第4章光电检测

E = hν
1 2 逸出电子的动能： 逸出电子的动能： mv = hν − P0 2
物质的 逸出功
——爱因斯坦光电效应方程 爱因斯坦光电效应方程 光电发射第一定律） （光电发射第一定律）
当光电子动能等于零时： 当光电子动能等于零时： 0 = hν 0 − P0
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ν 0 = P0 / h
λ0 = hc / P0
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热电效应 • 热电效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作 热电效应：材料受光照射后， 振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化。 用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化。 • 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化， 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化， 引起表面电荷变化的现象。 ----热释电探测器 引起表面电荷变化的现象。 热释电探测器 • 辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造 辐射热计效应： 成电阻率变化的现象。 热敏电阻 成电阻率变化的现象。----热敏电阻 • 温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在 温差电效应： 两结点间产生电动势，回路中产生电流。 热电偶 热电偶、 两结点间产生电动势，回路中产生电流。----热电偶、 热电堆
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（6）暗电流 ） 在无光输入时，由阳极输出的电流叫做暗电流。 在无光输入时，由阳极输出的电流叫做暗电流。 主要来源有热发射、漏电流、 主要来源有热发射、漏电流、管内电子散射引起泡壳荧光 热发射 反馈阴极引起的发射电流、残余气体电离和宇宙射线等。 反馈阴极引起的发射电流、残余气体电离和宇宙射线等。
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4.1 概述
光电探测器：利用物质的光电、热电效应把光信号变成电 光电探测器：利用物质的光电、热电效应把光信号变成电 光电 效应 信号的器件。 信号的器件。 传感器
光电效应
• 光电效应：光照射到物体表面上使物体发射电子、 光电效应：光照射到物体表面上使物体发射电子、 或导电率发生变化、或产生光电动势等， 或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光 照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应。 照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应。 • 光电效应包括外光电效应和内光电效应 光电效应包括外光电效应 外光电效应和
阴极暗电流密度随温度的变化
Iao、G与电压间的关系 、 与电压间的关系
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（7）噪声与信噪比 ）
噪声主要是散粒噪声。 噪声主要是散粒噪声。
阳极输出时的噪声电流均方根值为： 阳极输出时的噪声电流均方根值为：
2 (ian ) = G (2qI c ∆ 2
当管内电压较高时， 当管内电压较高时，则有 δ − 1 = 1 ，说明二次发射对噪声的 贡献甚小，所以常把二次倍增系统叫做“无噪声增益系统” 贡献甚小，所以常把二次倍增系统叫做“无噪声增益系统”
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(1) 外光电效应
----光电管、光电倍增管 光电管、 光电管
某些物质在光子的作用下， 某些物质在光子的作用下，可以从物质内部逸出电子的 多发生于金属和金属氧化物 现象叫做外光电效应——多发生于金属和金属氧化物。 现象叫做外光电效应 多发生于金属和金属氧化物。 普朗克常数， 普朗克常数，6.626×10-34J·s × 4.13×1015eV·s × 光子的能量： 光子的能量：
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发射光子数 二次发射系数δ（倍增系数） 二次发射系数 （倍增系数）: δ = n2 n1 入射光子数 二次电子发射系数与材料本身特性、 二次电子发射系数与材料本身特性、一次电子的动能或 极间电压的大小有关。 极间电压的大小有关。
δ = bU k
k:0.7~0.8
δ—U关系曲线 关系曲线
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倍增管的时间特性
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3. 一般使用准则（自学了解） 一般使用准则（自学了解） 4. 微通道板光电倍增管（MCP） 微通道板光电倍增管（ ）
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（8）时间特性 ） 时间特性用其对脉冲光的响应特性来表示。 时间特性用其对脉冲光的响应特性来表示。 脉冲光的响应特性来表示 脉冲光可用激光脉冲来产生，如采用上升时间50ps，半宽 脉冲光可用激光脉冲来产生，如采用上升时间 ， 可用激光脉冲来产生 的激光脉冲。 度70ps的激光脉冲。 的激光脉冲
纵坐标是光谱相对偏移： 纵坐标是光谱相对偏移： SλT − Sλ 20 o C × 100% Sλ 20 o C
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（3）线性度（光电特性） ）线性度（光电特性） 描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程 度。I～Φ ～ 产生非线性的原因： 产生非线性的原因： （1）内部的非线性源。光阴极 ）内部的非线性源。 的电阻率及材料特性、 的电阻率及材料特性、管内空间 电荷间的互相作用，以及电子聚 电荷间的互相作用， 焦或收集效率的变化等。 焦或收集效率的变化等。 （2）外部非线性源。负载电阻 ）外部非线性源。 的负反馈作用， 的负反馈作用，以及由于信号电 流过大造成极间电位的重新分布 等。
1 2
提高光电倍增管的信噪比的方法： 提高光电倍增管的信噪比的方法： ①管子致冷可减少Ic0值； 管子致冷可减少 值 ②当入射光斑较小时，应尽量选用光阴极面小的管子； 当入射光斑较小时，应尽量选用光阴极面小的管子； 较高的材料做二次发射极， ③选用δ较高的材料做二次发射极，并提高工作电压； 选用 较高的材料做二次发射极 并提高工作电压； ④减小检测系统频带宽度∆f，以提高信噪比； 减小检测系统频带宽度 ，以提高信噪比；
第4章 光电探测器及其 校正技术
主要内容
4.1 概述 4.2 光电倍增管 4.3 光电导器件 4.4 光电池和光电二极管 4.5 CCD图像传感器的工作原理 图像传感器的工作原理 4.6 热电探测器 4.7 光电探测器的校正
掌握光电检测器的原理及特性， 掌握光电检测器的原理及特性，学会在系统 中如何选择。 中如何选择。
光窗 光阴极C 光阴极 电子光学系统 倍增系统（ 倍增系统（二 次发射极D ） 次发射极 阳极A 阳极 阳极（收集极）：是管内电压最高的地方。 阳极（收集极） 是管内电压最高的地方。 分压器：使光电倍增管中从光电阴极到依次各二次极， 分压器：使光电倍增管中从光电阴极到依次各二次极， 最后到阳极的电位逐渐升高， 最后到阳极的电位逐渐升高，使光电子顺利完成电子倍增 过程。 过程。 用得最多也最简单的是电阻分压器， 用得最多也最简单的是电阻分压器，按照各极间所需电压 电阻分压器 的比例采用相应的电阻值，使总电压分配到各极间去。 的比例采用相应的电阻值，使总电压分配到各极间去。
λmax
1.24 / Eg = 1.24 /( Eg + EA )
内光电效应 外光电效应
光电子逸出探测器表面 所需的表面势垒
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(2) 内光电效应 某些物质在光子作用下，使物质导电特性发生变化， 某些物质在光子作用下，使物质导电特性发生变化，这 种现象叫做内光电效应——多发生在半导体。 多发生在半导体 种现象叫做内光电效应 多发生在半导体。 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应（障层光 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应（ 又分为光电导效应 电效应） 电效应） 半导体受光照后，内部产生光生载流子， 半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中 叫做光电导效应。 载流子数显著增加而电阻减少的现象叫做光电导效应 载流子数显著增加而电阻减少的现象叫做光电导效应。---光敏电阻 光敏电阻 光照在半导体PN结或金属 半导体接触面时 会在PN结 光照在半导体 结或金属-半导体接触面时，会在 结 结或金属 半导体接触面时， 或金属-半导体接触的两侧产生光生电动势 这种现象叫 半导体接触的两侧产生光生电动势， 或金属 半导体接触的两侧产生光生电动势，这种现象叫 光电池和光电二极管、 做光生伏特效应。 光电池和光电二极管 做光生伏特效应。 ----光电池和光电二极管、光电三极管 等。
红限频率
红限波长
注意：只有光频率高于红限频率， 注意：只有光频率高于红限频率，波长小于 红限波长的入射光，才会有光电子射出， 红限波长的入射光，才会有光电子射出，与 光线强弱无关。 光线强弱无关。 对于光电探测器，由于受到材料能带之间的间隙 禁带 对于光电探测器，由于受到材料能带之间的间隙—禁带 宽度Eg的限制 最大响应波长为： 的限制， 宽度 的限制，最大响应波长为：
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输出电流I 输出电流 a与Φ的关系曲线 的关系曲线
（4）最大额定值 ） 最大阴极电流Icm，有时给出最大电流密度 ①最大阴极电流 ，有时给出最大电流密度(µA/cm2)。 。 ②最大阳极电流Iam，该值通常是以不产生严重的和不可 最大阳极电流 ， 逆的损坏为限，通常阳极功率限制在0.5W以下。 以下。 逆的损坏为限，通常阳极功率限制在 以下 ③最大额定电压Um，该指标是从管子的绝缘性能和工作 最大额定电压 ， 可靠性出发给出的。为使噪声不至太大， 可靠性出发给出的。为使噪声不至太大，一般建议采用的 总电压U＜ ～ ﹪ 总电压 ＜(60～80)﹪Um。 。 （5）不稳定性 ） ①由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化 ，造成长时 间的性能漂移 ②在几分钟或几小时内，由于可逆的疲劳所构成的漂移 在几分钟或几小时内， ③滞后作用造成阳极输出的不稳定
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光窗 光阴极C 光阴极 电子光学系统 倍增系统（ 倍增系统（二 次发射极D 次发射极 ） 阳极A 阳极
电子光学系统：使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇 电子光学系统： 聚到第一倍增极上。 聚到第一倍增极上。最简单的电子光学系统是一个与光 阴极同电位的金属筒或镀在玻璃壳上的金属导电层。 阴极同电位的金属筒或镀在玻璃壳上的金属导电层。 倍增系统：锑铯 合金、 倍增系统：锑铯(CsSb)、氧化铍 、氧化铍(BeO)、银镁 、银镁(AgMg)合金、 合金 磷化镓(GaP)和磷砷化镓等。作用：提供大的电子增益；电 和磷砷化镓等。 磷化镓 和磷砷化镓等 作用：提供大的电子增益； 子聚焦。决定灵敏度最关键的部分。 子聚焦。决定灵敏度最关键的部分。
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