第四章 光电检测

光电探测器•凡是光辐射量转换为电量（电压或电流）的光探测器，都称为光电探测器。•光电探测器的物理效应包括：1、光子效应2、光热效应光子效应•单个的光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。1、光子效应对光波频率表现出选择性。2、响应速度比较快。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，引起探测元件温度升高，温度上升的结果由使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。1、光热效应对光波频率没有选择性。2、响应速度比较慢。外光电效应－光电发射效应在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,亦称光电发射效应。它是在1887年由德国科学家赫兹发现的。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍培管等。众所周知,每个光子具有的能量为Qh逸出功A也称功函数,是一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功,其值与材料有关,还和材料的表面状态有关。若逸出电子的动能为,则由能量守恒定律有2012mv2012hvmvA式中,m为电子的静止质量,m=9.1091×10-31kg;v0为电子逸出物体时的初速。上式即为爱因斯坦光电效应方程式。由该式可知:(1)光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值,称为截至频率（对应的光波长称为临界波长。光的频率小于截至频率，光子的能量不足以使物体的电子逸出,因而小于截至频率的光，光强再大也不会产生光电发射。反之，入射光频率高于截至频率，即使光强微弱也会有电子发至射出来。(2)若入射光的光频为v，光功率为P，则每秒钟到达的光子数为p/hν。假设这些光子中只有一部分(η)能激发电子，则入射光在光电面激发的光电流密度为pePihv式中，η是量子效率，定义为光强生成的载流子数与入射光子数之比，它是波长的函数，并与光电面的反射率、吸收系数、发射电子的深度、表面的亲和力等因素有关；e为电子电荷量。(3)光电子逸出物体表面具有初始动能。因此光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。内光电效应•光电导效应•光伏效应1.光电导效应入射光强改变物质导电率的物理现象，叫光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由于在入射光作用下，电子吸收光子能量，从价带激发到导带，过渡到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg，如图4.1所示，即光的波长应小于某一临界波长λ0。式中,Eg以电子伏(eV)为单位(1eV=1.60×1019J),c为光速(m/s)。λ0也称为截止波长。根据半导体材料不同的禁带宽度可得相应的临界波长。012390gghcAEE。图4.1能带图导带禁带价带Eg图4.2光电导元件工作示意图光导元件URL电极电极入射光图4.2为光电导元件工作示意图。图中光电导元件与偏置电源及负载电阻RL串联。当光电导元件在一定强度的光的连续照射下,元件达到平衡状态时,输出的短02ccePUidhc式中,η为内光量子效率(为光强生成的载流子数与入射光子数之比),μc为多数载流子的迁移率,τc为多数载流子寿命,d为两电极间距。可以看出,i0在波长决定之后与P成正比,在ηP一定时,与光波长λ成正比。2.光生伏特效应光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。P型半导体内有许多多余的空穴，N型半导体内有许多过剩的电子，当N型半导体和P型半导体结合在一起时，由于热运动，N型半导体中的电子越过交界面填补了P型半导体中的空穴，也可以说P型半导体中的空穴越过交界面复合了N型半导体中的电子。图2.3PN结产生光生伏特效应＋＋＋－－－PN＋－光＋－光生电子—空穴对PN结用作整流时，其电压—电流特性如图4.4中的曲线(1)所示。这时外加电压U(以正方向为正)与电流Id的关系为(exp1)dseUIIkT式中，Id为没有光照时的暗电流，Is为反向饱和暗电流，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。当光照射到PN结上时，由于光生伏特效应产生的短路电流I0与光电导效应相类似，即0PIehc图4.4PN结的电压电流特性饱和电流IsI(1)(2)光入射后U开路光电势U0短路光电流I0这个电流与前式所示电流方向相反，所以流经结点的电流是二者之差,即0(exp1)seUIIIkT由此可见，当有光照射时，电压-电流特性向下方平行移动，如图4.4中的曲线(2)所示。当I=0时，对U求解,得开路电压为00ln(1)skTIUeI如果入射光较弱，I0Is,则有0skTPUIhc热释电效应利用热效应的光电传感器包含光-热、热-电,两个阶段的信息变换过程。光-热阶段是物质吸收了光以后温度升高，热-电阶段是利用某种效应将热转变为电信号。热释电效应就是这种效应之一。热释电材料有晶体、陶瓷和塑料等。使用最早的是热释电晶体。热释电晶体在自然条件下能够自发极化，形成固有的偶极矩，在垂直晶体极轴的两个端面上具有大小相等、符号相反的束缚电荷。如果垂直晶体极轴的两个端面上镀有金属电极，则在电极上会感生与束缚电荷大小相等的自由电荷。当温度变化时,电偶极矩会发生变化,晶体表面的束缚电荷发生变化,从而导致电极上的自由电荷发生变化。如果电极与放大器的输入端相接,则放大器输出与温度变化成正比的电信号。热释电晶体如铌酸锂、钽酸锂等,热释电陶瓷如钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PZT）等,热释电塑料如聚偏二氟乙烯（PVDF）等。通常极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集在晶体外表面的自由电荷中和,晶体对外不显电性。为了使产生的束缚电荷不被中和掉,就必须使晶体处于冷热交变工作状态,这样才能使晶体两端所产生的束缚电荷表现出来。为此,热释电传感器需要用光调制器调制入射光。调制频率f必须大于中和时间,才能使热释电体产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和,在晶体极轴两端产生交变电压,如图4.5所示。若在热释电体两端的电极上接入电阻R,则R两端所产生的交流信号电压ΔU为()()SdPdTUSRSRgdtdt式中,S为电极面积,dPS/dt为自发极化矢量对时间的相对变化,g=dPS/dT为热释电系数,dT/dt为温度对时间的变化率。由此看出,输出信号ΔU与温度变化速度成正比,而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。图4.5热释电效应示意图调制辐射RU光电转换定律把光辐射量转换成光电流量地过程称为光电转换。)()(tDPtiheD)()(tPheti其中，D为光电转换因子；为探测器地量子效率。光电转换定律光电探测器的性能参数•积分灵敏度•光谱灵敏度•量子效率•通量阈•归一化探测度1、积分灵敏度S光电器件对连续辐射通量的反应程度称为积分灵敏度。定义为,反应U与入射到光电器件上的辐射通量Φ之比,即US当反映为光电流时,积分灵敏度即为辐射灵敏度。在光电器件说明书中列出的积分灵敏度值都是依据标准辐射源的辐射来测定的,光电器件类型不同所用标准辐射源也不同。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)和入射光功率P之间的关系I=f(P)称为探测器的光电特性。灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即:Ri和Ru分别称为电流和电压灵敏度，i和u均为电表测量的电流、电压有效值。式中的光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。因此，这里的Ri和Ru又分别称为积分电流灵敏度和积分电压灵敏度。2、光谱灵敏度S(λ)与峰值波长大多数接收器对所感受的波长是有选择性的。接收器对不同波长光(电磁辐射)的反应程度称为光谱响应或光谱灵敏度。光谱灵敏度为光电器件对单色辐射通量的反应与入射的单色辐射通量之比,即()()()US式中,Φ(λ)为入射的单色辐射通量,U(λ)为光电器件的反应。单色辐射是指光线波长在Δλ→0的狭窄范围内的辐射,其通量称为单色辐射通量。光电器件的S(λ)随波长λ而变化,且在某个波长λm处有最大值S(λm)。波长λm称为峰值波长,即光谱灵敏度最大时的波长。3、相对光谱灵敏度Sr(λ)光谱灵敏度与最大光谱灵敏度之比称为相对光谱灵敏度，即()()()rmSSS式中,Sr(λ)是一无量纲函数,也称光谱特性。光谱特性是指相对光谱灵敏度与入射光波长之间的关系,不同敏感材料的光谱特性曲线如图4.7所示。从材料的光谱特性曲线可以判断哪种辐射源与哪种光电器件配合使用,可以获得较高的灵敏度。图4.7不同敏感材料的光谱特性曲线ZnSCdSSiGePbSPbTePbSe1008060402000.30.51.02.010.05.0Sr/%/m4、量子效率量子效率表示探测器吸收的光子数和激发的电子数之比。iRehiRehc可见，量子效率正比于灵敏度而反比于波长。5、通量阈ΦH在光电器件输出端产生的电信号与固有噪声电平相等的最小辐射通量称为通量阈ΦH。若把对应于ΦH的光电器件的反应以等效噪声的均方根值,则有22U22HUS噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。光电器件的通量阀可以根据特定辐射源来测定,而且同积分灵敏度一样,它和辐射源的辐射特性有关。单色通量阀由下式定义22()()HUS单色通量阀反映光电器件本身的固有特性,而通量阀不仅反映光电器件本身的固有特性,而且还反映辐射特性。6、归一化探测率D*由于通量阈与光电器件灵敏面的面积有关,在窄带情况下通量阈与带宽的平方根成正比。对光电器件性能进行比较,应当在灵敏面的尺寸和带宽一定的条件下进行,因而引进一个新的特性参数,即归一化探测率。归一化探测率可由下式定义:22HAfSAfDU式中,A为灵敏面面积，Δf为带宽。由上式可见,D*实质上就是光电器件在具有单位灵敏面积、单位带宽(1Hz)及单位辐射通量时所获的信噪比。7、转换特性Sz(t)和响应时间当入射辐射通量很小时,可以把光电器件看作线性系统,并用转换特性的时间常数来描述光电器件的动态特性。转换特性Sz(t)是辐射通量Φ(t)为阶跃信号时光电器件的响应,如图4.8所示。实际上转换过程要经过2~3τ的时间才能结束。因此,将光电器件输出端电压达到最大值0.63倍时所对应的时间（即t=τ）称为光电器件的响应时间。它反映了光电器件响应时间的快慢,调制频率上限受响应时间的限制。图4.8光电器件的转换特性(t),Sz(t)(t)Sz(t)1.00.63S0t08、光电器件的频率特性光电器件相对光谱灵敏度随入射辐射通量的调制频率的变化关系称为光电器件的频率特性。由于光电器件有一定的惰性,在一定幅度的正弦调制光照射下,当频率较低时,灵敏度与频率无关;若频率增高,灵敏度就会逐渐降低。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为0222()(14)rrSSff式中,Sr0为调制频率f=0时的灵敏度,f为调制频率,τ为响应时间。图4.9示出了一些光电器件的频率特性。图4.9光电器件的频率特性100806040200101001000100002硫化铊1硫化铅f/HzSr/%9、光照特性光照特性表示光电器件的积分或光谱灵敏度与其入射辐射通量的关系。有时光电器件输出端的电压或电流与入射辐射通量间的关系也称为光照特性。图4.10为某种光电池的光照特性。图4.10光电器件的光照特性0.50.40.30.20.1020004000600080001000048121620U/VI0/mA·cm－2开路电压短路电流E0/lx10、温度特性光电器件的灵敏度、暗电流或光电流与温度的关系称为温度特性,通常由曲线表示或由温度系数给出。温度系数表示在给定的温度区间,温度变化