第二章 光谱仪及弱信号检测仪(三)
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Output Impedance cw Saturation Power Maximum Pulse Power Detector Material/Type Detector Diameter
0.6 A/W
50 W 2 mW 100 mW InGaAs/Schottky 25 µ m
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
雪崩二极管 (APD)
在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪 崩区中得到放大，因此有助于提高接收机灵敏度
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
As primary carriers create secondary carriers, the secondary carriers themselves accelerate and create new carriers. Collectively, this process is known as photomultiplication. Typical multiplication ranges in the tens and hundreds.
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
一、光电倍增管 光电效应与电子倍增发射
第四节 光电探测器
一、光电倍增管 光电效应与电子倍增发射
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
半导体探测器 V
P
耗尽层
N
A p-n diode’s deficiencies are related to the fact that the depletion area (active detection area) is small; many electron-hole pairs recombine before they can create a current in the external circuit.
s ( ) x
)
光损耗 P0e
s ( ) x
其中s()为材料对波长的吸收系数，P0是入射光功率，P(x) 是光在耗尽区中经过距离x后被吸收的功率
不同材料吸收系数s()与波长的关系
截止波长c由其带隙能量 Eg决定： c = hc / Eg
(1) 入射 > 截止 hv入射不足以激励出电子
光电子发射探测器主要有光电倍增管和微通道管 探测器
半导体探测器有：半导体二极管型光电探测 器、红外探测器、固体成像探测器等几种。
第四节 光电探测器
半导体二极管型光电探测器主要有PIN和APD。
红外探测器是指能工作在1m ~ 3m, 3 m ~ 5m, 8m ~ 14 m波段的HgCdTe和 GaInAsSb单元、多元及焦平面阵列。 固体成像器件可分为可见光、优势互补的混合型 微光、红外阵列探测器。由于这类器件所成 图像不存在图形扭折，易于信息处理，因此 在实现各种高速图像处理等方面得到广泛应 用。
风云二号 A星
红外通道: 10.5-12.5 6.2-7.6 分辨率: 5 公里 探测器: HgCdTe
红外探测器对人类的影响
红外探测器打破了人眼只可以看到可 见光的局限性，拓宽了人们的视野和观察事 物的方法，同时也给人们带来了具大的经济 效益。但在军事方面的应用却拉大了发展中 国家和发达国家的军事差距。谁掌握了先进 的科技，谁就掌握了战争的主动权。
第四节 光电探测器
Parameter PIN Photodiodes APDs
Construction Materials
Bandwidth Wavelength Conversion Efficiency Support Circuitry Required Cost (Fiber Ready)
第四节 光电探测器
光电探测器基本表征参数 响应度R
I p RPin
Ip
高响应度等效于探测器的高灵敏度
量子效率
入射光产生的电子空穴对 h q ＝ R Pin 入射光子数 q h
第四节 光电探测器
电容
与探测器面积和反向偏置电压有关
响应时间
探测器对入射光产生响应并形成外电流所需时间
响应时间受暗电流、噪声、线性度、后向反射及边沿效 应影响 产生光电流主要有两个区域：耗尽区和耗尽区以外的掺杂半 导体，入射光先进入掺杂半导体，然后再进入耗尽区， 耗尽区产生的光电子通过漂移形成电流为快响应，掺杂 区域产生的光电子通过扩散形成光电流，扩散的速率比 漂移要慢，形成边沿效应
耗尽区和耗尽区以外的掺杂半导体入射光先进入掺杂半导体然后再进入耗尽区耗尽区产生的光电子通过漂移形成电流为快响应掺杂区域产生的光电子通过扩散形成光电流扩散的速率比漂移要慢形成边沿效应第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器一光电倍增管光电效应与电子倍增发射第四节光电探测器一光电倍增管光电效应与电子倍增发射第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器半导体探测器vpn耗尽层apndiodesdeficienciesarerelatedtothefactthatthedepletionareaactivedetectionareaissmall
光电二极管实际上是一个加了反向偏压的pn结
n型
耗尽层
p型
当反向偏压足够大时 耗尽区自由载流子被 完全耗尽
n
p
pin光电二极管的结构
高掺杂p+型 高掺杂n+型
i (本征)层：低掺杂n型
耗尽区
加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层
pin的光吸收
P(x)
pin
x
在半导体材 e
第二章 光谱仪及弱信号检测仪
主讲教师：许立新
第四节 光电探测器
光探测器是指利用光子效应或光热效应把光 辐射量转换成另一种便于测量的物理量的 器件。 从测量技术看，电量到目前为止是最方便、 最精确的。
所以大多数光探测器都是把光辐射量转换成 电量来实现对光辐射的探测。即使直接转 换量不是电量，通常也总是把非电量（如 温度、体积等）在转换成电量来实施测量
第四节 光电探测器
光电探测器以光子作为信息载体的器件，应 用它来探测、处理光子信息在本质上具有 极高的信息容量、极快的处理速度、极强 的和无交叉干扰的信号幅度等特点。
还具有并行互连处理能力，极大的存储能力 和极高灵敏的探测能力等。
第四节 光电探测器
光电探测器主要有光电子发射探测器与半导 体探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
CCD光学多道分析器工作原理 现在对光谱的采集与分析已广泛应用CCD光学多道分析器。 它主要由摄谱仪、CCD探测器（包括相关电路）和计算机组成。 CCD探测器是一种具有多个光敏元的列阵光电探测器件，它兼有 光电转换、信号存贮以及信号传输（即自扫描）的功能。在结构上， CCD器件是由一系列排列很紧密的MOS电容器列阵组成。在光的 照射下，能量大于半导体禁带宽度的那些光子将在MOS电容中产 生电子空对，且产生的电子数正比于光强，因而可用CCD进行空 间光强分布的探测。使用一维CCD器件（或称线阵）作光探测器 时，若将CCD列阵置于摄谱仪焦平面上，则不同波长的光将在 CCD的不同MOS电容（光敏元）上产生光电电荷包，各电荷包中 电荷多少与入射到该光敏元上的光强成线性关系。 CCD列阵被置于摄谱仪焦平面上，在专用驱动电源产生的驱动 脉冲作用下，CCD中光电信号被移出该器件，经放大和采样保存 后，光谱信号被送入模数变换器（A/D），计算机用于采集A/D 变换器输出电信号，并对光谱数据进行处理，给出所要数据。
Si, Ge, InGaAs
DC to 40+ GHz 0.6 to 1.8 µm 0.5 to 1.0 Amps/Watt None $1 to $500
Si, Ge, InGaAs
DC to 40+ GHz 0.6 to 1.8 µm 0.5 to 100 Amps/Watt
High Voltage, Temperature Stabilization
(2) 入射 < 截止 材料对光子开始吸收
(3) 入射 < < 截止 材料吸收强烈 (s很大) 光的透射力变得很弱
第四节 光电探测器
In PIN, the depleted region is made as large as possible. A lightly doped intrinsic layer separates the more heavily doped p-types and n-types.
第四节 光电探测器
In general, APDs are only useful for digital systems because they possess very poor linearity. Because of the added circuit complexity and the high voltages that the parts are subjected to, APDs are always less reliable than PIN detectors. This, added to the fact that at lower data rates, PIN detector-based receivers can almost match the performance of APD-based receivers, makes PIN detectors the first choice for most deployed lowspeedsystems. At multigigabit data rates, however, APDs rule supreme.
$100 to $2,000
红外探测器的发展史
第四节 光电探测器
Wavelength Range 3-dB Bandwidth Rise Time Maximum Conversion Gain 950-1650 nm 25 GHz 17 ps 15 V/W
Typical Maximum Responsivity
For example, a multiplication factor of eighty means that, on average, eighty external electrons flow for every photon of light absorbed.
第四节 光电探测器
APDs require high-voltage power supplies for their operation. The voltage can range from 30 or 70 Volts for InGaAs APDs to over 300 Volts for Si APDs. APDs are very temperature sensitive, Add complicating circuit requirements.
第四节 光电探测器
The avalanche photodiode (APD) operates as the primary carriers, the free electrons and holes created by absorbed photons, accelerate, gaining several electron Volts of kinetic energy. A collision of these fast carriers with neutral atoms causes the accelerated carriers to use some of their own energy to help the bound electrons break out of the valence shell. Free electron-hole pairs, called secondary carriers, appear. Collision ionization is the name for the process that creates these secondary carriers.
0.6 A/W
50 W 2 mW 100 mW InGaAs/Schottky 25 µ m
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
雪崩二极管 (APD)
在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪 崩区中得到放大，因此有助于提高接收机灵敏度
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
As primary carriers create secondary carriers, the secondary carriers themselves accelerate and create new carriers. Collectively, this process is known as photomultiplication. Typical multiplication ranges in the tens and hundreds.
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
一、光电倍增管 光电效应与电子倍增发射
第四节 光电探测器
一、光电倍增管 光电效应与电子倍增发射
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
半导体探测器 V
P
耗尽层
N
A p-n diode’s deficiencies are related to the fact that the depletion area (active detection area) is small; many electron-hole pairs recombine before they can create a current in the external circuit.
s ( ) x
)
光损耗 P0e
s ( ) x
其中s()为材料对波长的吸收系数，P0是入射光功率，P(x) 是光在耗尽区中经过距离x后被吸收的功率
不同材料吸收系数s()与波长的关系
截止波长c由其带隙能量 Eg决定： c = hc / Eg
(1) 入射 > 截止 hv入射不足以激励出电子
光电子发射探测器主要有光电倍增管和微通道管 探测器
半导体探测器有：半导体二极管型光电探测 器、红外探测器、固体成像探测器等几种。
第四节 光电探测器
半导体二极管型光电探测器主要有PIN和APD。
红外探测器是指能工作在1m ~ 3m, 3 m ~ 5m, 8m ~ 14 m波段的HgCdTe和 GaInAsSb单元、多元及焦平面阵列。 固体成像器件可分为可见光、优势互补的混合型 微光、红外阵列探测器。由于这类器件所成 图像不存在图形扭折，易于信息处理，因此 在实现各种高速图像处理等方面得到广泛应 用。
风云二号 A星
红外通道: 10.5-12.5 6.2-7.6 分辨率: 5 公里 探测器: HgCdTe
红外探测器对人类的影响
红外探测器打破了人眼只可以看到可 见光的局限性，拓宽了人们的视野和观察事 物的方法，同时也给人们带来了具大的经济 效益。但在军事方面的应用却拉大了发展中 国家和发达国家的军事差距。谁掌握了先进 的科技，谁就掌握了战争的主动权。
第四节 光电探测器
Parameter PIN Photodiodes APDs
Construction Materials
Bandwidth Wavelength Conversion Efficiency Support Circuitry Required Cost (Fiber Ready)
第四节 光电探测器
光电探测器基本表征参数 响应度R
I p RPin
Ip
高响应度等效于探测器的高灵敏度
量子效率
入射光产生的电子空穴对 h q ＝ R Pin 入射光子数 q h
第四节 光电探测器
电容
与探测器面积和反向偏置电压有关
响应时间
探测器对入射光产生响应并形成外电流所需时间
响应时间受暗电流、噪声、线性度、后向反射及边沿效 应影响 产生光电流主要有两个区域：耗尽区和耗尽区以外的掺杂半 导体，入射光先进入掺杂半导体，然后再进入耗尽区， 耗尽区产生的光电子通过漂移形成电流为快响应，掺杂 区域产生的光电子通过扩散形成光电流，扩散的速率比 漂移要慢，形成边沿效应
耗尽区和耗尽区以外的掺杂半导体入射光先进入掺杂半导体然后再进入耗尽区耗尽区产生的光电子通过漂移形成电流为快响应掺杂区域产生的光电子通过扩散形成光电流扩散的速率比漂移要慢形成边沿效应第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器一光电倍增管光电效应与电子倍增发射第四节光电探测器一光电倍增管光电效应与电子倍增发射第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器半导体探测器vpn耗尽层apndiodesdeficienciesarerelatedtothefactthatthedepletionareaactivedetectionareaissmall
光电二极管实际上是一个加了反向偏压的pn结
n型
耗尽层
p型
当反向偏压足够大时 耗尽区自由载流子被 完全耗尽
n
p
pin光电二极管的结构
高掺杂p+型 高掺杂n+型
i (本征)层：低掺杂n型
耗尽区
加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层
pin的光吸收
P(x)
pin
x
在半导体材 e
第二章 光谱仪及弱信号检测仪
主讲教师：许立新
第四节 光电探测器
光探测器是指利用光子效应或光热效应把光 辐射量转换成另一种便于测量的物理量的 器件。 从测量技术看，电量到目前为止是最方便、 最精确的。
所以大多数光探测器都是把光辐射量转换成 电量来实现对光辐射的探测。即使直接转 换量不是电量，通常也总是把非电量（如 温度、体积等）在转换成电量来实施测量
第四节 光电探测器
光电探测器以光子作为信息载体的器件，应 用它来探测、处理光子信息在本质上具有 极高的信息容量、极快的处理速度、极强 的和无交叉干扰的信号幅度等特点。
还具有并行互连处理能力，极大的存储能力 和极高灵敏的探测能力等。
第四节 光电探测器
光电探测器主要有光电子发射探测器与半导 体探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
CCD光学多道分析器工作原理 现在对光谱的采集与分析已广泛应用CCD光学多道分析器。 它主要由摄谱仪、CCD探测器（包括相关电路）和计算机组成。 CCD探测器是一种具有多个光敏元的列阵光电探测器件，它兼有 光电转换、信号存贮以及信号传输（即自扫描）的功能。在结构上， CCD器件是由一系列排列很紧密的MOS电容器列阵组成。在光的 照射下，能量大于半导体禁带宽度的那些光子将在MOS电容中产 生电子空对，且产生的电子数正比于光强，因而可用CCD进行空 间光强分布的探测。使用一维CCD器件（或称线阵）作光探测器 时，若将CCD列阵置于摄谱仪焦平面上，则不同波长的光将在 CCD的不同MOS电容（光敏元）上产生光电电荷包，各电荷包中 电荷多少与入射到该光敏元上的光强成线性关系。 CCD列阵被置于摄谱仪焦平面上，在专用驱动电源产生的驱动 脉冲作用下，CCD中光电信号被移出该器件，经放大和采样保存 后，光谱信号被送入模数变换器（A/D），计算机用于采集A/D 变换器输出电信号，并对光谱数据进行处理，给出所要数据。
Si, Ge, InGaAs
DC to 40+ GHz 0.6 to 1.8 µm 0.5 to 1.0 Amps/Watt None $1 to $500
Si, Ge, InGaAs
DC to 40+ GHz 0.6 to 1.8 µm 0.5 to 100 Amps/Watt
High Voltage, Temperature Stabilization
(2) 入射 < 截止 材料对光子开始吸收
(3) 入射 < < 截止 材料吸收强烈 (s很大) 光的透射力变得很弱
第四节 光电探测器
In PIN, the depleted region is made as large as possible. A lightly doped intrinsic layer separates the more heavily doped p-types and n-types.
第四节 光电探测器
In general, APDs are only useful for digital systems because they possess very poor linearity. Because of the added circuit complexity and the high voltages that the parts are subjected to, APDs are always less reliable than PIN detectors. This, added to the fact that at lower data rates, PIN detector-based receivers can almost match the performance of APD-based receivers, makes PIN detectors the first choice for most deployed lowspeedsystems. At multigigabit data rates, however, APDs rule supreme.
$100 to $2,000
红外探测器的发展史
第四节 光电探测器
Wavelength Range 3-dB Bandwidth Rise Time Maximum Conversion Gain 950-1650 nm 25 GHz 17 ps 15 V/W
Typical Maximum Responsivity
For example, a multiplication factor of eighty means that, on average, eighty external electrons flow for every photon of light absorbed.
第四节 光电探测器
APDs require high-voltage power supplies for their operation. The voltage can range from 30 or 70 Volts for InGaAs APDs to over 300 Volts for Si APDs. APDs are very temperature sensitive, Add complicating circuit requirements.
第四节 光电探测器
The avalanche photodiode (APD) operates as the primary carriers, the free electrons and holes created by absorbed photons, accelerate, gaining several electron Volts of kinetic energy. A collision of these fast carriers with neutral atoms causes the accelerated carriers to use some of their own energy to help the bound electrons break out of the valence shell. Free electron-hole pairs, called secondary carriers, appear. Collision ionization is the name for the process that creates these secondary carriers.