第14-3章光电探测器
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第三章 光电信号的采集
(2)匹配偏置电路 匹配偏置指的是偏置电阻RB等于探测器内阻Rd 。
图为一匹配偏置电路。由于光敏电阻的阻值对温度变化特别敏 感，偏置电路中的RB通常不采用一个固定电阻，而是用一个与所 用探测器相同规格的光敏电阻代替，使RB与Rd随温度产生相同的 变化，以减小由于环境温度变化对输出信号的影响，从而保持输 出端A点电位的稳定。
(2) 孔径误差 由于模拟量转换成数字量有一个过程，对于一 个动态模拟信号，在模/数转换器接通的孔径时 间里，输入的模拟信号值是不确定的，从而引 起输出的不确定误差。 可见，孔径误差与信号的最高频率f和系统的 孔径时间有关
。
假设输入信号为一频率为ƒ的正弦信号V=Vmsin2 π ƒt，如图所示。
它基本上是一个电流-电压变换器，在环路增益很大的情况 下，输出电压与与输入电流之间的关系为： Vo = -ZFIi； 式中，ZF是从放大器的输出到输入的有效反馈阻抗。
2. 低噪声放大 第一级低噪声前置放大器多采用分立元件，因为集成运算放大 器的噪声一般比低噪声分立元件的噪声大。晶体管的选择是设计 前置放大器的重要环节，通常根据光电探测器的阻抗来选择合适 的晶体管。对于低噪声放大器，源电阻的大小是选择第一级放大 元件的重要依据。如果源电阻RS在1kΩ~1M Ω之间，选用运算放 大器； RS在1MΩ~1G Ω之间，多采用结型场效应管(JFET)；当RS 超过1G Ω，可采用MOSFEF。 要得到低噪声前置放大器，必须选用噪声系数小的晶体管，同 时还要使光电探测器的源电阻与晶体管的最佳源电阻相等，以得 到最小的噪声系数。但在实际使用中，这二者不会刚好相等，可 以采用变压器匹配和并联来达到阻抗匹配的目的。 此外，还要减少背景光、杂散光以及外界电磁场对光电探测器 和前置放大器的影响。
光电探测器综述(PD)讲解
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
《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
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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，
光电探测器分解课件
光电探测器的应用领域
总结词
光电探测器广泛应用于各种领域，如科学研究、工业 生产、安全监控等。其应用范围涵盖了光谱分析、辐 射监测、激光雷达、光纤通信等众多领域。
详细描述
光电探测器作为一种重要的光电器件，具有广泛的应用 领域。在科学研究领域，光电探测器可用于光谱分析、 辐射监测等实验中，帮助科学家深入了解物质的性质和 行为。在工业生产领域，光电探测器可用于各种自动化 生产线和设备的控制与监测，提高生产效率和产品质量 。此外，在安全监控、激光雷达、光纤通信等领域，光 电探测器也发挥着重要的作用。通过不断的技术创新和 应用拓展，光电探测器的应用前景将更加广阔。
02
薄膜沉积
在衬底上沉积光电探测器的关键薄膜 材料，如半导体材料、金属材料等。
01
封装与测试
将制造完成的光电探测器进行封装和 性能测试，确保其正常工作。
05
03
光刻与刻蚀
通过光刻技术将薄膜材料加工成所需 的结构和图形，然后进行刻蚀以形成 光电探测器的各个部分。
04
掺杂与欧姆接触
对光电探测器的半导体材料进行掺杂 ，并形成欧姆接触，以实现电流的收 集和传输。
光电探测器输出电压与输入光 功率之比，用于衡量光电探测
器的光转换效率。
带宽
光电探测器的响应速度的量度 ，通常以Hz或MHz为单位。
噪声等效功率
在一定的信噪比下，探测器可 检测到的最小光功率。
线性范围
光电探测器输入光功率与输出 电压呈线性关系的范围。
03
光电探测器的制造工艺
制造工艺流程
衬底准备
选择合适的衬底材料，并进行清洗和 加工，为后续制造过程做准备。
光电探测器的发展趋势
高响应速度
光 电 探 测 器ppt课件
2
(W )
4.探测度D与归一化探测度D*
• 探测度D 为噪声等效功率的倒数，即
• 归一化探测度D*
1 D NEP
由于D与探测器的面积Ad 和放大器带宽 Δ f乘积的平方根成正比，为消除这一影 响，定义： D*越大的探测器其探测能力越强。
1 1 / 2 D DAf ( ) d * N E P
出下降到稳定值所需要的时间。
2.量子效率
量子效率：是指每入射一个光子光电探测器所释放 的平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式
为:
I /e P / h
式中，I是入射光产生的平均光电流大小，e是电子 电荷，P是入射到探测器上的光功率。I/e为单位时 间产生的电子数,P/hυ 为单位时间入射的光子数。
光电探测器
光电检测器件
光子器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
热电器件
固体器件
光敏电阻 热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电 阻 热释电探测器
光电池
光电二极管 光电三极管
光纤传感器
电荷耦合器件 CCD
光电探测器的种类
光电探测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信 号的转换。对光检测器的基本要求是：
+ +
E
收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽 层，因而光生电流中漂移分量占支配地位， 从而大大提高了响应速度。还可以通过控制 耗尽层的厚度，来改变器件的响应速度。
为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半 导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光 的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表 W 示为 ： P W P 1 e
(W )
4.探测度D与归一化探测度D*
• 探测度D 为噪声等效功率的倒数，即
• 归一化探测度D*
1 D NEP
由于D与探测器的面积Ad 和放大器带宽 Δ f乘积的平方根成正比，为消除这一影 响，定义： D*越大的探测器其探测能力越强。
1 1 / 2 D DAf ( ) d * N E P
出下降到稳定值所需要的时间。
2.量子效率
量子效率：是指每入射一个光子光电探测器所释放 的平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式
为:
I /e P / h
式中，I是入射光产生的平均光电流大小，e是电子 电荷，P是入射到探测器上的光功率。I/e为单位时 间产生的电子数,P/hυ 为单位时间入射的光子数。
光电探测器
光电检测器件
光子器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
热电器件
固体器件
光敏电阻 热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电 阻 热释电探测器
光电池
光电二极管 光电三极管
光纤传感器
电荷耦合器件 CCD
光电探测器的种类
光电探测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信 号的转换。对光检测器的基本要求是：
+ +
E
收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽 层，因而光生电流中漂移分量占支配地位， 从而大大提高了响应速度。还可以通过控制 耗尽层的厚度，来改变器件的响应速度。
为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半 导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光 的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表 W 示为 ： P W P 1 e
光电信号检测 光电探测器概述
6. 光学视场
7. 背景温度（红外）
二、有关响应方面的性能参数
1．响应率（响应度)Rv或RI
• 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测 器输出信号与输入辐射之间关系的参数。
• 定义为光电探测器的输出均方根电压VS或电流IS 与入射到光电探测器上的平均光功率之比，并分 别用RV 和RI 表示，即
hc w (逸出功)
hc/ w
低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电 阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 • 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的 是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电 流增益，能检测极微弱的光辐射信号。 • 波段：可见光和近红外（<1.25μm） • 特点：响应快、灵敏度高
热探测器的特点： 无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制
§2－2 光电探测器的性能参数
一、 光电探测器工作条件
• 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。只有这样，光电探测器才能互换 使用。
1．辐射源的光谱分布
• 很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应是辐射波长的 函数，仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。 • 所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所 用辐射源的光谱分布。
随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个 光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动 了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。 目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化， 即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片 上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、 提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要 方面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测 器阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输。
光电探测器的选择
要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。
1.光电探测器光电二极管和普通二极管一样，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。
普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。
光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。
光的强度越大，反向电流也越大。
光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。
2.红外探测器光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。
在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。
另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。
红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。
近红外指波长为—3微米的光波，中红是指3—20微米的光波，远红外是指20—1000微米的波段。
但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即1—3,3—5和8—14可以让红外辐射通过。
因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。
红外探测器的分类：按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器，激光红外探测器，超声波红外探测器，磁控开关红外探测器，开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。
按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。
半导体光电探测器PPT课件
计量起伏噪声（以起伏噪声电压 n ( t为) 例，噪声电流 i n ( t )类似）
n (t) 0噪声电压平均值的瞬间振幅和相位随时间呈无规则变化
___
2 n
均方值完全确定，表示单位电阻上所消耗的噪声平均功率
___
2 n
—计量噪声电压大小
___
2 n
—起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_n2
光电导探测器
光电导探测器（弱辐射下）
设模型为N型材料（P型同此分析）
若光功率P沿x方向均匀入射，光电导材料的吸收系数为
则入射光功率在材料内部沿x方向的变化为
P(x)Pexp(x) （P为x=0处入射功率）
x处光生载流子的浓度设为n(x)
外加电场下，光电子的漂移电流密度光为生载流子的稳产态生率件和下复合率相等
发射的光电子数也总是围绕一个统计平均值做无规则伏。
内光电探测器中，光生载流子的产生和复合的随机性，
通过PN结的载流数总有微小的不规则起伏。
定义：
散粒噪声的均方值
Vn22eG2I0R2f
I 0 —通过探测器的平均电流
In2 2eG2I0f
Ｇ—探测器的电流内增益
#
.
22
光电探测器的噪声
低频噪声
来源：目前尚不清楚。
n和p
分别是电子和空穴浓度的增量，即光生载流子
浓度
截止波长
c
1.24 Eg (eV)
(m)
入射光子的能量须不低于本征半导 体的禁带宽度，既存在“红限”
.
# 28
光电导探测器
光电导效应
杂质半导体
光电导率增量
n enn
p enp
（N型） 电子 浓度增量 （P型） 空穴浓度增量
光电探测器PPT课件
.
6
3．电子光学系统
电子光学系统是适当设计的电极结构，使前一级发射出来
的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一 级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电子，落 到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。
.
7
4．倍增系统
倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是
倍增极材料大致可分以下四类：
1）含碱复杂面主要是银氧铯和锑铯两种，它们既是灵敏的光 电发射体，也是良好的二次电子发射体。
2）氧化物型，主要是氧化镁。 3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。 4）负电子亲合工作电压不致于过高；热发射小，以便整管的暗电流和噪声小
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。
测试阳极灵敏度时，各倍增极和阳极都加上适当电压，因 为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注 明整管所加电压。
积分灵敏度与测试光源的色温有关，一般用色温为2856K 的白炽钨丝灯（A光源）。(色温：辐射源发射光的颜色与黑体 在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐 射源的色温。)色温不同时即使测试光源的波长范围相同，各单 色光在光谱分布中的组分不同时. ，所得的积分灵敏度也不同。14
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。
.
第14-3章光电探测器
20
PIN光电二极管
PIN光电二极管工作原理
降低半导体材料的掺 杂浓度可以增加耗尽 层的宽度。因此往往 在P 型材料与N 型材 料的中间插入一层掺 杂浓度十分低的I 型 半导体材料（接近本 征型）以形成较宽的 耗尽层。
21
PIN光电二极管工作原理
高场强
PIN 光二极管中 的I 区之电场强度 远远大于P 区与N 区中的电场，从 而保证了光子载 流子的定向运动 以形成光电流。
11
光电探测器工作原理
半导体光电探测器的依据：
能够吸收光能并把光变为电。半导体材料对光的吸 收可分：本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂 质吸收和自由载流子吸收。
普通光电二极管(PD) ------pn结 PIN光电二极管------pn结+I层 雪崩光电二极管------PIN+p层
12
半导体光电探测器的原理：
22
反向偏置时，整个I区 都为耗尽层，在耗尽层 中电场作用下，光生载 流子会很快地扫过耗尽 层，电子到达n区，空 穴到达p区，在外电路 上形成光电流。
PIN光电二极管及能带图
23
PIN光电二极管动画
24
PIN光电二极管实例
InGaAs PIN PD
25
光电探测器结构
普通光电二极管(PD) ------pn结
9
按器件响应波段分
常用的光电接收器材料
常用光电接收 器的材料有硅 锗等 右图为几种常 用材料的响应 曲线 光电接收器的 基本性能：响 应波长，敏感 度，噪声性能 等
Quantum Efficiency = 1
Germanium
InGaAs 0.5
Silicon 0.1 500
PIN光电二极管
PIN光电二极管工作原理
降低半导体材料的掺 杂浓度可以增加耗尽 层的宽度。因此往往 在P 型材料与N 型材 料的中间插入一层掺 杂浓度十分低的I 型 半导体材料（接近本 征型）以形成较宽的 耗尽层。
21
PIN光电二极管工作原理
高场强
PIN 光二极管中 的I 区之电场强度 远远大于P 区与N 区中的电场，从 而保证了光子载 流子的定向运动 以形成光电流。
11
光电探测器工作原理
半导体光电探测器的依据：
能够吸收光能并把光变为电。半导体材料对光的吸 收可分：本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂 质吸收和自由载流子吸收。
普通光电二极管(PD) ------pn结 PIN光电二极管------pn结+I层 雪崩光电二极管------PIN+p层
12
半导体光电探测器的原理：
22
反向偏置时，整个I区 都为耗尽层，在耗尽层 中电场作用下，光生载 流子会很快地扫过耗尽 层，电子到达n区，空 穴到达p区，在外电路 上形成光电流。
PIN光电二极管及能带图
23
PIN光电二极管动画
24
PIN光电二极管实例
InGaAs PIN PD
25
光电探测器结构
普通光电二极管(PD) ------pn结
9
按器件响应波段分
常用的光电接收器材料
常用光电接收 器的材料有硅 锗等 右图为几种常 用材料的响应 曲线 光电接收器的 基本性能：响 应波长，敏感 度，噪声性能 等
Quantum Efficiency = 1
Germanium
InGaAs 0.5
Silicon 0.1 500
光电探测器的性能参数
（W-1） 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。
1 Vs / VN D NEP P
优劣。为此．引入两个新的性能参数 —— 探测 率D和比探测率D*
●显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。
它描述的特性是：光电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。
光电信号处理
光电探测器的性能参数
1.1.3 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
S Ps I s2 RL I s2 即： 2 2 N PN I N RL I N
●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。
●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。
2．等效噪声输入(ENI)功率
●定义：探测器在特定带宽内(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）
1 Vs / VN D NEP P
优劣。为此．引入两个新的性能参数 —— 探测 率D和比探测率D*
●显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。
它描述的特性是：光电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。
光电信号处理
光电探测器的性能参数
1.1.3 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
S Ps I s2 RL I s2 即： 2 2 N PN I N RL I N
●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。
●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。
2．等效噪声输入(ENI)功率
●定义：探测器在特定带宽内(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）
光电子技术基础14
光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。
2. 光谱灵敏度Rλ
条于件是光下光功不谱率变灵谱的敏密情度度R况λ定R下λ由义，于为光光电电流探将测是器光的波光长谱的选函择数性，，记在为其iλ，它
R
i dP
1
Rλ是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测 器)，光子探测器则是选择性探测器。
频率灵敏度
Rf
R0
1 (2f )2
这就是探测器的频率特性，R f随f 升高而下降的速度与τ 值大小关系很大。
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。
4. 量子效率η
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。
对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1
实际上， <1
量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。
如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光 电、光谱以及频率特性，那么量子效率η则是对同一个问 题的微观—宏观描述。
通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为
S R / Rm
(2)
Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光 谱灵敏度曲线。
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'
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9
按器件响应波段分
常用的光电接收器材料
常用光电接收 器的材料有硅 锗等 右图为几种常 用材料的响应 曲线 光电接收器的 基本性能：响 应波长，敏感 度，噪声性能 等
Quantum Efficiency = 1
Germanium
InGaAs 0.5
Silicon 0.1 500
1500 1000 Wavelength nm
雪崩光电二极管的原理
在高电场区，由入射光产生的空穴电子对在高电场作用下高速 运动。由于其速度很快而具有很大的动能，所以在运动过程中 会出现“碰撞电离”现象而产生新的二次空穴电子对。同样， 二次空穴电子对在高电场区运动又可以通过“碰撞电离”效应 产生三次、四次空穴电子对。这样以来，由入射光产生的一个 首次空穴电子对，可能会产生几十个或几百个空穴电子对，即 所谓“倍增”效应，如图所示。
第14章 光器件
§14.1 光学吸收 § 14.2 太阳能电池 § 14.3 光电探测器
§ 14.4 光致发光和电致发光 § 14.5 光电二极管
光
光电效应
电
方式一
------外光电效应
物体内的电子逸出物体表面向外发射的现 象叫做外光电效应。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光 电倍增管。
2
爱因斯坦光电效应方程：
36
在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目 正好等于因复合而消失的数目。 因此在导带和满带中维持着一个热平衡的电子浓 度n和空穴浓度p，他们的平均寿命分别用 和 n 表示。无论何种半导体材料，下式一定成立， p 即 式中ni是响应温度下本征半导体中的本征热生载 流子浓度。这说明，在n型或p型半导体中，一种 浓度增大，另一种浓度就减少，但绝不会减少到 零。
30
雪崩光电二极管的原理
在漂移区，虽不具有象高 电场区那样的高电场，但 对于维持一定的载流子速 度来讲，该电场是足够的 。总之，在同样大小入射 光的作用下，由于倍增效 应，APD 光二极管可以产 生比PIN 光二极管高得多 的光电流。
31
APD光电二极管动画
33
光敏电阻
如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下 ，用光照射就能改变电路中电流的大小.
在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态 过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
5
光电效应
------内光电效应
当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为 本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电 材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光 导体的电导率变大。
电子能量E
经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩 倍增效应。
27
雪崩光电二极管的结构
APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到 倍增的高灵敏度的检测器。
下图为一种被称为拉通型APD（RAPD） 的结构。 π层为低掺杂区（接近本征态），而 且很宽。当偏压加达到一定程度后，耗尽区将 被拉通到π层，一直抵达P+层。 这是一种全耗尽型结构，具有光电转换 效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。
11
光电探测器工作原理
半导体光电探测器的依据：
能够吸收光能并把光变为电。半导体材料对光的吸 收可分：本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂 质吸收和自由载流子吸收。
普通光电二极管(PD) ------pn结 PIN光电二极管------pn结+I层 雪崩光电二极管------PIN+p层
12
半导体光电探测器的原理：
PIN光电二极管------pn结+I层 雪崩光电二极管（APD）------PIN+p层
26
雪崩光电二极管（A P D）
雪崩光电二极管的结构
当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生 的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这 些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞， 使晶体中的原子电离，激发出新的电子—空穴对。这 些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也 可以电离其它的原子。
§14.3 光电探测器
凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压) 的光探测器，都称为光电探测器。
1。按照材料分。 2。按照器件波段分类。
可见Si、InGaAs，红外Ge、 InGaAs、 GaAs，远红 外TeCdHg
3。按照器件结构分类。
PD、 PIN、 APD、MSM
4。按照内部增益分类。
无：PD、PIN、MSM。有： APD
导带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
hυ≧Eg
Eg
禁带 价带
6
光电效应
------内光电效应
２．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一 定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电 池和光敏二极管、三极管。 光电效应 光照射PN结时，若hυ≧Eg，使价带中的电子跃 迁到导带，产生电子空穴对，在阻挡层内电场作 用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使 P区带正电，N区带负电， P N 形成光生电动势。 7
硫化铅 硫化铊 硫化镉
0 500 1000 1500 2000 2500
入射光波长/nm
图8-10 光敏电阻的光谱特性
硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰 值在红外区域。故选用时要把元件和光源 结合起来考虑。
40
光敏电阻实例
41
与书上图６-８相同
10
(3)依器件结构分类 结构主要有四种：光电
二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管 和MSM光电探测器。PN结光电二极管结构 最简单，PIN光电二极管结构稍复杂一些， 性能优异、应用最广；雪崩光电二极管结构 复杂，同时兼有探测和放大两种功能；MSM 光电探测器无需制造pn结，适合于难于掺杂 的半导体材料。
材料的带隙决 定了截止波长 要大于被检测 的光波波长， 否则材料对光 透明，不能进 行光电转换。
1 .0 1 .2 波长 / m
1 .4 1 .6 1 .8
Si 光电二极管的波长响应范 围0.5～1μm。
Ge 和 InGaAs―PIN 光电管的 图 材料吸收系数随波长的变化情况 波长响 应范围 约为 1~1.7μ m。 15
38
光敏电阻的主要参数和基本特性 暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电 流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电 阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的 电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差为光电流。
39
光谱特性
相 100 对 80 灵 60 敏 40 度 20 /%
1 2 h m0 A0 2
1.光电子能否产生，取决于光子的能量是 否大于该物体的表面电子逸出功A。
2.υ一定时，产生的光电流和光强成正比。
3.逸出的光电子具有动能。
3
4
光
光电导效应
电
方式二
------内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变 1．光电导效应 化，或产生光生电动势的效应。
22
反向偏置时，整个I区 都为耗尽层，在耗尽层 中电场作用下，光生载 流子会很快地扫过耗尽 层，电子到达n区，空 穴到达p区，在外电路 上形成光电流。
PIN光电二极管及能带图
23
PIN光电二极管动画
24
PIN光电二极管实例
InGaAs PIN PD
25
光电探测器结构
普通光电二极管(PD) ------pn结
当光照射到光电导体上时，若光电导体为本 征半导体材料，而且光辐射能量又足够强， 光导材料价带上的电子将激发到导带上去， 从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使 光导体的电导率变大。 光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱 特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、 小的体积及工艺简单，故应用广泛。
In 0 .53Ga0 .47As
普通光电二极管(PD)
P
N
光电二极管作成的光检测器 的核心是 PN 结的光电效应。
16
•光电二极管（PD）是一 个工作在反向偏压下的PN 结二极管，当PN结加反向 偏压时，外加电场方向与 PN结的内建电场方向一致 ，势垒加强，在PN结界面 附近载流子基本上耗尽形 成耗尽区。
1.24 (μm) c Eg (eV)
(本征)
本征吸收是半导体吸收光的主要机制， 从而构成光电探测器工作的基础。
14
1 05 Ge 1 04
吸收系数 (cm－ 1)
GaAs 1 03
1 02 Si 1 01 0 .4 0 .6 0 .8
In 0 .70Ga0 .30As 0 .64P0 .36
34
光电导效应
光电导效应只发生在某些半导体材料中，金 属没有光电导效应。 1.半导体材料的电导概念： 金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体 时产生了大量的自由电子。自由电子浓度n是 个常量，不受外界因素影响。 半导体和金属的导电机构完全不同，在0K时， 导电载流子浓度为零。在0K以上，由于热激 发而不断产生热生载流子(电子和空穴)，它在 扩散过程中又受到复合作用而消失。 35
8
(1)依材料分类
无论是直接带隙半导体材料还是间接带隙半 导体材料，都能够用来制备半导体光电探测 器件。而半导体发光器件要求半导体材料必
须是直接带隙半导体材料。因此，在这一点 上，光电探测器件对材料的要求比发光器件 宽容一些。材料有四族、II-IV族等半导体，例 如Ⅳ族的Si、Ge和SiGe合金，III-V族的GaAs、 InGaAs、InGaAsP、InGaN等。异质结材料 能够提供透明的窗口、完全的光学限制和优 异的导波特性，异质结构的光电探测器性能 超群，显示出了更多的好处，
h E g
即存在
按器件响应波段分
常用的光电接收器材料
常用光电接收 器的材料有硅 锗等 右图为几种常 用材料的响应 曲线 光电接收器的 基本性能：响 应波长，敏感 度，噪声性能 等
Quantum Efficiency = 1
Germanium
InGaAs 0.5
Silicon 0.1 500
1500 1000 Wavelength nm
雪崩光电二极管的原理
在高电场区，由入射光产生的空穴电子对在高电场作用下高速 运动。由于其速度很快而具有很大的动能，所以在运动过程中 会出现“碰撞电离”现象而产生新的二次空穴电子对。同样， 二次空穴电子对在高电场区运动又可以通过“碰撞电离”效应 产生三次、四次空穴电子对。这样以来，由入射光产生的一个 首次空穴电子对，可能会产生几十个或几百个空穴电子对，即 所谓“倍增”效应，如图所示。
第14章 光器件
§14.1 光学吸收 § 14.2 太阳能电池 § 14.3 光电探测器
§ 14.4 光致发光和电致发光 § 14.5 光电二极管
光
光电效应
电
方式一
------外光电效应
物体内的电子逸出物体表面向外发射的现 象叫做外光电效应。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光 电倍增管。
2
爱因斯坦光电效应方程：
36
在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目 正好等于因复合而消失的数目。 因此在导带和满带中维持着一个热平衡的电子浓 度n和空穴浓度p，他们的平均寿命分别用 和 n 表示。无论何种半导体材料，下式一定成立， p 即 式中ni是响应温度下本征半导体中的本征热生载 流子浓度。这说明，在n型或p型半导体中，一种 浓度增大，另一种浓度就减少，但绝不会减少到 零。
30
雪崩光电二极管的原理
在漂移区，虽不具有象高 电场区那样的高电场，但 对于维持一定的载流子速 度来讲，该电场是足够的 。总之，在同样大小入射 光的作用下，由于倍增效 应，APD 光二极管可以产 生比PIN 光二极管高得多 的光电流。
31
APD光电二极管动画
33
光敏电阻
如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下 ，用光照射就能改变电路中电流的大小.
在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态 过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
5
光电效应
------内光电效应
当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为 本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电 材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光 导体的电导率变大。
电子能量E
经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩 倍增效应。
27
雪崩光电二极管的结构
APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到 倍增的高灵敏度的检测器。
下图为一种被称为拉通型APD（RAPD） 的结构。 π层为低掺杂区（接近本征态），而 且很宽。当偏压加达到一定程度后，耗尽区将 被拉通到π层，一直抵达P+层。 这是一种全耗尽型结构，具有光电转换 效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。
11
光电探测器工作原理
半导体光电探测器的依据：
能够吸收光能并把光变为电。半导体材料对光的吸 收可分：本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂 质吸收和自由载流子吸收。
普通光电二极管(PD) ------pn结 PIN光电二极管------pn结+I层 雪崩光电二极管------PIN+p层
12
半导体光电探测器的原理：
PIN光电二极管------pn结+I层 雪崩光电二极管（APD）------PIN+p层
26
雪崩光电二极管（A P D）
雪崩光电二极管的结构
当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生 的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这 些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞， 使晶体中的原子电离，激发出新的电子—空穴对。这 些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也 可以电离其它的原子。
§14.3 光电探测器
凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压) 的光探测器，都称为光电探测器。
1。按照材料分。 2。按照器件波段分类。
可见Si、InGaAs，红外Ge、 InGaAs、 GaAs，远红 外TeCdHg
3。按照器件结构分类。
PD、 PIN、 APD、MSM
4。按照内部增益分类。
无：PD、PIN、MSM。有： APD
导带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
hυ≧Eg
Eg
禁带 价带
6
光电效应
------内光电效应
２．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一 定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电 池和光敏二极管、三极管。 光电效应 光照射PN结时，若hυ≧Eg，使价带中的电子跃 迁到导带，产生电子空穴对，在阻挡层内电场作 用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使 P区带正电，N区带负电， P N 形成光生电动势。 7
硫化铅 硫化铊 硫化镉
0 500 1000 1500 2000 2500
入射光波长/nm
图8-10 光敏电阻的光谱特性
硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰 值在红外区域。故选用时要把元件和光源 结合起来考虑。
40
光敏电阻实例
41
与书上图６-８相同
10
(3)依器件结构分类 结构主要有四种：光电
二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管 和MSM光电探测器。PN结光电二极管结构 最简单，PIN光电二极管结构稍复杂一些， 性能优异、应用最广；雪崩光电二极管结构 复杂，同时兼有探测和放大两种功能；MSM 光电探测器无需制造pn结，适合于难于掺杂 的半导体材料。
材料的带隙决 定了截止波长 要大于被检测 的光波波长， 否则材料对光 透明，不能进 行光电转换。
1 .0 1 .2 波长 / m
1 .4 1 .6 1 .8
Si 光电二极管的波长响应范 围0.5～1μm。
Ge 和 InGaAs―PIN 光电管的 图 材料吸收系数随波长的变化情况 波长响 应范围 约为 1~1.7μ m。 15
38
光敏电阻的主要参数和基本特性 暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电 流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电 阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的 电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差为光电流。
39
光谱特性
相 100 对 80 灵 60 敏 40 度 20 /%
1 2 h m0 A0 2
1.光电子能否产生，取决于光子的能量是 否大于该物体的表面电子逸出功A。
2.υ一定时，产生的光电流和光强成正比。
3.逸出的光电子具有动能。
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光
光电导效应
电
方式二
------内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变 1．光电导效应 化，或产生光生电动势的效应。
22
反向偏置时，整个I区 都为耗尽层，在耗尽层 中电场作用下，光生载 流子会很快地扫过耗尽 层，电子到达n区，空 穴到达p区，在外电路 上形成光电流。
PIN光电二极管及能带图
23
PIN光电二极管动画
24
PIN光电二极管实例
InGaAs PIN PD
25
光电探测器结构
普通光电二极管(PD) ------pn结
当光照射到光电导体上时，若光电导体为本 征半导体材料，而且光辐射能量又足够强， 光导材料价带上的电子将激发到导带上去， 从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使 光导体的电导率变大。 光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱 特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、 小的体积及工艺简单，故应用广泛。
In 0 .53Ga0 .47As
普通光电二极管(PD)
P
N
光电二极管作成的光检测器 的核心是 PN 结的光电效应。
16
•光电二极管（PD）是一 个工作在反向偏压下的PN 结二极管，当PN结加反向 偏压时，外加电场方向与 PN结的内建电场方向一致 ，势垒加强，在PN结界面 附近载流子基本上耗尽形 成耗尽区。
1.24 (μm) c Eg (eV)
(本征)
本征吸收是半导体吸收光的主要机制， 从而构成光电探测器工作的基础。
14
1 05 Ge 1 04
吸收系数 (cm－ 1)
GaAs 1 03
1 02 Si 1 01 0 .4 0 .6 0 .8
In 0 .70Ga0 .30As 0 .64P0 .36
34
光电导效应
光电导效应只发生在某些半导体材料中，金 属没有光电导效应。 1.半导体材料的电导概念： 金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体 时产生了大量的自由电子。自由电子浓度n是 个常量，不受外界因素影响。 半导体和金属的导电机构完全不同，在0K时， 导电载流子浓度为零。在0K以上，由于热激 发而不断产生热生载流子(电子和空穴)，它在 扩散过程中又受到复合作用而消失。 35
8
(1)依材料分类
无论是直接带隙半导体材料还是间接带隙半 导体材料，都能够用来制备半导体光电探测 器件。而半导体发光器件要求半导体材料必
须是直接带隙半导体材料。因此，在这一点 上，光电探测器件对材料的要求比发光器件 宽容一些。材料有四族、II-IV族等半导体，例 如Ⅳ族的Si、Ge和SiGe合金，III-V族的GaAs、 InGaAs、InGaAsP、InGaN等。异质结材料 能够提供透明的窗口、完全的光学限制和优 异的导波特性，异质结构的光电探测器性能 超群，显示出了更多的好处，
h E g
即存在