光电探测器 入门详细解析
光电探测器使用指南
光电探测器使用指南光电探测器作为一种广泛应用于科学研究和工业生产中的检测设备，具有高灵敏度、快速响应和宽波段等优势。
本文将以1200字左右的篇幅，为读者介绍光电探测器的种类和工作原理，以及其在不同领域中的应用。
一. 光电探测器种类光电探测器种类繁多，可以根据其工作原理和应用领域进行分类。
最常见的光电探测器有光电二极管、光电倍增管、光电导、光电二极管阵列等。
每种光电探测器都有其特定的优点和适用范围，用户需要根据自己的需求选择适合的型号。
二. 光电探测器的工作原理光电探测器是通过光电效应将光信号转化为电信号的装置。
光电探测器内部通常包含一个光敏元件和一个光电转换电路。
当入射光照射到光敏元件上时，光子会激发光敏元件中的电子，产生电荷。
光电转换电路将这些电荷转化为电流或电压信号，进而实现光信号的测量和分析。
三. 光电探测器的应用领域光电探测器在科学研究、医学诊断、光通信、环境监测等领域都有着广泛的应用。
1. 科学研究：光电探测器可以用于物理学、化学和生物学等领域的研究。
例如，在光谱分析中，光电探测器可以用于检测不同波长的光信号，以获得物质的光谱信息。
此外，光电探测器还可以用于光子学和量子信息的研究。
2. 医学诊断：光电探测器在医学诊断中发挥着重要的作用。
例如，光电导在眼科医学中被广泛应用于视力测试和眼底成像。
此外，近红外光电探测器可用于脑血氧测量，用于研究脑功能和神经疾病。
3. 光通信：光电探测器在光通信领域有着巨大的用途。
光电二极管和光电导等光电探测器可以用于光通信网络中的光信号接收。
它们具有高速、高灵敏度和低噪声等优点，为光通信的性能提供了保证。
4. 环境监测：光电探测器在环境监测中可用于大气污染、水质监测等方面。
例如，紫外光电二极管可以检测大气中的臭氧浓度，用于空气质量监测。
同时，红外光电导可以用于水污染检测，检测水中的有机物和重金属离子浓度。
综上所述，光电探测器作为一种重要的光学仪器，在各个领域中都有广泛的应用。
光电探测器
2、光电导(PC)探测器
其工作原理基于内光电效应。 光电导效应？
半导体吸收能量足够大的光子后，会把其 中的一些电子或空穴从原来不导电的束缚 态激活到能导电的自由态，从而使半导体 电导率增加。
(1)特点
光电导探测器的结构一般为金属一半导体 一金属（测
一、 光电探测器的定义 及工作原理
光电探测器接收光信号并进行光电转换， 是半导体电子学的重要器件，是光电系统中 的重要组成部分，被称为这类仪器的“心 脏”。
光电探测器是利用入射的光子流与探测 材料中的电子之间直接互相作用，从而改变 电子能量状态的光子效应来制作的一类器件。
二、光电探测器的分类
PE探测器
2001年，美国军方实验室的Liang等人利用 MOCVD方法以蓝宝石为衬底生长ZnO薄膜，制 备出MSM结构肖特基型紫外探测器。
2004年，浙江大学叶志镇等利用磁控溅射生 长的ZnO薄膜，采用Au电极形成肖特基接触， Al电极形成欧姆接触，在Si(100)衬底上制 备出肖特基型ZnO紫外探测器，Si3N4为绝缘 隔离层，器件性能较好。
光电探测器
PC探测器
PV探测器
1、光电子（PE）发射探测器
此探测器的工作原理是基于外光电效应。
当辐射照射在某些金属、金属氧
外
化物或半导体材料表面时，若光
光 电
子能量hv足够大，则足以使材料
效
内一些电子完全脱离材料从表面
应
逸出。
与外光电相对应的则为内光电效应，两 者的不同点在与内光电效应的入射光子并不 直接将光电子从光电材料内部轰击出来，而 只是将光电材料内部电子从低能态激发到高 能态，于是在低能态留下一个空位一空穴对， 而在高能态上产生一自由移动的电子，形成 光生电子一空穴对。通过检测这一性能的变 化，来探测光信号的变化。本节主要讨论的 利用内光电效应的光电探测器的制备及其性 能特点。
光电探测器
一`光电探测器第一节 光辐射探测器的主要指标光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。
光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应，分成光热探测器、光电探测器和光压探测器，光压探测器使用得很少。
本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。
光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。
这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。
光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器。
它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。
光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。
例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子，引起半导体的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应，所对应的器件称为光导器件；又如半导体PN 结在光辐照下，产生光生电动势，称为光生伏特效应，利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件。
外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律，探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。
P k E h E -=ν ---------------------------------- (2.1-1)上式中 νh 是入射光子的能量，E p 是探测器材料的功函数，即光电子的逸出功，E k 是光电子离开探测器表面的动能。
这种探测器有一个截止频率和截止波长C ν和C λ： hp E c =ν , ()()nm eV E E hC p p C 1240==λ --------(2.1-2)频率低于C ν 或波长长于C λ 的光波不能被探测到，因为这样的光子能量不足以使电子克服材料的逸出功。
光电探测器工作原理与性能分析
光电探测器工作原理与性能分析光电探测器是一种能够将光电信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电通讯、光学测量、光学成像等领域。
在本文中，将对光电探测器的工作原理与性能进行分析。
一、光电探测器的工作原理光电探测器工作的基本原理是利用光电效应将光能转换为电子能，再经过电子放大及处理，将光信号转换为电信号输出。
光电探测器主要包括光敏元件、前置放大电路、信号处理电路等部分。
常见的光敏元件主要包括光电二极管、光电倍增管、光电导、光电导二极管、PIN光电二极管等。
其中，光电二极管是最常用的一种，它基于外光在PN结上产生电压的原理，将光能转换为电能。
PIN光电二极管又是一种与之类似的器件，但它的灵敏度更高，特别适用于高速、低噪音、低光水平的应用。
前置放大电路则是提高探测器灵敏度的重要部分。
它通常包括高阻抗输入级、宽带放大电路、低噪声电路等。
这些器件通常采用集成电路技术实现，具有高增益、高带宽、低噪声等优点。
信号处理电路主要包括滤波电路、放大电路、比较器、微处理器等部分。
滤波电路可以去除噪声干扰，放大电路可以放大信号的幅度，比较器可以将信号转换为数字信号，微处理器则可以对数字信号进行处理及控制。
二、光电探测器的性能分析光电探测器的性能参数包括灵敏度、响应时间、线性度、噪声等。
下面将对这些性能进行分析。
1. 灵敏度灵敏度是指探测器对光的灵敏程度，它通常通过量子效率来评估。
量子效率是指进入探测器的光子转化为电的比例。
由于光电探测器的灵敏度会受到光强度、工作温度、探测器结构等多种因素的影响，因此在实际应用中需要合理设计光路及保持探测器稳定性。
2. 响应时间响应时间是指光电探测器从接收光信号到输出电信号的时间。
响应时间由前置放大电路和光敏元件上升时间之和决定，因此我们可以通过优化这些器件来提高响应时间。
在高速应用中，响应时间非常关键，因此需要选用响应时间较短的光学元件及前置放大电路。
3. 线性度线性度是指光电探测器输出与输入之间的线性关系。
光电探测器原理与应用
光电探测器原理与应用光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件，是现代光电技术中的重要组成部分，广泛应用于通信、医学、物理学等领域。
本文将从光电探测器的原理、种类以及应用进行探讨。
一、光电探测器的原理光电探测器的原理基于光电效应，即光能被物质吸收后，其中的光子能激发物质内部的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对，产生电流和电势差，将光信号转换为电信号并放大处理。
而光电探测器的基本结构，则由光敏材料、光电转换部件、电荷放大器等组成，具有宽频带、高响应速度等特点。
二、光电探测器的种类光电探测器主要分为以下几种：①硅光电二极管硅光电二极管是一种常见的光电探测器，其结构简单，大小小巧，响应速度快，但灵敏度较低。
硅光电二极管的光电转换部件为PN结，探测范围为红外线波段。
②掺铟镓光电二极管掺铟镓光电二极管响应范围为近红外至中红外波段，具有较高的灵敏度和响应速度，广泛应用于红外光谱分析、制导弹道等领域。
③掺铊锗光电二极管掺铊锗光电二极管响应范围为中红外波段，具有较高的探测率和灵敏度，广泛应用于红外光谱分析、空间测量等领域。
④光电倍增管光电倍增管响应范围涵盖紫外线至近红外波段，具有高灵敏度、高信噪比和低失真等特点，广泛应用于低光强度信号的检测和测量。
⑤光伏噪声探测器光伏噪声探测器是一种激光光源的光功率变化探测器，响应波长范围覆盖整个光谱，具有高信噪比、高稳定性等特点，广泛应用于光通信、激光测距、光谱分析等领域。
三、光电探测器的应用光电探测器具有广泛的应用领域，其中主要包括：①光通信光电探测器在光通信中起到重要作用，光电二极管和光电倍增管是常用的探测器。
光电探测器接收光信号并转换为电信号，再经过解调和放大处理后，完成光通信中数据的传输和接收。
②光谱分析光电探测器在光谱分析领域中广泛应用，通过对不同波长的光线进行探测和分析，完成对样品的化学成分、结构和性质的测量和研究。
掺铟镓光电二极管和光伏噪声探测器是常用的光谱探测器。
光电探测基础全面讲解
1 m
1 nm
。
1A
1 X射 线 单 位
。
1 A
图 1.1-1 电磁波谱图
第1章 光电探测基础
表1.1-1 光波段单光子能量表
第1章 光电探测基础
1.1.1 光电系统的基本模型
与电子系统载波相比， 光电系统载波的频率提高了几个量级。
这种频率量值上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变， 在功能上
第1章 光电探测基础
第1章 光电探测基础
1.1 光电系统描述 1.2 光接收机视场 1.3 光电探测器的物理效应 1.4 光电转换定律和光电子计数统
计 1.5 光电探测器的性能参数 1.6 光电探测器的噪声
第1章 光电探测基础
1.7 辐度学与光度学 1.8 背景辐射 1.9 探测器主要性能参数测试 习题与思考题
第1章 光电探测基础
均匀光源当发光面积为As， 辐射角为Ωs时， 所辐射的总功率为
Ps=LAsΩs
(1.1-1)
对于辐射对称型光源， 立体角Ωs与平面辐射角θs的关系为(参见
图1.1-5)
Ωs=2π［1-cos(θs/2)］
(1.1-2)
第1章 光电探测基础
光束形 成系统
光源
dt
透 镜 直径
光束角
Gr
4 b
4d
t
2
(1.1-6)
第1章 光电探测基础
14 0
13 0
0.5 m
12 0
10 m
122 dB
11 0
光 束 /角rad 4
增 益 / dB 1 GHz
10 0
40
95 dB
90
80
光电探测器及应用
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0.75—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。
光电探测器概述分析
光电探测器概述分析光敏元件是光电探测器的核心部件，用于将入射的光能量转换为电能。
常见的光敏元件包括光电二极管、光电倍增管、光电导、光敏晶体等。
其中，光电二极管是最常见的光敏元件，由P型和N型半导体材料组成，当光照射到PN结时，产生光生电流。
光电倍增管是一种具有电子增益的光敏元件，它通过二次发射效应实现光电信号的放大。
光电导是一种基于金属-绝缘-半导体(MIS)结构的光敏元件，光照射到MIS结时，产生的电子流被金属电极捕捉，从而产生电信号。
光敏晶体是一种利用光生载流子的非线性效应来实现光电转换的光敏元件，具有高速响应和高灵敏度的特点。
信号处理电路是光电探测器将光信号转换为电信号后进行进一步处理的电路部分。
常见的信号处理电路包括放大电路、滤波电路、模数转换电路等。
放大电路用于增加光电信号的幅度，以提高信噪比和灵敏度。
滤波电路则用于去除杂散信号和噪声，保留感兴趣的频段信号。
模数转换电路则将模拟电信号转换为数字信号，以便进行数字信号处理和分析。
光电探测器的性能参数主要包括灵敏度、响应时间、线性度、噪声等。
灵敏度是指光电探测器对光信号的敏感程度，一般用电流-光功率转换系数和量子效率来描述。
响应时间是指光电探测器从接收到光信号到产生相应电信号的时间间隔。
线性度是指光电探测器输出的电信号与输入光信号之间的线性关系程度。
噪声是指光电探测器输出电信号中的随机波动，通常分为热噪声、暗电流噪声和光电转换噪声等。
在实际应用中，根据需要选择合适的光电探测器。
有选择的因素包括工作波长范围、动态范围、灵敏度要求、响应速度、稳定性等。
比如，在光通信领域，一般选择具有较高灵敏度和快速响应时间的光电探测器；在光谱分析领域，一般需要选择具有较高线性度和低噪声的光电探测器。
总之，光电探测器是一种重要的光电器件，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和需求的不断增长，对光电探测器的性能和特性要求也在不断提高，这就需要不断地研发和创新，以满足不同领域的应用需求。
光电探测器的物理基础(性能指标噪声)
暗噪声是由于电子的热运动引起的，在光电探测器的材料 中，电子会不断地随机运动，当这些电子撞击到光敏区域 时，会产生光电流。
影响
暗噪声是光电探测器中不可避免的一部分，对于低光强度 和高灵敏度的应用场景，暗噪声的影响尤为显著。
散粒噪声
定义
散粒噪声是由于光子到达光电探测器的随机性引起的，它与光子 到达的时刻和数量有关。
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降低噪声
降低热噪声
通过优化材料和工艺， 降低光电探测器的热噪 声。
减小散粒噪声
通过增加光电流和减小 暗电流，减小散粒噪声。
抑制其他噪声源
如读出噪声、电路噪声 等，以提高信噪比。
高带宽和高速响应
优化材料和结构
采用具有高载流子迁移率和高响应速度的材料 和结构，提高光电探测器的带宽和响应速度。
采用先进的制程技术
在导弹制导、夜视装备和情报收集等 方面有重要应用。
05 光电探测器的发展趋势与 挑战
提高响应度和探测率
增强光电转换效率
通过优化材料和结构，提高光电探测器的光吸收率， 从而提高响应度。
降低暗电流
降低光电探测器在无光照条件下的电流输出，提高探 测率。
增加光敏面积
增大光敏面积可以增加探测器的接收光量，从而提高 响应度和探测率。
产生机制
1/f噪声的产生机制比较复杂，可能与光电探测器中的表面态和界 面态有关。
影响
1/f噪声在低频和高灵敏度的应用场景下影响较大，对于高频和低 光强度的应用场景影响较小。
04 光电探测器的应用
光学通信
01
利用光电探测器接收光信号，实 现高速、大容量信息传输。
02
在光纤网络、卫星通信和物联网 等领域有广泛应用。
光电探测器原理
光电探测器原理一、概述光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的器件，广泛应用于光通信、光电子技术、医学影像等领域。
本文将从光电探测器的基本原理、结构和工作方式等方面进行探讨。
二、基本原理光电探测器的基本原理是光电效应。
光电效应是指当光照射到某些物质表面时，会引起物质中的电子发生跃迁，从而产生电流。
根据光电效应的不同特点，光电探测器可以分为光电发射型和光电吸收型两种。
2.1 光电发射型光电发射型探测器基于光电效应中的光电发射现象。
当光照射到具有光电发射性质的材料表面时，材料中的电子会受到光的激发，从而跃迁到导体中，产生电流。
常见的光电发射型探测器有光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube）等。
2.2 光电吸收型光电吸收型探测器基于光电效应中的光电吸收现象。
当光照射到具有光电吸收性质的材料表面时，光子能量被材料吸收，产生电子和空穴对，从而形成电流。
常见的光电吸收型探测器有光电二极管、光电三极管（Phototransistor）和光电导型（Photovoltaic）探测器等。
三、结构和工作方式光电探测器的结构和工作方式有多种不同的设计，下面以光电二极管为例进行介绍。
3.1 结构光电二极管由P型和N型半导体材料构成，中间有一个PN结。
当光照射到PN结时，会产生电子和空穴对，进而形成电流。
为了提高探测器的效率，常常在PN结上加上透明导电膜层，以增加光的吸收和电流的输出。
3.2 工作方式光电二极管的工作方式主要分为正向偏置和反向偏置两种。
3.2.1 正向偏置正向偏置是指将PN结的P端与正电压相连，N端与负电压相连。
在正向偏置下，当光照射到PN结时，产生的电子和空穴会被电场加速，形成电流。
正向偏置的光电二极管常用于光电转换和光通信等领域。
3.2.2 反向偏置反向偏置是指将PN结的P端与负电压相连，N端与正电压相连。
在反向偏置下，当光照射到PN结时，产生的电子和空穴会被电场阻碍，形成很小的电流。
光谱用光电探测器介绍解析
光谱用光电探测器介绍解析光谱是指将光信号的强度和波长进行测量和记录的技术。
光谱分析在许多领域中都有广泛的应用，包括化学、物理、生物和环境科学等。
其中，光电探测器是光谱分析的重要组成部分。
光电探测器是指一种能够将光能转化为电能的装置。
其工作原理基于光电效应，即当光照射到物质表面时，光子与物质中的电子相互作用，使电子从束缚态跃迁到导带态，从而产生电流或电压。
光电探测器根据材料的特性和工作方式的不同，可以分为两类：光电二极管和光电倍增管。
光电二极管是最常见的光电探测器之一、它使用半导体材料制成，一般是硅或锗。
光电二极管的结构简单，一般由一个PN结构组成。
当光照射到PN结的表面时，光子从PN结中的价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。
由于PN结的内部电场，电子和空穴会被分离，从而产生电流。
光电二极管的输出电流与光的强度成正比，可以通过改变反向电压或电流来调节其增益和响应速度。
光电倍增管是一种高灵敏度的光电探测器。
它的工作原理基于二次电子倍增效应。
光电倍增管由光阴极、焦点极、倍增螺旋和阳极等部分组成。
当光照射到光阴极上时，光子激发光阴极表面的金属离子产生光电子。
光电子经过加速后进入焦点极，在焦点极的电场作用下形成一个狭束电子流。
然后，这个电子束经过由螺旋线组成的倍增螺旋，通过与次级电子的相互作用，产生电子乘积效应。
最后，经过若干倍增过程，形成大量的电子在阳极上产生电流。
光电倍增管的输出电流与光的强度成指数关系，具有较高的增益和灵敏度。
光电探测器还可以根据工作波长范围的不同分为可见光光电探测器和红外光电探测器。
可见光光电探测器主要适用于波长在400-700nm之间的光信号的检测，例如光电二极管和光导电二极管。
红外光电探测器则是用于检测波长在700nm以上的红外光信号，例如光电倍增管、光电三极管和半导体探测器等。
在光谱分析中，光电探测器的选择至关重要。
它的灵敏度、响应时间、动态范围、线性度、暗电流和噪声等参数都会对光谱分析的结果产生影响。
光伏探测器详解
为了更好的使用方便及更好发挥光电二极管 在系统中的最佳性能，设计和制作PIN-FET微 型组件是发展趋势。这种器件是含有小面积、 小电容的光电二极管与高输入阻抗的场效益 管前置放大器组合体，其中所有引线长度及 杂散电容都做得非常小。由于电容小，，输 入阻抗高，可以大大降低热噪声，这种组件 还具有供电电压低，工作十分稳定，使用方 便的特点。PIN光电二极管的上述优点，使它 在光通信、光雷达及其它要求快速光电自动 控制系统中得到非常广泛的应用。
光电子技术课堂展示 ——光电探测器
光伏探测器
利用半导体PN结光伏效应制成的器件 称为光伏探测器，也称结型光电器件。探 测器主要用于测量检查, 控制跟踪, 图像测 量和分析等方面。
这类器件品种众多，但它们的原 理都是相同的，所以在性质上有许多 相近的地方。这类器件品种很多，其 中包括：光电池、光电二极管、光电 晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩 光电二极管、光可控硅、阵列式光电 器件、象限式光电器件、位置敏感探 测器（PSD）、光电耦合器件等。
一、三种工作模式 （1）零偏置的光伏工作模式 若p-n结电路接负载电阻RL，如图，有光照射 时，则在p-n结内出现两种相反的电流：
光激发产生的电子－空穴对，在内建电 场作用下形成的光生电流Ip，它与光照有 关，其方向与p-n结反向饱和电流I0相同； 光生电流流过负载产生电压降，相当于 在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电 流ID。 流过负载的总电流是两者之差：
应用：无基极引线的光电三极管。它是依靠光的 “注入”，把集电结光电二极管的光电流加以放 大，从而在集电极回路中得到一个被放大的光生 电流。“注入”的光强不同，得到的光生电流不 同。无基极引线光电三极管实际应用时有电流控 制和电压控制两种电路。在无光照的情况下，其 暗电流很小，对于相应速度要求不高的开关电路， 可以直接将灵敏的继电器串联在基极回路上。即 可以比较方便地实现光电自动控制。 有基极引线 的光电三极管。有基极引线的光电三极管适用于 高速开关电路和调制光的探测。
光谱用光电探测器介绍解析
光谱用光电探测器介绍解析光谱是研究物质性质和结构的重要手段，通过分析被物质吸收、散射或发射的光的能量和波长分布，可以获得物质的特征信息。
而光电探测器则是光谱仪中最关键的部件之一，用于将光信号转换为电信号，进而测量和记录光谱。
光电探测器是一种能够测量光的强度和波长的仪器，它的基本原理是利用光与物质之间的相互作用，产生光电子并将其收集和测量。
光电探测器可以分为多种类型，例如光电管、光电二极管、光电倍增管、硅光电二极管、光电导和光电多道。
光电探测器的基本结构是将光电转换元件和信号处理电路组合在一起。
光电转换元件是将光能转化为电能的部分，包括两个关键部分：接收光的部分和将光能转化为电能的部分。
接收光的部分通常由光阑、透镜、滤光片等组成，用于控制和聚焦光线。
光能转换为电能的部分主要是光电转换元件，根据不同的工作原理可以分为多种类型。
光电转换元件的工作原理可以基于光电效应、热电效应或光磁效应等，其中最常用的是基于光电效应的探测器。
光电效应是指当光子击中物质表面时，会产生电子-空穴对，并使物质带电。
光电转换元件内部通常会包含材料的半导体层，光子在此层中击中时会激发电子-空穴对的产生，然后通过外加电场的作用，将电子和空穴分离，进而形成电流。
光电探测器的性能评估主要包括以下几个方面：1.噪声：光电探测器的噪声包括热噪声、暗电流和杂散光噪声等。
这些噪声会限制光电探测器的灵敏度和精确度。
2.响应速度：光电探测器的响应速度是指其转换光信号为电信号的时间，一般取决于光电转换元件的特性和信号处理电路的设计。
3.线性范围：光电探测器的线性范围是指其输出电流与输入光强度之间的线性关系，通常以一个上限值来描述。
光电文于用于不同的光谱学应用，具体取决于需要测量的光信号和所希望获得的光谱参数。
例如，在紫外-可见光谱范围内，光电二极管和硅光电二极管是常用的探测器选择，它们具有较高的灵敏度、较宽的线性范围和良好的稳定性。
在红外光谱范围内，可以使用半导体探测器、铟镉镉探测器和铟锑镉探测器等。
光电探测器原理资料讲解
光电探测器原理光电探测器原理及应用光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。
现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的，是变光信号为电信号的元件。
光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。
他们的区别在于，内光电效应的入射光子并不直接将光电子从光电材料内部轰击出来，而只是将光电材料内部的光电子从低能态激发到高能态。
于是在低能态留下一个空位——空穴，而高能态产生一个自由移动的电子，如图二所示。
硅光电探测器是利用内光电效应的。
由入射光子所激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能，如果设法检测出这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。
无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取决于入射光波的波长λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关：E=hν（1）式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波长越短，频率越高，每个光子所具有的能量hν也就越大。
光强只反映了光子数量的多少，并不反映每个光子的能量大小。
目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半导体材料制作的。
半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和P—N结型。
但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。
而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。
一、耗尽层光电二极管在半导体中，电子并不处于单个的分裂能级中，而是处于能带中，一个能带有许多个能级。
如图三所示。
能带与能带间的能量间隙称为禁带，禁带中没有电子，电子从下往上填，被电子全部填满的能带称为满带，最高的满带称为价带，紧靠在价带上面的能带称为导带，导带只有部分被电子填充，或是全部空着。
02(光电探测器)-82
㈠、基本结构与原理
光电阴极 电子光学输入系统 阳极
光入射窗口 二次发射电子倍增器
1．光入射窗
光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。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。
侧窗式
端窗式
2．光电阴极
光电阴极由光电发射材料制作。光电发射材料大 体可分为：金属材料、半导体材料。
的接地方式有两种，即
阴极接地或阳极接
地。
阳极接地
阴极接地的特点
优点：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极 靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。 缺点：但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容 大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整 个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交 流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般 耐压很高的电容器体积大而且价格高。
6．噪声等效功率(NEP)
或称最小可探测功率Pmin。 信噪比为1时，入射 到探测器上的辐射通量。即
e NEP S/N
一、概念理解 1、光电探测器的响应度（或灵敏度） 2、信噪比 3、最小可探测功率
二、简答题 热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？
三、选择题 1、光电检测系统的核心是（ ）
4.伏安特性
光电倍增管的伏安 特性曲线分为阴极伏安 特性曲线与阳极伏安特 性曲线。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。
5. 频率响应
由于PMT是光电发射型器件，而光电发射的延迟时 间≤3×10－13S，所以PMT有很高的频率响应。
6.噪声
主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍 增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信 号光中的直流分量有关。
第四章. 光电探测器概述解剖
光电探测器的性能参数
二、有关噪声方面的参数
噪声等效功率(NEP) －最小可探测功率
NEP e S/ N(=1)
探测率D和比探测率D＊
D 1 V S/V N （ W -1 ） N E P P
D * N A E d P f V S P /V NA d f ( c m H z 1 /2 W 1 )
④从数学角度可以定义互功率谱密度
Rxy()=21 Sxy()ejd
R n () E [ n ( t) n ( t ) ] T li m 2 1 T T T n ( t) n ( t ) d t
✓ 讨论：几个重要性质
① R n ( ) 仅与时间差 有关，与计算时间t的起点无关
噪声的统计特性
② Rn ( ) 随 的增加逐渐衰减，表示在时间上相关性 逐渐减少。特别是对零均值噪声，可以证明
➢ 表征：同时间常数 RC，它决定了光电探测器频
率响应的带宽
光电探测器的性能参数
二、有关噪声方面的参数
探测器具有固有噪声，这些噪声的时间平均值为零， 但其均方根不为零，这个均方根电压（电流）称为探 测器的噪声电压（流）。
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
S PS IS 2 R L IS 2 N PN IN 2 R L IN 2
➢ 狭义平稳随机过程：噪声的概率分布密度不随时间变化
噪声的统计特性
➢ 各态经历：统计平均可以用时间平均来计算
E [N ]NT li m 2 1 T T TN (t)dt
E [2N ]N 2T li m 2 1 T T T2N (t)dt
*光电系统的噪声是各态经历的广义平稳随机过程。
以热噪声为例：p( N ) 符合高斯分布
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光电探测器
摘要
本文研究了近期崛起的高科技新秀：光电探测器。
本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器，使大家对光电探测器有一个初步的理解。
了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料，而且对研发新的光电探测器有所帮助
一、简单介绍引入
光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时，性质会发生各种变化的材料。
光电探测器能把辐射信号转换为电信号。
辐射信号所携带的信息有：光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等，其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示，从而进行探测。
光电探测器的发展历史：
1826年，热电偶探测器→1880，金属薄膜测辐射计→1946，热敏电阻→20世纪50年代，热释电探测器→20世纪60年代，三元合金光探测器→20世纪70年代，光子牵引探测器→20世纪80年代，量子阱探测器→近年来，阵列光电探测器、电荷耦合器件（CCD）
这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面，都有着不可或缺的作用。
二、光电探测材料的分类。
由于器件对辐射响应的方式不一样，以此可将光电探测器分为两大类，分别是光
1
子探测器和热探测器。
○1光子探测器：光子，是光的最小能量量子。
单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。
光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。
○2利用光热效应制作的元件叫做热探测器，同时也叫热电探测器。
（光热效应指的是当材料受光照射后，光子能量会同晶格相互作用，振动变得剧烈，温度逐渐升高，由于温度的变化，而逐渐造成物质的电学特性变化）。
若将光电探测器按其他种类分类，则
按应用分类：金属探测器，非成像探测器（多为四成像探测器），成像探测器（摄像管等）。
按波段分类：红外光探测器（硫化铅光电探测器），可见光探测器（硫化镉、硒化镉光敏电阻），紫外光探测器。
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3
三、 工作原理
光电探测器是如何工作的呢？
○
1热探测器 热探测器的工作原理是基于光电材料吸收光辐射能量后温度升高，从而改变其电学性能，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。
这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光
能量的测量。
热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。
具体例子：
（1）热胀冷缩效应：液态的水银温度计及气动的高莱池。
（2）Seebeck效应（第一热电效应）：热电偶和热电堆。
（3）石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。
（4）测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。
因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。
另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。
如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器。
★（5）自发极化强度随温度的变化而变化效应：Pyroelectric detector（热释电探测器）。
因为热释电探测器在热探测器中探测率最高，而且频率响应最宽，所以这类探测器很受重视，发展很快。
下面重点探讨一下热释电探测器的工作原理。
在某些晶体（如碳酸钡、硫酸锂）的上、下面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外辐射间歇地照射时，其表面温度会上升△T，这时晶体内部的原子排列将产生变化，从而引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压。
目前认为比较有发展前途的晶体：
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