第二章光电探测器1PPT课件
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《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。
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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。
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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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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
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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，
第二章光电探测器1 (1)PPT课件
PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN 结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电 子拉向N区，光生空穴拉向P区，相当于PN结上加一 个正电压。
半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短 路，则会出现电流（光生电流）。
▪ 光生伏特效应
光照零偏PN结产生开路电压的效应—光电池。
光照反偏—光电信号是光电流—结型光电探测器 的工作原理—光电二极管。
32
单色灵敏度
使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色灵敏度，又叫光谱 响应度，用Rλ表示， 定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上 单色辐射通量(光通量)之比。
RV
(V/WV)s
()
R I
(A/WI) s
( )
式中， Φ(λ)为入射的单色辐射通量或光通量。如果Φ(λ)为光 通量，则Rλv的单位为V／lm。
温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在 两结点间产生电动势，回路中产生电流。
当两种不同的配偶材料(金属或半导体)两端并联熔接时，如果 两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电 动势。
特点
所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同 的响应，因而是非选择性探测器。这和光子探测 器在光谱响应上的主要区别。
实际上，() 1 。
对于有增益的光电探测器(如光电倍增管等)，会远 大于1，此时一般使用增益或放大倍数这个参数。
37
3.噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
从响应度来看，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。 当入射功率很低时，输出只是杂乱无章的信号，无 法肯定是否有辐射入射在探测器上。这它固有的“噪 声”引起的。 随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等 于零。但其均方根不等于零，这个均方根电压(流)称 为探测器的噪声电压(流)。
半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短 路，则会出现电流（光生电流）。
▪ 光生伏特效应
光照零偏PN结产生开路电压的效应—光电池。
光照反偏—光电信号是光电流—结型光电探测器 的工作原理—光电二极管。
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单色灵敏度
使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色灵敏度，又叫光谱 响应度，用Rλ表示， 定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上 单色辐射通量(光通量)之比。
RV
(V/WV)s
()
R I
(A/WI) s
( )
式中， Φ(λ)为入射的单色辐射通量或光通量。如果Φ(λ)为光 通量，则Rλv的单位为V／lm。
温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在 两结点间产生电动势，回路中产生电流。
当两种不同的配偶材料(金属或半导体)两端并联熔接时，如果 两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电 动势。
特点
所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同 的响应，因而是非选择性探测器。这和光子探测 器在光谱响应上的主要区别。
实际上，() 1 。
对于有增益的光电探测器(如光电倍增管等)，会远 大于1，此时一般使用增益或放大倍数这个参数。
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3.噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
从响应度来看，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。 当入射功率很低时，输出只是杂乱无章的信号，无 法肯定是否有辐射入射在探测器上。这它固有的“噪 声”引起的。 随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等 于零。但其均方根不等于零，这个均方根电压(流)称 为探测器的噪声电压(流)。
光电检测器PPT课件
3. 为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变 化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。
C1
Ι ΑΜ τ LV DD
C1δC2δ2C3
C1 C2 C3
光电倍增管供电. 电路图
32
32
§2-2 真空光电探测器件
光电倍增管 光电倍增管的供电电路
4. 接地方式：倍增管的接地方式有两种，即阴极接地或 阳极接地.
.
29
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§2-2 真空光电探测器件
光电倍增管 光电倍增管的供电电路
1. 倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级 的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来 供电。一般情况下，各级电压均相等，约80～100V， 总电压约1000～1300V。
C1 C2 C3
光电倍增管供电. 电路图
30
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§2-2 真空光电探测器件
3.阳极伏安特性曲线是指阳极电流与阳极和最 末一级倍增极之间电压的关系。
4.在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来 进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。
.
24
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阳极伏安特性曲线
.
25
25
§2-2 真空光电探测器件
光电倍增管
光电特性
光电倍增管的的主要参量与特性
1. 阳极光电流与入射
于光电阴极的光通量之 间的函数关系。
2.噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪
声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率
（通量）的有效值。即
IA/InA=1时， NEP=InA/SA
它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。
.
28
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§2-2 真空光电探测器件
第二章光电探测器概述PPT课件
Ad---光电器件的光敏面积（cm2）; f---带宽（Hz）； In---噪声电流（A）;Ri---电流灵敏度（A/W）
测量条件 --- D*(500K,900,1)
四、其它参数
1. 量子效率
--- 描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数 （某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子与入射光子数之比）
• 因光照而引起物体电学特 性的改变统称为光电效应
• 1905年爱因斯坦发表的相对 论而闻名于世
• 1925年他获得诺贝尔奖是因 发现光电效应
当光照射到物体上使物体向
二、光电探测真器空的中发物射理电效子应分类
光照使材料的电导率发生变化
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引
光子效起应D内部外光电电效子应状态光的电改发射变效，应 而把光吸电收管、的光光电倍能增管
• 表征探测器将入射光信号转换成电信号的能力
• 电流的响应率RI:探测器将入射光信号转换成电流信号
Ie的能力。
I ddP i线性区 P iee((tt内 )) (A/W)
•电压响应率RV：探测器将入射光信号转换成电压信号Ve的
能力。
Vd dP u线性V 区 Pee((tt内 )) (V/W)
2.单色灵敏度Rλ --- 波长为的单色辐射源
4. 响应时间
--- 描述光电器件对入射辐射响应 快慢的参数
--- 当入射辐射到光探测器上或入射辐射 遮断后，光探测器上的输出上升到稳定值 或下降到照射前的值所需要的时间
时间常数 --- 衡量
响应从稳态值的10%上升到90%所用的 时间 --- 上升时间tr 响应从稳态值的90%下降到10%所用的 时间 --- 下降时间tf
（2）
• （2）÷（1）得
测量条件 --- D*(500K,900,1)
四、其它参数
1. 量子效率
--- 描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数 （某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子与入射光子数之比）
• 因光照而引起物体电学特 性的改变统称为光电效应
• 1905年爱因斯坦发表的相对 论而闻名于世
• 1925年他获得诺贝尔奖是因 发现光电效应
当光照射到物体上使物体向
二、光电探测真器空的中发物射理电效子应分类
光照使材料的电导率发生变化
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引
光子效起应D内部外光电电效子应状态光的电改发射变效，应 而把光吸电收管、的光光电倍能增管
• 表征探测器将入射光信号转换成电信号的能力
• 电流的响应率RI:探测器将入射光信号转换成电流信号
Ie的能力。
I ddP i线性区 P iee((tt内 )) (A/W)
•电压响应率RV：探测器将入射光信号转换成电压信号Ve的
能力。
Vd dP u线性V 区 Pee((tt内 )) (V/W)
2.单色灵敏度Rλ --- 波长为的单色辐射源
4. 响应时间
--- 描述光电器件对入射辐射响应 快慢的参数
--- 当入射辐射到光探测器上或入射辐射 遮断后，光探测器上的输出上升到稳定值 或下降到照射前的值所需要的时间
时间常数 --- 衡量
响应从稳态值的10%上升到90%所用的 时间 --- 上升时间tr 响应从稳态值的90%下降到10%所用的 时间 --- 下降时间tf
（2）
• （2）÷（1）得
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
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
光电传感器PPT课件
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材
料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照 射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光
电导体的电导率增加。
（2）光生伏特效应
某些半导体或电介质材料，在光线作用下，能够使物体产 生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。当光线照 射于半导体PN结时，在PN结两端就会产生一定的电位差， 并将在外回路中产生电流。基于这种效应的光电器件有光 电池和光敏二极管、光敏三极管。
外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射 到金属释放电子所需时间不超过10-9s。
根据能量守恒定理，可以得到爱因斯坦光电效应方程：
h
1 2
mv02
A0
式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物 体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功， 即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红线频率或 波长限。光束频率低于红线频率时，光子能量不足以使物 体内的电子逸出，因而小于红线频率的入射光，光强再大 也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红线频率， 即使光线微弱，也会有光电子射出。
光电器件的基本特性参数
（1）响应度k 光电器件输出电压VO与入射光功率PI之比称为响应度
k，即： k= VO/ PI = VO /(H·Ad)
式中， VO是器件的输出电压， PI为入射光敏面的辐射功 率，Ad是器件受光面积，H为光敏面的辐射照度。k的单 位是(V/W)。
响应度k是表征光电器件输出信号能力的特征量。
光电倍增管：
二，光电倍增管(photomultiplier ,PMT)
当入射光很微弱时，普通光电管的产生的光电流很小， 不容易探测，这时常用光电倍增管对电流进行放大。
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内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应
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 的现象称为光电导效应。
光电导效应：
•本征光电导效应 •非本征光电导效应
h E g
Eg /h
v c/
hc
/
Eg
1.24 Eg
(m)
0
hc
/
Eg
1.24 Eg
本征吸收的长波限
第一个字母。
多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 度，称为多数载流子，简称多子。
少子：空穴为少数载流子，简称少子。 施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
结论：
N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入
的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电 性能也就越强。
P型半导体
光电导效应：
•本征光电导效应 •非本征光电导效应
h E g
Eg /h
v c/
hc
/
Eg
1.24 Eg
(m)
0
hc
/
Eg
1.24 Eg
本征吸收的长波限
半导体类型 ♠ 半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。 ♠ 本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体
称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。
♠ P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混入
了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，使 之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。
空穴的产生：由于杂质原子的
最外层有3个价电子，当它们与周 围的硅原子形成共价键时，就产生 了一个“空位”（空位电中性）， 当硅原子外层电子由于热运动填补 此空位时，杂质原子成为不可移动 的负离子，同时，在硅原子的共价 键中产生一个空穴 ，由于少一电 子，所以带正电。P型取“Positve
热释电效应：介质（如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡 等）受光照射温度升高，从而在晶体特定方向上由于自 发极化强度随随温度变化而引起表面电荷的变化。 光辐射强度变化→晶体温度变化→自发极化强度变化 当强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自 发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的 晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，由此可 测定所吸收的光辐射功率
杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体 中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。
N型半导体
♠ N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），
使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
♠ N型半导体：由于杂质原子的最
外层有5个价电子，所以除了与周围 硅原子形成共价键外，还多出一个 电子。在常温下，由于热激发，就 可使它们成为自由电子，显负电性。 这N是从“Negative（负）”中取的
▪注意
光伏效应由于是少数载流子过程，少数载流子寿命 通常短于多数载流子寿命，当少数载流子复合掉时， 光伏信号就终止了。所以响应速度比用相同材料制 作的光电导探测器快。
常用器件: 光电池、光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极 管(APD)、PIN光电二极管
▪外光电效应—光电发射效应：
光电发射效应 ：在光照下，物体向表面以外空间发
第二章 光电探测器
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
光电检测器件
光子探测器
热探测器
光电发射探测器 光电导探测器 光伏探测器
测辐射热 热释电
2.1光电探测器的物理基础 2.2光电探测器的特性参数 2.3 光电探测器的噪声 2.4光电探测器 2.5光电探测器的偏置与放大
（正）”一词的第一个字母。
➢ 多子：P型半导体中，多子为空穴。 ➢ 少子：为电子。
➢ 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
结论：
1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质 使多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大 大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高，
少子的浓度就愈低。
光电子发射探测器主要是可见光探测器，因为对红 外辐射响应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发 展的负电子亲和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展 到1．25μm，只适用于近红外的探测，因此在红外系统 中应用不多。
二、光热效应
光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相
互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变 化。（入射光的加热作用引起物质特性变化）
射电子(即光电子)的现象——多发生于金属和金属氧
化物，光电管中的光阴极。 光电发射体的功函
爱因斯坦方程：Ek hE
数
物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子能量大于发射体的
功函数的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。
光电发射效应发生波长表示：
c(m)
1.24 E(eV)
截止波长
光电子发射探测器 真空光电管:真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响 应要求极快的场合 充气光电管 光电倍增管,应用最广，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。
2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发 形成的，与温度有关。
▪光生伏特效应
光生伏特效应：光照在半导体P-N结、P-i-N结、金 属-半导体接触上时，会在PN结、P-i-N结、金属半导体接触的两侧产生光生电动势。
PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN 结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电 子拉向N区，光生空穴拉向P区，相当于PN结上加一 个正电压。
§2.1 光电探测器的物理基础
一、光电效应
定义：当光辐射入射到到光电材料上时， 材料发射电子，或其电导率发生变化，或 产生光电动势等。
发射电子：外光电效应 电导率发生变化、产生光电动势：内光电效应。
▪ 内光电效应
内光电效应：光电材料受到光照后所产生的光
电子只在材料内部而不会逸出材料外部—多发生 在半导体材料。
半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短 路，则会出现电流（光生电流）。
▪光生伏特效应
光照零偏PN结产生开路电压的效应—光电池。
光照反偏—光电信号是光电流—结型光电探测利用 光生伏特效应直接 把光能转化成电能 的器件，也叫太阳 能电池
光电池驱动的凉帽
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 的现象称为光电导效应。
光电导效应：
•本征光电导效应 •非本征光电导效应
h E g
Eg /h
v c/
hc
/
Eg
1.24 Eg
(m)
0
hc
/
Eg
1.24 Eg
本征吸收的长波限
第一个字母。
多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 度，称为多数载流子，简称多子。
少子：空穴为少数载流子，简称少子。 施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
结论：
N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入
的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电 性能也就越强。
P型半导体
光电导效应：
•本征光电导效应 •非本征光电导效应
h E g
Eg /h
v c/
hc
/
Eg
1.24 Eg
(m)
0
hc
/
Eg
1.24 Eg
本征吸收的长波限
半导体类型 ♠ 半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。 ♠ 本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体
称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。
♠ P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混入
了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，使 之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。
空穴的产生：由于杂质原子的
最外层有3个价电子，当它们与周 围的硅原子形成共价键时，就产生 了一个“空位”（空位电中性）， 当硅原子外层电子由于热运动填补 此空位时，杂质原子成为不可移动 的负离子，同时，在硅原子的共价 键中产生一个空穴 ，由于少一电 子，所以带正电。P型取“Positve
热释电效应：介质（如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡 等）受光照射温度升高，从而在晶体特定方向上由于自 发极化强度随随温度变化而引起表面电荷的变化。 光辐射强度变化→晶体温度变化→自发极化强度变化 当强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自 发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的 晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，由此可 测定所吸收的光辐射功率
杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体 中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。
N型半导体
♠ N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），
使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
♠ N型半导体：由于杂质原子的最
外层有5个价电子，所以除了与周围 硅原子形成共价键外，还多出一个 电子。在常温下，由于热激发，就 可使它们成为自由电子，显负电性。 这N是从“Negative（负）”中取的
▪注意
光伏效应由于是少数载流子过程，少数载流子寿命 通常短于多数载流子寿命，当少数载流子复合掉时， 光伏信号就终止了。所以响应速度比用相同材料制 作的光电导探测器快。
常用器件: 光电池、光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极 管(APD)、PIN光电二极管
▪外光电效应—光电发射效应：
光电发射效应 ：在光照下，物体向表面以外空间发
第二章 光电探测器
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
光电检测器件
光子探测器
热探测器
光电发射探测器 光电导探测器 光伏探测器
测辐射热 热释电
2.1光电探测器的物理基础 2.2光电探测器的特性参数 2.3 光电探测器的噪声 2.4光电探测器 2.5光电探测器的偏置与放大
（正）”一词的第一个字母。
➢ 多子：P型半导体中，多子为空穴。 ➢ 少子：为电子。
➢ 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
结论：
1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质 使多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大 大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高，
少子的浓度就愈低。
光电子发射探测器主要是可见光探测器，因为对红 外辐射响应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发 展的负电子亲和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展 到1．25μm，只适用于近红外的探测，因此在红外系统 中应用不多。
二、光热效应
光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相
互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变 化。（入射光的加热作用引起物质特性变化）
射电子(即光电子)的现象——多发生于金属和金属氧
化物，光电管中的光阴极。 光电发射体的功函
爱因斯坦方程：Ek hE
数
物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子能量大于发射体的
功函数的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。
光电发射效应发生波长表示：
c(m)
1.24 E(eV)
截止波长
光电子发射探测器 真空光电管:真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响 应要求极快的场合 充气光电管 光电倍增管,应用最广，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。
2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发 形成的，与温度有关。
▪光生伏特效应
光生伏特效应：光照在半导体P-N结、P-i-N结、金 属-半导体接触上时，会在PN结、P-i-N结、金属半导体接触的两侧产生光生电动势。
PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN 结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电 子拉向N区，光生空穴拉向P区，相当于PN结上加一 个正电压。
§2.1 光电探测器的物理基础
一、光电效应
定义：当光辐射入射到到光电材料上时， 材料发射电子，或其电导率发生变化，或 产生光电动势等。
发射电子：外光电效应 电导率发生变化、产生光电动势：内光电效应。
▪ 内光电效应
内光电效应：光电材料受到光照后所产生的光
电子只在材料内部而不会逸出材料外部—多发生 在半导体材料。
半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短 路，则会出现电流（光生电流）。
▪光生伏特效应
光照零偏PN结产生开路电压的效应—光电池。
光照反偏—光电信号是光电流—结型光电探测利用 光生伏特效应直接 把光能转化成电能 的器件，也叫太阳 能电池
光电池驱动的凉帽