第2章　光電探測技術

2.1　概述

光電探測是在紫外（308～400nm）、可見光（0.4～0.7μm）、近紅外（0.7～3μm）、中波紅外（3～6μm）、長波紅外（8～12μm）以及遠紅外（6～15μm）這些光學波段上展開的。首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電探測器變成電信號輸出。雖然光電測量方法靈活多樣，可測參數眾多，但光電探測器的工作原理均是基于物質的光電效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應，如表2-1所示。

（1）外光電效應

在光的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。根據這種原理制成的光電探測器主要有真空光電管和光電子倍增管。

光子的能量為

E=hγ　　（2-1）

式中，h為普朗克常數，6.625×10^-34J·s；γ為光波的頻率，Hz。

一個光子的能量只能給一個電子，物體中的電子吸收了入射光子的能量，當足以克服逸出功A₀時，電子就逸出物體表面，產生光電子發射。如果一個電子想要逸出，則光子能量E必須超過逸出功，超過部分的能量表現為逸出電子的動能。根據能量守恒定理

　　 （2-2） 　　

式中，v₀為電子逸出速度；m為電子質量。

由式（2-2）可知，光電子逸出物體表面時具有的初動能與光的頻率有關，頻率高則初始速度高，動能就高。由于材料具有逸出功，因而就存在一個紅限頻率，當入射光的頻率低于該頻率時，光強再大也不會產生光電子發射；反之，當高于該頻率時，即使光線微弱，也會有光電子射出。材料的紅限頻率γ₀決定于其逸出功

γ₀=A₀/h　　（2-3）

相應的波長為

λ₀=hc/A₀　　（2-4）

式中，c為光在真空中的傳播速度。

（2）內光電效應

光照射在物體上，沒有產生光電子發射，但使物體內部的特性發生變化，這種現象稱為內光電效應。利用內光電效應制成的光電探測器有光敏電阻、光生伏特探測器等。

原子是由原子核和核外電子構成。電子在原子中圍繞原子核按一定軌道運動，而且只能有某些允許的軌道。最外軌道上的電子受原子核的束縛最小，具有的能量最大，原子能級最高；軌道越靠近原子核，軌道上的電子能量越低，原子能級就越低。由于電子運動的能量只能有某些允許的數值，這些所允許的能量值，因軌道不同，都是一個個的分開的，且是不連續的，把這些分立的能量值稱為原子的能級。

半導體材料中，處于原子最外層的價電子再也不局限于一定的原子，而為整個晶體所共有，因而孤立原子的能級將分裂成屬于整個晶體的一系列相互之間相差極微的能級，成為一條連續的能級帶，稱為能帶。一般情況下價電子處于價帶能帶，當價電子受到足夠高能量外界光照射時將躍遷至導帶，此電子及在價帶相應產生的空穴統稱為光生載流子。半導體的三能帶結構如圖2-1所示，在價帶與導帶之間的間隔稱為禁帶。