3.1 光辐射探测器的 理论基础
光辐射探测器的物理效应主要是 光热效应和光电效应。
3.1.1 光热效应
当光照射到理想的黑色吸收体上时， 黑体将对所有波长的光能量全部吸收， 并转换为热能，称为光热效应 。
热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变 化，如：温度、体积、电阻、热电动势等， 通过测量这些变化可确定光能量或光功率的 大小，这类器件统称为光热探测器。
件
光电探测器 光辐射量
电量
热探测器 光子探测器
光电倍增管
➢ 二. 历史:
➢ 1873年: Smith, May: 发现光电效应
➢
Simens: 光电池
➢ 1909年：Richtmeyer: 奠定光电管的基础
➢ 1933年：Zworkyn: 发明光电摄像管
➢ 1950年：Weimer: 制出光导摄像管
探测器遵从的热平衡方程：
Ct
d (T ) dt
Gt T
设入射光的表达式为： 0 (1 e jt )
代入热平衡方程，得到：
Ct
d (T0 ) dt
Gt T0
0
Ct
d (T dt
)
Gt
T
0e jt
解得： 器件的平均温升
T0
0
Gt
器件随频率ω的交变温升
T

0
Gt
(1
2
2 t
)1
/
2
半导体材料吸收光子能量而转换成电能是 光电器件工作的基础。
1.半导体对光的吸收
本征吸收
h Eg
或
h
c
Eg
h c
h c
c
Eg
c 为长波限。
杂质吸收 h 电离能 Eg
半导体对光的吸收主要是本征吸收 < c
2.光生载流子 半导体受光照射而产生的非平衡载流子。
n p 约为1010cm-3 ;
第三章 光辐射探测器
3.1 光辐射探测器的理论基础
﹡光热效应 ﹡光电效应
3.2 光热探测器
3.3 光电探测器
光电导器件 结型光电器件 光电发射器件
引言
➢ 一. 概念
➢ 光辐射探测技术：把被调制的光信号转换成电信 号并将信息提取出来的技术
➢ 光探测过程可以形象地称为光频解调。 ➢ 光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器
n N n
AL
p N p
AL
Ip
qAU (nn
L
p p )
qNU L2
( nn
pp)
定义光电导增益
M
Ip qN
U L2
( nn
pp)
M
U L2
n
n
U L2
p
p
Mn
Mp
电子在两极间 的渡越时间
Mn
n
tn
tn
L
n
L2
nU
Mp
p
tp
n p
M
Mn
Mp
tn
tp
(1
tn
1 tp
)
如果定义 1 1 1 tr tn tp
在本征半导体中， ni pi (N c N v )1/ 2 eEg / 2kT
则有 np ni2 平衡态判据
可得出，少子浓度：
np
ni2 NA
pn
ni2 ND
二、非平衡状态下的载流子
半导体受光照、外电场作用，载流子浓度 就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。
载流子浓度对于热平衡时浓度的增量， 称为非平衡载流子。
➢ 1970年： Boyle: 发明CCD
➢三、分类
热电探测元件
探测器件
光子探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管
光电导探测器
光磁电探测器
像增强器 摄像管 变像管
本征型 光敏电阻
掺杂型
非放大
红外探测器 光电池
光电二极管
光生伏特探测器
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
e j(t )
式中，
t
Ct Gt
Ct Rt
arctg( t )
是器件的热时间常数。
表明器件温升滞后于 辐射功率的变化。
因此，光热探测器常用于低频调制辐照场合。 设计时应尽力降低器件的热时间常数， 主要是减少器件的热容量。
3.1.2 光电效应
光电效应是物质在光的作用下释放出 电子的物理现象。
三、载流子的扩散与漂移
1.扩散
载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。
J nD
qDn
dn dx
J pD
qD p
dp dx
2.漂移
载流子受电场作用所发生的运动。
欧姆定律的微分形式 J E
对于电子电流
J υ
nqυ
nE
｝
nqn
同理，对于空穴电流有
pq p
漂移电流密度矢量 J n nqnE
J p pq pE
则有 M
tr
以上分析，对光敏电阻的设计和选用
很有指导意义。
二、响应时间
光电导张驰过程
非平衡载流子的 产生与复合都不 是立即完成的， 需要一定的时间。
1.半导体材料受阶跃光照：
分为: 光电导效应 光伏效应 光电发射效应
3.1.2.1 半导体中的载流子
载流子:能参与导电的自由电子和自由空穴。
载流子浓度:单位体积内的载流子数。
I: ni pi
N: nn > pn P: np < pp
室温下 nn N（D 施主浓度）
全电离时 p p N（A 受主浓度）
一、热平衡状态下的载流子浓度
光热探测器对光辐射的响应有两个过程：
•器件吸收光能量使自身温度发生变化 共性
•把温度变化转换为相应的电信号
个性
光热探测器的最大特点是： 1、从紫外到40μm以上宽波段范围，其响应灵敏 度与光波波长无关，原则上是对光波长无选择性探 测器。 2、受热时间常数的制约，响应速度较慢 。
应用： 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。
而热平衡时，多子浓度约为 1015 cm3 少子浓度约为 104 cm3
可见，一切半导体光电器件对光的响应 都是少子的行为。
载流子的复合：电子-空穴对消失。只要有 自由的电子和空穴，复合过程就存在。
•直接复合
•间接复合
光生载流子的寿命
—光生载流子的平均生存时间
复合率：单位时间内载流子浓度减少量： n
由（1.26）式，
f
(E)
1 1 e(EEf
) / kT
可得出：
n N e p N e [(Ec E f ) / kT ] c
[( E f Ev ) / kT ] v
np
N N e (Ec Ev ) / kT cv
N c N v e Eg / kT
上式表明：禁带愈小，温度升高，
np就愈大，导电性愈好。
3.1.2.2 光电导效应
半导体材料受光照,吸收光子引起载流 子浓度增大，从而材料的电导率增大。
一、稳态光电导与光电流
暗态下
Gd
d
A L
Id
GdU
d
AU L
亮态下
G A
L
光电导 光电流
I GU AU
L
Gp
G Gd
(
d )
A L
A L
Ip
I
Id
(G Gd )U
AU L
d q(nn p p )