长沙理工大学：《光电子学》课程教学资源（课件讲稿）第五章 光辐射的探测

第五章光辐射的探测 5.1物质中光的吸收 5.2光探测的基本物理效应 5.3光辐射探测过程中的噪声 1

1 第五章 光辐射的探测 5.1 物质中光的吸收 5.2 光探测的基本物理效应 5.3 光辐射探测过程中的噪声

5.1物质中光的吸收 本征吸收 半导体中的本征吸收：电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带。 条件：hm≥Eg=hvo hc 1.24 截止波长（长波限）： 4o=E (ev)E.(ev) m) 1.直接跃迁 E(k) 直接跃迁：在E(k)曲线中， E- B 电子动量基本保持不变。 hv 直接带隙半导体：导带极小值与 价带极大值对应相同的波矢。 电子的直接跃迁

2 5.1 物质中光的吸收 一 本征吸收 半导体中的本征吸收：电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带。 1.直接跃迁 条件： 截止波长（长波限）： ≥ g = hvEhv 0 )( )(24.1 )( 0 m eVEeVE hc g g λ == μ 直接跃迁：在E(k)曲线中， 电子动量基本保持不变。 直接带隙半导体：导带极小值与 价带极大值对应相同的波矢。 A o B E o’ f Ei Eg hv hv0 k E(k) 电子的直接跃迁

本征吸收 2间接跃迁 间接跃迁：导带最低能量状态与价带最高能量状态的k值不相等。 即在跃迁过程中动量发生变化。 E(k) 发射声子 吸收声子 间接跃迁 直接跃迁和间接跃迁比较 有声子参与的吸收过程 3

3 一 本征吸收 2 间接跃迁 o o’ Eg k E(k) s 直接跃迁和间接跃迁比较 直接跃迁 间接跃迁 间接跃迁：导带最低能量状态与价带最高能量状态的k值不相等。 即在跃迁过程中动量发生变化。 k E(k) 吸收声子 发射声子 光 激 发 有声子参与的吸收过程

二 晶格振动吸收 所有固体都具有一个因光子和晶格振动相互作用而引起的吸收区域： 10m~100m 晶格中原子的振动都是由若干不同的基本波动按波的叠加原理 组合而成，这些基本波称为格波。 E。=(n+1/2)hwa,n=0,12.… 声子： hva 晶格能量的改变可看作吸收或发射声子的过程。 4

4 二 晶格振动吸收 所有固体都具有一个因光子 和晶格振动相互作用而引起的吸收区域： μ 100~10 μmm 晶格中原子的振动都是由若干不同的基本波动按波的叠加原理 组合而成，这些基本波称为格波 。 a = + a nhvnE = 2,1,0,)21( K a 声子： hv 晶格能量的改变可看作吸收或发射声子的过程

三自由载流子的光吸收 自由载流子的光吸收：当入射光（主要是红外波段)能量较低时， 导带中的电子或价带中的空穴吸收光子后， 引起载流子在能带内的跃迁。 E(k) hv K 自由载流子的吸收 5

5 三 自由载流子的光吸收 自由载流子的光吸收：当入射光（主要是红外波段）能量较低时， 导带中的电子或价带中的空穴吸收光子后， 引起载流子在能带内的跃迁。 E(k) k 自由载流子的吸收 hv

四激子吸收 En em 8coe2h'n2 n=o∞ E(k n=2 n=1 激子 收 K n=1 hy Eg n=3 n hv 激子吸收示意图 激子吸收谱 6

6 四 激子吸收 o o’ k E(k) hv < Ehv g 激子 激子吸收示意图 hv 吸 收 n=1 n=2 n=3 激子吸收谱 Eg Eg n=1 n=2 n=∞ 2222 0 4 8 nh me E r n r ex εε −=

五杂质吸收 E(k) 50 杂质内部能量跃迁 Eg杂质能级 40 2 杂质电离 0.05 0. 0.15 光子能量(eV) 杂质吸收光谱(S) 杂质吸收中的电子跃迁 7

7 五 杂质吸收 E(k) Eg k 杂质能级 Eg 杂质吸收中的电子跃迁 杂质吸收光谱（Si) 光子能量(eV) 吸收系数(cm-1 )杂质内部能量跃迁 杂质电离

5.2光探测的基本物理效应 光子效应：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。 特点：光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。 对光波频率具有选择性，响应速度快。 光热效应：光辐射能量转变为晶格 光子探测器 热运动能量，引起元件温度上升， 致使探测元件的电学或其它物理 热探测器 性质发生变化。 特点：对光波频率无选择性， 响应速度慢。 理想探测器的光谱响应 8

8 5.2 光探测的基本物理效应 光子效应：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。 特点：光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。 对光波频率具有选择性，响应速度快。 光热效应：光辐射能量转变为晶格 热运动能量，引起元件温度上升， 致使探测元件的电学或其它物理 性质发生变化。 理想探测器的光谱响应 λ 相对输出 光子探测器 热探测器 特点：对光波频率无选择性， 响应速度慢

一 光子效应 1.外光电效应（光电发射效应） 光电发射效应：在光照条件下， 物体向表面以外的空间发射 电子（光电子)的现象。 光电管 9

9 一 光子效应 1. 外光电效应（光电发射效应） 光电发射效应：在光照条件下， 物体向表面以外的空间发射 电子（光电子）的现象。 光电管

一 光子效应 1.外光电效应（光电发射效应） (1)光子被材料吸收 Eo 本征发射体：本征半导体吸收 例：锑铯光电阴极 Ec 锑钾钠铯光电阴极 E 杂质发射体：杂质吸收 例：银氧铯光电阴极 Ev 半导体1 真空 半导体能带和光电发射示意图 10

10 一 光子效应 1. 外光电效应（光电发射效应） Eg 半导体 真空 Ec EF EV E0 (1)光子被材料吸收 本征发射体：本征半导体吸收 例：锑铯光电阴极 锑钾钠铯光电阴极 杂质发射体：杂质吸收 例：银氧铯光电阴极 半导体能带和光电发射示意图