第2章　光电探测技术

2.1　概述

光电探测是在紫外（308～400nm）、可见光（0.4～0.7μm）、近红外（0.7～3μm）、中波红外（3～6μm）、长波红外（8～12μm）以及远红外（6～15μm）这些光学波段上展开的。首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电探测器变成电信号输出。虽然光电测量方法灵活多样，可测参数众多，但光电探测器的工作原理均是基于物质的光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应，如表2-1所示。

（1）外光电效应

在光的作用下，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。根据这种原理制成的光电探测器主要有真空光电管和光电子倍增管。

光子的能量为

E=hγ　　（2-1）

式中，h为普朗克常数，6.625×10^-34J·s；γ为光波的频率，Hz。

一个光子的能量只能给一个电子，物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A₀时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。如果一个电子想要逸出，则光子能量E必须超过逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理

　　 （2-2） 　　

式中，v₀为电子逸出速度；m为电子质量。

由式（2-2）可知，光电子逸出物体表面时具有的初动能与光的频率有关，频率高则初始速度高，动能就高。由于材料具有逸出功，因而就存在一个红限频率，当入射光的频率低于该频率时，光强再大也不会产生光电子发射；反之，当高于该频率时，即使光线微弱，也会有光电子射出。材料的红限频率γ₀决定于其逸出功

γ₀=A₀/h　　（2-3）

相应的波长为

λ₀=hc/A₀　　（2-4）

式中，c为光在真空中的传播速度。

（2）内光电效应

光照射在物体上，没有产生光电子发射，但使物体内部的特性发生变化，这种现象称为内光电效应。利用内光电效应制成的光电探测器有光敏电阻、光生伏特探测器等。

原子是由原子核和核外电子构成。电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。最外轨道上的电子受原子核的束缚最小，具有的能量最大，原子能级最高；轨道越靠近原子核，轨道上的电子能量越低，原子能级就越低。由于电子运动的能量只能有某些允许的数值，这些所允许的能量值，因轨道不同，都是一个个的分开的，且是不连续的，把这些分立的能量值称为原子的能级。

半导体材料中，处于原子最外层的价电子再也不局限于一定的原子，而为整个晶体所共有，因而孤立原子的能级将分裂成属于整个晶体的一系列相互之间相差极微的能级，成为一条连续的能级带，称为能带。一般情况下价电子处于价带能带，当价电子受到足够高能量外界光照射时将跃迁至导带，此电子及在价带相应产生的空穴统称为光生载流子。半导体的三能带结构如图2-1所示，在价带与导带之间的间隔称为禁带。