3-1光电探测器的物理基础省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

第三章光电探测器3.1光电探测器物理基础3.2光电子发射探测器3.3光电导探测器3.4光伏探测器3.5热电探测器3.6光电成值器件3.7各类光电探测器性能及应用比较第1页第三章光电探测器3.1光电探测器物理基础3.2光电子发射探测器3.3光电导探测器3.4光伏探测器3.5热电探测器3.6光电成值器件3.7各类光电探测器性能及应用比较第2页3.1光电探测器物理基础光电探测器物理基础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光电探测器性能参数光电探测器性能参数3.1.4光电探测器噪声光电探测器噪声第3页3.1.1光辐射与度量光辐射与度量光基本性质回顾1.光是一个电磁波物质2.电磁波谱（22个量级）3.光学波段4.光波粒二象性第4页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量有两类：光学中定量地描述辐射能强度量有两类：1.1.一类是一类是物理物理辐射度学辐射度学量，是用能量单位描述光辐量，是用能量单位描述光辐射能射能客观客观物理量；物理量；2.2.另一类是另一类是生理生理光度学光度学量，是描述光辐射能为平均量，是描述光辐射能为平均人眼接收所引发视觉刺激大小强度。即光度量是含有人眼接收所引发视觉刺激大小强度。即光度量是含有标标准人眼视觉特征准人眼视觉特征人眼所接收到辐射量度量。人眼所接收到辐射量度量。3.3.辐射度量辐射度量和和光度量光度量二者在二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，它们它们基本物理量也是一一对应基本物理量也是一一对应。4.4.在衡量光电探测器性能时，或者是评价光电测量系统在衡量光电探测器性能时，或者是评价光电测量系统指标时，辐射度量和光度量是紧密相关指标时，辐射度量和光度量是紧密相关。第5页一、辐射度基本物理量一、辐射度基本物理量1辐射能辐射能Q辐射能是一个以电磁波形式发射、传输或接收能量，单位为J(焦耳)。当辐射能被物质吸收时，能够转换成其它形式能量，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，是辐射能时间改变率。单位为W(瓦)，是单位时间内发射、传输或接收辐射能。=dQ/dt(Js，焦耳每秒)第6页3辐射强度辐射强度I点点辐辐射射源源在在给给定定方方向向上上单单位位立立体体角角内内辐辐射射通通量量，单单位位为为Wsr(瓦每球面度瓦每球面度)。I=d d 在在全部方向上辐射强度都相同点辐射源全部方向上辐射强度都相同点辐射源在有限立体角在有限立体角内发射辐射内发射辐射通量为通量为 =I l在空间全部方向在空间全部方向(4 )上发射辐射通量为上发射辐射通量为=4I l实际上，实际上，普通辐射源多为各向异性辐射源普通辐射源多为各向异性辐射源，其辐射强度随方向，其辐射强度随方向而改变，如图所表示。而改变，如图所表示。第7页4辐射照度辐射照度E辐辐射射照照度度为为投投射射在在单单位位面面积积上上辐辐射射通通量量，dA是是投投射射辐辐射通量射通量d面积元，单位为面积元，单位为Wm2(瓦每平方米瓦每平方米)。EddA5辐射出射度辐射出射度M辐辐射射出出射射度度为为扩扩展展辐辐射射源源单单位位面面积积所所辐辐射射通通量量，d是是扩扩展展源源表表面面dS在在半半球球空空间间（2立立体体角角)所所发发出出总总辐辐射射通量，单位为通量，单位为W(瓦每平方米瓦每平方米)。M=ddSE和和M单单位位相相同同，区区分分：前前者者是是描描述述辐辐射射接接收收面面（探探测测器器）所所接接收收辐辐射射特特征征。后后者者则则为为描描述述扩扩展展辐辐射射源源向向外发射辐射特征。外发射辐射特征。第8页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投影于该方向平面上投影面积比值。又称面积比值。又称辐射辐射亮度亮度。第9页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光谱密度辐射量光谱密度。2.光谱辐射量是辐射量随波长光谱辐射量是辐射量随波长改变率改变率。l 光谱辐射通量光谱辐射通量（）：辐辐射射源源发发出出光光在在波波长长处处单单位位波波长长间间隔隔内内辐辐射射通通量量。辐辐射射通通量量与与波波长长关关系系如如图图。其其关关系式为系式为 l单单位位为为Wm(瓦瓦每每微微米米)，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，全色辐通量第10页前面介绍几个主要辐射量，都有与光谱辐射量相对前面介绍几个主要辐射量，都有与光谱辐射量相对应关系：应关系：光谱辐照度：光谱辐射出射度：光谱辐射亮度：辐射源总辐射通量是：第11页三、光度学基本物理量三、光度学基本物理量1光谱光视效能光谱光视效能人人视视神神经经对对各各种种不不一一样样波波长长光光感感光光灵灵敏敏度度存存在在差差异异。不不一一样样人人对对各各种种波波长长光光感感光光灵灵敏敏度度也也有有差差异。异。对人眼来说采取光谱光视效能对人眼来说采取光谱光视效能K()来表征不一来表征不一样波长辐射下响应能力。光谱光视效能样波长辐射下响应能力。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/e第12页2.光谱光视效率光谱光视效率因为人眼对等能量不一样波长可见光辐射能所产生因为人眼对等能量不一样波长可见光辐射能所产生光感觉是不一样，光感觉是不一样，国际照明委员会国际照明委员会(CIE)依据对许多依据对许多人大量观察结果，确定了人眼对各种波长光平均相人大量观察结果，确定了人眼对各种波长光平均相对灵敏度，称之为对灵敏度，称之为“标准光度观察者标准光度观察者”光谱光视效光谱光视效率率，或称之为，或称之为视见函数视见函数V()。不一样光亮度条件下，人眼对波长不一样光亮度条件下，人眼对波长光谱光视效率光谱光视效率不不一样，分为一样，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暗视觉光谱光视效率。效率。第13页暗视觉光谱光视效率暗视觉光谱光视效率虚虚线线是是亮亮度度小小于于0.001cd/时时暗暗视视觉觉光光谱谱光光视视效效率率，用用V()表表示示，此此时时视视觉觉主主要要由由人人眼眼视视网网膜膜上上分分布布杆杆状状细细胞胞刺刺激激 所所 引引 发发；V()最最 大大 值值 在在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实线线是是亮亮度度大大于于3cd/m2时时明明视视觉觉光光谱谱光光视视效效率率，用用V()表表示示，此此时时视视觉觉主主要要由由人人眼眼视视网网膜膜上上分分布布锥锥体体细细胞胞刺刺激激所所引引发发V()最最大大值值在在555nm处。处。第14页按人眼视觉特征按人眼视觉特征V()来评价辐射通量来评价辐射通量即为光即为光通量通量V，这二者关系为：，这二者关系为：3.3.光通量光通量等号左边是光通量，其单位是流明等号左边是光通量，其单位是流明(lmlm)；等号右边等号右边()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系数。所以等号右边引进一个系数KmKm，从而使两边单位一致。，从而使两边单位一致。KmKm单位为流明瓦单位为流明瓦(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效能。称为最大光谱光视效能。觉效能。称为最大光谱光视效能。亦称为亦称为光功当量光功当量。第15页按国际实用温标按国际实用温标IPTS68IPTS68理论计算值为理论计算值为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辐射能通量相当光通量为辐射能通量相当光通量为683lm683lm；换句话说，；换句话说，此时此时1lm1lm相当于相当于1 1683W683W。4.4.光度量和辐射度量之间换算光度量和辐射度量之间换算KmKm确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确换算。确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确换算。由此可深入探讨辐射度和光度基准统一。由此可深入探讨辐射度和光度基准统一。同理，其它光度量也有类似关系。用普通函数表示光度量与辐同理，其它光度量也有类似关系。用普通函数表示光度量与辐射量之间关系射量之间关系 ：第16页人眼光谱光视效率数值人眼光谱光视效率数值第17页5 5光度学基本物理量光度学基本物理量在在辐射度量学辐射度量学中介绍各个基本量中介绍各个基本量、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定义、定义方程中光度量和辐射度量定义、定义方程是是一一对应一一对应，只是光度量，只是光度量只在光谱可见波段只在光谱可见波段(380780nm)才有意义才有意义。为防止混同，在光度。为防止混同，在光度量符号上加下标量符号上加下标“v”。光度学中对应量光度学中对应量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之间对应关系由表给出。之间对应关系由表给出。第18页辐射度量辐射度量 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QVlms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 LWsr-1m2光亮度光亮度LVcdm2辐射度量和光度量对照表辐射度量和光度量对照表第19页6.光度量中单位光度量中单位1）最基本单位是）最基本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)单色辐射，在给定方向上辐射强度为单色辐射，在给定方向上辐射强度为1/683(W/sr)时，时，在该方向上发光强度为在该方向上发光强度为1cd。2）光通量光通量单位是单位是流明流明(lm)1lm它是发光强度为它是发光强度为1cd均匀点光源在单位立体角均匀点光源在单位立体角(1sr)内发出光通量。内发出光通量。3 3）光照度光照度单位是单位是勒克斯勒克斯(lx)1lx 1lx它相当于它相当于1lm光通量均匀地照在光通量均匀地照在1面积上所产面积上所产生光照度。生光照度。第20页解：OP=x，P点所在球面面积为：s=4x2经过s光通量：=I=4(lm)因为是点光源，均匀辐射，则P点光照度：EV=/s=4/4x2=1/x2当x=1m，EV=1（lx)当x=2m，EV=0.25（lx)思索题：在思索题：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光照度光照度EV=?思索：若光源为思索：若光源为1W灯泡，结论怎样？灯泡，结论怎样？第21页四、辐射度与光度中基本定律四、辐射度与光度中基本定律1.余弦定律余弦定律sS0S和和S对对O点所张立体角是点所张立体角是相同，对于两个面来讲其辐相同，对于两个面来讲其辐射通量是相同，两个面辐照射通量是相同，两个面辐照度分别为度分别为因为所以任一表面上辐照度随该表面任一表面上辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间法线和辐射能传输方向之间夹角余弦而改变。夹角余弦而改变。第22页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辐照度和该点到点光源距离平方成反比。上某点辐照度和该点到点光源距离平方成反比。3.亮度守恒定律亮度守恒定律一个封闭光束在无损失同种介质传输时，不但一个封闭光束在无损失同种介质传输时，不但光束源端和接收端亮度是相等，在封闭光束各光束源端和接收端亮度是相等，在封闭光束各个截面亮度也处处相等。个截面亮度也处处相等。第23页光源发射光波过程或光波本身称为光辐射光源发射光波过程或光波本身称为光辐射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：有一定温度物体引发辐射：有一定温度物体引发辐射3）湮灭辐射湮灭辐射4）场致发光场致发光5）同时辐射同时辐射1.光辐射光辐射五、黑体辐射五、黑体辐射第24页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物体都存在热辐射；物体都存在热辐射；热辐射光谱是热辐射光谱是连续光谱连续光谱；热辐射光谱分布取决于发射体热辐射光谱分布取决于发射体温度温度和和性质性质。发射本事与吸收本事发射本事与吸收本事发发射射本本事事：单单位位频频率率间间隔隔内内单单位位面面积积物物体体所所发发射射辐辐射射通通量量称称为为发发射射本本事事，它它是是温温度度和和频频率率函函数数。吸吸收收本本事事：被被物物体体吸吸收收辐辐射射通通量量占占射射到到物物体体上上辐射通量百分比辐射通量百分比,也是也是温度和频率函数温度和频率函数。第25页3.黑体辐射定律黑体辐射定律基基尔尔霍霍夫夫定定律律：任任何何物物体体发发射射本本事事和和吸吸收收本本事事在在同同一一温温度度下下成成正正比比，其其比比值值是是与与物物质质性性质质无无关关、仅随频率和温度而改变普适函数。仅随频率和温度而改变普适函数。吸收本事等于吸收本事等于1黑体，其发射本事即为普适函数。黑体，其发射本事即为普适函数。普朗克公式普朗克公式第26页4.维恩维移定律：任何温度下黑体发射本事都有一最大值，它对应波长和绝对温度成反比，即 mT=b (b=2898 m.K)它表明，伴随温度提升，辐射本事最大值向短波方向移动。依据它可判断热辐射颜色与温度关系，并确定探测器选择。5.斯忒藩波尔兹曼定律：测温中应用黑体总辐射通量和绝对温度四次方成正比：=T 4第27页6.6.比辐射率比辐射率(辐射率辐射率)在在自自然然界界中中黑黑体体发发射射能能力力最最强强，它它实实际际上上是是一一个理想情况，实际物体发射能力都小于黑体。个理想情况，实际物体发射能力都小于黑体。为为了了描描述述实实际际物物体体热热辐辐射射情情况况，在在普普朗朗克克公公式式中中应应乘乘以以一一个个小小于于1系系数数。这这个个系系数数称称为为物物体体比辐射率比辐射率(发射率发射率)，也称为热辐射效率。，也称为热辐射效率。第28页值不但依赖于波长和温度，也依赖发射角度。值不但依赖于波长和温度，也依赖发射角度。大大多多数数常常见见物物体体与与发发射射角角度度依依赖赖关关系系基基本本上上可可忽忽略略，与与波波长长和和温温度度依依赖赖关关系系也也很很微微弱弱。在在惯惯用用波长范围内，为实用方便，波长范围内，为实用方便，常常把把作为常数作为常数。定义定义：实际物体辐射能力：实际物体辐射能力M(T)与与同温度下同温度下黑体辐射能力黑体辐射能力Mb(T)比值：比值：第29页常见物质辐射率沥青：0.90-0.98混凝土：0.94水泥：0.96土：0.92-0.96水：0.92-0.96人皮肤：0.98塑料：0.85第30页六、光电仪器中惯用光源六、光电仪器中惯用光源光源热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器太阳白炽灯、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第31页1.光源基本特征参数光源基本特征参数（1）辐射效率和发光效率辐射效率是在给定波长范围内，某一光源发出辐射通量与产生这些辐射通量所需电功率之比发光效率是指某一光源所发射光通量与产生这些光通量所需电功率之比第32页惯用光源发光效率惯用光源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818高压汞灯3040卤钨灯1430高压钠灯90100普通荧光灯3560球形氙灯3040三基色荧光灯5590金属卤化物灯 6080第33页2.光谱功率分布光谱功率分布1）连续光谱源连续光谱源它它通通常常是是热热激激发发源源，由由从从紫紫外外到到红红外外范范围围发发射射波波长长，如白炽灯。如白炽灯。2）线光谱源线光谱源它它光光谱谱在在紫紫外外到到红红外外有有一一些些分分立立窄窄带带。气气体体放放电电灯灯和和磷光灯。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。第34页3.光源色温光源色温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在某一波长范围内辐射相对光谱功率分布相对光谱功率分布与与黑体黑体在某一温度下辐射相对光谱功率分布一致，那在某一温度下辐射相对光谱功率分布一致，那么该黑体温度就称为辐射源么该黑体温度就称为辐射源分布色温。分布色温。2）辐射源色温）辐射源色温辐射源发射光颜色与黑体在某温度下辐射光颜色相辐射源发射光颜色与黑体在某温度下辐射光颜色相同，则黑体这一温度称为同，则黑体这一温度称为辐射源色温。辐射源色温。第35页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：光电探测器是一个将辐射能转换成电光电探测器是一个将辐射能转换成电信号器件，是光电系统关键组成部分，在光电系统中信号器件，是光电系统关键组成部分，在光电系统中作用是发觉信号、测量信号，并为随即应用提取一些作用是发觉信号、测量信号，并为随即应用提取一些必要信息。必要信息。光电探测器分类光电探测器分类光电探测器种类很多，新器件也不停出现，按探测光电探测器种类很多，新器件也不停出现，按探测机理物理效应可分为两大类：机理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光子探测器光子探测器，另一类是利用另一类是利用温度改变效应温度改变效应热探测器热探测器。第36页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第37页一光子探测器一光子探测器光电子效应光电子效应几乎全部情况下，所用材料都是半导体。几乎全部情况下，所用材料都是半导体。光光电电子子发发射射效效应应、光光电电导导效效应应、光光生生伏伏特特效效应应和和光光子子牵引效应牵引效应分类分类基基于于光光电电子子发发射射效效应应器器件件在在吸吸收收了了大大于于红红外外波波长长光光子子能能量量以以后后，器器件件材材料料中中电电子子能能逸逸出出材材料料表表面面，这这种种器器件称为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器件，在吸收了基于光电导、光伏特和光电磁效应器件，在吸收了大于红外波长光子能量以后，大于红外波长光子能量以后，器件材料中器件材料中出现光生自出现光生自由电子和空穴，这种器件称为由电子和空穴，这种器件称为内光电效应内光电效应器件。器件。第38页1.光电子发射探测器光电子发射探测器（1）光光电电子子发发射射效效应应也也称称外外光光电电效效应应。入入射射辐辐射射作作用用是是使使电电子子从从光光电电阴阴极极表表面面发发射射到到周周围围空空间间中中，即即产产生生光光电电子子发发射。射。光电子发射第一定律光电子发射第一定律阳阳极极接接收收光光电电阴阴极极发发射射光光电电子子所所产产生生光光电电流流正正比比于于入入射射辐辐射功率射功率。光电子发射第二定律光电子发射第二定律产产生生光光电电子子发发射射所所需需光光电电能能量量取取决决于于光光电电阴阴极极逸逸出出功功。所所以以，光光电电子子发发射射存存在在长长波波限限。光光子子能能量量hc低低于于阴阴极极材材料逸出功就不能产生光电子发射。料逸出功就不能产生光电子发射。第39页（2）光光电电子子发发射射探探测测器器：其其中中有有真真空空光光电电管管、充充气气光光电管电管和和光电倍增管光电倍增管。真真空空光光电电管管由由光光电电阴阴极极和和阳阳极极组组成成，用用于于响响应应要要求求极快场所极快场所。应应用用最最广广是是光光电电倍倍增增管管，它它内内部部有有电电子子倍倍增增系系统统，因而有很高电流增益，因而有很高电流增益，能检测极微弱光辐射信号能检测极微弱光辐射信号。（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光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和红外辐射响应光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展负电子亲和势光电阴极，它们响应波长也只新发展负电子亲和势光电阴极，它们响应波长也只扩展到扩展到125m，只适合用于近红外探测，所以在，只适合用于近红外探测，所以在红外系统中应用不多。红外系统中应用不多。第40页半导体电子学基本概念半导体电子学基本概念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)第41页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EA3.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影响掺杂对半导体导电性影响第42页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光电子效应。光电导效应是应用最广泛光电子效应。入射辐射与晶格原子或杂质原子束缚电子相互作用，产生入射辐射与晶格原子或杂质原子束缚电子相互作用，产生自由电子一空穴对自由电子一空穴对(本征光电导本征光电导)、自由电子或空穴、自由电子或空穴(非本征非本征光电导光电导)，从而使半导体材料电导增加。光子所激发载流子，从而使半导体材料电导增加。光子所激发载流子仍保留在材料内部，所以光电导是一个内光电效应。仍保留在材料内部，所以光电导是一个内光电效应。是一个是一个非平衡多数载流子过程非平衡多数载流子过程。弛豫时间。弛豫时间。利用光电导效应探测器是光电导探测器。利用光电导效应探测器是光电导探测器。第43页（2）注意事项注意事项光谱响应范围光谱响应范围依据器件材料不一样可从依据器件材料不一样可从可见光、近红外延伸至可见光、近红外延伸至远红外远红外。光谱响应范围与工作温度相关光谱响应范围与工作温度相关，冷却能够使光谱响应曲线峰值，冷却能够使光谱响应曲线峰值和长波限向长波方向移动，同时可提升器件灵敏度；和长波限向长波方向移动，同时可提升器件灵敏度；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)，并应注意选择正确工作温度和最正确偏压，并应注意选择正确工作温度和最正确偏压(或偏流或偏流)，方便充分发挥器件性能。，方便充分发挥器件性能。第44页（3）经典器件经典器件：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光辐射光辐射第45页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个应用广泛内光电效应，是半导光伏效应是另一个应用广泛内光电效应，是半导体体受光照射产生电动势受光照射产生电动势现象。现象。它与光电导效应不一样之处，在于需要一个将正、它与光电导效应不一样之处，在于需要一个将正、负载流子在空间上分离机制负载流子在空间上分离机制内部势垒内部势垒。即使非本征光伏效应也是可能，但几乎全部实用即使非本征光伏效应也是可能，但几乎全部实用光伏探测器都采取光伏探测器都采取本征光伏效应本征光伏效应。第46页（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。假如在外电路中把区。假如在外电路中把p区和区和n区短接，区短接，就产生反向短路信号电流。假若外电路开路，则光就产生反向短路信号电流。假若外电路开路，则光生电子和空穴分别在生电子和空穴分别在n区和区和P区积累，两端便产生电区积累，两端便产生电动势，这称为动势，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。第47页（3 3）注意事项注意事项利用光伏效应光伏探测器利用光伏效应光伏探测器都用单晶材料都用单晶材料制作，所用材料和制作，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光电导探测器材料基本相同。结型光伏探测器工作时不需不需加偏置电压加偏置电压。不加偏置电压是光电池。不加偏置电压是光电池。假如加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时假如加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时观察到光电信号是光电流。加偏压工作探测器是光电二极观察到光电信号是光电流。加偏压工作探测器是光电二极管等。管等。（4）惯用器件惯用器件光光电电池池、光光电电二二极极管管、光光电电三三极极管管、雪雪崩崩光光电电二二极极管管(APD)、PINPIN光电二极管光电二极管第48页4.4.光子探测器特点光子探测器特点它是一个它是一个选择性选择性探测器，要产生光子效应，光子能探测器，要产生光子效应，光子能量要超出某一确定值，即光子量要超出某一确定值，即光子波长要短于长波限波长要短于长波限。波长长于长波限入射辐射不能产生所需光子效应，波长长于长波限入射辐射不能产生所需光子效应，因而也就不能被探出来。因而也就不能被探出来。另首先，波长短于长波限入射辐射，当功率一定时，另首先，波长短于长波限入射辐射，当功率一定时，波长愈短，光子数就愈少。所以理论上波长愈短，光子数就愈少。所以理论上光子探测器光子探测器响应率响应率(即单位辐射功率所产生光信号即单位辐射功率所产生光信号)应应与波长成与波长成正比正比。第49页二、热探测器二、热探测器热敏效应热敏效应热热探探测测器器对对辐辐射射响响应应和和光光子子探探测测器器不不一一样样。它它基基于于材材料料吸吸收收了了光光辐辐射射能能量量以以后后温温度度升升高高现现象象，这一现象称为这一现象称为热敏效应热敏效应。热热敏敏效效应应机机理理是是入入射射光光辐辐射射与与物物质质中中晶晶格格相相互互作作用用，晶晶格格因因吸吸收收光光能能而而增增加加振振动动能能量量，这这又又引引发发物物质质温温度度上上升升，从从而而造造成成与与温温度度相相关关材材料料一些物理性质改变一些物理性质改变。第50页特点特点与光电效应有本质不一样。与光电效应有本质不一样。光热效应与入射辐射光热效应与入射辐射光子性质没相关系光子性质没相关系。所以，热效应普通与波长无。所以，热效应普通与波长无关，即光电信号取决于入射辐射功率而与入射辐关，即光电信号取决于入射辐射功率而与入射辐射光谱成份无关，即射光谱成份无关，即对光辐射响应无波长选择性对光辐射响应无波长选择性，这是在假定了辐射吸收机理本身与波长无关时成这是在假定了辐射吸收机理本身与波长无关时成立。不过在大多数情况下，这一假定并不严格成立。不过在大多数情况下，这一假定并不严格成立。立。光热效应能够产生温差电效应、电阻率改变效应、光热效应能够产生温差电效应、电阻率改变效应、自发极化强度改变效应、气体体积和压强改变效自发极化强度改变效应、气体体积和压强改变效应等等。利用这些效应可制作各种应等等。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。第51页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当由由两两种种不不一一样样材材料料制制成成两两个个结结点点出出现现温温差差时时，在在该该两两点点间间就就有有电电动动势势产产生生，经经过过这这两两点点闭闭合合回回路中就有电流流过，这个现象称为温差电效应。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。第52页（2 2）塞贝克塞贝克(seebeck)效应效应：当由当由两种不一样导体或半导体两种不一样导体或半导体组成闭合回路两组成闭合回路两个结点置于不一样温度个结点置于不一样温度(两结点间温差为两结点间温差为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发连续电流，这种现象称为势在闭合回路中引发连续电流，这种现象称为塞贝克效应塞贝克效应。其产生电动势称为温差电动势或塞贝克电动势；其产生电动势称为温差电动势或塞贝克电动势；上述回路称为上述回路称为热电偶热电偶；产生塞贝克电动势原因：是因为受热不均匀两产生塞贝克电动势原因：是因为受热不均匀两结点结点接触电位差接触电位差不一样所致。不一样所致。第53页（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辐测辐射射热电堆热电堆。测辐射热电堆经常是在衬底上蒸上一层金属膜，测辐射热电堆经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分重合，从然后再蒸上第二种材科与第一层膜部分重合，从而形成若干接触点。即使测辐射热电偶和热电堆而形成若干接触点。即使测辐射热电偶和热电堆光电信号要比许各种光子探测器弱，但它们光电信号要比许各种光子探测器弱，但它们牢靠牢靠，而且而且不需要电偏置和致冷不需要电偏置和致冷，故有不少应用。，故有不少应用。第54页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电阻阻温温度度效效应应原原理理：当当吸吸收收光光辐辐射射而而温温度度升升高高时时，金属电阻会增加，而半导体材料电阻会降低。金属电阻会增加，而半导体材料电阻会降低。从从材材料料电电阻阻改改变变可可测测定定被被吸吸收收光光辐辐射射功功率率。利利用用材料电阻改变制成热探测器就是材料电阻改变制成热探测器就是电阻测辐射热计电阻测辐射热计。材材料料电电阻阻与与温温度度关关系系可可用用材材料料电电阻阻温温度度系系数数T来表征。来表征。第55页（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，材料阻值改变量，材料阻值改变量为为：R=TRT当当T足够小时，则有：足够小时，则有：dR=TRdT由此得到：由此得到：T=电阻温度系数电阻温度系数T与材料种类和温度相关与材料种类和温度相关。在在室室温温下下金金属属材材料料T约约为为0.0033。半半导导体体材材料料T值约为值约为-0.033；比金属材料比金属材料T值大一个数量级。值大一个数量级。第56页3.热释电探测器热释电探测器热释电效应热释电效应一些晶体一些晶体(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，从而在晶体特定方受光照射时温度升高，从而在晶体特定方向上因为向上因为自发极化自发极化随温度改变而引发随温度改变而引发表面电荷改变表面电荷改变。这种现。这种现象称为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光辐射投射到热释电晶体上时，引发自发电极光辐射投射到热释电晶体上时，引发自发电极化强度随时间改变，结果在垂直于极化方向晶体两个外表面化强度随时间改变，结果在垂直于极化方向晶体两个外表面之间出现微小改变信号电压，由此可测定所吸收光辐射功率。之间出现微小改变信号电压，由此可测定所吸收光辐射功率。第57页4.4.热探测器特点热探测器特点全部热探测器，在理论上对一切波长都含有相同全部热探测器，在理论上对一切波长都含有相同响应，因而响应，因而是非选择性探测器是非选择性探测器。这和光子探测器。这和光子探测器在光谱响应上主要区分。在光谱响应上主要区分。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普通无需致冷普通无需致冷。热探测器热探测器响应时间比光子探测器长响应时间比光子探测器长，（取决于热，（取决于热探测器热容量大小和散热快慢）探测器热容量大小和散热快慢）第58页