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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢您,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 光电成像器件,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 光电成像器件,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,3.1.1 光辐射与度量,3.1.2 光电探测器概述,3.1.3 光电探测器性能参数,3.1.4 光电探测器噪声,第3页,3.1.1 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,光学中定量地描述辐射能强度量有两类：,1.一类是,物理,辐射度学,量，是用能量单位描述光辐射能,客观,物理量；,2.另一类是,生理,光度学,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,标准人眼视觉特征,人眼所接收到辐射量度量。,3.,辐射度量,和,光度量,二者在,研究方法,和,概念,上非常类似，它们,基本物理量也是一一对应,。,4.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,。,第5页,一、辐射度基本物理量,1,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 (J,s,，焦耳每秒,),第6页,3,辐射强度,I,点辐射源在给定方向上单位立体角内辐射通量，单位为Wsr(瓦每球面度)。,I,=,d,d,在,全部方向上辐射强度都相同点辐射源,在有限立体角,内发射辐射通量为,=I,在空间全部方向(4 )上发射辐射通量为,=4,I,实际上，,普通辐射源多为各向异性辐射源,，其辐射强度随方向而改变，如图所表示。,第7页,4,辐射照度E,辐射照度为投射在单位面积上辐射通量，dA是投射辐射通量d,面积元，单位为Wm,2,(瓦每平方米)。,Ed,dA,5,辐射出射度M,辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射通量，d,是扩展源表面dS在半球空间（2,立体角)所发出总辐射通量，单位为W(瓦每平方米)。,M=d,dS,E,和,M,单位相同，区分：前者是描述辐射接收面（探测器）所接收辐射特征。后者则为描述扩展辐射源向外发射辐射特征。,第8页,6,辐射率,L,辐射率定义为辐射强度与辐射表面在垂直于该方向平面上投影面积比值。又称,辐射亮度,。,第9页,二光谱辐射量,1.光谱辐射量也叫,辐射量光谱密度,。,2.光谱辐射量是辐射量随波长,改变率,。,光谱辐射通量（）,：,辐射源发出光在波长处单位波长间隔内辐射通量。辐射通量与波长关系如图。其关系式为,单位为Wm(瓦每微米)，或Wnm(瓦每纳米)。,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,1,光谱光视效能,人视神经对,各种不一样波长光,感光灵敏度存在差异。,不一样人,对各种波长光感光灵敏度也有差异。,对人眼来说采取光谱光视效能K()来表征不一样波长辐射下响应能力。光谱光视效能K()为,同一波长,下光谱,光通量,与光谱,辐通量,之比，即,K()=,v,/,e,第12页,2.,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光感觉是不一样，,国际照明委员会(CIE)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对灵敏度，称之为“标准光度观察者”,光谱光视效率,，或称之为,视见函数,V(,),。,不一样光亮度条件下，人眼对波长,光谱光视效率,不一样，分为,明视觉光谱光视效率,和,暗视觉光谱光视效率。,第13页,暗视觉光谱光视效率,虚线是亮度小于0.001cd/时暗视觉光谱光视效率，用V()表示，此时视觉主要由人眼视网膜上分布,杆状细胞,刺激所引发；V()最大值在,507,nm处。,V,(,),V(,),明视觉光谱光视效率,实线是亮度大于3cd/m,2,时明视觉光谱光视效率，用V()表示，此时视觉主要由人眼视网膜上分布,锥体细胞,刺激所引发V()最大值在,555nm,处。,第14页,按人眼视觉特征,V(,),来评价辐射通量即为光通量,V,，这二者关系为：,3.光通量,等号左边是光通量，其单位是流明(,lm,)；,等号右边,()d,是辐射通量，单位是瓦(,wnm,），V(,)是光视效率，单位是,1/nm,。所以等号右边引进一个系数Km，从而使两边单位一致。,Km单位为流明瓦(,lm/W,),Km表示人眼对波长为,555nmV(555)=1,光辐射产生光感觉效能。称为最大光谱光视效能。,亦称为,光功当量,。,第15页,按国际实用温标IPTS68理论计算值为,K,m,683(lm/W),K,m,683,lmW。它表示在波长为,555nm,处，即人眼光谱光视效率最大(V=1)处，,1W辐射能通量相当光通量为683lm,；换句话说，此时,1lm相当于1683W,。,4.光度量和辐射度量之间换算,Km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。,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：,第16页,人眼光谱光视效率数值,第17页,5光度学基本物理量,在,辐射度量学,中介绍各个基本量、,M,、,I,、,L,和,E,对整个电磁波谱都适用,；,在,光度学,中光度量和辐射度量定义、定义方程是,一一对应,，只是光度量,只在光谱可见波段,(380,780nm),才有意义,。为防止混同，在光度量符号上加下标“,v,”。,光度学中对应量,V,、M,V,、I,V,、L,V,和E,V,与辐射度量、M、I、L和E之间对应关系由表给出。,第18页,辐射度量,符号,单位,光度量,符号,单位,辐射能,Q,J(,焦,),光量,Q,V,lm,s,辐射通量,W,（瓦）,光通量,V,lm,（流明）,辐照度,E,Wm,2,光照度,E,V,lx=lm,m,2,辐出度,M,Wm,2,光出射度,M,V,lm,m,2,辐射强度,I,Wsr,-,1,发光强度,I,V,cd=lm,sr,1,（坎德拉）,辐射亮度,L,Wsr,-,1,m,2,光亮度,L,V,cd,m,2,辐射度量和光度量对照表,第19页,6.光度量中单位,1）最基本单位是,发光强度,单位,坎德拉,(,cd,),是国际单位制中七个基本单位之一。,定义是频率为54010,12,Hz(对应在空气中555nm波长)单色辐射，在给定方向上辐射强度为 1/683(W/sr)时，在该方向上发光强度为1cd。,2）,光通量,单位是,流明,(,lm,),1,lm,它是发光强度为1cd均匀点光源在单位立体角(1sr)内发出光通量。,3）,光照度,单位是,勒克斯,(,lx,),1lx它相当于,1lm,光通量均匀地照在,1,面积上所产生光照度。,第20页,解：,OP=x，P点所在球面面积为：s=4,x,2,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：,E,V,=,/s=,4,/,4,x,2,=1/x,2,当x=1m，E,V,=1（lx),当x=2m，E,V,=0.25（lx),思索题：在O点处，有一点光源，发光强度为1cd，,求：空间任意一点P光照度E,V,=?,思索：若光源为1W灯泡，结论怎样？,第21页,四、辐射度与光度中基本定律,1.,余弦定律,s,S,0,S和S对O点所张立体角是相同，对于两个面来讲其辐射通量是相同，两个面辐照度分别为,因为,所以,任一表面上辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间夹角余弦而改变。,第22页,2.,距离平方反比定律,在不考虑辐射传输损失时，,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。,3.,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。,第23页,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,2）,热辐射,：有一定温度物体引发辐射,3）,湮灭辐射,4）,场致发光,5）,同时辐射,1.光辐射,五、黑体辐射,第24页,2.热辐射,任何温度,在绝对温度以上,物体都存在热辐射；,热辐射光谱是,连续光谱,；,热辐射光谱分布取决于发射体,温度,和,性质,。,发射本事与吸收本事,发射本事,：单位频率间隔内单位面积物体所发射辐射通量称为发射本事，它是,温度和频率函数,。,吸收本事,：被物体吸收辐射通量占射到物体上辐射通量百分比,也是,温度和频率函数,。,第25页,3.黑体辐射定律,基尔霍夫定律,：任何物体发射本事和吸收本事在同一温度下成正比，其比值是与物质性质无关、仅随频率和温度而改变普适函数。,吸收本事等于1黑体，其发射本事即为普适函数。,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,m,T=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.比辐射率(辐射率),在自然界中,黑体发射能力最强,，它实际上是一个理想情况，实际物体发射能力都小于黑体。,为了描述,实际物体热辐射情况,，在普朗克公式中应乘以一个小于1系数,。这个系数称为物体比辐射率(发射率)，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。,大多数常见物体,与发射角度依赖关系基本上可忽略，与波长和温度依赖关系也很微弱。在惯用波长范围内，为实用方便，,常,把作为常数,。,定义,：实际物体辐射能力M(T)与,同温度下,黑体辐射能力M,b,(T)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,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,（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,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,8,18,高压汞灯,30,40,卤钨灯,14,30,高压钠灯,90,100,普通荧光灯,35,60,球形氙灯,30,40,三基色荧光灯,55,90,金属卤化物灯,60,80,第33页,2.光谱功率分布,1）,连续光谱源,它通常是热激发源，由从紫外到红外范围发射波长，如白炽灯。,2）,线光谱源,它光谱在紫外到红外有一些分立窄带。气体放电灯和磷光灯。,3）,带状光谱,如高压钠灯。,4）,混合光谱,如荧光灯。,第34页,3.光源色温,1）,分布色温,辐射源,在某一波长范围内辐射,相对光谱功率分布,与,黑体,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,分布色温。,2）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同，则黑体这一温度称为,辐射源色温。,第35页,3.1.2,光电探测器概述,光电探测器,：,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。,光电探测器分类,光电探测器种类很多，新器件也不停出现，按探测机理物理效应可分为两大类：,一类是利用各种,光子效应,光子探测器,，,另一类是利用,温度改变效应,热探测器,。,第36页,光电管,光电倍增管,真空摄像管,变像管,像增强器,光敏电阻,光电池,光电二极管,光电三极管,光电耦合器,位置传感器PSD,电荷耦合器件CCD,真空器件,固体器件,光子探测器,热探测器,光,电,探,测,器,热电偶和热电堆,测辐射热计,热释电探测器,高莱管,第37页,一光子探测器,光电子效应,几乎全部情况下，所用材料都是半导体。,光电子发射效应,、,光电导效应,、,光生伏特效应,和,光子牵引效应,分类,基于光电子发射效应器件在吸收了大于红外波长光子能量以后，器件材料中电子能,逸出材料表面,，这种器件称为,外光电效应,器件。,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，,器件材料中,出现光生自由电子和空穴，这种器件称为,内光电效应,器件。,第38页,1.光电子发射探测器,（1）光电子发射效应也称,外光电效应,。入射辐射作用是使电子从光电阴极表面发射到周围空间中，即产生光电子发射。,光电子发射第一定律,阳极,接收光电阴极发射光电子所产生,光电流正比于入射辐射功率,。,光电子发射第二定律,产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极,逸出功,。所以，光电子发射,存在长波限,。光子能量hc低于阴极材料逸出功就不能产生光电子发射。,第39页,（2）,光电子发射探测器,：其中有,真空光电管,、,充气光电管,和,光电倍增管,。,真空光电管由光电阴极和阳极组成，,用于响应要求极快场所,。,应用最广是光电倍增管，它内部有电子倍增系统，因而有很高电流增益，,能检测极微弱光辐射信号,。,（3）光电子发射探测器,主要是可见光探测器,，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新发展负电子亲和势光电阴极，它们响应波长也只扩展到,1,25,m,，只适合用于近红外探测，所以在红外系统中应用不多。,第40页,半导体电子学基本概念,1.,原子能级与晶体能带,能级、能带、禁带(Eg)、价带(Ev)、导带(Ec),第41页,2.,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、N型半导体、施主能级E,D,、P型半导体、受主能级E,A,3.,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,第42页,2.,光电导探测器内光电效应,（1）,光电导效应,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，产生自由电子一空穴对,(,本征光电导,),、自由电子或空穴,(,非本征光电导,),，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。,是一个,非平衡多数载流子过程,。,弛豫时间。,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,光谱响应范围,依据器件材料不一样可从,可见光、近红外延伸至远红外,。,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，,没有极性之分,，工作时,必须外加偏压(偏流),，并应注意选择正确工作温度和最正确偏压(或偏流)，方便充分发挥器件性能。,第44页,（3）,经典器件,：,光敏电阻,光敏电阻应用原理图：,Rd,R,L,C,V,0,光辐射,第45页,3.,光伏探测器,（1）,光伏效应,光伏效应是另一个应用广泛内光电效应，是半导体,受光照射产生电动势,现象。,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,内部势垒,。,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,本征光伏效应,。,第46页,（2）,用PN结来实现,当入射光子在,PN,结及其附近产生电子空穴对时，光生裁流子受,势垒区电场,作用，电子漂移到,n,区，空穴漂移到,p,区。假如在外电路中把,p,区和,n,区短接，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,n,区和,P,区积累，两端便产生电动势，这称为,光生伏特效应,，简称光伏效应。,第47页,（3）,注意事项,利用光伏效应光伏探测器,都用单晶材料,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,不需加偏置电压,。,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。,（4）,惯用器件,光电池、光电二极管、光电三极管、,雪崩光电二极管(APD)、,PIN,光电二极管,第48页,4.光子探测器特点,它是一个,选择性,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,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，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，波长愈短，光子数就愈少。所以理论上,光子探测器响应率,(即单位辐射功率所产生光信号)应,与波长成正比,。,第49页,二、热探测器,热敏效应,热探测器对辐射响应和光子探测器不一样。它基于材料吸收了光辐射能量以后,温度升高现象,，这一现象称为,热敏效应,。,热敏效应机理,是入射光辐射与物质中晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这又引发物质温度上升，从而造成,与温度相关材料一些物理性质改变,。,第50页,特点,与光电效应有本质不一样。,光热效应与入射辐射光子性质没相关系,。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射光谱成份无关，即,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立。不过在大多数情况下，这一假定并不严格成立。,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应等等。利用这些效应可制作各种,热探测器,。,热电效应,：电阻温度效应、温差电效应、热释电效应。,第51页,1 测辐射温差热电偶和热电堆,（1）,温差电效应,当由,两种不一样材料,制成,两个结点,出现,温差,时，在该两点间就有,电动势产生,，经过这两点闭合回路中就有电流流过，这个现象称为温差电效应。,温差电效应：,塞贝克效应,、,珀耳帖效应,和,汤姆逊效应,。,第52页,（2）,塞贝克,(seebeck),效应,：,当由,两种不一样导体或半导体,组成闭合回路两个结点置于不一样温度,(,两结点间温差为,T),时，在两点之间就产生一个电动势；这个电动势在闭合回路中引发连续电流，这种现象称为,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；,上述回路称为,热电偶,；,产生塞贝克电动势原因：是因为受热不均匀两结点,接触电位差,不一样所致。,第53页,（3）,测辐射热电堆,为了增加信号电压，测辐射,热电偶,可,串联成,测辐射,热电堆,。,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,牢靠,，而且,不需要电偏置和致冷,，故有不少应用。,第54页,2.电阻温度效应与测辐射热计,（1）,测辐射热计,电阻温度效应原理,：当吸收光辐射而温度升高时，金属电阻会增加，而半导体材料电阻会降低。,从材料电阻改变可测定被吸收光辐射功率。利用材料电阻改变制成热探测器就是,电阻测辐射热计,。,材料电阻与温度关系可用材料,电阻温度系数,T,来表征。,第55页,（2）,电阻温度系数,T,材料温度从T改变到了T+,T，材料阻值改变量,为,：,R=,T,R,T,当,T足够小时，则有：dR=,T,RdT,由此得到：,T,=,电阻温度系数,T,与材料种类和温度相关,。,在室温下金属材料,T,约为,0.0033,。半导体材料,T,值约为-,0.033；,比金属材料,T,值大一个数量级。,第56页,3.,热释电探测器,热释电效应,一些晶体,(,如硫酸三甘肽,TGS,、铌酸锂,LiNbO,3,、铌酸锶钡,SBN,等晶体,),受光照射时温度升高，从而在晶体特定方向上因为,自发极化,随温度改变而引发,表面电荷改变,。这种现象称为,热释电效应,。,热释电探测器由,热释电晶体,制成。,当,强度调制过,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.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响应，因而,是非选择性探测器,。这和光子探测器在光谱响应上主要区分。,热探测器除低温测辐射热器外,普通无需致冷,。,热探测器,响应时间比光子探测器长,，（取决于热探测器热容量大小和散热快慢）,第58页,
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