12光辐射的探测技术.doc

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11000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R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