第六章. 光电导探测器分析
光电探测器中光电导增益原理
光电探测器中光电导增益原理
光电探测器中光电导增益的原理是基于光电导效应。
当光照射在光电导材料上时，光子与材料中的电子相互作用，使电子从束缚态跃迁到自由态，形成非平衡载流子（即光生载流子）。
这些光生载流子在电场的作用下定向移动，形成光电流。
具体来说，光电导型光电探测器由半导体材料和欧姆接触电极构成。
当半导体吸收光子后，产生自由载流子，这些载流子在电场的作用下移动，从而在电极之间产生电势差或电压。
这个电压的大小与入射光的强度成正比，因此实现了光信号到电信号的转换。
在这个过程中，少数载流子的寿命决定了光电导增益的大小。
少数载流子寿命越长，能够产生的光电流越大，增益越高。
但同时，响应速度也会降低。
因此，需要在光电导增益和响应速度之间进行权衡。
以上信息仅供参考，建议查阅关于光电导增益的专业书籍或者咨询专业人士获取更多信息。
关于光电导探测器的调查报告
关于光电导探测器的调查报告1.工作原理和特性利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。
所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。
光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。
在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。
为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。
其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。
光电导效应是内光电效应的一种。
当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。
这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。
因此，本征光电导体的响应长波限λc为λc=hc/Eg=1.24/Eg(μm)式中c为光速。
本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。
在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料，因而人们利用非本征光电导效应。
Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级，照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能，就能够产生光生自由电子或自由空穴。
非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得λc＝1.24/E i式中Ei代表杂质能级的离化能。
到60年代中后期，Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe 等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。
它们的禁带宽度随组分x值而改变，它与工作在同样波段的Ge：Hg探测器相比有如下优点：①工作温度高（高于77K），使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K。
②本征吸收系数大,样品尺寸小。
③易于制造多元器件。
2.常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。
第六章 光电探测器解读
－施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁导带或价带。
施主能级：在N型半导体中，五价元素杂质的剩余电子所处的杂级能级。 受主能级：在P型半导体中，三价元素杂质的剩余空穴所处的杂级能级。
0 hc / Eg
0 hc / Ei
21
光电导探测器件
利用光电导效应的半导体材料以光敏电阻应用最为广泛。
Ek hv
特点：光电子动能与照射光强度无关； 光谱响应表现出选择性； 光电子发射效应的低频限； 优点：灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪音小 缺点：结构复杂，工作电压高，体积较大
8
光电子发射器件
• 光电管、光电倍增管:典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件. • 由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种电流放大器件。 • 光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测
R0为调制频率f ＝0时的响应度。
R( f c ) R0 / 2 时的调制频率 响应频率：
5பைடு நூலகம்
噪声等效功率（NEP）：使探测器输出电压正好等于输出噪声
电压时的入射光功率 。 在探测极其微弱的信号时，限制光电探测器对极微弱光辐射探测能力 的不是响应度的大小。
NEP
NEP
Un P Ru U s / U n
其数值与电子电流相当。因此，在阳极电路内就形成了数倍于真空光 电管的光电流。
13
充气光电管
特点：
灵敏度：高于真空光电管，由于阳极电流不仅取决于阴极发射的电子
还取决于气体电离的电子和离子，只有在一定条件下阳极电流和光照 之间才有线性关系。
伏安特性：充气光电管没有饱和现象，由于管内气体的电离作用，随
（2）硫化铅PbS和硒化铅
《光电导探测器》课件
光电导探测器在光通信领域中用于光信号的接收和检测，在光谱分析中用于光 谱仪的光电转换，在环境监测中用于气体和液体的成分分析和浓度测量，在生 物医学中用于医疗诊断和生物分子检测等。
02
CHAPTER
光电导探测器的基本结构
半导体材料
光电导探测器的核心是半导体材料，它们能够吸收光子并产生电子-空穴对。常见的 半导体材料包括硅、锗、硫化铅等。
这些半导体材料具有直接带隙结构，使得它们能够有效地吸收特定波长的光子，产 生光生载流子。
半导体材料的性能决定了光电导探测器的响应速度、光谱响应范围和暗电流等关键 参数。
光敏元件
光敏元件是光电导探测器的核心部分 ，它负责吸收光子并转换为电信号。
光敏元件的形状和尺寸对探测器的性 能有重要影响，例如响应速度、光谱 响应范围和探测率等。
未来发展方向与挑战
交叉学科融合
光电导探测器的发展需要与物理、化学、生物等 多学科交叉融合，开拓新的应用领域。
环境适应性
提高光电导探测器的环境适应性，使其能够在恶 劣环境下稳定工作。
降低成本
通过优化工艺和材料，降低光电导探测器的制造 成本，促进其在民用领域的应用。
THANKS
谢谢
光谱响应
描述光电导探测器在不同波长光下的 响应特性，是决定探测器应用范围的 重要参数。
响应时间与恢复时间
响应时间
光电导探测器从接收到光信号到产生可观测电信号的时间间隔，反映了探测器的反应速 度。
恢复时间
探测器在持续光照下，从最大响应状态回到初始状态所需的时间，影响连续测量时的性 能。
温度稳定性与可靠性
03
CHAPTER
光电导探测器的性能参数
响应度与探测率
光电导探测器的工作原理
光电导探测器的工作原理小伙伴，今天咱们来唠唠光电导探测器这个超有趣的东西。
光电导探测器呢，就像是一个特别敏感的小卫士，专门感知光的世界。
你知道吗？它的工作原理其实还挺好玩的。
在光电导探测器里呀，有一些特殊的材料。
这些材料就像是一群乖巧又有点小脾气的小精灵。
平常呢，它们内部的电子就像是在自己的小家里休息，秩序井然。
但是一旦有光照射过来，就像是一场热闹的派对开始了。
光可是带着能量来的哦，这个能量就像一把神奇的钥匙。
当光照射到这些材料上的时候，它就把那些原本被束缚着的电子给解放出来了。
就好比把在小屋里睡觉的小精灵给唤醒，然后让它们可以自由地跑来跑去啦。
你看，原本这些材料的导电性是有一定规律的。
可是随着光的到来，那些被解放的电子就开始在材料里横冲直撞，这就使得材料的导电性发生了变化。
这就好像是原本平静的小街道，突然多了好多跑来跑去的小动物，一下子变得热闹非凡，而且道路也变得更“通畅”了，电流通过就更容易了。
而且哦，这个光电导探测器特别聪明呢。
它能根据光的强弱来改变自己的导电性。
光强的时候，就有更多的电子被解放出来，导电性就变得更强；光弱的时候呢，被解放的电子少一些，导电性的变化也就小一点。
就像是它能根据派对的热闹程度来调整自己的状态一样。
这种根据光改变导电性的特性，让光电导探测器有了好多厉害的用途。
比如说在一些自动感应的灯里，当周围环境暗下来，光变弱了，光电导探测器就会察觉到，然后给电路一个信号，灯就亮起来啦。
就像它在黑暗中悄悄说：“太暗啦，该开灯啦。
”而在一些安防设备里，它也能发挥大作用。
如果有可疑的光线变化，它也能及时发现，就像一个警惕的小眼睛，守护着周围的安全。
光电导探测器还有一个很有趣的地方呢。
它就像一个小小的桥梁，连接着光的世界和电的世界。
光带来的信息通过它转化成了电信号，这样我们就能用各种电子设备来处理这些信息啦。
比如说在相机里，光电导探测器可以把光线的信息转化成电信号，然后经过处理，就变成了我们看到的美丽照片。
光电探测器分解课件
光电探测器的应用领域
总结词
光电探测器广泛应用于各种领域，如科学研究、工业 生产、安全监控等。其应用范围涵盖了光谱分析、辐 射监测、激光雷达、光纤通信等众多领域。
详细描述
光电探测器作为一种重要的光电器件，具有广泛的应用 领域。在科学研究领域，光电探测器可用于光谱分析、 辐射监测等实验中，帮助科学家深入了解物质的性质和 行为。在工业生产领域，光电探测器可用于各种自动化 生产线和设备的控制与监测，提高生产效率和产品质量 。此外，在安全监控、激光雷达、光纤通信等领域，光 电探测器也发挥着重要的作用。通过不断的技术创新和 应用拓展，光电探测器的应用前景将更加广阔。
02
薄膜沉积
在衬底上沉积光电探测器的关键薄膜 材料，如半导体材料、金属材料等。
01
封装与测试
将制造完成的光电探测器进行封装和 性能测试，确保其正常工作。
05
03
光刻与刻蚀
通过光刻技术将薄膜材料加工成所需 的结构和图形，然后进行刻蚀以形成 光电探测器的各个部分。
04
掺杂与欧姆接触
对光电探测器的半导体材料进行掺杂 ，并形成欧姆接触，以实现电流的收 集和传输。
光电探测器输出电压与输入光 功率之比，用于衡量光电探测
器的光转换效率。
带宽
光电探测器的响应速度的量度 ，通常以Hz或MHz为单位。
噪声等效功率
在一定的信噪比下，探测器可 检测到的最小光功率。
线性范围
光电探测器输入光功率与输出 电压呈线性关系的范围。
03
光电探测器的制造工艺
制造工艺流程
衬底准备
选择合适的衬底材料，并进行清洗和 加工，为后续制造过程做准备。
光电探测器的发展趋势
高响应速度
第6章 热探测器
Ps
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
13
1.热释电效应
热“释电”的物理过程
Ps (T1 )
温度低 热电晶体－－ 极化强度与温度关系
Ps (T2 )
U
2 2
2 NJ
=
(4kTRΔf )
1
2
(1 + ω τ )
2 2 e
1
4
当ωτe ＞＞1时，上式可简化为
2 U NJ
4kTRΔf = ωτ e
1
2
表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
25
2） 温度噪声 温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机 性，噪声电流的方均值为
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》 23
αγAd S ≈ ωHC
2 热释电器件的噪声
热释电器件的基本结构是一个电容器，因此输出阻抗 很高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形 式，使输出阻抗降低到适当数值。因此在分析噪声的时候， 也要考虑放大器的噪声。这样，热释电器件的噪声主要有 电阻的热噪声和温度噪声。
热“释电”的物理过程 恒温T1 电荷中和时间：秒～小时
自由电荷
Ps
Ps (T1 )
束缚电荷
温升到T2 －－束缚电荷减少 极化驰豫时间－－皮秒 －－“释放” 电荷
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》
Ps (T2 )
16
1.热释电效应 恒温T1 电荷中和时间：秒～小时
光电探测实验报告总结(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过实际操作，了解光电探测的基本原理和实验方法，掌握光电探测器的性能测试技术，并分析光电探测在现实应用中的重要性。
实验过程中，我们对光电探测器的响应特性、灵敏度、探测范围等关键参数进行了测试和分析。
二、实验原理光电探测器是一种将光信号转换为电信号的装置，广泛应用于光电通信、光电成像、环境监测等领域。
实验中，我们主要研究了光电二极管（Photodiode）的工作原理和特性。
光电二极管是一种半导体器件，当光照射到其PN结上时，会产生光生电子-空穴对，从而产生电流。
三、实验仪器与材料1. 光电二极管2. 光源（激光笔、LED灯等）3. 光电探测器测试仪4. 示波器5. 数字多用表6. 光纤连接器7. 光学平台8. 环境温度计四、实验步骤1. 光电二极管性能测试（1）将光电二极管与光源、测试仪连接，确保连接牢固。
（2）调整光源强度，观察光电探测器输出电流的变化，记录不同光照强度下的电流值。
（3）测试光电二极管在不同波长下的光谱响应特性，记录不同波长下的电流值。
2. 光电探测器灵敏度测试（1）调整环境温度，观察光电探测器输出电流的变化，记录不同温度下的电流值。
（2）改变光源距离，观察光电探测器输出电流的变化，记录不同距离下的电流值。
3. 光电探测器探测范围测试（1）在固定光源强度下，调整探测器与光源的距离，观察输出电流的变化，记录探测范围。
（2）在固定探测器与光源的距离下，调整光源强度，观察输出电流的变化，记录探测范围。
五、实验结果与分析1. 光电二极管性能测试实验结果表明，随着光照强度的增加，光电二极管输出电流逐渐增大。
在相同光照强度下，不同波长的光对光电二极管输出的电流影响不同，表明光电二极管具有光谱选择性。
2. 光电探测器灵敏度测试实验结果显示，随着环境温度的升高，光电二极管输出电流逐渐增大，表明光电探测器对温度具有一定的敏感性。
同时，在光源距离变化时，光电探测器输出电流也相应变化，说明光电探测器的探测范围与光源距离有关。
光伏探测器详解
B、雪崩光电二极管（APD）
一般旳硅光电二极管和PIN光电二极管是没有内增益旳光 伏探测器，而在光探测器系统中旳实际应用中，大多是对微 光信号进行探测，采用具有内增益旳光探测器将有利于对薄 弱光信号旳探测。
雪崩光电二极管是具有内增益旳光伏探测器，它是利用 光生载流子在高电场区内旳雪崩效应而取得光电 料主要是硅和锗，实际旳器件具有极短旳响应时间，即数以 千兆旳相应频率，高达100到1000旳增益，所以在光纤通讯、 激光测距、激光雷达和光纤传感器等领域得到了广泛旳应用。
5、频率响应及响应时间 6、温度特征
五．光电探测器应用
1.光电池及应用 光电池是一种无需外加偏压就能将光能转换成电能旳光伏探测 器。光电池能够分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。太 阳能光电池主要用作电源，对它旳要求是转换效率高、成本低， 因为它具有构造简朴、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、 在空间能直接利用太阳能转换电能旳特点，因而不但仅成为航 天工业上旳主要电源，还被广泛地应用于供电困难旳场合和人 们日常生活中。测量光电池旳主要应用时作为光电探测用，即 在不加偏置旳情况下将光信号转换成电信号，对它旳要求是线 性范围宽、敏捷度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被 广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测验试中
一、三种工作模式
（1）零偏置旳光伏工作模式 若p-n结电路接负载电阻RL，如图，有光照射
时，则在p-n结内出现两种相反旳电流：
光激发产生旳电子－空穴对，在内建电
场作用下形成旳光生电流Ip，它与光照有 关，其方向与p-n结反向饱和电流I0相同；
光生电流流过负载产生电压降，相当于
在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电 流ID。
（1）光电池旳构造 光电池是用单晶硅构成旳，在一块N型硅片上扩散P型杂质，形成一种扩 散np结；或在P型硅片扩散N型杂质，形成pn结，在焊上两个电极。P端 为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器旳多为np型。 pn型硅光电池具有较强旳抗辐射能力，适合空间应用，作为航天旳太阳 能电池。下图为是硅光电池结 构示意图。
光电探测器概述分析
光电探测器概述分析光敏元件是光电探测器的核心部件，用于将入射的光能量转换为电能。
常见的光敏元件包括光电二极管、光电倍增管、光电导、光敏晶体等。
其中，光电二极管是最常见的光敏元件，由P型和N型半导体材料组成，当光照射到PN结时，产生光生电流。
光电倍增管是一种具有电子增益的光敏元件，它通过二次发射效应实现光电信号的放大。
光电导是一种基于金属-绝缘-半导体(MIS)结构的光敏元件，光照射到MIS结时，产生的电子流被金属电极捕捉，从而产生电信号。
光敏晶体是一种利用光生载流子的非线性效应来实现光电转换的光敏元件，具有高速响应和高灵敏度的特点。
信号处理电路是光电探测器将光信号转换为电信号后进行进一步处理的电路部分。
常见的信号处理电路包括放大电路、滤波电路、模数转换电路等。
放大电路用于增加光电信号的幅度，以提高信噪比和灵敏度。
滤波电路则用于去除杂散信号和噪声，保留感兴趣的频段信号。
模数转换电路则将模拟电信号转换为数字信号，以便进行数字信号处理和分析。
光电探测器的性能参数主要包括灵敏度、响应时间、线性度、噪声等。
灵敏度是指光电探测器对光信号的敏感程度，一般用电流-光功率转换系数和量子效率来描述。
响应时间是指光电探测器从接收到光信号到产生相应电信号的时间间隔。
线性度是指光电探测器输出的电信号与输入光信号之间的线性关系程度。
噪声是指光电探测器输出电信号中的随机波动，通常分为热噪声、暗电流噪声和光电转换噪声等。
在实际应用中，根据需要选择合适的光电探测器。
有选择的因素包括工作波长范围、动态范围、灵敏度要求、响应速度、稳定性等。
比如，在光通信领域，一般选择具有较高灵敏度和快速响应时间的光电探测器；在光谱分析领域，一般需要选择具有较高线性度和低噪声的光电探测器。
总之，光电探测器是一种重要的光电器件，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和需求的不断增长，对光电探测器的性能和特性要求也在不断提高，这就需要不断地研发和创新，以满足不同领域的应用需求。
光电探测器概述分析
光电探测器（1）
♠ 光电子发射探测器（光电子发射效应或外光电效应）
光子能量大于 逸出功
材料内束缚能级的 电子逸出表面
光辐射
金属氧化物或 半导体表面
自由电子
♠ 光电导探测器（光电导效应或内光电效应）
光子能量大于 禁带宽度 材料内不导电束缚 状态的电子空穴
光辐射
半导体材料
自由电子空穴
电导率变化
光电探测器（2）
在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐 渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后扩散运动 和漂移运动达到动态平衡，交界面形成稳定的空间电荷区，即 PN结处于动态平衡。
ＰＮ结的单向导电性
（1） 外加正向电压 （正偏）
PN结上加正向电压，外电场与 内电场方向相反，扩散与漂移运动 平衡被破坏。外电场驱使P区空穴 进入空间电荷区抵消一部分负电荷， 同时N区自由电子进入空间电荷区 抵消一部分正电荷，则空间电荷区 变窄，内电场被削弱，多子的扩散 运动增强，形成较大的扩散电流 （由P区流向N区的正向电流）。在 一定范围内，外电场愈强，正向电 流愈大，这时PN结呈现的电阻很低， 即PN结处于导通状态。
光电子 发射效应
光电导 效应
光生伏特 效应
光电磁 效应
外光电效应
内光电效应
2.2.1 光电探测器的工作条件
1. 辐射源的光谱分布 （如单色、黑体、调制） 2. 电路的通频带和带宽 （噪声的影响） 3. 工作温度： 295K、195K、77K、20.4K 、 4.2K 4. 光敏面尺寸：1cm2 5. 偏置情况
结论：
1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质 使多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大 大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高， 少子的浓度就愈低。
光电导探测器的原理
光电导探测器的原理光电导探测器是一种常见的光电转换器件，能够将光信号转化为电信号。
它广泛应用于光通信、光电子设备和光测量等领域。
本文将从光电导探测器的原理出发，详细介绍其工作原理、分类以及应用。
光电导探测器的工作原理基于光电效应，即光照射到物质上会产生电子-空穴对。
在光电导探测器中，一般采用半导体材料作为光电转换元件。
当光照射到半导体材料上时，光子能量将被传递给半导体中的电子，使其从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。
光电导探测器通常由光电导层、电极和支撑结构组成。
光电导层是光电转换的关键部分，一般采用具有高载流子迁移率的半导体材料，如硅(Si)或锗(Ge)。
当光照射到光电导层上时，光子能量将激发光电导层中的电子，使其跃迁到导带，形成电流。
电极用于收集电流信号，一般采用金属材料。
支撑结构则用于固定光电导层和电极，保证其稳定性和可靠性。
根据光电导层的材料和结构不同，光电导探测器可以分为多种类型。
常见的光电导探测器包括PIN型光电导探测器、APD型光电导探测器和光电二极管。
PIN型光电导探测器是最常见的一种光电导探测器。
它由P型半导体、N型半导体和中间的Intrinsic层组成。
当光照射到Intrinsic层时，产生的电子-空穴对将在电场作用下被分离，从而产生电流。
PIN型光电导探测器具有宽波长响应范围、低噪声和高速响应等优点，广泛应用于光通信和光测量领域。
APD型光电导探测器是一种增强型光电导探测器，通过引入雪崩效应来增强光电转换效率。
APD型光电导探测器在Intrinsic层中引入高场区，当光照射到高场区时，电子-空穴对将在电场作用下进行雪崩增强，从而产生更大的电流。
APD型光电导探测器具有高增益、高灵敏度和高速响应等优点，广泛应用于低光水平检测和光通信领域。
光电二极管是一种简单的光电导探测器，由P型半导体和N型半导体构成。
当光照射到光电二极管时，产生的电子-空穴对将在PN结处被分离，形成电流。
光电二极管具有简单的结构和快速的响应速度，广泛应用于光电子设备和光测量领域。
光电探测器
一类是：利用各种光子效应的光子探测器 一类是：利用温度变化效应的热探测器
波相互作用效应：激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线 性光学效应和超导量子效应。
光电探测器的分类
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强器 光敏电阻 光电池 光电二极管（PIN APD PIN、APD PIN APD） 光电三极管 位置传感器PSD PSD 电荷耦合器件CCD CCD CMOS图像传感器 CMOS 光电耦合器 光中断器
置放大器、信号处理电路、计算机系统。 光电探测器是光电系统的核心，其他部分都是围绕光电探测器 来设计的。
光电系统
• 光电系统的特点：输出的电信号十分微弱
若探测器输出的信号很微弱，噪声和干扰的影响就不能忽视。 • 探测器的偏置电路、前置放大器都要进行特殊的考虑，即： 低噪声电子设计 • 当探测器输出的信号十分微弱，小到甚至被噪声所淹没， 这时要从噪声中分离出有用信号，就要采用特殊的方法， 即：微弱信号检测的方法。
热探测器
• 热探测器对光辐射的响应无波长选择性
• 与光电效应有本质的不同，光热效应与入射辐射的单个光 子的能量没有直接关系。因此，热效应一般与波长无关， 即光电信号取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成份 无关
• 光热效应可以产生：
• • • • 温差电效应 电阻率变化效应 自发极化强度的变化效应 气体体积和压强的变化效应等等
光 电 效 应
热 探 测 器
热电偶和热电堆 测辐射热计 热释电探测器 气体探测器：高莱管
温差电效应 电阻率变化效应 自发极化强度的变化效应 气体体积和压强的变化效应
小结——两种探测器的性能比较
光子探测器 工作温度 工作波长 响应时间 响应灵敏度 (大多)需要制冷 对波长有选择 响应时间短 高 热探测器 不需要制冷 对波长无选择 响应时间长 低
光电导探测器PPT课件
故探测器能吸收光波长为
c
hc Eg
c 为截止波长
c
(m)
1.24 Eg
(eV
)
第3页/共71页
2）非本征光电导
导带
电子
导带
ΔＥi
施主
空穴
受主
电子
价带
价带
ΔＥi 空穴
• 杂质型光电导效应：对于Ｎ型半导体，当入射光子 的能量等于或大于杂质电离能ΔＥi时，将施主能级 上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的 作用下，形成光电流。
第36页/共71页
3、CdS光敏电阻
CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应 特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内 的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制， 照相机的自动测光等。
CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光
敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，
弱光时,b=1 --- 光电流与 光照度的线性关系
I p KUE
第28页/共71页
四、光谱特性
--- 相对电流灵敏度与波长的关系曲线 --- 灵敏度范围、峰值波长位置、各波长下灵敏度的相对关系
整个可见光区域 峰值波长：515~600nm --- 与人眼有关的仪器 （照相机、照度计、光度计）
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二、光电导探测器的噪声
• 光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合 和低频噪声(或称1/f噪声)。
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三、响应率
• 电流灵敏度
Ri
Ip P
e G h
• 电压灵敏度
Rv
U P
I p Rd P
e h GRd
光电探测器的原理和应用
光电探测器的原理和应用光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，它是光电技术和电子技术的结合体，是现代光电技术中一个重要的研究领域。
光电探测器的原理和应用有着广泛的应用价值，涉及医学、能源、环境、军事等许多领域。
一、光电探测器的原理光电探测器的原理基于光电效应。
光电效应是指当光线照射到某种物质表面上时，物质表面上的原子或分子吸收光子后会发生电离，使其失去部分或全部的电子而产生电荷。
利用这个原理，光电探测器可以将光信号转换为电信号。
光电探测器的核心部分是半导体器件。
当光子击中化合物半导体时，可以激发空穴/电子对的产生。
电子会通过二极管的势垒运动流到另一端，使器件产生电流。
同时，光子能量的大小会影响产生的电子空穴数，电流可用于量化光信号。
二、光电探测器的种类1. 光电二极管（Photodiode）光电二极管是最常用的光电探测器之一。
它是一种半导体器件，当光线照射到光电二极管上时，光子会被吸收并产生光生电荷，形成一个漂移电流。
光电二极管的响应时间快，灵敏度高，而且价格相对便宜，广泛应用于通信、测距和光谱等领域。
2. 热释发光电探测器（Thermophotovoltaic Detector）热释发光电探测器是一种特殊的光电探测器，它通过温差发射光子，通过光子的电离产生电子来检测光信号。
它的优点是可以探测高频光信号，如红外与紫外光线。
3. 光敏电阻（Photoresistor）光敏电阻可以看作是电阻值随光照射程度变化的半导体器件。
当光线照射到光敏电阻上时，会使其内部导电性能发生变化，电阻值发生变化。
光敏电阻具有响应时间很慢、灵敏度较低的特点，因此在一些较低的光强检测和光敏自动调节领域应用较多。
三、光电探测器的应用1.光通信光电探测器是光纤通信中最重要的组成部分之一，主要用于光信号的检测。
光电探测器还广泛应用于光通信中的光谱分析、测距和光信号放大等领域。
2. 医学影像学光电探测器在医学影像学中应用较多，如X线影像和CT扫描等，它可以高效地检测和转换光信号，使医生们能够更准确地诊断疾病。
光电仪器原理与设计第6章光电探测器课件
• 光电倍增管特点
✓ 响应速度快 ✓ 响应度极高 ✓ 稳定度线性度较好
光电倍增管的应用
单光子探测技术 正电子发射断层扫描仪PET 紫外/可见/近红外光光度计 发光分光光度计
23
内光电效应原理
• 当光照射某种物质时，若入射光子能量足够大，和物质中 的电子相互作用，受激发产生的自由电子仍留在物体内部， 导致物体导电性加强、出现电势差或产生其他效应
• 取不同的参数为参变量可得到
✓ 伏安特性，灵敏度/响应度，光谱灵敏度，幅频特性等
17
第二节 光电探测器的工作原理与分 类
• 客观光探测原理的分类
✓ 光照后探测器材料产生物理或化学变化 ✓ 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。对光波频率有选择性。响应速度一般较快。 • 外光电效应：光电子发射、光电子倍增 • 内光电效应：光电导、光生伏特效应等
✓ 这样如光电管（灵敏度低）、光敏电阻（线性度差）、光电池 （响应速度慢）之类的器件难以满足要求。其它如光电倍增管、 雪崩光电二极管虽然有优越的探测性能，尤其是灵敏度极高，但 本系统是常规激光光强探测，没有微弱信号探测方面的需求，没 有必要选用这两种器件。
(l)
e
Pel d l
e
l Pel d l
R(l)hc el
✓ h：普朗克常量h，c：光速，e：电hc子电量
13
光电特性——噪声等效功率
• NEP（noise equivalent power）
✓ 指明器件可检测的最小辐射功率 ✓ 探测器输出信号电压的有效值Vs等于噪声均方根电压值Vn时，对
应的入射光功率（单位：W）
19
外光电效应器件——光电管
• 光电管（photocell）
光电探测器及光电导探测器
响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒 需要的时间短， 一般为纳 秒到几百微秒
5
二、光电探测器原理
光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件
光辐射量
光电探测器
电量
• 光电探测器利用材料的光电效应制成。 • 外光电效应、内光电效应。 • 光电导效应、光生伏特效应及光磁电效应均
属于内光电效应。
5.当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是否能正确 反映光信号的波形—探测器的响应时间。
6.当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅度是否能 线性地响应。
11
等效噪声功率和探测率
➢ 当入射功率小至使信号电流和噪声电流相等时， 信号与噪声难以分辨，器件就失去了探测辐射的 能力。因此要考虑器件的噪声，通常用噪声等效 功率NEP和探测率D*来描述器件的极限探测本领， 即最小可探测功率。
光电探测器及光电导探测器
1
光电探测器及光电导探测器
❖ 光电探测器的物理基础、分类 通常需考虑特性参数； 常用的光电导探测器原理和特性。 光电探测器的噪声
❖ 光电导探测器的电路偏置
2
光检测器件的分类
根据工作机理不同分为：光电探测器和热电探测器。
3
光检测器件
光电器件
热电器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
光阴极 6
三、光电转换定律
➢ 光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的电学 量，所以光电探测器实质上是一种光－电转换器件。
➢ 光子入射到光电探测器上所产生的光电流，如果光子能
量大于探测器材料的禁带宽度，在观察时间t内，它产 生的平均光电子数为N，则根据量子理论分析的结果， N 与入射的平均光辐射能量成正比，即
光电导探测器
I / μA
200 150 100
-50 -30 -10 10 30 50 T / ºC
硫化镉的光电流I和温度T的关系 温度升高，亮电阻变大，电流变小
温度对光谱响应也有影响。随着温度的升高，其 暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短
的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所
示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段 的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光 敏电阻的温度降低。
3.2.1 光敏电阻的工作原理和结构 3.2.2 光敏电阻的特性参数 3.2.3 光敏电阻的变换电路 3.2.4 常用光敏电阻 3.2.5 小结 3.2.4 应用实例
3.2.1 光敏电阻的工作原理和结构
一。光敏电阻工作原理
图示为光敏电阻的原理与器件符号图。在均匀 的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便 构成光敏电阻。
显然，光敏电阻在弱辐射作用下的 上升时间常数τ r与下降时间常数τ f 近似相等。
2. 强辐射作用情况下的时间响应
0 t=0 0 t≥0
光电导率和光电流变化的规律为
0
tanh
t
I
I
0
t
an
ht
停止辐射时，入射辐射通量为
00
t=0 t≥0
光电导率和光电流随时间变化的规律为
其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低， 光照度越低，则暗态前历效应就越重。
硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线
1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后
亮态前历效应
指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与 工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现 象，其效应曲线如下图所示。一般，亮电阻由高照度 状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由 低照度状态变为高照度状态时短。
光电探测器综述(PD)讲解
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
第六章. 光电导探测器.
Ip G
hv
P
d
光电导探测器是一个具有内增益的器件
材料 结构尺寸 0 ｌ Ｇ 外加偏压 2.光电导探测器的工作模式及等效电路 A：结构和偏置电路 图4-7，4-8
G
可达到几百
光电导探测器可以等效为一个有源 两端网络：图4-9 (a) R d中 C 光电导探测器等效内阻和电容
波 小，相同能量下，光子数少。 曲线的共同特点：①长波限处曲线直线下降 原因？ 能量<Eg 确定长波限的方法： Moss认为：光电导下降到一半的波长为长波限。 ②短波方向： 原理上： h 大 大 短波平缓 实际上：短逐渐下降，光生载流子集中于表面。由于表面能 级，表面复合与电极相等的作用，光电导↓
n ( I n 1/2 1 ) ( ) 1/2 b 1 ( I n b) t
上升、下降曲线如图4-3所示： 下降段为双曲线性衰减 非线性光电导的弛豫时间很复 杂，上升下降不对称。 近似为： 1 1/2 ( ) In b
t 时，光电导增加到定值的0.76 对于光照开始的上升段： t 时，光电导减小到定值的一半 对于光照停止的下降段： 和光照强弱有关 I n , 短
三、响应率
四、比探测率
五、温度特性
六、频率响应及响应时间
七、前历效应
G
e P h
此时： R LR d 1 V2 VL =Ip = Ip R L P ， P / RL 0 RL Rd R L +R d 2 RL 此时探测器输出的电功率最大，光探测系统总的光 电变换效率最高。 小结： ①半导体对光的吸收具有非线性 光电探测器的光电流与入 射光功率将呈现非线性关系。 ②当光线较弱时，可认为是线性关系。 当光线(入射光)功率较大时，将出现非线性特性。
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没有光照：
主要是价电子→在价带中
少量热激发电子→导带
Eg
Eg→不导电，R
有光照：电子+h→突破Eg
→长入价波射阈波带：长→超hR过长E,Eg 波gh阈c，会产 生Ehcg
热电效应。
短波阈： Eg ＋价带宽＋导带宽= h 入射波长比短波阈短时，电子逸出
h
c
短
Ⅱ.对于杂质半导体：
n型：施主能带接近导带 只需少量能量即可产生光电子
探测器等效为一个内阻很大的恒流源。
G
e h
P
(b)开路电压
当负载电阻 压
对于光照停止的下降段：t 时，光电导减小到定值的一半
和光照强弱有关 In , 短
讨论：光生载流子的定态值是 的乘积
产：生率
弛：豫时间：
G
U l2
小 小，G小；惯性小 灵敏度小
大 大，G大；惯性大 灵敏度高
此矛盾要折衷选取。
3.光电导的光谱分布：
A 本征：光电导大小和波长密切
相关，见图4-4
B：杂质：
总体：
①由于杂质的电离能比禁带宽度小，所以其光谱响应的波长 比本征光电导的长。
②杂质的原子数目比起半导体材料本身的原子数目来小得多
∴其光电导效应相对于本征半导体来说要微弱得多。
③杂质电离能小，长波限长→适合探测红外。
但为了减少暗电流，使常温下的电子空穴处于束缚状态， 要在低温下工作。
④曲线：右的陡进：本征光电导开始
特点： ①光敏电阻 ②有源器件： 偏压
偏流（此两个参数会影响光电导的工作参数） 分类：本征型、杂质型、薄膜型、扫积型
§4-1光电导探测器的工作原理
一、光电导效应： 1.定义：光作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收， 产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化。 具体分析：
Ⅰ. 对于本征半导体：见图4-1
左的下降：杂质半导体的长波限
见图4-5
此位置不是垂直的
二、光电导探测器的工作原理 1.光电导探测器的光电流 图4-6：光电导探测器的简单模型
已知光电导的几何参数 , l, d
入射光功率P,外电压V 则入射光功率在材料内部沿x方向 的变化为：
P(x) P(1 R)ex
： 吸收系数 R表: 面反射率
由于P随x的变化而变化
所以光生载流子的统计平均值也应是x的函数。
设n(x)是x处光生载流子浓度，则在外加电场的作用下该处
的漂移电流密度J(x)为： J (x) en(x)v
其中：v n E nVA / L
为光生载流子在外加电场E的作用下的漂移速度。
:n电子迁移率 L :电极间的距离
光电探测器的平均光电流: I p
一RC般放ii ：大R器暗 等 1效0M输入电R阻亮和 电(10容2 ~ 106） R暗 一般认为： R d R亮
亮电阻与暗电阻相差越大，探测器 的灵敏度越高。
(b)为直流通路 放大器等效为RL和 VA串联
R暗 10M
B:不同情况下(RL),探测器的输出电流和 电压
(a)短路电流ISC
RL 时Rd,外电流短路，输出电流： ISC
将上式对时间微分，并计算得：
n In et/
见图4-2
当 t 时，光电流上升到饱和值的
(1
1 e
)
或下降到饱和值的 1e，上升和下降时对称的， t 为直线
性光电导的弛豫时间，和光强无关。
B：抛物线型光电导： b(n)2 In （其中b为比例系数） 上升段，对光电导进行微分：
n(In / b)1/2 tanh[(In b)1/2 t]
系。 Si，Ge，PbO等材料至少在较低的光强下成立。
抛物线性光电导：光电导(光生载流子的密度）与光强的平方 根成正比
一般的，在较低光强下，光电导为直线型光电导； 在较高光强下，为抛物线型光电导。
具体地：A：对直线型光电导：
光生载流子密度与In成正比：
n / In
:
光: 电导体对光的吸收系数。
是本征半导体：，指是对在不相同同的的波光长子，流以之光下量测子量计的算结的果光。强是相等 等能量：指不同的波长下，所用的光能量流是相等的，短
波 小，相同能量下，光子数少。
曲线的共同特点：①长波限处曲线直线下降 原因？ 能量<Eg 确定长波限的方法： Moss认为：光电导下降到一半的波长为长波限。 ②短波方向： 原理上：h 大 大 短波平缓 实际上：短逐渐下降，光生载流子集中于表面。由于表面能 级，表面复合与电极相等的作用，光电导↓
光照取消后：决定光电导下降的微分方程：
d (n) / dt b(n)2
n
(
In
b
)1/
2
( 1
(
I
1
n
b)1/
2
t
)
上升、下降曲线如图4-3所示：
下降段为双曲线性衰减
非线性光电导的弛豫时间很复
杂，上升下降不对称。
近似为：
( 1 )1/2 In b
对于光照开始的上升段：t 时，光电导增加到定值的0.76
J (x)dA
Ad
A :探d测器的电极面积
d
在均匀照射的情况下： I p ev 0 n(x)dx
由公式4.1-21～23得： n(x) P(1 R)ex0 hvL
当 1 时，探测器体内的平均光生载流子浓度：
n0
P 0 Lhv
Ip0
=
eP 0nVAd
hvL2
4.1-27得到 的计算公式
则：
p型：受主能带接近价带
2.表征光电导效应的主要参数
⑴光电导体的灵敏度：在一定的光强下光电导的强弱，用G
表示： 量: 子产量
G / tL
光: 生载流子寿命
tL载: 流子在光电导两极间的渡越时间
tL l 2 / U
l 光电导体两极间距
迁: 移率
U外: 加电压（电源电压）
∴
G
l 设: 计时有重要意义
U l2
,
如果在杂质半导体中有空穴和电子，则：
G
(
n n
pp
U ) l2
l ,G
⑵光电导的弛豫： 由于是非平衡载流子效应，具有弛豫效应。 定义：弛豫时间：光照开始和光照停止时，光电导上升或下 降的时间。 响应时间：反映了光电导对周期性变化信号的反映能力。 分类： 直线性光电导：光电导(光生载流子的密度）与光强成线性关
Ip
G
e
hv
P
G= 0 结论公式 d
光电导探测器是一个具有内增益的器件
材料 G 结构尺寸
外加偏压
0 ｌ Ｇ
2.光电导探测器的工作模式及等效电路
A：结构和偏置电路 图4-7，4-8
可达到几百
光电导探测器可以等效为一个有源 两端网络：图4-9
(aRC)光中dd 电导探测器等效内阻和电容