光电池的开路电压约为0.45～0.6V，短路电流密度约为150～300A/m2。 • 测量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在光电池两端，测量出开路电压；在同样条件下，将光电池两端用一低内阻（小于1Ω）电流表短接，电流表的示值即为短路电流。
光电池的频率特性不太好。 • 在强光照射或聚光照射情况下，必须考虑光电池的工作温度及散热措施。通常Si光电池使用的温度不允许超过125℃。
三、光电二极管 • 反偏电压pn结光伏探测器 ——光导工作模式——光电二极管 1 Si光电二极管 • 结构原理