光电探测技术—第四节
第四节 半导体结型光电器件讲解
（ａ）开路电压：
RL ,
IL 0
VOC
（ｂ）短路电流：
I kT ln( P 1) q I0
RL 0,
VL 0
I SC I P SE E
②照度－电流电压特性：
由上面分析可知： （ａ）光电池的短路电流Isc 与入射光照度正比．
I sc E
（ｂ）开路电压Voc与光照度 的源自数成正比．高低（3）光敏面积不同： 硅光电二极管的光敏面比光电池的光敏面小得多，因此 硅光电二极管的光电流小得多，通常在µA级。
3.工作原理：
E
（1）P-N结在反向电压偏置下，内建电场加强。P-N结空间电荷区 拉宽，势垒增大。 （2）无光照时，流过P-N结的电流（称为反向饱和电流或暗电流）很 小，它是少数载流子的漂移运动形成的，电导率很小。 （3）当有光照时，满足条件hγ≥ΔEg,在结区内产生的光生载流子被 内建电场拉开，电导率增大，在外加电场的作用下形成以少数载 流子漂移运动为主的光电流。光照越强，光生载流子越多，电导 率越大，光电流就越大。反之，则光电流越小。
电极：多做成梳齿状，目的便于透光和减小串联电阻； SiO2层: 1. 防潮保护， 2. 增透；
２、工作原理：
（１）开路状态：光生伏特效应。
Ｖoc：光生电压。
（２）外接负载ＲL：
光电池的电流方程：
I L I P I D I P I 0 eqV
kT
1
I0－反向饱和电流，是光电池反向偏压后出现的暗电流。
光电池：是一种不需外加偏压，能把光能直接转换成电能的Ｐ-Ｎ结
光电器件。
太阳能光电池： 主要用作电源，要求转换效率高，成本低。 按用途 分类 测量用光电池： 用于光电探测，要求：线性范围宽，灵敏度
第四章 光电探测
检测的基本概念
定义： 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） …… 全部操作： 检测器具 检测过程 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
光电检测系统
光 源 光 学 系 统 被 测 对 象 光 学 变 换 光 电 传 感 变 换 电 路
电 信 号 处 理
存 显 控
储 示 制
光学变换
电路处理
光电检测系统
• 光学变换
– – – – 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
二、检测技术在日常生活中的应用
家用电器： 数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 自动感应灯：亮度检测---光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶 电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器 遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD 办公商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD 红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生： 数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 电子血压计：血压检测 --- 压力传感器 血糖测试仪、胆固醇检测仪 --- 离子传感器
光电检测技术
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
第4章-光电探测原理及器件
４．响应时间
响应时间τ参数描述光电探测器对入射光响应快慢。 上升时间是指入射光照射到光电探测器后，光电探测器输 出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间是指入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定 值所需要的时间。
５．频率响应
光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为 频率响应． 由于光电探测器信号产生和消失，存在着一个滞后过程， 所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影 响。 S0 光电探测器响应率与入射调制频率的关系为 S ( f )
4.2 光电探测器的性能参数
对应光电探测器按照探测原理也可以分为两大 类，即光子探测型和热探测型。 光子探测型光电探测器基于光电效应原理，即 利用光子本身能量激发载流子。这类探测器有 一定的截止波长，只能探测短于这一波长范围 的光线，但它们响应速度快，灵敏度高，使用 非常广泛。
热探测型光电探测器
1 2 h mv0 A0 2
式中：hv为单个光子的能量；m为电子质量； v0为电子逸出速度；A0为物体表面电子逸出功。 可知，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A0。
外光电效应
不同的物质具有不同的逸出功，即每一种物质都 有一个对应的光频阈值，称为红限频率（或截止 频率。 A0 c 光电子发射的红限频率为 h 对应的波长限为 hc c
光电子技术基础
第4章 光电探测原理及器件
Hale Waihona Puke 厚德博学求实创新学习目标
通过本章学习，掌握光电探测的基本物理效应、 光电探测器及其性能参数、各种光电探测器件
的基本结构、特性参数的相关知识，掌握直接
探测系统和光频外差探测系统的性能，了解各 种光电探测器件的实际应用，为光电探测器的 选用和设计打下基础。
光电探测技术原理—第四章
4.热电子发射 光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功，因 而产生热电子发射。室温下典型阴极每秒每平方厘米发 射二个数量级的电子，相当于10-16～10-17Acm-2的电流 密度。这些热发射电子会引起噪声，限制着传感器的灵 敏度极限。
光电探测技术原理—第四章
光电探测技术—第四章
李静
光电探测技术原理—第四章
真空光电器件
真空光电发射器件是基于外光电效应的光电探测器，包括 光电管和光电倍增管两类。具有极高的灵敏度、快速响应等特 点，它在探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号等方面仍然是一 个重要的探测器件。因此广泛应用于航天、材料、生物、医学、 地质等领域都有相当大的应用。
锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种， 它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效 率。
光电探测技术原理—第四章
五、紫外光电阴极
一般来说，对可见光灵敏度的光电阴极，对紫外光也 都具有较高的量子效率。但在某些应用中，为了消除 背景噪声的影响，要求光电阴极只对所探测的紫外辐 射信号灵敏，而对可见光无响应，这样阴极通常称为 “日盲”型光电阴极。
二、银氧铯（Ag-O-Cs）光电阴极
银氧铯阴极是最早出现的实用光电阴极。 目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光电阴极外，它仍 然是在近红外区具有使用价值的唯一阴极。
银氧铯阴极是以Ag为基底，氧化银为中 间层，上面再有一层带有过剩Cs原子及 Ag原子的氧化铯，而表面由Cs原子组成， 可用[Ag]-Cs2OAgCs-Cs的符号表示，如图 a所示。
光电探测技术原理—第四章
图a分别表示p型Si和n型Cs2O两种材料的能带图。
本来p型Si的发射临界值是 Ed1 EA1 Eg1 ，电 子受光激发进入导电带后需克服亲和势才能逸出出
《光电探测技术》课件-第四章
时间响应
Фe δ光脉冲
渡越时间
t
I 90%
10%
上升时间
光电倍增管的伏安特性曲线
• 阴极伏安特性曲线：阴极电流与阴极电压之间的关系 • 阳极伏安特性曲线 ：阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电
压的关系，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。
PMT的微变等效电路
in2p 2qI p Mf 1 B
其中：0.5 < B < 1
热噪声
in2 4kTf R
• 噪声等效功率（NEP）
倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。
NEP 2q(I po I pd )f (1 B) 1 2 Sp
Ipo为阳极信号电流，Ipd为阳极暗电流
• 上升时间 • 渡越时间
E0 EC
Ev 价带顶 发射中心
ED
N型
杂质能带 发射中心
P型
EA
导带顶 发射中心
Ea
电子亲和势
• 对应于金属的电子逸出功，也有半导体电子逸 出功，其定义为 T=0K 时真空能级与电子发射 中心的能级之差。
• 电子亲和势 导带底的电子向真空逸出时所需
的最低能量，数值上等于真空能级（真空中静
止电子能量）与导带底能级Ec之差。
真空光电器件
器件图片
各种PMT 光电管
直瓦片式 鼠笼式
PMT
PMT
盒栅式 PMT
百叶窗式 PMT
管 座 电 源 屏 蔽 罩
Electron Tube公司9360KB外形
应用举例 1
To inspect a cargo container, the container is moved across a gamma-ray beam and an image is obtained from the PMT array.
《光电探测技术》课程标准
《光电探测技术》课程标准课程代码：学时：36 学分：2一、课程的地位与任务《光电探测技术》课程是光电制造与应用技术专业（五年一贯制）开设的一门2学分的专业拓展课程，针对光机电一体化设备中涉及的光检测和控制技术，讲述光的度量、光电检测器件工作原理及特性、光电导探测器、结型光电探测器、光电成像器件、光纤传感检测、光电信号检测电路。
通过本课程的学习，使学生掌握光机电一体化设备的测量与自动化技术及其应用等知识，开拓学生思维。
二、课程的主要内容和学时分配1.课程的主要内容光的度量、光电检测器件工作原理及特性、光电导探测器、结型光电探测器、光电成像器件、光纤传感检测、光电信号检测电路，基本光电元器件检测、识别、焊接、装配。
第1章光的度量1.1辐射度量1.2光度的基本物理量1.3光度量基本定律1.4照度计与亮度计第2章光电检测器件工作原理及特性2.1光电检测器件的物理基础2.2光电检测器件的特性参数2.3光电导探测器及应用3.1光电导探测器的工作原理3.2光敏电阻的结构及分类3.3光敏电阻的特性3.4光敏电阻的应用习题3.5结型光电探测器及应用1.1结型半导体光伏效应1.2光电池1.3光电二极管1.4光电三极管1.5光电开关与光电耦合器1.6光电位置探测器第5章光电成像器件及应用5.1ccd图像传感器5.2CmOS图像传感器第6章光纤传感检测技术及应用6.1光纤传感器的基础6.2光纤的光波调制技术6.3光纤传感器实例第7章光电信号检测电路6.1光电检测电路的设计要求6.2光电信号输入电路的静态计算6.3光电信号检测电路的动态计算6.4前置放大器7.5滤波器7.6光电信号主放大器8.学时分配1.本课程注重学生对光电检测器件的应用能力培养;2.采取理论教学和实验相结合的方式以增强课程学习的理实性；四、课程的实践环节安排实验一光敏电阻的应用实验二光电二极管的应用实验三光电位置探测器的应用实验四光纤传感器的应用实验五光电检测电路的单元电路设计五、推荐教材和主要参考书《光电探测技术与应用》作者：黄焰、肖彬、孙冬丽，华中科技大学出版社，出版时间：2016年六、考核方式及标准平时考核成绩占60%（出勤+作业+其它），期末考试（开卷）占40%。
光电技术 第4-2节 光电导探测器
所谓短态前历效应是指被测光敏电阻在 无光照条件下放置一段短时间（如三分钟） 后，再在1lx光照下测量它在不同时刻的阻值 （如1秒后的阻值）R1 ，求出此阻值与稳态 时阻值R0的百分比R1/R0，这就是短态前历效 应或暗态前历效应。所谓中态前历效应是将 光敏电阻在无光照条件下存放24小时，在 100lx光照度下放置15分钟，再放在100lx下 测阻值 R2 ，则中态前历效应为（又称亮态前 历效应）。 R2 R1
R1 100%
附：光敏电阻暗态前历效应：
时间s 阻值k
时间s 阻值k
1 6.5 20 5.2
R1/R2
2 6 30 5.2
77 ﹪
5 5.5 60 5.1
10 5.2 90 5.0
15 5.2 120 5.1
Cd S 亮态前历效应：
元件编号 1 2 3 4 5 6 7 8 R1（ k） R2( k) 2.74 2.89 5.06 5.24 2.25 2.39 2.42 2.60 1.45 1.48 2.23 2.31 3.58 3.69 5.40 5.62
在弱光下， 1 称直线性光电导。在强光照时 =0.5，在其它光照时，0.5≤ ≤1。 一般，光电流和照度关系曲线如右。在 实际应用范围（0.1～104lux），有可能制造 出 接近于1的光敏电阻，这时应有
I p S gVE g p E
式中 g p S gV 称为光电导 在器件中流过的电流是光电流 I p与暗电流 I d 之 和。
由光电导效应可知，光敏电阻在受到光照或停 止光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段 时间，这就是光敏电阻的响应时间或驰豫时间。它 t 反映了光敏电阻的惰性。 p (t ) p0 exp( ) 此处 是光敏电阻的下降时间。在突然加光照时，
第4节光电效应光电探测器的噪声和特性ppt课件
• 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测 系统的噪声所限制。
• 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减
小和消除噪声是十分重要的问题。
第一章
（2）光电探测器常见的噪声
• 热噪声 • 散粒噪声 • 产生-复合噪声 • 1/f噪声
光电检测应用基础
第一章
（1）热噪声
光电检测应用基础
• 光电检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.
• 光电检测器件分为两大类: –光子(光电子)检测器件 –热电检测器件
第一章
光电检测器件
光电检测应用基础
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 变像管 像增强管
固体器件
光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光纤传感器 电荷耦合器件
光电检测应用基础
3. 界面p区侧留下固定离化受主负 电荷， n区侧留下固定的离化施 主正电荷；该正负电荷称为空间电荷，存在正负 空间电荷的区域称 为空间电荷区。
4.正--负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场；
5.自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相
反的漂移运动；
6. 随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间 电荷区逐渐变宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的 漂移运动也不断加强;
光电检测应用基础
(7)线性
·线性度：它是描述光电探测器输出信号与输入信 号保持线性关系的程度.
·在某一范围内探测器的响应度若为常数，称这个 范围为线性区
非线性误差：
δ ＝ Δmax / ( I2 – I1) Δmax：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏； I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。
光电探测原理与技术
光电探测原理与技术
嘿，你问光电探测原理与技术啊？那咱就来唠唠。
光电探测呢，简单来说就是靠光和电的作用来发现和测量东西。
就好像我们的眼睛看东西一样，不过光电探测器更厉害，能看到我们眼睛看不到的东西。
它的原理呢，就是当光照射到一个东西上的时候，这个东西会产生电信号。
这个电信号就可以被探测器捕捉到，然后经过处理，我们就能知道光的强度、颜色啥的信息了。
比如说太阳光照到一个太阳能电池板上，电池板就会产生电流，这就是一种光电探测。
光电探测技术有很多种呢。
有一种叫光电二极管，它就像一个小眼睛，专门盯着光看。
光一照过来，它就马上产生电信号。
还有一种叫光电倍增管，这个可厉害了，能把很微弱的光信号放大很多倍，就像一个放大镜一样。
还有一些技术是用来测量距离的。
比如说激光测距，就是发射一束激光，然后根据激光反射回来的时间来计算距离。
这就像我们对着一个墙喊一声，然后根据听到回声的时间来判断距离一样。
我给你举个例子吧。
有一次我去一个科技馆，看到一个光电探测器在展示。
它可以检测到很微弱的光，然后把光的强度显示在一个屏幕上。
我把手放在探测器前面，光的强度就变了。
我就觉得好神奇啊，这个小小的探测器居然能这么灵敏。
从那以后，我就对光电探测原理与技术更感兴趣了。
所以啊，光电探测原理与技术很神奇，能让我们看到和测量很多以前看不到的东西。
以后肯定会有更多更厉害的光电探测技术出现，让我们的生活变得更美好。
《光电测试技术》PPT课件 (2)
与测量有关的两个参数
(1) 暗电流
光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍 会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。光电倍 增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部 分组成。
当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，
但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗 电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的 准确性。
所谓的热电效应，是当受热 物体中的电子(洞)，因随着温度梯度 由高温区往低温区移动时，所产生电 流或电荷堆积的一种现象。而这个效 应的大小，则是用称为thermopower(Q) 的参数来测量，其定义为Q=E/-dT(E为 因电荷堆积产生的电场，dT则是温度 梯度)。
自然界热电效应明显的物质
明矾石Alunite六方晶系KAl3(OH)6(SO4)2为含氢氧根的钾， 钠，铝硫酸盐矿物，其解理面呈珍珠光泽，其余的面呈玻璃光泽。 硬度3.5~4，条痕白色，比重2.58~2.75，有灰，白，稍黄，稍红等 颜色.具强烈的热电效应，不溶于水，几乎不溶于盐酸，硝酸，氢 氟酸和氨水等，但能溶于强碱及硫酸或高氯酸.明矾石为不规则矿 床及矿脉，大屯山火山群之明矾石成细粒结晶而与石英，蛋白石及 粘土矿物共生，有些成脉状，有些交代安山岩中之基质及结晶.金 瓜石之明矾石，在矿床及变质围岩中呈粒状或鳞片状产出。为明矾 及硫酸钾的来源，另可提炼铝及造纸，食品加工，净水剂，染料等 用途.空气负离子技术。
尔帖热，用符号
表示。
对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体
在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不
同的材料中处于不同的能级，当它从高能级
向低能级运动时，便释放出多余的能量；相
反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收 能量。能量在两材料的交界面处以热(的4)形式
光电技术基础第四节解析
光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光 辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变， 而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起 探测器元件温度上升，温度上升的结果又使探测 元件的电学性质或其它物理性质发生变化。
教材）。
2、光电导效应
光电导效应可分为本征光电导效应与杂质 光电导效应两种，本征半导体或杂质半导体价 带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸 收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光 生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导 率发生变化。这种在光的作用下由本征吸收引 起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导 效应。
同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及空 穴浓度pi的乘积成正比。即
rt K f ni pi
（1-77）
在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相 等。即
Ne, K f ni pi K f (n ni )(p pi )
（1-78）
在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于 载流子的总产生率与总复合率的差。即
所以，光热效应与单光子能量hν的大小没有直接 关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。
只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也 就越强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。
因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的 响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化 的影响。
三、光子效应
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。
应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和
第四节辐射度学与光度学
注意单位（W/m），光谱辐射通量不是辐射 通量的单位W/m2，而是辐射通量与波长的比 值，描述的是某一波长或波段的辐射特性。 于是有： ∆Ie dIe 光谱辐射强度 Iλ = lim = ∆λ→0 ∆ λ dλ 光谱辐射出射度 M = lim ∆Me = dMe λ ∆λ→0 ∆ λ dλ 光谱辐射亮度 光谱辐射照度
Φe Ie == 4π
辐射亮度（ ） 辐射亮度（L）：辐射体在某一给定方向上的 辐射亮度，是辐射体在该方向上的投影面积上、 单位立体角内发出的辐射通量。
在θ方向看到的源面积是△A的投影面积 △ △Aθ＝△Acosθ ， △
因此，在θ，φ方向上观测到的辐射体表面 上该位置的辐射亮度为
∆2Φe ∂2Φe ∂2Φe dIe = Le (θ,ϕ) = lim = = ∆A→0 ∆A ∆Ω ∂A ∂Ω ∂A∂Ωcosθ dAcosθ θ θ ∆Ω→0
一、立体角
在光辐射测量中，常用的几何量就是立 体角。立体角涉及到的是空间问题。任一 光源发射的光能量都是辐射在它周围的一 定空间内。因此，在进行有关光辐射的讨 论和计算时，也将是一个立体空间问题。 与平面角度相似，我们可把整个空间以某 一点为中心划分成若干立体角。 定义:一个任意形状椎面所包含的空间称为立 体角。 符号：Ω 单位：Sr （球面度） Ω Sr
dΩ = R
2
其中θ为dS 与投影面积 dA的夹角，R为O 到 dS中心的距离。
根据定义知球面所对应的立体角：
S Ω= 2 R
全球所对应的立体角
4πR2 Ω= = 4π 2 R
(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4π空 间.) 同理，半球所对应的立体角为2π空间。
用球坐标表示立体角 微小面积
dS = r2 sin θ ⋅ dθ ⋅ dφ
光电探测技术原理及应用
光电探测技术原理及应用光电探测技术是一种利用光电效应或半导体电子学原理的探测技术，广泛应用于光学、电子、通信、医学等领域。
它具有高响应速度、高灵敏度、低噪声等优点，是一种非常重要的技术手段。
本文将简单介绍光电探测技术的原理和应用，为读者深入了解该技术打下基础。
一、光电效应的原理光电效应是指当光子射入物质后，能量被转移给物质的电子，使得电子从物质中跃出并成为自由电子的现象。
光电效应可以通过金属或半导体材料来实现。
金属中的光电效应称为外光电效应，半导体中的光电效应称为内光电效应。
不同于离子束探测技术，光电探测技术利用光电效应可以很方便地对物质进行非接触式探测。
二、光电器件的工作原理光电器件是一种能够将入射光能转化为电信号的电子元器件。
常见的光电器件有光二极管和光电二极管。
其工作原理大致相同。
当入射光子数量比较大时，通过光电效应，可以使光电器件中的载流子数量明显增加，导致器件的电流明显上升。
根据光电效应的机理，我们可以将光电器件的灵敏度提高到非常高的水平。
例如，在光电探测技术中，可以使用这种技术来实现非常高的灵敏度探测。
三、光电探测技术的应用1. 光学成像光电探测技术可以用于光学成像。
常见的光学成像方法有X射线成像、CT扫描、磁共振成像等。
通过将光电探测器置于图像传感器的后端，可以获得高分辨率、高灵敏度的成像技术。
2. 光通信光电探测技术与光通信密切相关。
光电探测器可以用于测量光信号的强度、波长、相位等参数，实现诸如光谱分析、衰减测量等的功能。
光电探测器作为光通信系统中的重要组成部分，能够很好地保证光通信链路的各种性能指标。
3. 医学诊断光电探测技术在医学领域的应用也越来越多。
例如，在检测肿瘤方面，光电探测器能够通过发射和接收辐射光谱来测量和定量评估肿瘤细胞中的多巴胺含量。
这种技术已经被广泛应用于肿瘤组织的诊断和治疗。
4. 安检和汽车行业光电探测技术也可以用于安全检测。
例如，在机场等公共场所可以采用X光扫描机检查携带物品中是否存在危险物品。
《光电检测技术》课件-光电探测器的特性
光电探测技术
光电探测技术光电探测技术LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】第一章：1，光电检测系统的基本组成及各部分的主要作用？光源——光学系统——被测对象——光学变换——光电转换——电信号放大与处理[存储，显示，控制]作用：光学变换：将被测量转换为光参量，有时需要光信号的匹配处理，目的是更好的获得待测量的信息。
电信号放大与处理的作用：存储，显示，控制。
第二章：1、精密度、准确度、精确度、误差、不确定度的意义、区别。
答：精密度高指偶然误差较小，测量数据比较集中，但系统误差大小不明确；准确度高指系统误差较小，测量数据的平均值偏离真值较少；精确度高指偶然误差和系统误差都比较小，测量数值集中在真值附近；误差=测量结果-真值；不确定度用标准偏差表示。
2、朗伯辐射体的定义有哪些主要特性答：定义：辐射源各方向的辐亮度不变的辐射源。
特性：自然界大多数物体的辐射特性，辐亮度与观察角度无关。
3、光谱响应度、积分响应度、量子效率、NEP、比探测率的定义、单位及物理意义。
答：灵敏度又叫响应度，定义为单位辐射度量产生的电信号量，记作R，电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以是电压，称为电压响应度。
对应不同辐射度量的响应度用下标来表示。
辐射度量测量中，测不同的辐射度量，应当用不同的响应度。
对辐射通量的电流响应度(AW-1 )对辐照度的电流响应度(AW-1 m 2 ) E对辐亮度的电流响应度(AW-1 m 2 Sr)L量子效率：在单色辐射作用于光电器件时，单位时间产生的的光电子数与入射的光子数之比，为光电器件的量子效率。
NEP：信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的功率。
单位：W。
物理意义：反映探测器理论探测能力的重要指标。
比探测率：定义；物理意义：用单位探测系统带宽和单位探测器面积的噪声电流来衡量探测器的探测能力。
第三章：1、光源的分类及各种光源的典型例子；相干光源和非相关光源包括哪些？答：按照光波在时间、空间上的相位特征，一般将光源分成相干光源和非相干光源；按发光机理可分为：热辐射光源，常用的有：太阳、黑体源、白炽灯，典型军事目标辐射；气体辐射光源，广泛用作摄影光源；固体辐射光源，用于数码、字符和矩阵的显示；激光光源，应用：激光器。
2016光电探测技术-第二章
段能产生强连续光谱，短波输出主要受限于窗口的光源透过能力。
低压放电灯
高压弧光灯 脉冲弧光
第一节：概述 1.2 人工辐射源
2.发光二极管
紫外辐射源
第一节：概述 1.2 人工辐射源
第三节：典型紫外与可见探测器件
第三节：典型紫外与可见探测器件
光电二极管 无光照时，PN结硅光电二极管的正、反 向特性与普通PN结二极管的特性一样。 其电流方程为：
qU I D I 0 e kT 1
光电三极管 光电三极管的工作原理分为两部分： 一是光电转换；二是光电流放大。
2.发光二极管
组分与能带关系
紫外辐射源
第一节：概述 1.2 人工辐射源
2.发光二极管
紫外辐射源
光的吸收与发射原理差异
第一节：概述 1.2 人工辐射源
2.发光二极管
紫外辐射源
简单的LED驱动电路
第一节：概述 1.2 人工辐射源
3.紫外激光器
紫外辐射源
半导体紫外激光器：具有更高的峰值功率，较低能耗，脉宽窄，无 温度和光学补偿，中紫外波段（AlGaN）紫外辐射激发效率最高。 发展方向：小体积，功耗（mW量级）。
像敏单元阵列由光电二极管阵列 构成。如图中所示的像敏单元阵列按X
紫外辐射源
第一节：概述 1.2 人工辐射源
4.导弹
紫外辐射源
飞行发动机羽烟是探测、识别和跟踪来袭 导弹的最佳辐射源
第一节：概述 1.2 人工辐射源
4.导弹（典型战术导弹）
5.飞机
紫外辐射源
第一节：概述 1.3 典型的紫外探测应用
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l 四、多碱锑化物光电阴极
l 当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响 应率，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为多碱 锑化物光电阴极。
l 锑纳钾阴极是双碱阴极中的一种，它的光谱响应 与锑铯阴极相近，在峰值波长0.4um处的量子效率 达25%，其典型光照灵敏度可到50uA/lm。它的特 点是耐高温，工作温度可达到175℃，而一般含铯 阴极的工作温度不能超过60 ℃，因此锑钾钠阴极 可用于石油探测等特殊场合。
l 一、光电阴极的主要参数
1.灵敏度
(1)光照灵敏度
▪ 表示光电阴极在一定的白光照射下，阴极光电流与入射的光通量之 比。光照灵敏度也称为白光灵敏度或积分灵敏度，单位为uA/lm。
(2)色光灵敏度
▪ 就是局部光谱区域的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区，通 常用特性已知的滤光片插入光路，然后测得的光电流与未插入滤光 片时阴极所受光照的光通量之比。
l (1)量子效率高
l (2)光谱响应延伸到红外、光谱响应率均匀
l 正电子亲和势光电阴极的临界值波长为
0
1240 Eg EA
(nm)
而负电子亲和势光电阴极的临界值波长为
0
1240 Eg
(nm)
(3)热电子发射小
Ag-O-Cs光电阴极的光谱响应曲线如图b 所示。它的长波灵敏度延伸至红外1.2um， 并且有两个峰值，近红外800nm处有一主 峰，另一主峰处于紫外350nm。
l Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低。光照灵敏度约为 30uA/lm，辐照灵敏度为3mA/W，量子效率在峰值波长 处也只有1%，它的热电子发射密度在室温下超过任何 其它实用阴极，约为10-11~10-14A/cm2。此外，当阴极 长期受光照后，会产生严重的疲劳现象，且疲劳特性 与光照度。光照波长等都有密切关系，疲劳后光谱响 应曲线也会发生变化，因此它的应用受到很大限制。
l 锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种， 它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效 率。
五、紫外光电阴极
一般来说，对可见光灵敏度的光电阴极，对紫外光也 都具有较高的量子效率。但在某些应用中，为了消除 背景噪声的影响，要求光电阴极只对所探测的紫外辐 射信号灵敏，而对可见光无响应，这样阴极通常称为 “日盲”型光电阴极。
常用的有锑化铯和碘化铯两种。
l 六、负电子亲和势光电阴极
l 现以Si-CsO光电阴极为例加以说明，它是在p型Si的 基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成 n型Cs2O 。表面为n型的材料有丰富的自由电子，基 底为p型材料有丰富的空穴，它们相互扩散形成表面 电荷局部耗尽。与p-n结情况类似，耗尽区的电位下 降E，造成能带弯曲，如图b所示。
l 二、银氧铯（Ag-O-Cs）光电阴极
l 银氧铯阴极是最早出现的实用光电阴极。 目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光电阴极外，它仍 然是在近红外区具有使用价值的唯一阴极。
l 银氧铯阴极是以Ag为基底，氧化银为中 间层，上面ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有一层带有过剩Cs原子及 Ag原子的氧化铯，而表面由Cs原子组成， 可用[Ag]-Cs2OAgCs-Cs的符号表示，如图 a所示。
结构：均包括光电阴极、阳极、真空玻璃壳 分类：
成像型 非成像型
常见器件：
光电管
真空光电管
充气光电管 光电倍增管
4.1 光电阴极
在光电管、光电倍增管、变象管、象增加器和一 些摄像管等光电器件中，使不同波长的各种辐射信号 转换为电信号，均依靠光电阴极。因而光电阴极关系 到光电器件的各项光电性能。
光电发射阴极是光电发射器件的重要部件，它是 吸收光子能量发射光电子的部件。它的性能直接影响 着整个光电发射器件的性能，为此，首先讨论用于制 造光电阴极的典型光电发射材料。
(3)光谱灵敏度 表示一定波长的单色辐射照到光电阴极上， 阴极光电流与入射的单色辐射通量之比，单 位为mA/W或A/W。
2.量子效率
Q() Ne () N p ()
量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。它们 之间的关系：
Q () Ie(( ))//q h vS ( q )h cS () 1 2 4 0
光电探测技术—第四章
李静
真空光电器件
真空光电发射器件是基于外光电效应的光电探测器，包括 光电管和光电倍增管两类。具有极高的灵敏度、快速响应等特 点，它在探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号等方面仍然是一 个重要的探测器件。因此广泛应用于航天、材料、生物、医学、 地质等领域都有相当大的应用。
真空光电器件结构及常见类型
l 将近红外区具有高灵敏度的Ag-O-Cs阴极和蓝光区具 有高灵敏度的Bi-Cs-O阴极相结合，可获得在整个可 见光谱范围内具有较均匀响应和高灵敏度的
Bi-Ag-O-Cs光电阴极。该阴极的量子效率达10%，但 长波限只有750nm。
l 三、单碱锑化物光电阴极
l 金属锑与碱金属锂、纳、钾、铷、铯中的一种 化合，都能形成具有稳定光电发射的发射体。 其中，以CsSb阴极的灵敏度最高，是最具有使 用价值的光电发射材料，广泛用于紫外和可见 光区的光电探测器中。
图a分别表示p型Si和n型Cs2O两种材料的能带图。
本来p型Si的发射临界值是 Ed1 EA1 Eg1 ，电 子受光激发进入导电带后需克服亲和势才能逸出出 表面。现在由于表面存在n型薄层，使耗尽区的电位 下降，表面电位降低Ed。光电子在表面附近受到耗 尽区内建电场的作用，从Si的导电带底部漂移到表 面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸 出出表面。对于p型Si的光电子需克服的有效亲和势 为
▪ 式中λ单位为nm；S(λ)为光谱灵敏度，单位为A/W。
3.光谱响应曲线
光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关 系曲线，称为光谱响应曲线。真空光电组件中的长波灵
敏度极限，主要由光电阴极材料的截止波长 0 决定。
4.热电子发射
光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功，因 而产生热电子发射。室温下典型阴极每秒每平方厘米发 射二个数量级的电子，相当于10-16～10-17Acm-2的电流 密度。这些热发射电子会引起噪声，限制着传感器的灵 敏度极限。