光电检测器件的工作原理及特性.pptx

第二章光电检测器件的工作原理及特性;2.1光电检测的物理基础;根据光子与物质中的微粒产生相互作用，在探测器上所产生的物理效应：;1光电效应;1.外光电效应;两个基本定律：;光hν;光电发射大致可分三个过程：;例如：光电管，光电倍增管，像增强管均是外光电发射器件。;2.内光电效应;1）、光电导效应;若取材料样品如图所示，样品两端敷有电极，沿电极方向加有电场，当在垂直于电极方向有均匀光照入射到样品表面，且入射光通量恒定时，样品中流出的光电流称为稳态光电流。;有光照时，半导体材料吸收光子能量产生光生载流子，此时材料处于亮态，具有亮电导，可以表示为：;光电导弛豫过程：光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间，同样，撤销光照后电流恢复到稳定状态亦需要时间。弛豫现象反映了光电导对光强变化的反应快慢程度，亦称为惰性。;杂质光电导;2)、光生伏特效应;光生伏特效应机理;利用光生伏特效应制成的光电接收器件主要有光敏二极管，光敏晶体管和光电池。;3)、光磁电效应;4)、光子牵引效应;2光热效应;1、热释电效应;温度低时，自发极化强度大，晶体表面感应的电荷增加。;随着温度的逐渐升高，极化强度越来越弱，当温度达到一特定温度之后，自发极化强度下降为零，即为极化晶体发生了相变。极化晶体变为非极化晶体。产生相变的温度为居里温度。;热释电红外传感器;对光聚焦，提高探测距离;工作原理：热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。当这种材料受到红外辐射而温度升高时，表面电荷将减少，相当??释放了一部分电荷。将释放的电荷经放大器可转换为电压输出。当辐射继续作用于热释电元件，使其表面电荷达到平衡时，便不再释放电荷。热释电传感器不能探测恒定的红外辐射。;αT=-β/T2;辐射热计效应的应用：;黑球温度计：利用黑体吸收辐射热量最强的原理，用一个深黑色的空心铜球和一支插在铜球中心的温度计构成。测定时悬挂在测点，大约15分钟后可读出稳定读数。;3、温差电效应;探测原理;(1)塞贝克（Seebeck）效应：由金属A、B接成的热电偶在两个接点处保持不同的温度T和T+ΔT，实验发现，回路中两接点处将产生电势差，且与两接点处的温度差ΔT成正比，即：

Δξ=εABΔT

εAB称为温差电动势系数，它与材料及温度有关。;(2)珀尔贴（Peltier）效应：将两种金属A、B相连接，并保持其温度恒定不变，当有电流通过电路时，在一个接点处有热量放出，在另一接点处则吸收热量，如果将电流方向反向，则原吸热的一端变为放热，原来放热的一端变为吸热，以Je表示从A流往B的电流密度，单位时间内，单位截面的导线在接点处所吸收的热量为Jπq=πABJe；式中Jπq称为珀尔帖热流密度，πAB是该两种金属的珀尔帖系数，取决于两种金属的性质，并与温度有关。;(3)汤姆逊（Thomson）效应:当电流通过具有温度梯度的均匀导体时，除了放出焦耳热外，导体还需要放出或吸收另外的热量称为汤姆热，以Je表示电流密度，在单位时间内，单位体积的导体放出的汤姆热qT为

qT=-τJe·ΔT

式中τ是汤姆逊系数，它与温度和材料性质有关。;温差电效应的应用：;3光压效应;2.2光电检测的特性参数;一、光电响应特性;响应度与入射波长有关，如果是测量光电检测器件的灵敏度用的是单色光，称为光谱响应度（也称为单色灵敏度）。

如果使用的是复色光，则称为积分响应度（也称为积分灵敏度）。;3.积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度。

对于包含各种波长的辐射光源，总的光通量;4.响应时间：响应时间τ是描述光电探测器对入射光响应快慢的参数。;5.频率响应;当S(f)/S0=1/21/2=0.707时可得到光电检测器的上限截止频率为

f上=1/2πτ=1/2πRC

即时间常数决定了光电检测器频率响应的带宽。;二、噪声特性;：载流子无规则热运动造成的噪声。;2、散粒噪声;3、产生-复合噪声;4、1/f噪声;噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。

由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微