第3章 光电检测器件
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第3章 光电检测器件
对CdS光电导体，弱光照射下 γ=1，强光下γ=0.5；为什么 ？ 光照增强的同时，载流子浓 度不断的增加，同时光敏电阻 的温度也在升高，从而导致载 流子运动加剧，因此复合几率 也增大，光电流呈饱和趋势。 （冷却可以改善）
I光
1
弱光照，线性光电
0.5
强光照，抛物线光
E
2、伏安特性（光敏电阻的光电流与所加电压关系）
3.1 光电器件的类型与特点
光电器件类型：
光电检测器件（按工作机理分类） 光子器件 热电器件
真空器件 光电管 光电倍增管 真空摄像管
固体或半导体器件 光导型：光敏电阻 光伏型：光电池 光伏型：光电二极管
热电偶/热电堆
热辐射计/热敏电阻 热释电探测器
光伏型：光电三极管
光纤传感器 电荷耦合器件CCD
量子效率
I s S e d q q
Is q N S hc q
•
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。 通常指器件中的实际响应曲线接近拟和直 线的程度。一般用非线性误差来度量。
max
400
Isc/mA
VL
S
100
80
200
PL
0
40
ILS
光电池的基本结构和工作原理
光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压 就能将光能转化成电能的光电器件。 基本结构：
1、金属-半导体接触型（硒光电池）
2、PN结型 几个特征：
•
入射光线
电极()
1、栅(梳)状电极
N P
电极()
• 2、受光表面的保护膜 • 3、上、下电极的区分
光电检测技术与应用第3章光电检测器件资料
变像管
成像型 像增强器
摄像管 真空摄像管
固体成像器件CCD
2
热光电探测元件
探测器件 光电探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型
真空光电管 充气光电管
放大型
光电倍增管 变像管 像增强器 摄像管
光电导探测 器
光磁电效应探测器
本征型
掺杂型
光敏电阻 红外探测器
非放大
光电池 光电二极管
光生伏特探测 器
光电流Ip= ΔσSU/L
7
光敏电阻的基本结构
光电导 体膜
2
绝缘基底
1
3
2
1-பைடு நூலகம்电导材料；2-电极；3-衬底材料
8
三种形式 ⑴梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在
玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在 槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再 敷上一层光敏材料。如图所示。
光电导体膜
O
CdS的光电特性
E
15
3.1.2、光敏电阻特性参数
2、伏安特性（输出特性）
一定光照下，光敏电阻
的光电流与所加电压关系
10
即为伏安特性。
100 lx
光敏电阻为一纯电阻， 符合欧姆定律，曲线为直线 。但对大多数半导体，电场 强度超过 104 伏厘米时，不再 遵守欧姆定律。而CdS在100V 时就不成线性了。
材料特性
（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导 能力的大小。
结构参数
（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导 效应的增强能力。
12
工作性能特点：
光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域 工作电流大，可达数毫安。 所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光 灵敏度高，光电增益可以大于1 无选择极性之分，使用方便。
光电检测技术第三章光电检测器件-159页PPT精选文档
() 1，一个光量子对应一个电子或产生一个电
子-空穴对。
实际上，() 1
对于有增益的光电器件（如光电倍增管），则
()1，此时改用增益或放大倍数这个参数。
光电检测器件
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。 即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比
波长
图2 Cs-Sb光电阴极光谱响应曲线
③多碱光电阴极
A、锑钾钠光电阴极：响应度可达50－100μA/lm，在 0.4 μm处量子效率达25％，能耐高温；
B、锑钾钠铯光电阴极：峰值响应度波长在0.42微米附 近，峰值响应度可达230μA/lm，量子效率高；响应 范围较宽。
④碲化铯（紫外）光电阴极：对太阳＆地表面辐射不 敏感，响应范围100－280nm；长波限在290～320微 米。
CCD
热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电阻 热释电探测器
光电检测器件
第一节：光电检测器件的基本特征参数 一、有关响应方面的特性参数 1．响应度(或称为灵敏度)-光电转换效能
光电探测器输出信号（输出电压或输出电流）与 输入辐射功率或光通量之比。
一定入射光功率下，探测器输出电压或电流，可 分为电压响应度或电流响应度。用公式表示如下：
探测率(比探测率)D*这—参数。
光敏
面积
D 1 NEP
测量
D* D Af 带宽
⑤暗电流 即光电检测器件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。
光电检测器件
三、其他参数 1、量子效率 ( )
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。
()
()
子-空穴对。
实际上，() 1
对于有增益的光电器件（如光电倍增管），则
()1，此时改用增益或放大倍数这个参数。
光电检测器件
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。 即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比
波长
图2 Cs-Sb光电阴极光谱响应曲线
③多碱光电阴极
A、锑钾钠光电阴极：响应度可达50－100μA/lm，在 0.4 μm处量子效率达25％，能耐高温；
B、锑钾钠铯光电阴极：峰值响应度波长在0.42微米附 近，峰值响应度可达230μA/lm，量子效率高；响应 范围较宽。
④碲化铯（紫外）光电阴极：对太阳＆地表面辐射不 敏感，响应范围100－280nm；长波限在290～320微 米。
CCD
热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电阻 热释电探测器
光电检测器件
第一节：光电检测器件的基本特征参数 一、有关响应方面的特性参数 1．响应度(或称为灵敏度)-光电转换效能
光电探测器输出信号（输出电压或输出电流）与 输入辐射功率或光通量之比。
一定入射光功率下，探测器输出电压或电流，可 分为电压响应度或电流响应度。用公式表示如下：
探测率(比探测率)D*这—参数。
光敏
面积
D 1 NEP
测量
D* D Af 带宽
⑤暗电流 即光电检测器件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。
光电检测器件
三、其他参数 1、量子效率 ( )
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。
()
()
光纤通信第3章
当光信号往返传输一周幅度不发生变化 时称为达到阈值状态。
相位条件
沿轴向发射的光在谐振腔中往返一周的光程差 为2nL（L为腔长，n为介质的折射率），对应的相 位延迟为2π· (2nL/λ) 则发生相长干涉的条件： 2π· (2nL/λ)＝q · 2π 即： 2nL/λ＝q 又： =c/ λ 则 谐振腔的选频特性 q为整数
N1＜N2
若媒质中N2＞N1，则受激辐射占主导地位，光 波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。
称为激活物质。
光辐射与光吸收
当系统处于热平衡状态时
N2 E2 E1 exp( ) N1 kT
式中， k=1.381×10-23J/K为波尔兹曼常数，T为热力学温度。 由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 电子 总是首先占据低能量的轨道。
N2＞N1的情况是一种处于非热平衡状态下
的反常情况，称之为粒子数反转分布，必须 要有外界的泵浦才能实现
能带理论——针对半导体材料 导带 禁带 价带
N型半导体中过剩电子占据了导带 P型半导体中过剩空穴占据了价带组成的PN结界面上，由于存 在多数载流子浓度梯度，因而产生扩散运动，形成内 部电场 内部电场支持少数载流子的漂移运动，最终两种 运动处于平衡状态
半导体激光器中增益区的形成
半导体激光器是一种PN结构成的二极 管结构，通过注入正向电流进行泵浦，当 注入电流达到一定的阈值后，在结区形成 一个粒子数反转分布的区域，价带主要由 空穴占据，而导带主要由电子占据。对于 光子能量满足Eg ＜hv＜e0V 的光子有光放 大作用，这个区域被称为有源区，半导体 激光器的光激射就发生在这个区域
法布里—珀罗（F-P）谐振腔
F-P谐振腔是一种最简单的光学反馈装置，它 由一对平行放置的平面反射镜（通常直接利用半导 体晶体材料的天然解理面）组成 。往返反射构成 正反馈。
光电检测器件(一般原理与种类)
这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生 载流子。
显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量 G， 我们称之为光电导。相应和杂质半导体就分别称为本征光电 导和杂质光电导。
四、光伏效应
光伏现象——半导体材料的“结”效应 例如：雪崩二极管
id is0 eeu/ kBT 1
m
1.24
光电导过程
半导体
光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件：
( m)
c
1.24 Eg (eV )
(本征)
1.24
(杂质)
Ei (eV )
Eg 是禁带宽度
Ei 是杂质能带宽度
光敏电阻
光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就 使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量
n
p
这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的 。
如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性 能均不受影响。 膜中2也CU含管有子少，量因的为正是离以子N，-S而i为它衬的底静，电虽感然应受不光会面使的NS-iSOi表2防面反产射 生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表 面漏电流，所以不需要加环极。
还设了一个环极。 ❖ 硅光电二极管结构示意图 ❖ 2DU管加环极的目的是为了减少暗电
流和噪声。
光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中 又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。
SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是 它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。
这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击 穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到 极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此， 这种管子有很高的内增益，可达到几百。
第三章 光电检测技术常用器件及应用2
太阳能建材一体化零能住宅
光电池应用
1、太阳能转变为电能—太阳能电池 2、光电检测器件
太阳能庭院灯。它们可以在白天生成并储 存自己的能量，然后在夜晚间释放能量。 这就像卫星一样，当位于行星有阳光的一 面时，它可以储存太阳能；当它在背光的 一面时，则使用所储存的能量。
太阳能庭院灯的典型构造
它由以下元件构成： 一个塑料外壳 顶部的一块太阳能电池 一个单块的AA镍镉电池 一个小的控制器板 一个LED光源 一个光敏电阻器，用于检测黑暗
第三章 光电检测技术常用器件及应用
1、光电器件的类型与特点
2、光电检测器件的特性参数 3、光电导器件---光敏电阻
主要内容
4、光生伏特效应------光电池 、光电二极管、光电三极管等 5、光电发射效应---光电管、光电 倍增管等 6、光热效应----热敏电阻、热电偶
光电池是根据光生伏特效应制成的将光 能转换成电能的一种器件。
目前太阳能发电的上网电价则 约为3.5元/千瓦时，是普通发电 机组上网电价的10倍左右
1954年美国贝尔实验 室制成了世界上第一 个实用的太阳能电池， 效率为4%，于1958年 应用到美国的先锋1号 人造卫星上。 我国1958年开始进行 太阳能电池的研制工 作，并于1971年将研 制的太阳能电池用在 了发射的第二颗卫星 上。
+
—
光电池的结构特点
光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大 的薄片状，来接收更多的入射光。
在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是 P型层
或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷）， 受光面 是N型层
受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作 用和保护作用 上电极做成栅状，为了更多的光入射
2) 多晶硅薄膜太阳能电池 优点：成本低，转化率不衰退 缺点：转化率较低 (18%) 制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相 外延法和溅射沉积法 3) 非晶硅薄膜太阳能电池 优点：成本低 缺点：转化率低 (13%) 制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外 延法和溅射沉积法 解决方法：制造叠层太阳能电池
第三章光电检测技术常用器件及应用3教材
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外 光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成 I型层。
在反向电压作用下， i层的 存在，提高了击穿电压。耗 尽层较无i层时要大得多，从 而使结电容下降，则RC延迟 时间τ RC减小，在ns左右。 提高了dr 响应速度；
由于耗尽层变宽，增加了吸收层厚度，改善了对长 波光的吸收，提高了灵敏度，增大了长波响应率。
高度 测量
三维尺寸 检测
光幕应用（续）
木材外形截面积检测
光幕应用（续）
光幕可 检测出带材 在卷曲过程 中的偏移， 经控制器和 执行机构使 带材向正确 的方向运动 （纠偏）。
纠偏
光幕应用（续）
光幕用于 自动收费系统的
车辆检测
光幕应用（续）
锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警
光幕应用（续）
安全区示警
1. 工作原理
光电三极管的工作分为两过程： 一是光电转换；二是光电流放大。
集电极输出的电流为
透明度测量、控制
质量检测
光电开关应用（续）
加工控制
光电开关应用（续）
机械手定位
光电开关应用（续）
商标方向检测
光电断续器的应用（续）
当工件 经过光电断 续器时，接 收器即产生 一个计数脉 冲。
光电传感器的其他用途（续）
电梯自动运行 条件判断
光电计数电路举例
光电三极管
光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结 构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的 NPN 结构，称为 3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP 结构，称为3CU型。
光电二极管 根据基底不同可 分为以P型硅为衬 底的2DU型与以N 型硅为衬底的2CU 型两种结构形式。 如图示为2DU型光 电二极管的原理 结构图。
在反向电压作用下， i层的 存在，提高了击穿电压。耗 尽层较无i层时要大得多，从 而使结电容下降，则RC延迟 时间τ RC减小，在ns左右。 提高了dr 响应速度；
由于耗尽层变宽，增加了吸收层厚度，改善了对长 波光的吸收，提高了灵敏度，增大了长波响应率。
高度 测量
三维尺寸 检测
光幕应用（续）
木材外形截面积检测
光幕应用（续）
光幕可 检测出带材 在卷曲过程 中的偏移， 经控制器和 执行机构使 带材向正确 的方向运动 （纠偏）。
纠偏
光幕应用（续）
光幕用于 自动收费系统的
车辆检测
光幕应用（续）
锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警
光幕应用（续）
安全区示警
1. 工作原理
光电三极管的工作分为两过程： 一是光电转换；二是光电流放大。
集电极输出的电流为
透明度测量、控制
质量检测
光电开关应用（续）
加工控制
光电开关应用（续）
机械手定位
光电开关应用（续）
商标方向检测
光电断续器的应用（续）
当工件 经过光电断 续器时，接 收器即产生 一个计数脉 冲。
光电传感器的其他用途（续）
电梯自动运行 条件判断
光电计数电路举例
光电三极管
光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结 构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的 NPN 结构，称为 3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP 结构，称为3CU型。
光电二极管 根据基底不同可 分为以P型硅为衬 底的2DU型与以N 型硅为衬底的2CU 型两种结构形式。 如图示为2DU型光 电二极管的原理 结构图。
第三章 半导体光电检测器件及应用一
光电信号检测
4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数 有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下 使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。 5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有 少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽 之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲 灵敏度为代价。 6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定 功耗，负载电阻值不能很小。 7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历 效应。
光电信号检测
表 3-1 几种光敏电阻的特性参数
光电信号检测
(6)噪声特性 1）热噪声 由于光敏电阻内载流子热运动产生的噪声 称为热噪声，又称为约翰逊（Johson）噪 声。
INJ
2
4kT f 4kT f (f) Rd (1 ) f Rd
光电信号检测
7)．前历效应 前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前 “历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前 历与亮态前历之分。
暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处
于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历 越长，光电流上升越慢，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。
光电信号检测
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
光电信号检测
亮态前历效应是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。
0 .4 0 0 .3 5 0 .3 0 0 .2 5 0 .2 0 0 .1 5 0 .1 0 0 .0 5 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4
4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数 有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下 使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。 5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有 少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽 之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲 灵敏度为代价。 6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定 功耗，负载电阻值不能很小。 7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历 效应。
光电信号检测
表 3-1 几种光敏电阻的特性参数
光电信号检测
(6)噪声特性 1）热噪声 由于光敏电阻内载流子热运动产生的噪声 称为热噪声，又称为约翰逊（Johson）噪 声。
INJ
2
4kT f 4kT f (f) Rd (1 ) f Rd
光电信号检测
7)．前历效应 前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前 “历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前 历与亮态前历之分。
暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处
于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历 越长，光电流上升越慢，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。
光电信号检测
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
光电信号检测
亮态前历效应是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。
0 .4 0 0 .3 5 0 .3 0 0 .2 5 0 .2 0 0 .1 5 0 .1 0 0 .0 5 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4
第三章_光电检测技术常用器件及应用
3）频率特性
下图是硅光电池的频率特性曲线。
由图可见，负载大时频率特性变差，减小负载可 减小时间常数τ，提高频响。但是负载电阻RL的减 小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而 定。（为什么？）
4）温度特性
光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短
路电流Isc随温度变化的情况。光电池的温度曲线如下图所示。 它的开路电压VOC随着温度的升高而减小，其值约为2～3mV／oC；
为便于透光和减 小串联电阻 (a)结构示意图 (b)符号 （c）电极结构
工作原理如下图所示
硅光电池的电流方程
I L I p I D I p I0(eqV / kT 1)
3 光电池的特性参数
1)伏安特性
光照特性主要有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。
真空摄像管 变像管
像增强管
光电检测器件的特点
光子器件 热电器件
响应波长有选择性，一般有截 响应波长无选择性，对可见光 止波长，超 过该波长，器件 到远红外的各种波长的辐射同 无响应。 样敏感
响应快，吸收辐射产生信号需 响应慢，一般为几毫秒 要的时间短， 一般为纳秒到 几百微秒
3.1 光敏电阻
光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应， 而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。
3.2.1 光电池
光电池是一种不需加偏压就能把光能直接转 换 成电能的p-n结光电器件。 按光电池的用途可分为两类：即太阳能光电池 和测量光电池 光电池的基本结构就是一个p-n结，由于制作pn结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、 砷化镓光电池和锗光电池。
68
光敏电阻的应用-----火焰检测报警器
第三章+光电检测器件
换为该物体中某些电子的能量而产生的 电效应。
光电效应通常分为外光电效应和内 光电效应两大类。
2021/5/7
35
3.1.1 外光电效应
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面， 向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子 叫光电子。它是1887年由德国科学家赫兹发现的。
光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量 的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦光电效应方程 式，有
NEP e (W ) SNR
• 一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。
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25
• NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。
▪ 噪声等效功率是一个可测量的量。
▪ 设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0 ▪ 然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN ▪ 则按比例计算，要使U0＝UN，的辐射功率为
2021/5/7
36
式中
E
h
1 2
mu 2
A0
A0——逸出功，也称功函数，是一个电子从金 属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功， 其值与材料有关，还和材料的表面状态有关；
m——电子的静止质量，m=9.1091×1031 kg；
u——电子逸出物体时的初速度； ——光子频率；
h——普朗克常数。
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• 导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作 随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为 零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均 方根电压，称为热噪声电压。
• 热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正 比，与频率无关，热噪声又称为白噪声
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2、散粒噪声
• 散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机 的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的， PN结中通过结区的载流子数也是随机的。
光电效应通常分为外光电效应和内 光电效应两大类。
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3.1.1 外光电效应
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面， 向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子 叫光电子。它是1887年由德国科学家赫兹发现的。
光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量 的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦光电效应方程 式，有
NEP e (W ) SNR
• 一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。
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25
• NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。
▪ 噪声等效功率是一个可测量的量。
▪ 设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0 ▪ 然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN ▪ 则按比例计算，要使U0＝UN，的辐射功率为
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式中
E
h
1 2
mu 2
A0
A0——逸出功，也称功函数，是一个电子从金 属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功， 其值与材料有关，还和材料的表面状态有关；
m——电子的静止质量，m=9.1091×1031 kg；
u——电子逸出物体时的初速度； ——光子频率；
h——普朗克常数。
2021/5/7
• 导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作 随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为 零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均 方根电压，称为热噪声电压。
• 热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正 比，与频率无关，热噪声又称为白噪声
2021/5/7
19
2、散粒噪声
• 散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机 的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的， PN结中通过结区的载流子数也是随机的。
第三章 半导体光电检测器件及应用三
3.电流增益G 表征光电倍增管的内增益特性，为阳极电流 与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度 之比，即 G = IA/IK =SA/SK 若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的 倍增系数均相等，则 G＝δn 因为δ是电压的函数，所以G也是电压的函数。 一般G为106~108。 《光电信号检测》
盒栅式 收集率较高（可达95%），结构紧凑， 但极间电子渡越时间零散较大。
《光电信号检测》
各种倍增极的结构形式 a) 百叶窗式 b) 盒栅式 c) 直瓦片式 d) 圆瓦片式
《光电信号检测》
所谓聚焦不是指使电子束会聚于一点，而 是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增 极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能 有交叉。非聚焦则是指在两电极间的电子 运动轨迹是平行的。 5．阳极 阳极是采用金属网作的栅网状结构，把 它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收 集最末一级倍增极发射出来的电子。
《光电信号检测》
主要技术指标
1.光谱响应范围和最大响应波长 下限：由窗口玻璃的材料决定 上限：由光阴极材料的逸出功决定。
《光电信号检测》
主要技术指标
2.灵敏度 倍增管灵敏度有阴极灵敏度与阳极灵敏度之 分。每一种灵敏度对于入射光，又都有光谱 灵敏度（对于单色光）与积分灵敏度（对于 多色光或全色光）之分。 测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍 增极和阳极都连到一起为另一极，相对于阴 极加100～300V直流电压，照射到光电阴极 上的光通量约为10-2～10-5lm。
《光电信号检测》
通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作 GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时， 可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发 光波长，使λ在550～900nm间变化，它已经进入 红外区。
光电检测器件光电检测器件
IA M 0 IK
n
M
n
3、光电特性
阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数 关系，称为倍增管的光电特性。
4．光谱特性
远紫外
可见光
近红外
短波限
长波限
－－窗口材料限制
－－阴极材料限制
5、暗电流 （1）定义：无光照时，PMT的输出电流。 （2）引起暗电流的因素： • （主要暗电流）光电阴极＆第一倍增极的热电子发 射； • （极间漏电流）各级绝缘体强度不够或极间灰尘放 电； • 离子＆光的反馈作用（抽真空技术受限）； • 场致发射，尖端放电（尖端，棱角，边缘的高压放 电）； • 放射性同位素＆宇宙射线的影响。
光电检测器件
在各打拿极 D1、D2、D3…和阳极A上依次加有逐 渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次 发射系数大于1。这样,光阴极发射的电子在D1电场的 作用下以高速射向打拿极D1,产生更多的二次发射电子, 于是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。如此继 续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子， 最后被阳极收集。
常用的光电阴极材料
金属： 半导体： 光吸收系数大得多，散 反射系数大(约为99 射能量损失小，量子效 ％) 、吸收系数小、 率比金属大得多－－光 碰撞损失能量大、逸 谱响应：可见光和近红 出功大－－适应对紫 外灵敏的光电探测器。 外波段。
半导体材料广泛用作光电阴极 常规光电阴极 负电子亲和势阴极
EA 0
２.荧光分光光度计 荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物 学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这 种光称为荧光。用光电倍增管检测荧光的强度及 光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。 3.拉曼分光光度计 用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中， 只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这 种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进 行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱， 因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用 单光子计数法。
第03章 光电检测器件
伏安特性
IL VD R
L
Rs I+ Ip VD IL R
L
由光电池的电流方程： Rs很小，可忽略，上式变为：
CdS的光电特 性
E
14
3.1.2、光敏电阻特性参数 2、伏安特性（输出特性）
一定光照下，光敏电阻 的光电流与所加电压关系 即为伏安特性。 光敏电阻为一纯电阻， 符合欧姆定律，曲线为直线 。但对大多数半导体，电场 伏 强度超过 10 厘米时，不再 遵守欧姆定律。而CdS在100V 时就不成线性了。
指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象
。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。 暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当 它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电 压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升 越慢。
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
18
3.1.2、光敏电阻特性参数 前历效应
亮态前历效应：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。
19
3.1.2、光敏电阻特性参数 5、频率特性
光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f上低，只
有PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。
同时，时间特性与输
27
3.1.3、光敏电阻的应用电路
2、照相机电子快门
Ub
b
Rp2
10kΩ
R1
5.1kΩ
R2
300Ω
VD
M
驱动 单元
R CdS
Uth UR
+ A _ V Uth=??? UR=???
C1
Rp1
IL VD R
L
Rs I+ Ip VD IL R
L
由光电池的电流方程： Rs很小，可忽略，上式变为：
CdS的光电特 性
E
14
3.1.2、光敏电阻特性参数 2、伏安特性（输出特性）
一定光照下，光敏电阻 的光电流与所加电压关系 即为伏安特性。 光敏电阻为一纯电阻， 符合欧姆定律，曲线为直线 。但对大多数半导体，电场 伏 强度超过 10 厘米时，不再 遵守欧姆定律。而CdS在100V 时就不成线性了。
指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象
。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。 暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当 它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电 压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升 越慢。
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
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3.1.2、光敏电阻特性参数 前历效应
亮态前历效应：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。
19
3.1.2、光敏电阻特性参数 5、频率特性
光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f上低，只
有PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。
同时，时间特性与输
27
3.1.3、光敏电阻的应用电路
2、照相机电子快门
Ub
b
Rp2
10kΩ
R1
5.1kΩ
R2
300Ω
VD
M
驱动 单元
R CdS
Uth UR
+ A _ V Uth=??? UR=???
C1
Rp1
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光敏电阻在恒压偏置电路的情况下输出的电流IP与处于 放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等。因此，恒压 偏置电路的输出电压为
光敏电阻的应用电路
2、照相机电子快门
Ubb Rp2
10kΩ
R1
5.1kΩ
R2
300Ω
VD
M
驱动 单元
R CdS K C1
Uth UR
+ A _ V
Rp1
10kΩ
快门 按钮
硅光电池的特性参数
2、输出特性
•VLS随RL的加大而升高，当RL为无穷大时Voc/V ，VLS等于开路电压Voc 。 •RL趋近于0时，ILS趋近于短路电流Isc。 •在RL=RM时，PL为最大输出功率PM，RM称 为最佳负载。光电池作为换能器件时要 考虑最大输出问题，跟入射光照度也有 关。 •作为测量使用，光电池以电流使用。短 路电流Isc与光照度成线性关系，RL的存 在使IL随光照度非线性的增加。RL增大， 线性范围越来越小。
I 2 I1
•
3、工作温度： 光电探测器最佳工作时的温度。
第三章 光电检测器件
主要教学内容： 3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数 3.3 半导体光电器件 3.4 热电检测器件
3.3 半导体光电检测器件
一、光敏电阻
在绝缘材料上装梳状光电导体封 闭在金属或塑料外壳内，再在两 端连上欧姆接触的电极而成。
光电检测技术
第三章
第三章 光电检测器件
主要教学内容：
3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数
3.3 半导体光电器件
3.4 热电检测器件
3.1 光电器件的类型与特点
光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特 性发生变化。 光电子发射：物体受光照后向外发射电子—多发 生于金属和金属氧化物。 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载 流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少。 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导 体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两 侧产生光生电动势。
电极
目前一般采用禁带宽度较大的 材料，使得在室温下能获得较 大的暗电阻（无光照时的电 阻）。
光敏电阻的蛇形结构
•光敏电阻 (LDR) 和它的符号： 符号
光敏电阻
光敏电阻演示
暗电流（越小越好）
工作原理 当入射光子使半导体物
质中的电子由价带跃升到导 带时，导带中的电子和价带 中的空穴均参与导电，因此 电阻显著减小，电导增加， 或连接电源和负载电阻，可 输出电信号，此时可得出光 电导g与光电流I光的表达式 为：
对CdS光电导体，弱光照射下 γ=1，强光下γ=0.5；为什么 ？ 光照增强的同时，载流子浓 度不断的增加，同时光敏电阻 的温度也在升高，从而导致载 流子运动加剧，因此复合几率 也增大，光电流呈饱和趋势。 （冷却可以改善）
I光
1
弱光照，线性光电
0.5
强光照，抛物线光
E
2、伏安特性（光敏电阻的光电流与所加电压关系）
硅光电池的特性参数 1、光照特性
qV kT I L S g E I s e 1 qV 当E=0时 I L I s e kT 1
负载电流IL
Voc1 Voc5
Is
Isc1 Isc2 Isc3 Isc4
当IL=0时
kT I p Voc ln + 1 q Is
1、光照特性
伏安特性
IL VD RL Ip Is VD Rs IL RL
由光电池的电流方程：
q V I L Rs I L I p I s e kT 1
Rs很小，可忽略，上式变为：
qV qV Ip=S· E I L S g E I s e kT 1 I L I p I s e kT 1
（一）光电检测器件的噪声 1、热噪声（约翰逊噪声） 载流子无规则的热运动造成的噪声。主要用 热噪声电压或电流表示。
白噪声
2、散粒噪声（散弹噪声） 穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声。
3.2 光电器件的基本特性参数
（二）衡量噪声的参数
信噪比（S/N）
在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功 率之比，即
RL=∞ RL5 E RL4 RL4 RL1 RL2 RL3
kT I p 一般Ip>>Is, Voc ln q Is
当RL=0时，Isc=Ip=S· E
RL=0
硅光电池的特性参数
1)、Voc，Isc与E的关系：
当IL=0，RL=∞时
kT I p Voc ln + 1 q Is
2 IS IS S 10 lg 2 20 lg IN IN N dB
（5）
四、其他参数
1、量子效率：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。
单个光子 的能量为
hc /
N
e d
hc
d 辐通量为 e d
每秒产生的光 电子数
量子流速率 （每秒入射的 光量子数）
400
Isc/mA
VL
S
100
80
200
PL
0
40
ILS
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。其关系如下： So S f （） 4 1 2 2 1 2f
1 0.707
S f So
上限截 止频率
1 1 f上 2 2RC
频率响应曲线 f上 f
3.2 光电器件的基本特性参数
三、有关噪声方面的参数
特点：时间常数大（为什么？），上限频率低 光敏电阻为多数载流子运动
光敏电阻的优缺点
1、优点：灵敏度高，工作电流大，光谱响应范 围与所测光强范围宽、无极性使用方便；
2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性 差、受温度影响大等。
3、应用：主要应用在红外的弱光探测与开关控 制。（照相机的电子快门等）
E (Lx)
用于光电池检测
硅光电池的特性参数
2)、Isc与E和RL的关系：
J/uA· 2 mm
RL=120Ω RL=2.4kΩ RL=12kΩ
当RL=0时，
Isc=Ip=S· E
当RL不为0时
qV e kT 1 IL Sg E Is
为什么RL的增加会使光电流减小？
1uF
光敏电阻的应用电路
3、照明灯的光电控制电路
基本功能：根据自然光 的情况决定是否开灯。 基本结构：整流滤波电 路；光敏电阻及继电器 控制；触电开关执行电 路 基本原理：光暗时，光 敏电阻阻值很高，继电 器关，灯亮；光亮时， 光敏电阻阻值降低，继 电器工作，灯ห้องสมุดไป่ตู้。
测光与控制
VD
R
CdS ~220V C K
光敏电阻的应用电路
1、火焰检测报警器
高输入 阻抗放 大电路
恒压 偏置 电路
2kΩ
200kΩ
R2
R1
68nF
C1
3.9MΩ
R4
3.9kΩ
R6
V3 V1
68uF
Vo
中心站 放大器
4.7nF
C2
V2 R5 R7
150kΩ
R9
C4
VDW
6V
820kΩ PbS
R3
1kΩ
32kΩ
R8
+ C3
100uF
PbS光敏电阻：Rd=1MΩ, Rl=0.2MΩ，峰值波长2.2um。
主要教学内容： 3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数 3.3 半导体光电器件 3.4 热电检测器件
3.2 光电器件的基本特性参数
一、光电检测器件的概念
利用物质的光电效应把光信号转换成电信 号的器件。 二、有关响应方面的特性参数 1、响应度（灵敏度）
响应度是光电探测器输出信号（电压或电 流）与输入辐射功率之间关系的度量。 Vo Io SV ，S I （） 1 Pi Pi
光 电 流 100lx
10lx
额定功耗线 E=0 电压
设计时不应使电阻的实际功耗超过额定值
3、温度特性
相 对 光 电 导
光源色温2856K
1000lx 10lx 100lx T
T升高，相对电导率下降，因此温度变化 大时，应采取制冷措施，提高光敏电阻工 作稳定性。
4、时间和频率响应
相 对 输 出 硫化铅 硫化镉 硒 硫化铊 频率
S
1
o
S d
输出光电流
0
d
(3)
总光通量
4、响应时间
描述光电探测器对入射辐射响应快慢地一个参数。 即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射被遮断 后，其输出上升到稳定值或下降到照射前的值所 需要的时间。
入射光
入射光脉冲方波 t I光1
0.9
响应时间 t
0.1
tr
tf
入射光
g=gL-gd I光=IL-Id
光敏电阻的特性参数
1、光电特性 I 光＝S g E U 式中，S g 为光电导灵敏度（西门子 / 勒克斯：s / lx），是 光电导g与输入光照度E之比；E为照度，为光照指数， 它与材料的入射光强弱有关，一般 0.5 ~ 1 U为光敏 ； 电阻两端电压。