光辐射的探测技术.doc

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1、光辐射的探测技术［教学目的］1、掌握光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原理，光电探测器的噪声产生的原因和抑制方法。2、了解光电探测器的性能参数、光敏电阻、硅光电池、光电二极管的结构和工作原理。［教学重点与难点］重点：光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原理。难点：光电探测器的性能参数的内涵、各种常见光电探测元件的工作原理。§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

2、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，温度上升的结果乂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。光辐射的探测技术［教学目的］1、掌握

3、光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原理，光电探测器的噪声产生的原因和抑制方法。2、了解光电探测器的性能参数、光敏电阻、硅光电池、光电二极管的结构和工作原理。［教学重点与难点］重点：光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原理。难点：光电探测器的性能参数的内涵、各种常见光电探测元件的工作原理。§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

4、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，温度上升的结果乂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

5、坦方程：心7截止波长:1・24%(W)三、光电导效应光导现象一一半导体材料的体效应价带本征施囂级H受主能级fo*丄Eo~空穴杂质光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长入满足如下条件:九(

6、im)<九。1.24Eg(eV)（本征）=———（杂质）E（（eV）式中塢是禁带宽度，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加和妙。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，3和山将使半导体的电导增加一个量山，我们称之为光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称

7、为本征和杂质光电导。四、光伏效应光伏现象一一半导体材料的“结”效应结区E.光照下光照零偏pn结产生开路电压的效应——光伏效应——光电池光照反偏一一光电信号是光电流一一结型光电探测器的工作原——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。T提高测量灵敏度一一若干个热电偶串联起来使用一一热电堆六、热释电效应热释电材料一一电介质一一一种结晶对称性很差的压电晶体一—在常态下具有［自发电极化（即固有电偶极矩）。热电体的丨匝丨决定了面电荷密度6的大小，当耳发生变

8、化时，面电荷密度也跟着变化。I尺I值是温度的函数一一温度升高一一I尺I减小。升高到Tc值时，自发极化突然消失,％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1〜1000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一一光电转换。D——探测器的光电转换因子治)="(/)ehv式中:探测器的量子效率/（/）=平P（f）nv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

9、器称为平方律探测器。或者说，光电探测器木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