光电探测器PPT课件
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光电探测器的应用原理图
光电探测器的应用原理图
1. 什么是光电探测器
光电探测器是一种将光信号转换为电信号的设备，主要用于检测、测量和控制光信号。它通常由光敏元件和电子电路组成，能够将光能转化为电能，并产生相应的电信号输出。
2. 光电探测器的应用领域
光电探测器在科学研究、工业生产以及日常生活中有着广泛的应用。以下列举了几个常见的应用领域：
•光通信：光电探测器作为光通信系统的重要组成部分，用于接收和解码光信号，实现高速、高效的光通信传输。
•星载天文观测：光电探测器可用于接收并记录遥远星系的光信号，从而帮助科学家研究宇宙的起源和演化。
•安全监控：光电探测器可用于安全监控系统中，通过检测光信号的变化来实现入侵检测、运动跟踪等功能。
•医学影像：光电探测器在医学领域中的应用包括光电子显微镜、光学成像系统等，能够提供高分辨率的生物组织影像。
•环境监测：光电探测器可用于测量环境中光敏物质的浓度，例如水中溶解氧浓度的监测、大气中颗粒物浓度的监测等。
3. 光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理主要涉及光敏元件的光电效应和电子电路的信号处理。以下是光电探测器的基本工作原理：
1.光电效应：光敏元件通常采用半导体材料，如硅(Si)、锗(Ge)等。当
光线照射到光敏元件表面时，光子能量会激发出载流子，使得光敏元件在电场作用下产生电流。
2.光电转换：光电探测器通过光敏元件将光能转化为电能，产生电流或
电压信号。这些信号可以进一步被电子电路进行放大、滤波和处理。
3.信号处理：光电探测器的电子电路通常包括前置放大器、滤波器和信
号处理器等。前置放大器负责放大弱信号，滤波器用于去除噪声干扰，信号处理器则对信号进行调整、解码与分析。
光电探测器
• 光电二极管(PIN)：应用于一般通用场合。针对特殊应用，可以 增加探测器信号放大和探测器前置滤光片。
• 雪崩光电管(APD)：主要用于微弱信号场合，同时具备快速响应 能力，可以提供各种尺寸和封装类型。
• 四象限探测器(Quadrant)：由一个四激活区域的芯片组成，主 要应用于位置传感。
• 位敏探测器(PSD)：入射光能量转换为位置相对的连续电流输出， 位置信号是相对于入射光的“光学中心”。
1
光电探测器原理及结构
• 光电探测器的作用是把接收到的光信号转换成光 电流，其工作原理是基于光电效应来实现的。
• 光电效应：入射光照射到半导体的P-N结上，若光 子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收 光子的能量，从价带越过禁带跃迁到导带，在导 带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电 子-空穴对，导带价带中间的能量间隔称为禁带 （带隙）宽度Eg 。
• 波长敏感探测器(WS)：用于检测单色光波长或复合光的峰值波 长，光谱分辨率可达0.01nm。
光电探测器原理及结构
• 光电探测器主要由P-N结（组 件外部电场），耗尽区（组件 内部电场）组成。 P-N结器件 加反向偏置电压，形成耗尽区， 当入射光进入耗尽区，产生电 子-空穴对（光生载流子）， 形成光电流
• 产生光电效应需要一定的条 件：反向偏置电压足够大 （约５～１０Ｖ）；入射光 的光子能量大于或等于禁带 宽度
• 雪崩光电管(APD)：主要用于微弱信号场合，同时具备快速响应 能力，可以提供各种尺寸和封装类型。
• 四象限探测器(Quadrant)：由一个四激活区域的芯片组成，主 要应用于位置传感。
• 位敏探测器(PSD)：入射光能量转换为位置相对的连续电流输出， 位置信号是相对于入射光的“光学中心”。
1
光电探测器原理及结构
• 光电探测器的作用是把接收到的光信号转换成光 电流，其工作原理是基于光电效应来实现的。
• 光电效应：入射光照射到半导体的P-N结上，若光 子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收 光子的能量，从价带越过禁带跃迁到导带，在导 带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电 子-空穴对，导带价带中间的能量间隔称为禁带 （带隙）宽度Eg 。
• 波长敏感探测器(WS)：用于检测单色光波长或复合光的峰值波 长，光谱分辨率可达0.01nm。
光电探测器原理及结构
• 光电探测器主要由P-N结（组 件外部电场），耗尽区（组件 内部电场）组成。 P-N结器件 加反向偏置电压，形成耗尽区， 当入射光进入耗尽区，产生电 子-空穴对（光生载流子）， 形成光电流
• 产生光电效应需要一定的条 件：反向偏置电压足够大 （约５～１０Ｖ）；入射光 的光子能量大于或等于禁带 宽度
《光电探测器》PPT课件
[ev]作单位。
2021/4/24
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8.1 半导体光电探测器概述
半导体光电探测器有三个基本过程：
1 光子入射到半导体中激励产生载流子 2 载流子输运及倍增 3 电流经外电路作用后输出信号，从而完成对光子探测的过程
2021/4/24
5
8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
1 光谱响应特性：在某一波长 λ 间隔 dλ 内的光子，在探测器中产生的输出电流与输 出光功率之比为光谱响应 R(λ) 。 2 噪声：探测器的噪声电平或信噪比是限制探测器使用范围的最重要参数。
2021/4/24
20
皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉 、心、肺、肾等多脏器严重损害 的，全身性疾病，而且不少患者 同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表 现如下：
• 1、早期皮肌炎患者，还往往伴 有全身不适症状，如-全身肌肉酸 痛，软弱无力，上楼梯时感觉两 腿费力；举手梳理头发时，举高 手臂很吃力；抬头转头缓慢而费 力。
30
8.3光敏二极管
7、各种典型的光敏二极管
a、pin光敏二极管
σ＝（n0+Δn）qun
2021/4/24
13
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
结论： •故同一材料的本征光电导比杂质光电导大。 •杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小。 •通过改变半导体内部的杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小 ，来测量不同波长的光。
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8.1 半导体光电探测器概述
半导体光电探测器有三个基本过程：
1 光子入射到半导体中激励产生载流子 2 载流子输运及倍增 3 电流经外电路作用后输出信号，从而完成对光子探测的过程
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8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
1 光谱响应特性：在某一波长 λ 间隔 dλ 内的光子，在探测器中产生的输出电流与输 出光功率之比为光谱响应 R(λ) 。 2 噪声：探测器的噪声电平或信噪比是限制探测器使用范围的最重要参数。
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皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉 、心、肺、肾等多脏器严重损害 的，全身性疾病，而且不少患者 同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表 现如下：
• 1、早期皮肌炎患者，还往往伴 有全身不适症状，如-全身肌肉酸 痛，软弱无力，上楼梯时感觉两 腿费力；举手梳理头发时，举高 手臂很吃力；抬头转头缓慢而费 力。
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8.3光敏二极管
7、各种典型的光敏二极管
a、pin光敏二极管
σ＝（n0+Δn）qun
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
结论： •故同一材料的本征光电导比杂质光电导大。 •杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小。 •通过改变半导体内部的杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小 ，来测量不同波长的光。
光电探测器的性能参数ppt课件
根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时辐射 源的输入通量，
此时，其他参数，如频率温度等应加以规定。
●这个参数是在确定光电探测器件的探测极限
(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。
3．噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
●定义为信号功率与噪声功率之比为1，
即S／N＝1时，入射到探测器上的辐射通量 (单位为瓦)。即： NEP e
光电信号处理
光电探测器的性能参数
光电系统一般都是围绕光电探测器的性能 进行设计的，
探测器的性能由特定工作条件下的一些 参数来表征。
光电探测器的工作条件
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关，所以在给出性能参数时，要注明有关的 工作条件。主要工作条件有： 1．辐射源的光谱分布 2．电路的通频带和带宽 3．工作温度 4．光敏面尺寸 5．偏置情况
●当用一个辐射脉冲照射光电探测
器，如果这个脉冲的上升和下降 时间很短，如方被，则光电探测 器的输出由于器件的惰性而有延 迟，把从10％上升到90％峰值处 所需的时间称为探测器的上升时 间，而把从90％下降到10％处所 需的时间称为下降时间。
5．频率响应
●光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而 变化的特性称为频率响应。
这是因为如果两只由相同材料制成的光电探测器，尽管 内部结构完全相同，但光敏面积Ad不同，测量带宽不同， 则D值也不相同。
此时，其他参数，如频率温度等应加以规定。
●这个参数是在确定光电探测器件的探测极限
(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。
3．噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
●定义为信号功率与噪声功率之比为1，
即S／N＝1时，入射到探测器上的辐射通量 (单位为瓦)。即： NEP e
光电信号处理
光电探测器的性能参数
光电系统一般都是围绕光电探测器的性能 进行设计的，
探测器的性能由特定工作条件下的一些 参数来表征。
光电探测器的工作条件
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关，所以在给出性能参数时，要注明有关的 工作条件。主要工作条件有： 1．辐射源的光谱分布 2．电路的通频带和带宽 3．工作温度 4．光敏面尺寸 5．偏置情况
●当用一个辐射脉冲照射光电探测
器，如果这个脉冲的上升和下降 时间很短，如方被，则光电探测 器的输出由于器件的惰性而有延 迟，把从10％上升到90％峰值处 所需的时间称为探测器的上升时 间，而把从90％下降到10％处所 需的时间称为下降时间。
5．频率响应
●光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而 变化的特性称为频率响应。
这是因为如果两只由相同材料制成的光电探测器，尽管 内部结构完全相同，但光敏面积Ad不同，测量带宽不同， 则D值也不相同。
光电检测技术PPT培训课件
02
光电检测技术的基本原理
光电效应
光电效应定义
光电效应是指光子与物质相互作用，将光能转换为电子动能或电导的过程。
光电效应分类
光电效应分为外光电效应和内光电效应，其中外光电效应是指光子能量足够高时，电子从 物质表面逸出的现象；内光电效应是指光子能量使物质内部电子跃迁至激发态，导致电子 浓度变化而产生的光生电导现象。
04
光电检测技术的实际应用案例
光电检测技术在工业自动化中的应用
总结词
质量检测
光电检测技术在工业自动化领域的应用广 泛，主要用于生产线上的质量检测、位置 检测和速度控制等。
通过光电检测技术对生产线上的产品进行 表面缺陷、尺寸、重量等质量参数的检测 ，确保产品质量符合要求。
位置检测
速度控制
利用光电检测技术对生产线上的产品位置 进行精确检测，实现自动化控制和调整。
A
B
C
D
生物分子检测
利用光电检测技术对生物分子进行定性和 定量分析，如蛋白质、核酸等，为生物科 学研究提供有力支持。
光谱分析
通过光电检测技术对生物样本进行光谱分 析，实现疾病早期诊断和药物疗效评估。
光电检测技术在环境监测中的应用
总结词
光电检测技术在环境监测领域 的应用日益广泛，主要用于大 气污染、水质监测和气象观测
光电效应应用
光电效应在许多领域都有广泛应用，如太阳能电池、光电器件、光电传感器等。
光电探测器的物理基础(性能指标噪声)
带宽
定义
01
带宽是指光电探测器响应速度的量度，通常用-3dB带宽表示。
意义
02
带宽决定了探测器对快速光脉冲的响应能力，带宽越宽，响应
速度越快。
影响因素
03
带宽受限于载流子寿命、结电容、串联电阻等。
线性范围
定义
线性范围是指光电探测器输出信号与输入光功率 成正比的范围。来自百度文库
意义
线性范围决定了探测器能够测量的光功率范围， 线性范围越大，探测器适应性越强。
产生机制
由于光子到达探测器的时刻是不确定的，因此产生的光电流也是随 机的，这种随机性导致了散粒噪声的产生。
影响
散粒噪声是光电探测器中一个重要的性能指标，尤其在低光强度下， 散粒噪声的影响更为显著。
热噪声
01
定义
热噪声是由于光电探测器内部电子的热运动引起的，它与探测器材料的
电阻有关。
02 03
产生机制
感谢您的观看
产生机制
1/f噪声的产生机制比较复杂，可能与光电探测器中的表面态和界 面态有关。
影响
1/f噪声在低频和高灵敏度的应用场景下影响较大，对于高频和低 光强度的应用场景影响较小。
04 光电探测器的应用
光学通信
01
利用光电探测器接收光信号，实 现高速、大容量信息传输。
02
在光纤网络、卫星通信和物联网 等领域有广泛应用。
光电技术 第4-2节 光电导探测器
二、光敏电阻的主要特性参数
1、光电导增益M： 光电导增益定义为由光生载流子产 生的外部光电流Ip与内部电流之间的比 值，由前式得：
V M 2 n n p p M n M p eN L Ip
式中 M n与M p 分别称为电子增益系数与空 穴增益系数。
因为速度为 vn 的光电子在两电极间的 L2 渡越时间为 t L / v
§2光电导探测器
利用半导体光电导效应制成的探测器称 光电子探测器，简称PC（Photo conductor） 探测器，通常又称为光敏电阻。它与一般的 电阻器不同，工作时要加以一定的偏流或偏 压。根据不同类型的光电导效应和材料不同， 分为本征型、杂质型、薄膜型、扫积型等类 型。
光敏电阻与其它半导体光电器件相比有以下优点： （1）光谱响应范围相当宽，根据光电导材料不 同，光谱响应范围可以从紫外、可见光、近红外扩展 到远红外，尤其是对可见光和红外辐射有较高的响应 度。 （2）工作电流大，可达毫安量级。 （3）所测光强范围宽，动态范围可达104以上 （0.1～1000lux,最强光强与最弱光强的比值）。 （4）灵敏度高，光电子增益大于1。 （5）偏置电压低，无极性之分，使用方便。 不足之处： 在强光照射下光电转换线性较差，光电驰豫过 程较长，频率响应较低，这使它的应用受到一些限制。
5、光电特性与
值
光敏电阻的光电流与入射光通量之间的 关系称为光电特性，光电流可表示为
光电探测器的偏置电路PPT课件
光电探测与信号处理
第四章 光电信号处理
1
整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
第四章 光电信号处理
教学内容
4.1 光电探测器的偏置电路
4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念 4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计 4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计 4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计
4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念 4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计 4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计 4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计
4
4.1.1 探测器的伏安特性回顾及基本 概念
5
一、探测器的伏安特性
可变电阻型
恒流型
光生电势型
PC器件 电阻型热探测器
（加偏置，不分正负）
直流通路:在直流电源作用下直流电流流过的通路， 即静态电流通路。主要用于求解静态工作点。
直流通路的确定方法: (a)将电容开路； (b)将电感短路，忽略内阻； (c)信号源短路，保留内阻。
14
交流通路: 在输入信号作用下交流电流流过的通路， 即动态电流通路。主要用于确定电路的动态参数。
交流通路的确定方法: (a)将电容视为短路； (b)将电感视为开路； (c)将直流电源视为短路。(小内阻) 信号的不同分量可以分别在不同的通路中分析。
第四章 光电信号处理
1
整体概况
概况一
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概况二
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03
第四章 光电信号处理
教学内容
4.1 光电探测器的偏置电路
4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念 4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计 4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计 4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计
4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念 4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计 4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计 4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计
4
4.1.1 探测器的伏安特性回顾及基本 概念
5
一、探测器的伏安特性
可变电阻型
恒流型
光生电势型
PC器件 电阻型热探测器
（加偏置，不分正负）
直流通路:在直流电源作用下直流电流流过的通路， 即静态电流通路。主要用于求解静态工作点。
直流通路的确定方法: (a)将电容开路； (b)将电感短路，忽略内阻； (c)信号源短路，保留内阻。
14
交流通路: 在输入信号作用下交流电流流过的通路， 即动态电流通路。主要用于确定电路的动态参数。
交流通路的确定方法: (a)将电容视为短路； (b)将电感视为开路； (c)将直流电源视为短路。(小内阻) 信号的不同分量可以分别在不同的通路中分析。
光电探测器的性能与参数 ppt课件
ppt课件
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2
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
光电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。
（1）如何衡量一个光电探测器的质量好坏？ （2）选择一个好的光电探测器需要注意哪些 关键指标？
主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
引入相对光谱功率密度函数，它的定义为
f '
P ' P 'm
(3)
把(2)和(3)式代入(1)式，只要注意到
dP' P'd'
dP ' 变化量
和
di i d
就有
di S RmP'm f'd'd
积分上式，有
一般规定，R f下降到 R0 / 2 0.707R0
频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。
从上式可见：
fc
1
2
当f<fc时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。 如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。
ppt课件
10
共28页 10
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DOWN BACK
光电探测器的放大电路专题培训课件
光探测电路示意图
放大器 偏置电路
光探测器及 其偏置电路
耦合 网络
低噪声 前置放大
器
反馈电路
多级放大 系统
后级信号 处理电路
1
4.2.1 放大器的噪声模型
2
一、放大器的设计前提
设计高质量的低噪声前置放大器，我 们要了解：
• 信号的特性 • 噪声的特性 • 噪声分析方法
为此学习一些关于放大器的噪声及描述放大器噪声 特性的一些有关参数和模型，从而更好地抑制噪声、放 大信号。
10
信噪比：
输出端信号功率与噪声功率之比，称为信号噪 声比，简称信噪比
(S/
N)O
Pso Pno
EEns22oo
Pso 为输出端信号功率 Pno 为输出端噪声功率
11
2. 噪声系数（Noise Factor）： （1）基本定义 输出端总噪声功率 F= 源电阻产生的输出噪声功率
即
F
E
2 no
从噪声系数上看，两放大器差别很小，但从噪声温度上看,两 者相差很大。因此，在噪声很低的场合，用噪声温度表示能更 清楚地显示出放大电路的噪声性能。
27
• 噪声温度表示法就是折合热噪声法，它可以描述热噪声，也可以 描述其它噪声，还可以用来描述噪声源温度不均等时的噪声．这 种表示法的重要特点就在于将各种噪声归结到温度量的变化上。
放大器 偏置电路
光探测器及 其偏置电路
耦合 网络
低噪声 前置放大
器
反馈电路
多级放大 系统
后级信号 处理电路
1
4.2.1 放大器的噪声模型
2
一、放大器的设计前提
设计高质量的低噪声前置放大器，我 们要了解：
• 信号的特性 • 噪声的特性 • 噪声分析方法
为此学习一些关于放大器的噪声及描述放大器噪声 特性的一些有关参数和模型，从而更好地抑制噪声、放 大信号。
10
信噪比：
输出端信号功率与噪声功率之比，称为信号噪 声比，简称信噪比
(S/
N)O
Pso Pno
EEns22oo
Pso 为输出端信号功率 Pno 为输出端噪声功率
11
2. 噪声系数（Noise Factor）： （1）基本定义 输出端总噪声功率 F= 源电阻产生的输出噪声功率
即
F
E
2 no
从噪声系数上看，两放大器差别很小，但从噪声温度上看,两 者相差很大。因此，在噪声很低的场合，用噪声温度表示能更 清楚地显示出放大电路的噪声性能。
27
• 噪声温度表示法就是折合热噪声法，它可以描述热噪声，也可以 描述其它噪声，还可以用来描述噪声源温度不均等时的噪声．这 种表示法的重要特点就在于将各种噪声归结到温度量的变化上。
第六章光电探测器分解课件
• 广泛用于光度和色度 测试。
28
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。
29
（2） 光电二极管
➢ 特点：光电二极管响应速度快、体积小、价格低，得到广泛应 用。
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
23
（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
24
（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 。
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
28
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。
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（2） 光电二极管
➢ 特点：光电二极管响应速度快、体积小、价格低，得到广泛应 用。
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
23
（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
24
（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 。
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
光电探测器PPT课件
侧窗式
端窗式
.
4
1．光窗
光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常 用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和 氟镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收 越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。
.
5
2．光电阴极
光电阴极多是由化合物半导体材料制作，它接收入射光， 向外发射光电子。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光 电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。
真空光电管构造示意图
优点：光电阴极面积大，灵
敏度较高，一般积分灵敏度
可达20～200μA/lm；暗电流
小，最低可达10-14A；光电
发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管一般体积
都比较大、工作电压高达百
伏到数百伏、玻壳容易破碎
等. 。
3
光电倍增管
一、结构和原理
光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍 增系统和阳极五个主要部分组成，其外形如图
光敏电阻的使用
光伏器件
光电池
光电二极管
雪崩光电二极管 光电晶体管
ห้องสมุดไป่ตู้
PIN管
阵列式或象限式结型光电器件
光电位置探测器 光电开关与光电耦合器
各种结型光电器件的类似特. 性及使用要点
2
真空光电管
端窗式
.
4
1．光窗
光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常 用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和 氟镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收 越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。
.
5
2．光电阴极
光电阴极多是由化合物半导体材料制作，它接收入射光， 向外发射光电子。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光 电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。
真空光电管构造示意图
优点：光电阴极面积大，灵
敏度较高，一般积分灵敏度
可达20～200μA/lm；暗电流
小，最低可达10-14A；光电
发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管一般体积
都比较大、工作电压高达百
伏到数百伏、玻壳容易破碎
等. 。
3
光电倍增管
一、结构和原理
光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍 增系统和阳极五个主要部分组成，其外形如图
光敏电阻的使用
光伏器件
光电池
光电二极管
雪崩光电二极管 光电晶体管
ห้องสมุดไป่ตู้
PIN管
阵列式或象限式结型光电器件
光电位置探测器 光电开关与光电耦合器
各种结型光电器件的类似特. 性及使用要点
2
真空光电管
光电传感器PPT课件
溶液对单色光的吸收规律
单色光通过溶液时遵从朗伯特—比尔（LambertBeer）定律：
I=I0e-kCL
式中，I为透射光强度；I0为 入射光强度；C为溶液的浓度； L为溶液的厚度；k为消光系数或 叫吸收系数。上式表明当I0、k 和L不变时，浓度C越大，则光 被吸收的越多， I越小，因此通 过测量入射光强度就可以求出溶 液的浓度C。
光
SiO2
光
P
N
－
+
I PN
RL (a) 光电池的结构图
(b) 光电池的工作原理示意图
光电池的示意图
一，光电管 1，结构与工作原理
光电管由在真空玻璃管中密封的一个阴极和一个阳极 构成，阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有感光材料，不同 材料的光谱特性不同，常用的有银、钙、锑等。阳极通常 用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。
光电管:
阴极K
真空管
阳极A 光
IP
K
RL
Uo
光电管
A
E
（a）
（b）
光电管结构示意图（a），光电管工作电路（b）
分光光度计是根据比尔定律，测定物质对某一区域 不同波长光吸收的大小，进而测出物质在溶液中的浓度 和得到其光谱特性。常用于核酸，蛋白定量以及细菌生 长浓度的定量，在生化分析中是必不可少的仪器。
光电器件的应用
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成的噪声。在每个时间间隔内，穿过势垒区的载流子的数或从阴极 到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。散粒噪声也是白噪声。
⑶产生－复合噪声： 载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下
起伏，这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流 。它不是白噪声。
14
.
⑷ 1/f 噪声(闪烁噪声或低频噪声）： 由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，
17
.
⑵等效噪声输入(ENl) ： 它定义为器件在特定带宽内(1Hz)产生的均方根信号电流恰好
等于均方根噪声电流值时的输入通量，此时，其他参数，如频率
温度等应加以规定。这个参数是在确定光电探测器件的探测极限 (以输入通量为瓦或流明表示)时使用。
⑶噪声等效功率(NEP)：
或称最小可探测功率Pmin。它定义为信号功率与噪声功率之比 为1(即S／N=1)时，入射到探测器上的辐射通量(单位为瓦)。即
第4讲 光电探 测器
广学 明德 海纳 厚为
1
.
2
.
热电探测器特点：①响应波长无选择性，它对从可见 光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。②响应慢， 吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上 。
光电探测器特点：①响应波长有选择性，存在某一截
止波长λ0，超过此波长，器件没有响应。 ②响应快 ，一般在纳秒到几百微秒。
21
.
2、线性度： 描述探测器的光电特性或光照特性曲线，输出信号与输入
信号保持线性关系的程度。在规定范围内，探测器的输出电量 精确地正比于输入光量的性能。这一范围称为线性区。
3、工作温度： 描指光电探测器最佳工作状态时的温度。工作温度不同
时，性能有变化。
22
.
பைடு நூலகம்
第二节、真空光电探测器件
1、结构及分类
当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲 称为1/f 噪声。
频率越低，这种噪声越大，所以也称为低频噪声， 它是属于“红”噪声。
15
.
2、噪声参数：
⑴信噪比(S／N) ： 信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上
产生的信号功率与噪声功率之比，即
S PS N PN
IS2RL IN2RL
10
上升时间和下降时间
.
3．频率响应
光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称 为频率响应。
11
.
二、噪声方面的参数
从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它的 功率如何小，都可探测出来。但事实并非如此。当入射功率很低 时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入 射在探测器上。这并不是探测器不好引起的，而是它所固有的 “噪声”引起的。如果对这些随时间而起伏的电压(流)按时间取 平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个均 方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。
NEP e S/N
18
.
⑷探测率D ： 只用NEP无法比较两个不同来源的光探器的优劣。为此，引入
两个新的性能参数——探测率D和比探测率D*。探测率D定义为NEP（ 噪声等效功率）的倒数，即
D 1 NEP
显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。探测率D所提供的信 息与NEP一样，也是一项特征参数。不过它所描述的特性是：光电
光电管分真空光电管和充气 光电管两种。若球内充低压惰性 气体就成为充气光电管。
23
.
2、工作原理
20
.
三、其它参数
1、量子效率η(λ) ： 在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量
子数之比。
一般η(λ)反映的是入射辐射与最初的光敏面的相互作 用。若η(λ)＝1（理论上），则入射一个光量子就能发射一 个电子或产生一对电子孔穴对。实际上η(λ)<1。
对于有增益的光电器件，η(λ) 远大于1，此时我们一 般用增益或放大倍数。
S VO 或 S IO
8
.
⑵积分响应度
光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为 积分响应度。积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应 程度。
S IO
0 1
Sd
0 d
9
.
2．响应时间
当入射辐射到光电探测器 后或入射辐射遮断后，光电探 测器的输出上升到稳定值或下 降到照射前的值所需时间称为 响应时间。
探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领，即光
电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。
19
.
⑸归一化探测率D* ： 为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的光电探测
器件进行比较，使用了归一化探测率（比探测率）D*。
⑹暗电流Id ： 即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过
的电流(加电源时)。一般测量其直流值或平均值。
6
.
第一节、基本特性参数
一、响应方面的参数
1.响应度（或灵敏度)
光电探测器的输出电压或输出电流(或光电导)与入射 光功率(或光照度)之比，它描述器件的光电转换效能。
电压响S应 V V 度 PO i 电导响S应 g 度 gE光 i
7
电流响S应 I 度 IPO i
.
⑴光谱响应度
光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上的单 色辐射通量之比，光谱响应度愈大，表示光电探测器愈灵敏。
IINS22
若用分贝(dB)表示，则为
S Nd
B10lgIIN S22
20lgIS IN
16
.
利用S／N评价两种光电探测器性能时，必须在信号 辐射功率相同的情况下才能比较。
但对单个光电探测器，其S／N的大小与入射信号 辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收面 积大，S／N就大，但性能不一定就好。因此用S／N评 价器件有一定的局限性。
12
.
1、器件的噪声
⑴热噪声： 也称约翰逊噪声， 载流子无规则的热运动造成的噪声。
①热噪声存在于任何电阻中。 ②热噪声与温度成正比。 ③热噪声与频率无关。热噪声是各种频率分量组成，就像白 光是各种波长的光组成一样，所以热噪声也称为白噪声。
13
.
⑵散粒噪声： 也称散弹噪声， 穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造
3
.
光电成像器件
光电成象器件是指能够输出图象信息的一类器件，例如使不可 见光图象变为可见光图象的器件，使光学图象变为电视信号的器 件等。
4
.
5
.
第4讲 光电探测器
光电探测器件是利用物质的光电效应 把光信号转换成电信号的器件。它是光电 系统的核心组成部分，在光电系统中的作 用是发现信号、测量信号，并为随后的应 用提取某些必要的信息。
⑶产生－复合噪声： 载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下
起伏，这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流 。它不是白噪声。
14
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⑷ 1/f 噪声(闪烁噪声或低频噪声）： 由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，
17
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⑵等效噪声输入(ENl) ： 它定义为器件在特定带宽内(1Hz)产生的均方根信号电流恰好
等于均方根噪声电流值时的输入通量，此时，其他参数，如频率
温度等应加以规定。这个参数是在确定光电探测器件的探测极限 (以输入通量为瓦或流明表示)时使用。
⑶噪声等效功率(NEP)：
或称最小可探测功率Pmin。它定义为信号功率与噪声功率之比 为1(即S／N=1)时，入射到探测器上的辐射通量(单位为瓦)。即
第4讲 光电探 测器
广学 明德 海纳 厚为
1
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2
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热电探测器特点：①响应波长无选择性，它对从可见 光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。②响应慢， 吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上 。
光电探测器特点：①响应波长有选择性，存在某一截
止波长λ0，超过此波长，器件没有响应。 ②响应快 ，一般在纳秒到几百微秒。
21
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2、线性度： 描述探测器的光电特性或光照特性曲线，输出信号与输入
信号保持线性关系的程度。在规定范围内，探测器的输出电量 精确地正比于输入光量的性能。这一范围称为线性区。
3、工作温度： 描指光电探测器最佳工作状态时的温度。工作温度不同
时，性能有变化。
22
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பைடு நூலகம்
第二节、真空光电探测器件
1、结构及分类
当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲 称为1/f 噪声。
频率越低，这种噪声越大，所以也称为低频噪声， 它是属于“红”噪声。
15
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2、噪声参数：
⑴信噪比(S／N) ： 信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上
产生的信号功率与噪声功率之比，即
S PS N PN
IS2RL IN2RL
10
上升时间和下降时间
.
3．频率响应
光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称 为频率响应。
11
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二、噪声方面的参数
从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它的 功率如何小，都可探测出来。但事实并非如此。当入射功率很低 时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入 射在探测器上。这并不是探测器不好引起的，而是它所固有的 “噪声”引起的。如果对这些随时间而起伏的电压(流)按时间取 平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个均 方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。
NEP e S/N
18
.
⑷探测率D ： 只用NEP无法比较两个不同来源的光探器的优劣。为此，引入
两个新的性能参数——探测率D和比探测率D*。探测率D定义为NEP（ 噪声等效功率）的倒数，即
D 1 NEP
显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。探测率D所提供的信 息与NEP一样，也是一项特征参数。不过它所描述的特性是：光电
光电管分真空光电管和充气 光电管两种。若球内充低压惰性 气体就成为充气光电管。
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2、工作原理
20
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三、其它参数
1、量子效率η(λ) ： 在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量
子数之比。
一般η(λ)反映的是入射辐射与最初的光敏面的相互作 用。若η(λ)＝1（理论上），则入射一个光量子就能发射一 个电子或产生一对电子孔穴对。实际上η(λ)<1。
对于有增益的光电器件，η(λ) 远大于1，此时我们一 般用增益或放大倍数。
S VO 或 S IO
8
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⑵积分响应度
光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为 积分响应度。积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应 程度。
S IO
0 1
Sd
0 d
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2．响应时间
当入射辐射到光电探测器 后或入射辐射遮断后，光电探 测器的输出上升到稳定值或下 降到照射前的值所需时间称为 响应时间。
探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领，即光
电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。
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⑸归一化探测率D* ： 为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的光电探测
器件进行比较，使用了归一化探测率（比探测率）D*。
⑹暗电流Id ： 即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过
的电流(加电源时)。一般测量其直流值或平均值。
6
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第一节、基本特性参数
一、响应方面的参数
1.响应度（或灵敏度)
光电探测器的输出电压或输出电流(或光电导)与入射 光功率(或光照度)之比，它描述器件的光电转换效能。
电压响S应 V V 度 PO i 电导响S应 g 度 gE光 i
7
电流响S应 I 度 IPO i
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⑴光谱响应度
光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上的单 色辐射通量之比，光谱响应度愈大，表示光电探测器愈灵敏。
IINS22
若用分贝(dB)表示，则为
S Nd
B10lgIIN S22
20lgIS IN
16
.
利用S／N评价两种光电探测器性能时，必须在信号 辐射功率相同的情况下才能比较。
但对单个光电探测器，其S／N的大小与入射信号 辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收面 积大，S／N就大，但性能不一定就好。因此用S／N评 价器件有一定的局限性。
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1、器件的噪声
⑴热噪声： 也称约翰逊噪声， 载流子无规则的热运动造成的噪声。
①热噪声存在于任何电阻中。 ②热噪声与温度成正比。 ③热噪声与频率无关。热噪声是各种频率分量组成，就像白 光是各种波长的光组成一样，所以热噪声也称为白噪声。
13
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⑵散粒噪声： 也称散弹噪声， 穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造
3
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光电成像器件
光电成象器件是指能够输出图象信息的一类器件，例如使不可 见光图象变为可见光图象的器件，使光学图象变为电视信号的器 件等。
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5
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第4讲 光电探测器
光电探测器件是利用物质的光电效应 把光信号转换成电信号的器件。它是光电 系统的核心组成部分，在光电系统中的作 用是发现信号、测量信号，并为随后的应 用提取某些必要的信息。