第十讲-光电探测器的物理效应资料PPT课件

-,1,光电子技术PhotoelectronicTechnique光电探测器的物理效应周自刚,-,2,本讲主要内容,一、光子效应,三、光电发射效应,四、光电导效应,五、光伏效应,六、温差电效应,八、光电转换定律,七、热释电效应,二、光热效应,-,3,光电探测器(Detector)：对各种光辐射进行接收和探测的器件,光辐射量,电量,32,光电倍增管,光电探测器,-,4,一、光子效应,(PhotonicEffect),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,对光波频率表现出选择性，响应速度快。,例如:光子效应在光电池等中体现,31,-,5,一、光子效应,30,-,6,当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的运动。结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻止载流子的运动。这个现象被称为光子牵引效应。,一、光子效应,光子牵引效应,29,内光电效应,外光电效应,在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。,当光照在物体上，使物体电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。,-,7,一、光子效应,28,肖特基势垒光电二极管,-,8,(PhotothermalEffect),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,对光波频率没有选择性，响应速度比较慢。,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、光热效应,27,-,9,二、光热效应,26,-,10,25,新型快速热释电(Pyroelectric)探测器,二、光热效应,-,11,三、光电发射效应,金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，叫做光电发射效应，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。,能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光阴极。,24,-,12,三、光电发射效应,23,1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。,光电发射大致可分三个过程：,2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。,3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。,-,13,三、光电发射效应,22,：光电发射体的功函数,电子离开发射体表面时的动能,爱因斯坦方程,截止频率,截止波长,-,14,三、光电发射效应,21,光电管,光电倍增管,像增强器,-,15,四、光电导效应,光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。半导体受光辐射时，电导率增加而变得易于导电。这种效应的产生，来自于材料因吸收光子后，其中的载流子浓度发生了改变。,20,-,16,四、光电导效应,当未受光照时，只有极少的热激发自由载流子，绝大多数电子被束缚在局域价键上不能参与导电。导带中的自由电子极少，近似空带，而价电子全部束缚于满的价带中，故电导率很小。,19,-,17,四、光电导效应,当有光照射时，能量大于半导体禁带宽度Eg的光子与价电子碰撞，价电子获得能量成为自由电子，形成自由电子-空穴对，可参与导电的载流子。由于这一光电效应增加了材料的载流子浓度，从而增加了材料的电导率。,18,-,18,光辐射照射外加电压的本征半导体，如果光波长满足如下条件：,禁带宽度,四、光电导效应,17,本征半导体,-,19,光辐射照射外加电压的掺杂半导体，如果光波长满足如下条件：,杂质能带宽度,四、光电导效应,16,掺杂半导体,-,20,四、光电导效应,15,光敏电阻,光电摄像管,-,21,五、光伏效应,指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象，称为光生伏特效应（简称为光伏效应）。,14,光伏被定义为射线能量的直接转换。在实际应用中通常指太阳能向电能的转换，即太阳能光伏。,光伏效应也是太阳能发电的基本原理。,-,22,五、光伏效应,13,光电三极管,光电场效应管,雪崩型光电二极管,-,23,三种效应对照,12,光电导效应和光生伏特效应都属于内光电效应。,-,24,六、温差电效应,由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。该温差电动势又叫塞贝克(T.J.Seebeck)电动势。,11,-,25,七、热释电效应,10,在某些电解质晶体中，不加外电场就存在电极化现象，且具有一定的极化强度，这种极化强度称为自发极化强度，Ps为自发极化强度方向。具有自发极化的晶体，由于在晶体发生温度变化时，就会产生热释电效应，因而称为热释电晶体。,热释电流只与热释电材料的温度变化率有关，与温度本身无关。,主要用于防盗报警和安全报警装置（防止人们误入危险区）、自动门、自动照明装置、火灾报警等一些自动控制系统中。,-,26,七、热释电效应,9,红外热释电传感器,热释电人体红外线传感器原理图,-,27,八、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,8,-,28,探测器的量子效率,八、光电转换定律,7,-,29,*光功率P正比于光电场的平方平方律探测器非线性器件(本质),*光电探测器对入射功率响应(光电流)一个光子探测器可视为一个电流源,八、光电转换定律,6,-,30,光电探测器件的特点,5,-,31,A、光电发射效应B、光电导效应C、光生伏特效应D、光磁效应,BCD,1、光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。以下是属于内光电效应的有（）。,4,知识巩固,-,32,2、在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于(),A、外光电效应B、内光电效应C、光电发射D、光导效应,BD,3,知识巩固,-,33,本讲小结,1、光子效应、光热效应、光电发射效应、光电导效应、光伏效应、热释电效应、温差电效应概念、特点、应用等,2,3、光电转换定律的含义、应用,2、量子效率的含义、表达式、光电转换关系,-,34,探测器件,热电探测元件,光子探测元件,