3-1光电探测器的物理基础

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,*,第三章光电探测器,3.1,光电探测器的物理基础,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,各类光电探测器的性能及应用比较,第三章光电探测器,3.1,光电探测器的物理基础,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,各类光电探测器的性能及应用比较,3.1,光电探测器的物理基础,3.1.1,光辐射与度量,3.1.2,光电探测器概述,3.1.3,光电探测器的性能参数,3.1.4,光电探测器的噪声,3.1.1,光辐射与度量,光的基本性质回顾,1.,光是一种电磁波,物质,2.,电磁波谱（,22,个量级 ）,3.,光学波段,4.,光的,波粒二象性,3.1.1,光辐射与度量,光学中定量地描述辐射能强度的量有两类：,1.,一类是,物理的,辐射度学,量，是用能量单位描述光辐射能的,客观,物理量；,2.,另一类是,生理的,光度学,量，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度。即光度量是具有,标准人眼视觉特性,的人眼所接收到辐射量的度量。,3.,辐射度量,和,光度量,两者在,研究方法,和,概念,上非常类似，它们的,基本物理量也是一一对应,的。,4.,在衡量光电探测器的性能时，或者是评价光电测量系统的指标时，辐射度量和光度量是紧密相关的,。,一、辐射度的基本物理量,1,辐射能,Q,辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为,J(,焦耳,),。,当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热能、电能等。,2,辐射通量,辐射通量又称,辐射功率,P,，,是辐射能的时间变化率。单位为,W(,瓦,),，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。,=,dQ/dt,(J,s,，,焦耳每秒,),3,辐射强度,I,点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射通量，单位为,W,sr,(,瓦每球面度,),。,I,=,d,d,在,所有方向上辐射强度都相同的点辐射源,在有限立体角,内发射的辐射通量为,= I,在空间所有方向,(,4 ),上发射的辐射通量为,=4,I,实际上，,一般辐射源多为各向异性的辐射源,，其辐射强度随方向而变化，如图所示。,4,辐射照度,E,辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，,dA,是投射辐射通量,d,的面积元，单位为,W,m,2,(,瓦每平方米,),。,E,d,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的通量，,d,是扩展源表面,dS,在半球空间（,2,立体角,),所发出的总的辐射通量，单位为,W,(,瓦每平方米,),。,M=,d,dS,E,和,M,的单位相同，区别：前者是描述辐射接收面（探测器）所接收的辐射特性。后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。,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的投影面积的比值。又称,辐射亮度,。,二光谱辐射量,1.,光谱辐射量也叫,辐射量的光谱密度,。,2.,光谱辐射量是辐射量随波长的,变化率,。,光谱辐射通量,（,）,：,辐射源发出的光在波长,处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。其关系式为,单位为,W,m(,瓦每微米,),，或,W,nm(,瓦每纳米,),。,多色辐通量，全色辐通量,前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系：,光谱辐照度：,光谱辐射出射度：,光谱辐射亮度：,辐射源的总辐射通量是：,三、光度学的基本物理量,1,光谱光视效能,人的视神经对,各种不同波长光,的感光灵敏度存在差异。,不同的人,对各种波长光的感光灵敏度也有差异。,对人眼来说采用光谱光视效能,K(,),来表征不同波长辐射下的响应能力。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,2.,光谱光视效率,由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的，,国际照明委员会,(CIE),根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，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(,),。,不同光亮度条件下，人眼对波长的,光谱光视效率,不同，分为,明视觉光谱光视效率,和,暗视觉光谱光视效率。,暗视觉光谱光视效率,虚线是亮度小于,0.001cd/,时的暗视觉光谱光视效率，用,V(),表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的,杆状细胞,刺激所引起的；,V(),的最大值在,507,nm,处。,V,(,),V(,),明视觉光谱光视效率,实线是亮度大于,3cd/m,2,时的明视觉光谱光视效率，用,V(),表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的,锥体细胞,的刺激所引起的,V(),的最大值在,555nm,处。,按人眼的视觉特性,V(,),来评价的辐射通量,即为光通量,V,，这两者的关系为：,3.,光通量,等号的左边是光通量，其单位是流明,(,lm,),；,等号的右边的,()d,是辐射通量，单位是瓦,(,w,nm,），,V(,),是光视效率，单位是,1/nm,。所以等号右边引进一个系数,Km,，从而使两边的单位一致。,Km,的单位为流明瓦,(,lm/W,),Km,表示人眼对波长为,555nmV(555)=1,光辐射产生光感觉的效能。称为最大光谱光视效能。,亦称为,光功当量,。,按国际实用温标,IPTS,68,的理论计算值为,K,m,683 ( lm/W ),K,m,683,lm,W,。它表示在波长为,555nm,处，即人眼光谱光视效率最大,(V=1),处，,1W,的辐射能通量相当的光通量为,683lm,；换句话说，此时,1lm,相当于,1,683W,。,4.,光度量和辐射度量之间的换算,Km,确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。,由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。,同理，其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示光度量与辐射量之间的关系 ：,人眼的光谱光视效率的数值,5,光度学的基本物理量,在,辐射度量学,中介绍的各个基本量,、,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的定义、定义方程是,一一对应,的，只是光度量,只在光谱的可见波段,(380,780nm),才有意义,。为避免混淆，在光度量符号上加下标“,v,”,。,光度学中相应量,V,、,M,V,、,I,V,、,L,V,和,E,V,与辐射度量,、,M,、,I,、,L,和,E,之间的对应关系由表给出。,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,辐射度量和光度量的对照表,6.,光度量中的单位,1,）最基本的单位是,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,),的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为,1/683(W/sr),时，在该方向上的发光强度为,1cd,。,2,）,光通量,的单位是,流明,(,lm,),1,lm,它是发光强度为,1cd,的均匀点光源在单位立体角,(1sr),内发出的光通量。,3,）,光照度,的单位是,勒克斯,(,lx,),1lx,它相当于,1lm,的光通量均匀地照在,1,面积上所产生的光照度。,解：,OP=x,，,P,点所在球面的面积为：,s=4,x,2,通过,s,的光通量：,=I,=,4, (lm),因为是点光源，均匀辐射，则,P,点的光照度：,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),思考题：在,O,点处，有一点光源，发光强度为,1cd,，,求：空间任意一点,P,的光照度,E,V,=?,思考：若光源为,1W,的灯泡，结论如何？,四、辐射度与光度中的基本定律,1.,余弦定律,s,S,0,S,和,S,对,O,点所张的立体角是相同的，对于两个面来讲其辐射通量是相同的，两个面的辐照度分别为,由于,所以,任一,表面上的辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间夹角的余弦而变化。,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的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比。,3.,亮度守恒定律,一个封闭光束在无损失的同种介质传输时，不仅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封闭光束的各个截面的亮度也处处相等。,光源发射光波的过程或光波自身称为光辐射,1,）,跃迁辐射与受激辐射,2,）,热辐射,：有一定温度的物体引起的辐射,3,）,湮灭辐射,4,）,场致发光,5,）,同步辐射,1.,光辐射,五、黑体辐射,2.,热辐射,任何温度,在绝对温度以上,的物体都存在热辐射；,热辐射的光谱是,连续光谱,；,热辐射的光谱分布取决于发射体的,温度,和,性质,。,发射本领与吸收本领,发射本领,：单位频率间隔内单位面积物体所发射的辐射通量称为发射本领，它是,温度和频率的函数,。,吸收本领,：被物体吸收的辐射通量占射到物体上的辐射通量的百分比,也是,温度和频率的函数,。,3.,黑体辐射定律,基尔霍夫定律,：任何物体的发射本领和吸收本领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的普适函数。,吸收本领等于,1,的黑体，其发射本领即为普适函数。,普朗克公式,4.,维恩维移定律,：,任何温度下黑体的发射本领都有一最大值，它对应的波长和绝对温度成反比，即,m,T,= b ( b=2898,m.K,),它表明，随着温度的提高，辐射本领的最大值向短波方向移动。根据它可判断热辐射颜色与温度的关系，并确定探测器的选择。,5.,斯忒藩,波尔兹曼定律,：,测温中的应用,黑体总辐射通量和绝对温度的四次方成正比 ：,=,T,4,6.,比辐射率,(,辐射率,),在自然界中,黑体的发射能力最强,，它实际上是一种理想情况，实际物体的发射能力都小于黑体。,为了描述,实际物体的热辐射情况,，在普朗克公式中应乘以一个小于,1,的系数,。,这个系数称为物体的比辐射率,(,发射率,),，也称为热辐射效率。,的值不仅依赖于波长和温度，也依赖发射的角度。,大多数常见物体的,与发射角度的依赖关系基本上可忽略，与波长和温度的依赖关系也很微弱。在常用的波长范围内，为实用方便，,常,把,作为常数,。,定义,：实际物体的辐射能力,M(T),与,同温度下,黑体辐射能力,M,b,(T),的比值：,常见物质的辐射率,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,人的皮肤：,0.98,塑料：,0.85,六、光电仪器中的常用光源,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,1.,光源的基本特性参数,（,1,）辐射效率和发光效率,辐射效率,是在给定,波长范围内，某一光源发出的,辐射通量,与产生这些辐射通量所需的,电功率,之比,发光效率,是指某一光源所发射的,光通量,与产生这些光通量所需的,电功率,之比,常用光源的发光效率,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,60,80,2.,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的发射波长，如白炽灯。,2,）,线光谱源,它的光谱在紫外到红外有一些分立的窄带。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。,3.,光源的色温,1,）,分布色温,辐射源,在某一波长范围内辐射的,相对光谱功率分布,与,黑体,在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为辐射源的,分布色温。,2,）辐射源的色温,辐射源发射光的颜色与黑体在某温度下辐射光的颜色相同，则黑体这一温度称为,辐射源的色温。,3.1.2,光电探测器概述,光电探测器,：,光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。,光电探测器的分类,光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，按探测机理的物理效应可分为两大类：,一类是利用各种,光子效应,的,光子探测器,，,另一类是利用,温度变化效应,的,热探测器,。,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,一光子探测器,光电子效应,几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。,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的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中的电子能,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的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，,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。,1.,光电子发射探测器,（,1,）光电子发射效应也称,外光电效应,。入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。,光电子发射第一定律,阳极,接收光电阴极发射的光电子所产生的,光电流正比于入射辐射的功率,。,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的,逸出功,。因此，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。,（,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构成，,用于响应要求极快的场合,。,应用最广的是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，,能检测极微弱的光辐射信号,。,（,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的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展到,1,25,m,，,只适用于近红外的探测，因此在红外系统中应用不多。,半导体电子学的基本概念,1.,原子能级与晶体能带,能级、能带、禁带,(,Eg,),、价带,(,Ev,),、导带,(,Ec,),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的影响,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的光电子效应。,入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，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,),，从而使半导体材料的电导增加。光子所激发的载流子仍保留在材料内部，所以光电导是一种内光电效应。,是一种,非平衡多数载流子过程,。,弛豫时间。,利用光电导效应的探测器是光电导探测器。,（,2,）,注意事项,光谱响应范围,根据器件材料不同可从,可见光、近红外延伸至远红外,。,光谱响应范围与工作温度有关,，冷却可以使光谱响应曲线的峰值和长波限向长波方向移动，同时可提高器件的灵敏度；,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佳偏压,(,或偏流,),，以便充分发挥器件性能。,（,3,）,典型器件,：,光敏电阻,光敏电阻应用原理图：,Rd,R,L,C,V,0,光辐射,3.,光伏探测器,（,1,）,光伏效应,光伏效应是另一种应用广泛的内光电效应，是半导体,受光照射产生电动势,的现象。,它与光电导效应不同之处，在于需要一种将正、负载流子在空间上分离的机制,内部势垒,。,虽然非本征光伏效应也是可能的，但几乎所有实用的光伏探测器都采用,本征的光伏效应,。,（,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。如果在外电路中把,p,区和,n,区短接，就产生反向的短路信号电流。假若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在,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。,（,3,）,注意事项,利用光伏效应的光伏探测器,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,。,不加偏置电压的是光电池。,如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的探测器是光电二极管等。,（,4,）,常用器件,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,4.,光子探测器的特点,它是一种,选择性,探测器，要产生光子效应，光子的能量要超过某一确定的值，即光子的,波长要短于长波限,。波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应，因而也就不能被探出来。,另一方面，波长短于长波限的入射辐射，当功率一定时，波长愈短，光子数就愈少。因此理论上,光子探测器的响应率,(,即单位辐射功率所产生的光信号,),应,与波长成正比,。,二、热探测器,热敏效应,热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。它基于材料吸收了光辐射能量以后,温度升高的现象,，这一现象称为,热敏效应,。,热敏效应的机理,是入射光辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这又引起物质的温度上升，从而导致,与温度有关的材料的某些物理性质的变化,。,特点,与光电效应有本质的不同。,光热效应与入射辐射的光子的性质没有关系,。因此，热效应一般与波长无关，即光电信号取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成份无关，即,对光辐射的响应无波长选择性,，,这是在假定了辐射的吸收机理本身与波长无关时成立。但是在大多数情况下，这一假定并不严格成立。,光热效应可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的变化效应、气体体积和压强的变化效应等等。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。,1,测辐射温差热电偶和热,电堆,（,1,）,温差电效应,当由,两种不同材料,制成的,两个结点,出现,温差,时，在该两点间就有,电动势产生,，通过这两点的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,。,（,2,）,塞贝克,(,seebeck,),效应,：,当由,两种不同的导体或半导体,组成闭合回路的两个结点置于不同温度,(,两结点间的温差,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起连续电流，这种现象称为,塞贝克效应,。,其产生的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,；,产生塞贝克电动势的原因：是由于受热不均匀的两结点的,接触电位差,不同所致。,（,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,。,测辐射热电堆常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叠，从而形成若干接触点。虽然测辐射热电偶和热电堆的光电信号要比许多种光子探测器弱，但它们,牢固,，而且,不需要电偏置和致冷,，故有不少应用。,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，金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低。,从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率。利用材料的电阻变化制成的热探测器就是,电阻测辐射热计,。,材料的电阻与温度的关系可用材料的,电阻温度系数,T,来表征。,（,2,）,电阻温度系数,T,材料温度从,T,改变到了,T+,T,，,材料的阻值改变量,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,与材料的种类和温度有关,。,在室温下金属材料的,T,约为,0.0033,。半导体材料的,T,值约为,-,0.033,；,比金属材料的,T,值大一个数量级。,3.,热释电探测器,热释电效应,某些晶体,(,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，从而在晶体的特定方向上由于,自发极化,随温度变化而引起,表面电荷的变化,。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,的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，由此可测定所吸收的光辐射功率。,4.,热探测器的特点,所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同的响应，因而,是非选择性探测器,。这和光子探测器在光谱响应上的主要区别。,热探测器除低温测辐射热器外,一般无需致冷,。,热探测器的,响应时间比光子探测器长,，（取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢）,