第六章 光电探测器

0 hc / Eg
0 hc / Ei
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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。
（1）硫化镉CdS和硒化镉CdSe 光敏电阻 硫化镉和硒化镉 （CdS和CdSe） 是可见光区用得较多的两种光敏 电阻。CdS光敏电阻的峰值波长 很接近人眼最敏感的555nm波长， 可用于视觉亮度有关的测量和底 片曝光方面的测量。
特点：响应度高；缺点：受单晶大小的限制，受光面积小，响应时间与光照强度 有关，随着光照强度减弱响应时间增加。
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（2）硫化铅PbS和硒化铅
PbSe光敏电阻 为多晶薄膜型
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➢ 硫化铅PbS和硒化铅PbSe光敏电阻特性
为多晶薄膜型光敏电阻
m
PbS光敏电阻响应波长范围为1.0~3.5μm
峰值响应波长为2.4 μm，低温
器件等
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6.1 光电探测器的特性参数
量子效率: 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。
描述光电器件 光电转换能力
I＝P＝ e P h
＝ Ihv ep
单位时间入射到探测器表面的光子 单位时间内被光子激励的光电子数。
特定波长下，单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入射到探测器 表面的光子数之比
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（2） 光电倍增管
➢ 结构和工作原理
• 由光电阴极、倍增极、阳极和真空管壳组成。图中K是光电阴极，D是倍增极, A是阳 极。U是极间电压，称为分级电压；分极电压为百伏量级，分级电压之和为总电压， 总电压为千伏量级。从阴极到阳极，各极间形成逐级递增的加速电场。
➢ 特点：
灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小，但结构复杂、工作电压高、体积大。电 流放大元件，具有较高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测。
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
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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
6.2.2 光电导效应 定义：光照射到某些半导体材料上时，某些电子吸收光子
的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态，在外电场的 作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导增大， 这种现像叫光电导效应，属内光电效应。 工作原理
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本征型和杂质型（注意两者在光探测能力上的区别） －电子离开价带跃入导带。 －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。
线性度：探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成比例的 程度和范围。通常，弱光照时探测器输出光电流都能在较 大范围内与输入光功率（或辐照度）成线性关系。在强光 照时趋于平方根关系。
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响应时间和频率响应
当照射探测器的光功率由零增加到某一值时，光电探测器的瞬时输出电流
总不能完全跟随输入变化。 同样，在光照突然停止时也是这样，这就是探
• 广泛用于光度和色度 测试。
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短路光电流与入射光功率成为线性关系， 开路光电压与入射光功率为对数关系。
为了得到输出信号电压有较好 的线性，由图所示的伏安特性 可以看出：负载（I）比负载 （Ⅱ）有更好的线性。就是说 负载电阻愈小，光电池工作愈 接近短路状态，线性就较好。
第六章 光电探测器
概述
光电器件：探测载波光信息，利用光电效应把光信息转换成电信息的 器件。按器件的机理不同，分为热电和光电探测器两大类。
热电探测器：
基于光辐射引起探测器温度上升，从而使与温度有关的电物理量发生变化， 反映的是入射光的能量或功率和输出电量的函数关系。如热敏电阻、热电偶 和热电堆、气动管（高莱管）、热释电探测器等。 热电探测器对光谱响应没有选择性，从可见光到红外波段均可响应。
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光电探测器：基于光电效应把光能直接转换成电信息的
器件。
分类：根据工作效应的不同可以分为：
（1）光电子发射器件：光电管和光电倍增管 （2）光电导器件：单晶型、多晶型、合金型的光敏电阻 （3）光生伏特器件：光电池、光电二极管和光电三极管
（4）光磁电器件 按排列结构光电探测器也可分为单元器件、阵列器件或成像
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➢ 特性参数 （1）灵敏度：光电倍增管的灵敏度一般分为阴极灵敏度和阳极灵
敏度，国产GBD23T型光电倍增管的阴极灵敏度典型值为
50μA/lm ，阳极灵敏度为200A/lm。 （2）放大倍数（内增益）：在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极
信号电流和阴极信号电流之比 G iA / iK （3）光谱响应度：光电阴极的光谱响应度曲线，主要取决于光电阴极
1）光电倍增管的选择：与待测光的光谱响应一致；对低能和弱光的探测应采 用阴极灵敏度高与暗电流小、噪声低的管子；阴极尺寸的选择取决于光信号照 射到阴极上的面积，光束窄可选用小阴极直径的管子，通常阴极大小决定于光 电倍增管的大小；阳极灵敏度的确定是根据入射到光电阴极的光通量和需要输 出的信号大小估算而得。除此之外，还应考虑耐震、高温等条件。 使用光电倍增管必须注意的事项 （1）必须在额定电压和额定电流内工作。因为管子增益很高，入射光功率稍
暗电流：在低照度下，暗电流大小和噪声决定了测量光通量的低限， 并影响对弱光的测量精度 。
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充气光电管 在光电管中充进低压惰性气体，在光照下光电阴极发射出的光电
子受电场作用加速向阳极运动，途中与气体原子相碰撞，气体原子发 生电离而形成电子与正离子。电离出来的电子在电场的作用下与光电 子一起再次使气体原子电离。如此繁衍下去，使充气光电管的有效电 流增加，同时正离子也在同一电场作用下向阴极运动，构成离子电流， 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。
R0为调制频率f ＝0时的响应度。
响应频率：R( fc ) R0 / 2 时的调制频率
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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 Un P Ru Us /Un
大就会使光电流可能超过额定值，轻者使管子响应度下降，出现疲劳 （放置一段时间可能恢复），重者不能恢复，或被烧毁。 （2）光电倍增管常使用金属屏蔽壳，用来屏蔽杂光和电磁干扰，金属壳应接
地。在使用负高压供电时，要防止管玻璃外壳和金属屏蔽壳之间放电引 起暗电流，它们之间要有足够距离 。
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6.2 光电探测器原理和种类
光谱响应范围1.0~4.0μm
PbSe峰值响应波长可达4.5μm
低温响应波长可达5.5μm
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（3）锑化铟InSb和砷化铟InAs光敏电阻
锑化铟InSb光敏电阻为单晶本征型半导体。
通常在低温下工作，用于探测红外波长
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（4） 杂质光电导探测器
杂质光电导探测器是基于非本征光 电导效应的光敏电阻。工作于远红 外区8~40um波段 。由于杂质光电 导器件中施主和受主的电离能一般 比本征半导体禁带宽度小得多，所 以响应波长比本征光电导器件要长。 杂质光电导器件都必须工作于低温 状态 。
• 用来制造光伏器件的材料很多，如有硅、硒、锗等光伏器 件。硅光伏器件具有暗电流小、噪声低，受温度的影响较 小，制造工艺简单等特点，是目前应用最广泛的光伏器件。 如硅光电池、硅光电二极管、硅雪崩光电二极管、硅光电 三极管及硅光电场效应管。
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（1） 硅光电池
不需外加偏压
• 光电池与光电二极管 相比，其掺杂浓度高， 电阻率低，易于输出 光电流。
响应度 ：入射的单位光辐射功率所引起的反应
电流灵敏度： 电压响应度：
Sd

Is P
Ru

Us P
3
6.1 光电探测器的特性参数
光谱响应：光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性 。 峰值响应波长：响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长 截止波长：当响应度下降到其峰值的50%时所对应的波长。
_
in2 2e i f
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6.2 光电探测器原理和种类
6.2.1 光电子发射效应
原理：材料表面的电子吸收光子能量，吸收的光能能够满足途中由于 与晶格或其它电子碰撞而损失的能量外，尚有一定能量足以克服固体 表面的势垒（或叫逸出功）则电子就可以穿出材料表面。这些逸出表 面的电子称为光电子。这种现像叫光电子发射或外光电效应。
的材料。 （4）时间特性 : 响应时间、渡越时间和渡越时间分散（散差）。
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➢ 特性参数
（4）时间特性 : 响应时间：阳极电流脉冲幅度从最大值的10％上升到90％所经过的时间。 渡越时间：从函数光脉冲的顶点到阳极电流输出最大值所经历的时间。 渡越时间分散（散差）：在重复光脉冲输入时，渡越时间每次略有不同，有
测器的惰性。
is t i 1 et /
响应时间：阶跃输入时，is (t) 上升到稳态值的0.63倍时的时间
由于探测器存在惰性，当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，若调制
频率低，则响应度与调制频率无关；若频率高，响应度就随频率升高而降
低。
R( f )
R0
1 (2f )2
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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 着阳极电压升高，阳极电流迅速增大。 暗电流与噪声：比真空光电管大，由于热发射电流也参与气体的电离 放大作用，具有较大的热发射噪声和散粒噪声
一定起伏。
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➢ 光电倍增管的供电电路
（1）为了输出信号和后面放大电路匹配方便，一般都使光电倍增管阳极通 过负载电阻接地。
（2）在脉冲响应或高频应用中，阳极电流变化很快，也很大，分压电阻上 的压降变化很大，造成倍增管的放大倍数不稳定。为此在最后三级
倍 增极间与分压电阻各并联一只耦合电容。
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➢ 光电倍增管的使用
杜瓦瓶结构
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6.2.3 光生伏特效应
原理
无光照时，PN结内存在内部自 建电场；光照射时，在结区及 其附近产生少数载流子（电子、 空穴对）。 载流子在结区外时，靠扩散进 入结区；在结区中时，因电场 的作用，电子漂移到N区，空 穴漂移到P区，使N区带负电荷, P区带正电菏，产生附加电动势。
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光伏探பைடு நூலகம்器件
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（1）光电管
光电管分为真空光电管和充气光电管两大类。 真空光电管：管内保持真空，只存在电子运动 充气光电管：管内充有低压惰性气体，工作时电子碰撞气体，利用气体电离放电
获得光电流放大作用的光电管。 真空光电管 ➢ 工作原理： 当入射光线透过光窗照射到电阴极面上时，光电子从阴极发射到真空中，在 极间电场作用下，光电子加速运动到阳极被阳极吸收，光电流数值可在阳极 电路中测出。
2．暗电流噪声：当探测器接入电路后，由于热电子发射，场致发射或半导体中 晶格热振动激发出载流子，而产生的输出电流。 I n (2eI d • f )1/ 2
3．散粒噪声： 由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。每一瞬时通过PN 结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引 起散粒噪声。散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。
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➢真空光电管的结构
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➢ 主要特性
灵敏度：在一定光谱和阳极电压下，光电管阳极电流与阴极面上光
通量之比，反应了光电管的光照特性。
伏安特性：一定光照条件下，阳极电流会随其电压增加而增加 。
不同电极结构有不同的饱和电压 。
光谱响应：各种真空光电管的光谱响应不同，影响光谱特性的主要 因素是光阴极的结构、材料、厚度及光窗材料等 。
NEP In P Sd Is / In
噪声等效功率的概念表征探测器的最小可探测功率。
探测度D及归一化探测度D*：
D 1/ Af D* D Af
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光电探测器的噪声
噪声来自系统外部干扰噪声和内部噪声。系统内部噪声主要是由于元器 件中带电粒子的不连续性以及局部不均匀造成的
1．热噪声：凡有功耗电阻的元件都有热噪声，来源于电阻内部自由电子或电荷 载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度成正比，与测量仪器的电子带宽成 正比，与频率无关。