光电探测器PPT课件
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第十二章光电探测器 PPT
计量起伏噪声(以起伏噪声电压 n为(t)例,噪声电流 i类n (似t) )
n (t) 0噪声电压平均值得瞬间振幅与相位随时间呈无规则变化
___
n2 均方值完全确定,表示单位电阻上所消耗得噪声平均功率
___
n2 —计量噪声电压大小
___
n2 —起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_ n2
光电导探测器
利用光电导效应可以制成各种用途得光电元件,如光敏电阻(光 电导探测器)、光电管等。其中光敏电阻具有体积小、坚固耐用、 价格低廉、光谱响应范围宽等优点,广泛用于微弱辐射信号得探 测领域。
#
光电导探测器
光电导效应
本征半导体:
光电导增量
e(nn pp )
n和p
分别就是电子与空穴得迁移率
i
生得具有电量为e得光电子数量
量子效率
Ip / e
单位时间内光子所激励得光电子数
Pi /h
单位时间内入射到探测器表面得光子数
代表入射到探测器得单个光子所能产生得光电子数目
#
光电探测器得性能参数
时间常数
探测器得惰性:
当入射光功率发生突然变化时(如开始或停止照射),光电探测器
得输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数 来衡 量
在阶跃输入光功率条件下,光电探测器输出电流 为
is
当is
(t
)
i
[1
exp(t 时,(稳态值
/
)]
)
称is (为t)参数
频率响应
——探测器得响应度随入射光调制频率得变化特征 多数探测器得响应度与调制频率得关系为
(f )
0
1
(1+4 2f 2 2 ) 2
《光电探测器》PPT课件
t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间
t ，耗尽层中漂移时间 diff
dr
和耗尽层电容C与负载电阻R之乘积所决定的RC时间常数。
2021/4/24
28
8.3光敏二极管
6、光敏二极管的一般特性 c、噪声特性 噪声源：热噪声、散粒噪声 热噪声-主要负载； 散粒噪声-信号光电流，背景光电流，反向饱和电流
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8
8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
2021/4/24
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
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11
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
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16
8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体
中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很
多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味
着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且，
光 电 探 测 器ppt课件
*
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
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）
第二章 光电探测器概述PPT课件
时间常数
5.频率灵敏度Rf(响应频率fc)
如果入射光是强度调制的， 在其它
条件不变的情况下， 光电流if将随调制频 率f的升高而下降， 这时的灵敏度称为频 率灵敏度Rf， 定义为
Rf
if P
• 式中if是光电流时变函数的傅里叶变 换， 通常
if
i0( f 0)
1(2 fc)2
式中, τc称为探测器的响应时间或时间常 数， 由材料、 结构和外电路决定。
第二章 光电探测器概述
§2-1 发展简况与分类
2.1.1 发展简况
1826----热电偶探测器 1880----金属薄膜测辐射计 1946----热敏电阻 五十年代----热释电探测器 六十年代----三元合金光探测器 七十年代----光子牵引探测器 八十年代----量子阱探测器 近年来的发展方向： • 阵列光电探测器、 • 光电探测器集成化 • 电荷藕荷器件（CCD, charged coupled device）
光热效应分类
§2-2 光电探测器性能参数
光电探测器选择要点
1. 对于测量光信号大小，探测器能输出多大电信号； 2. 探测器光谱响应范围是否同光信号的光谱分布接
近或一致； 3. 探测器所能探测的极限功率； 4. 当测量调制光信号时，输出的电信号能否正确反
映光信号波形； 5. 当测量的光信号幅度变化时，输出的电信号幅度
Rf
R0
1(2 fc)2
Rf
R0
1(2 fc)2
•
这就是探测器的频率特性， Rf随f升
高而下降的速度与τ值大小关系很大。 一般
规定， Rf下降到
R0/ 2 =0.707 R0时的频率fc为探测器的截止 响应频率。
1 fc 2 c
5.频率灵敏度Rf(响应频率fc)
如果入射光是强度调制的， 在其它
条件不变的情况下， 光电流if将随调制频 率f的升高而下降， 这时的灵敏度称为频 率灵敏度Rf， 定义为
Rf
if P
• 式中if是光电流时变函数的傅里叶变 换， 通常
if
i0( f 0)
1(2 fc)2
式中, τc称为探测器的响应时间或时间常 数， 由材料、 结构和外电路决定。
第二章 光电探测器概述
§2-1 发展简况与分类
2.1.1 发展简况
1826----热电偶探测器 1880----金属薄膜测辐射计 1946----热敏电阻 五十年代----热释电探测器 六十年代----三元合金光探测器 七十年代----光子牵引探测器 八十年代----量子阱探测器 近年来的发展方向： • 阵列光电探测器、 • 光电探测器集成化 • 电荷藕荷器件（CCD, charged coupled device）
光热效应分类
§2-2 光电探测器性能参数
光电探测器选择要点
1. 对于测量光信号大小，探测器能输出多大电信号； 2. 探测器光谱响应范围是否同光信号的光谱分布接
近或一致； 3. 探测器所能探测的极限功率； 4. 当测量调制光信号时，输出的电信号能否正确反
映光信号波形； 5. 当测量的光信号幅度变化时，输出的电信号幅度
Rf
R0
1(2 fc)2
Rf
R0
1(2 fc)2
•
这就是探测器的频率特性， Rf随f升
高而下降的速度与τ值大小关系很大。 一般
规定， Rf下降到
R0/ 2 =0.707 R0时的频率fc为探测器的截止 响应频率。
1 fc 2 c
第四章光电导探测器课件
光子作用于光电导材料产生 本征吸收：
杂质吸收：产生附加的光生载流子。 光电导效应——光照射到光电导 (半导体) 材料 上，使半导体的电导率发生变化。
多数半导体和绝缘体存在这种效应 本征半导体
杂质半导体 4
5
光激发： 产生空穴、电子，跃迁到导带。 杂质半导体： n型：施主能带靠近导带，电子获得足够能量进入 导带参与导电。 p型：受主能带靠近价带，价带电子吸收光子能量 跃迁受主能带，使价带产生空穴参与导电。 表征光电导效应主要有三个参数：
①增大增益系数可得到很高的光谱响应率 ②增益与响应速度是相矛盾的
43
光电导探测器典型光谱曲线
两种类型光电导探 测器光谱特性
44
四、比探测率 D*是包含噪声性能的一个重要参数
1．受热噪声限制 多数光电导探测器工作频率在 1MHz 以上，其
噪声源主要来自热噪声
2．受产生——复合噪声限制 当工作频率在1kHz~1MHz时：主要是
在直线性光电导中， 恒定光照下决定光电导上升规
律的微分方程：
量子产额
以光子计算的 入射光光强
光电导体对光 的吸收系数
光生载流
子 2命
根据上式初始条件： t=0时， Δn＝0，方程解 取消光照后，决定光电导下降的微分方程为 设光照停止时(t＝0)， Δn＝Inαβτ，则上式解：
13
直线性光电导上升和下降曲线 直线性光电导的弛豫时间与光强无关。 因为上升和下降是对称的
19
二、光电导探测器的工作原理
半导体受到光照时将产生非平衡载流子，电 导率增加，在外加电压的作用下，将在光电导探 测器输出回路中产生光电流。
分析光电导探测器输出的光电信号 1．光电导探测器的光电流
设样品为 n 型材料，光功 率为P的光辐射沿x方向均
杂质吸收：产生附加的光生载流子。 光电导效应——光照射到光电导 (半导体) 材料 上，使半导体的电导率发生变化。
多数半导体和绝缘体存在这种效应 本征半导体
杂质半导体 4
5
光激发： 产生空穴、电子，跃迁到导带。 杂质半导体： n型：施主能带靠近导带，电子获得足够能量进入 导带参与导电。 p型：受主能带靠近价带，价带电子吸收光子能量 跃迁受主能带，使价带产生空穴参与导电。 表征光电导效应主要有三个参数：
①增大增益系数可得到很高的光谱响应率 ②增益与响应速度是相矛盾的
43
光电导探测器典型光谱曲线
两种类型光电导探 测器光谱特性
44
四、比探测率 D*是包含噪声性能的一个重要参数
1．受热噪声限制 多数光电导探测器工作频率在 1MHz 以上，其
噪声源主要来自热噪声
2．受产生——复合噪声限制 当工作频率在1kHz~1MHz时：主要是
在直线性光电导中， 恒定光照下决定光电导上升规
律的微分方程：
量子产额
以光子计算的 入射光光强
光电导体对光 的吸收系数
光生载流
子 2命
根据上式初始条件： t=0时， Δn＝0，方程解 取消光照后，决定光电导下降的微分方程为 设光照停止时(t＝0)， Δn＝Inαβτ，则上式解：
13
直线性光电导上升和下降曲线 直线性光电导的弛豫时间与光强无关。 因为上升和下降是对称的
19
二、光电导探测器的工作原理
半导体受到光照时将产生非平衡载流子，电 导率增加，在外加电压的作用下，将在光电导探 测器输出回路中产生光电流。
分析光电导探测器输出的光电信号 1．光电导探测器的光电流
设样品为 n 型材料，光功 率为P的光辐射沿x方向均
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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。
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
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
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。
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，
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。
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。
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
.
第二节、真空光电探测器件
1、结构及分类
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。
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)。
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
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
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。
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