3.1 光电效应¶

光电效应（Photoelectric Effect）是光与物质相互作用中最重要的量子现象之一，也是几乎所有光电探测器的物理基础。光子照射到材料上，将能量转移给电子，使电子从束缚态跃迁到自由态，产生可检测的电信号。理解光电效应的条件和限制，是选择探测器材料和设计探测系统的根本出发点。

一、外光电效应¶

光照射金属表面时，若光子能量足够大，电子可以从金属表面逸出，成为自由电子，称为光电子发射（外光电效应）。

爱因斯坦光电方程：

$$E_k = h\nu - W = h\nu - h\nu_0$$

内光电效应是固体材料中光子激发电子跃迁，但电子不逸出材料，而是在材料内部产生可导电载流子。这是半导体探测器的核心机制。

光子被半导体吸收，将价带电子激发到导带，产生电子–空穴对：

$$h\nu \geq E_g$$

其中 $E_g$ 为半导体禁带宽度（Band Gap）。只有能量高于 $E_g$ 的光子才能产生载流子。

截止波长（长波限）：

$$\lambda_c = \frac{hc}{E_g} \approx \frac{1.24\ (\text{eV·μm})}{E_g\ (\text{eV})}$$

材料	$E_g$ (eV)	$\lambda_c$ (μm)	典型应用
Si	1.12	1.1	可见光–近红外
Ge	0.67	1.85	近红外
InGaAs	0.74	1.67	近红外（NIR 标准器件）
InSb	0.17	7.3	中波红外（77 K 制冷）
HgCdTe (MCT)	可调 0.1–1.5	可调至 15+ μm	中波/长波红外

工程含义：波长越长，光子能量越低，需要禁带越窄的材料才能吸收。窄禁带材料对热激发也更敏感，因此长波红外探测器通常需要制冷降噪（详见 3.5 制冷系统）。

通过掺杂引入杂质能级，使长波光子也能激发载流子。此类探测器的长波响应可超过本征材料的限制，但通常需要深度制冷（<30 K）。

量子效率（Quantum Efficiency，QE）是探测器最重要的性能参数之一：

$$\text{QE}(\lambda) = \frac{\text{产生的载流子数}}{\text{入射光子数}} \times 100\%$$

QE 取决于： - 材料对该波长的吸收系数 - 表面反射损失（可通过增透膜减小） - 载流子在到达收集区前的复合损失

典型值：硅 CCD 在绿光波段 QE 可达 90%；红外探测器受材料和工艺限制，QE 一般 50–80%。

工作波段确定
     ↓
选择满足 λ < λc = 1.24/Eg 的材料
     ↓
判断是否需要制冷（Eg < 0.5 eV → 通常需要制冷）
     ↓
选择探测器类型（光导/光伏/CCD/CMOS...）
     ↓
匹配读出电路与系统指标

2026-03-03