光敏感材料第八章第二講

光敏感材料第八章第二講第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日光—電轉換特性外光電效應：物質受到光照后向外發(fā)射電子的現象稱為。這種效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。內光電效應：物質受到光照后所產生的光電子只在物質的內部運動而不會逸出物質外部的現象。包括（1）光電導效應－電導率發(fā)生變化；（2）光生伏特效應－產生光電動勢。光電效應當光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或導電率發(fā)生變化，或產生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光電效應。光電效應可歸納為兩大類：播放視頻光電效應第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日（1）光電發(fā)射第一定律（也叫斯托列托夫定律）

當入射光線的頻譜成分不變時，光電陰極的飽和光電發(fā)射電流IK

與被陰極所吸收的光通量ΦK

成正比。即

IK=SKΦK式中SK為表征光電發(fā)射靈敏度的系數。它是用光電探測器進行光度測量、光電轉換的一個最重要的依據。（2）光電發(fā)射第二定律（也叫愛因斯坦定律）

發(fā)射出光電子的最大動能隨入射光頻率的增高而線性地增大，而與入射光的光強無關。即光電子發(fā)射的能量關系符合愛因斯坦方程：第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日（3）光電發(fā)射第三定律

當光照射某一給定金屬或某種物質時，無論光的強度如何，如果入射光的頻率小于這一金屬的紅限vo，就不會產生光電子發(fā)射。顯然，在紅限處光電子的初速應該為零，因此，金屬的紅限為

vo=φo/h

（4）光電發(fā)射的瞬時性

光電發(fā)射的瞬時性是光電發(fā)射的一個重要特性。實驗證明，光電發(fā)射的延遲時間不超過3×10-13s的數量級。因此，實際上可以認為光電發(fā)射是無慣性的，這就決定了外光電效應器件具有很高的頻響。第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日單位時間內,從受光照射的電極上釋放出來的光電子數目N與入射光的強度I成正比。規(guī)律一規(guī)律二光電效應具有瞬時性。光電流的大小與入射光的強度成正比。光電效應的實驗規(guī)律光電子的最大初動能隨入射光的頻率呈線性地增加,與入射光強度無關。當光照射某一金屬時,無論光強如何,照射時間多長,只要入射光的頻率ν小于這一物質的紅限ν0(ν<ν0),就不會產生光電效應。規(guī)律三規(guī)律四第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日(一)光電管及其基本特性1.結構與工作原理

光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結構相似，如圖。光電管的結構示意圖

光陽極光電陰極光窗

它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。插入光電效應3:20——4:20第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日GD-10型號光電管第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日（1）光電管的伏安特性2、主要性能在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應用光電傳感器參數的主要依據。光電管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012U/VIA/μA光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應時間、峰值探測率和溫度特性來描述。第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日

通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。

光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51（2）光電管的光照特性第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日

保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關系叫光電管的光譜特性。（3）光電管光譜特性由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。(1)紅線頻率限制：一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率υ0，因此它們可用于不同的光譜范圍。（3）除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率υ0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應選用不同材料的光電陰極。(2)光電流正比于入射光強度。第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日

國產GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限λ0=7000?，它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉換效率：25%~30%。它適用于白光光源，因而被廣泛地應用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外傳感器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為3000~8500?，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術中，這些光電管可以擔負人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。

一般充氣光電管當入射光頻率大于8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日（二）、光電倍增管及其基本特性

當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾μA，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進行放大，下圖為其內部結構示意圖。硫光電倍增管

用于ANTEK9000硫氮分析儀上的硫檢測器中，是檢測熒光信號的關鍵部件。1.結構和工作原理插入光電效應4:26——6:20第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日（1）光陰極是由半導體光電材料銻銫做成；入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極（3）陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數是陰極發(fā)射電子數的105～106倍。即光電倍增管的放大倍數可達幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。（2）次陰極是在鎳或銅-鈹的襯底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達30級；第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日當用具有一定能量或速度的電子（或離子等其他粒子）轟擊金屬等物質時,也會引起電子從這些物體中發(fā)射出來,這種物理現象稱為二次電子發(fā)射。二次電子發(fā)射：

被發(fā)射出的電子叫做二次電子,而引起二次電子出現的入射粒子叫做原粒子。如果在真空中用電子轟擊金屬表面,那么會發(fā)現從金屬上發(fā)射出的反電流（二次電子）。在一次電子能量足夠大的情況下,與一次電子到達這一表面的同時,從被轟擊面上發(fā)出的二次電子數可以達到一個相當大的數值。

對于相同的二次電子陰極材料和相同的一次電子能量,二次電子數和一次電子數成正比。=n2/n1，式中，為二次電子發(fā)射系數。它表示一個一次電子所產生的二次電子數。

二次發(fā)射系數取決于一次電子的能量。隨著一次電子能量增大,很快上升。在一次電子的能量約為400～800eV時達到極大值。繼續(xù)增加一次電子的能量,則發(fā)生了的下降。在一次電子的能量很大時,重新降為較小的數值。金屬的發(fā)射系數極大值不大，大約在1～1.4的范圍內。第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日M與所加電壓有關，M在105～

108之間，穩(wěn)定性為1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以內。如果有波動，倍增系數也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為1000～

2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50

～

100V。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計漲落，從而減小測量誤差。2、主要參數（1）倍增系數M如果n個倍增電極的δ都相同，則等于n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數δ的乘積。i—光電陰極的光電流陽極電流I為光電倍增管的電流放大倍數β為:第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日103104105106255075100125極間電壓/V

放大倍數光電倍增管的特性曲線第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日

一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個光子在陽極上產生的平均電子數叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度（3）暗電流

一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除。第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日光電倍增管的應用：由于光電倍增管增益高和響應時間短，又由于它的輸出電流和入射光子數成正比，所以它被廣泛使用在天體廣度測量和天體分光光度測量中。

其優(yōu)點是：測量精度高，可以測量比較暗弱的天體，還可以測量天體光度的快速變化。天文測光中，應用較多的是銻銫光陰極的倍增管,如RCA1P21。這種光電倍增管的極大量子效率在4200埃附近，為20％左右。還有一種雙鹼光陰極的光電倍增管,如GDB-53。它的信噪比的數值較RCA1P21大一個數量級，暗流很低。為了觀測近紅外區(qū)，常用多鹼光陰極和砷化鎵陰極的光電倍增管，后者量子效率最大可達50％。第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日

材料吸收光子能量后導致導帶電子和價帶空穴數目增加，形成非平衡附加載流子，使非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，使載流子濃度顯著增大，因而導致材料電導率增大。1、定義光照變化引起半導體材料電導率的變化的現象稱光電導效應。

當光提供的能量達到禁帶寬度的能量值時，價帶的電子躍遷到導帶，在晶體中就會產生一個自由電子和一個空穴，這兩種載流子都參與導電。來自帶間躍遷的非平衡載流子引起的光電導叫做本征光電導。本征光電導2、分類雜質光電導（1）本證光電導第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日3、最大相應波長

入射光的光子能量等于或大于該激發(fā)過程相應的能隙ΔE(禁帶寬度或雜質能級到某一能帶限的距離)，也就是光電導有一個最大的響應波長，稱為光電導的長波限λC來自雜質能級上電子或空穴的電離引起的光電導稱為雜質光電導。（2）雜質光電導λC=1.24/ΔE

單位：λC：μm；ΔE：eV第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日4、數學描述光照引起半導體電導率的增加量。：半導體在光照下的電導率：半導體在無光照時的電導率Δn和Δp—電子的濃度和空穴濃度增量?！娮印⒖昭ǖ倪w移率n＝n0＋Δn，p＝p0＋Δp，（1）附加電導率第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日(2)光電導的相對值為對光電導率有貢獻的載流子主要是多數載流子。在本征半導體中，光激發(fā)的電子和空穴數量雖然相等，但是在復合前，光生少數載流子往往被陷住，對光電導無貢獻。(3)實際應用光電導公式第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日通常把在恒定光照下的光電導數值稱為定態(tài)光電導。（4）光電導（按電導率分類）的類型①直線性光電導②拋物線性光電導在低光強照射下，定態(tài)光電導率與光強呈線性關系－直線性光電導。比如：（Ge、Si等）定態(tài)光電導率與光強的平方根成正比。還有些半導體（如CdS、ZnS等），在低光強下是直線性光電導，在強光下是拋物線性光電導。（如TeS）

兩種光電導反映著兩種簡單的復合規(guī)律，光電導率的變化直接體現為Δn和Δp的變化，其值由光生載流子的產生過程和復合過程的動態(tài)平衡過程決定。第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日5、光電導的弛豫過程光電導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經過一定時間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現象稱為弛豫過程或響應時間。光電導上升和下降所需的時間一般稱為

弛豫時間或稱為響應時間。顯然，弛豫時間長---光電導反應慢---慣性大；弛豫時間短---光電導反應快---慣性小。

在分析定態(tài)光電導和光強之間的關系時，通常討論下面的兩種情況：直線性光電導的弛豫過程和拋物線性光電導的弛豫過程。這兩種典型情況的△n（或△p）與光強的關系可表示成：△n=I式中為光電轉換因子，一般指在某一光強范圍內的值第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日（1）直線性光電導的弛豫過程α：光電導體對光的吸收系數；β:量子產額；τ為光生載流子壽命;In：以光子計算的入射光強（即單位時間內通過單位面積的光子數）；光電導上升：光電導下降：直線性光電導上升和下降曲線1-1/e1/e1t第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日（2）拋物線性光電導的弛豫過程0.510.75tt第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日6、本征光電導的光譜分布半導體的光電導與入射光的波長有密切的關系，通常有某一波長為峰值，往長波方向和短波方向光電導均會下降。（1）本征光電導的光譜分布第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日2）雜質光電導的光譜分布圖是典型的鍺摻金雜質光電導光譜分布。6、本征光電導的光譜分布第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日1、定義光照使不均勻或均勻半導體中光生電子和空穴在空間分開而產生電位差的現象。光生伏特效應是把光能變?yōu)殡娔艿囊环N效應。第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日2、分類（1）光生伏特效應

在不均勻的半導體中，由于同質的半導體不同的摻雜形成的P－N結、不同的半導體組成的異質結或金屬與半導體接觸形成的肖特基勢壘都存在內建電場。當光照這種晶體時，由于半導體對光的吸收而產生了光生電子和空穴，它們在內建電場的作用下就會向相反的方向移動和積聚而產生電位差。

在均勻半導體中沒有內建電場。當光照這種半導體一部分時，由于光生載流子濃度梯度的不同而引起載流子的擴散運動。但電子和空穴的遷移率不相等，使得在不均勻光照時，由于兩種載流子擴散速度的不同而導致兩種電荷的分開，從而出現光生電勢。（2）丹倍效應第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日3、以PN結舉例說明光生伏特效應

只要入射光子能量比半導體禁帶寬度大，在結區(qū)、P區(qū)(空穴)區(qū)和N（電子）區(qū)都會引起本征激發(fā)而產生電子－空穴對，N區(qū)的光生空穴和P區(qū)的光生電子會向結區(qū)擴散，只要在載流子壽命時間內到達結區(qū)，強大的內建電場就會把P區(qū)的光生電子拉向N區(qū)，把N區(qū)的光生空穴拉向P區(qū)，因而導致在N區(qū)邊界有光生電子積累，在P區(qū)邊界有光生空穴積累，產生一個與內建電場相反的光生電場，使原來的勢壘高度降低，相當于在PN結上加上一個正向電壓V，這就是光生電動勢。與外電路相連，就有電流流過，PN結起電池作用。第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日短路光電流ISC

：短路時由內電場分開的非平衡載流子沿外電路流動，不產生電荷的積累，光生電壓為零，這是得到的最大電流。pn開路電壓Voc：既是光生電動勢。有光照pnRVId反向飽和電流IS：Eg:半導體禁帶寬度；A0：與溫度和材料有關的常數暗電流：外電路接上電阻，PN結加上正向電壓，無光照時，RpnVV0ISV:PN結電壓；K：波爾茲曼常數q:電子電量；T:絕對溫度第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日光電流pnRV有光照IdISCIL光電壓：當IL=0時第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日各向同性物質外界作用各向異性物質各向異性物質外界作用物質的各向異性變化第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日雙折射基本概念光的傳播速度與光的傳播方向無關；與光的偏振狀態(tài)無關。玻璃片放在有字的紙上一字一象.光的傳播速度與光傳播方向有關；與光的偏振狀態(tài)有關。2、光學各向異性媒質1、光學各向同性媒質第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日3、雙折射現象

一束自然光在各向異性媒質的分界面上發(fā)生折射時產生兩束折射光。透明的方解石晶體放在紙上一字雙象用檢偏器檢驗發(fā)現:----o光、e光都是線偏振光。尋常光線和非常光線尋常光線（o光）:遵循折射定律非常光線（e光）:不遵循折射定律o光、e光在晶體中具有不同的傳播速度4晶體的光軸

光學各向異性的晶體內，存在著特殊的方向，在該方向上，不產生雙折射現象。該方向稱為晶體的光軸。第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日光光當方解石晶體旋轉時，o光不動，e光圍繞o光旋轉雙折射紙面方解石晶體第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日

光軸是一特殊的方向,凡平行于此方向的直線均為光軸。單軸晶體：只有一個光軸的晶體雙軸晶體：有兩個光軸的晶體第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日方解石AB2107821078方解石碳酸鈣晶體結構：形狀為平行六面體各晶面為菱形一對約102的鈍角一對約78的銳角沿解理面截取的等棱長的方解石菱塊菱體的四對頂點中只有一對頂點是由三個鈍角面會合而成（圖中、）AB2107878210210782107878210210787878210210210782107821078點擊鼠標，步進顯示各側面鈍、銳角關系第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日方解石的光軸方解石碳酸鈣晶體結構：形狀為平行六面體各晶面為菱形一對約102的鈍角一對約78的銳角AB2107821078菱體的四對頂點中只有一對頂點是由三個鈍角面會合而成（圖中、）AB點擊鼠標，步進顯示各側面鈍、銳角關系沿解理面截取的等棱長的方解石菱塊CCCCCC通過A或B，并與三個會合鈍角的界面成等角的直線方向，就是方解石晶體的光軸方向（對于嚴格等棱長的方解石菱體，即AB連線方向）與此平行通過晶體的直線都是光軸方向，常用CC表示第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日續(xù)上方解石AB2107821078沿解理面截取的等棱長的方解石菱塊通過或，并與三個鈍角會合界面成等角的直線方向，就是方解石晶體的光軸方向。AB與此方向平行通過方解石的一切直線都是方解石晶體的光軸方向用表示CCCC若磨平頂點，AB沿光軸方向入射一細光束，晶體中o光和e光的傳播方向和速度大小相同無雙折射現象第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日5主平面和主截面主平面：晶體中光的傳播方向與晶體光軸構成的平面。e光光軸e光的主平面o光光軸o光的主平面····o光的振動方向垂直于o光的主平面；e光的振動方向平行于e光的主平面。第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構成的平面。6晶體的主折射率，正晶體、負晶體光矢量振動方向與晶體光軸的夾角不同,光的傳播速度也不同，沿晶體光軸方向o光和e光的傳播速度相同?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁot光軸光軸vetvot主平面：包含晶體光軸和光線的平面。第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日o光:e光:

n0，ne稱為晶體的主折射率正晶體:ne>no負晶體:ne<novotvet光軸

負晶體(vo<ve)子波源子波源votvet光軸

正晶體

(vo>ve)(e<o)(e>