文档介绍：第4章光辐射的探测技术
本章主要讨论有关光电探测方面的一些基础知识和基本理论。
§1 光电探测器的物理效应
光电探测器——能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。
一、光子效应和光热效应
1. 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。
2. 光热效应
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。)
二、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。
能产生光电发射效应的物体,称为光电发射体,在光电管中又称为光阴极。
爱因斯坦方程:
截止波长:
三、光电导效应
光导现象——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。
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
式中:——探测器的量子效率
基本的光电转换定律:
(1)光电探测器对入射功率有响应,响应量是光电流。因此,一个光子探测器可视为一个电流源。
(2)因为光功率P正比于光电场的平方,故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说,光电探测器本质上一个非线性器件。
§2 光电探测器的性能参数
一、积分灵敏度R
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(或光电压u)和入射光功率P之间的关系称为探测器的光电特性。
灵敏度R定义为这个曲线的斜率:
Ri——电流灵敏度(积分电流灵敏度)
Ru——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:
光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要
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f 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:
四、量子效率η
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值影响大
探测器的噪声功率————
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散粒噪声、热噪声和低频噪声三类。
§3 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