光电探测器的物理基础共47页
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第十讲-光电探测器的物理效应资料PPT课件
光辐射量
光电探测器
光电倍增管
电量
2021
3
31
一、光子效应
(Photonic Effect ) 指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器 吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小 直接影响内部电子状态的改变。
例如:光子效应在光电池等中体现
特点 对光波频率表现出选择性，响应速度快。
2021
4
一、光子效应
外光电效应 内光电效应
效应
1）光阴极发射光电子 2）光电子倍增
打拿极倍增 通道电子倍增
1）光电导（本征和非本征）
2）光生伏特
PN结和PIN结（零偏）
PN结和PIN结（反偏）
雪崩
肖特基势垒
3）光电磁
光子牵引
2021
相应的探测器 光电管
光电倍增管 像增强器 光导管或光敏电阻
光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器
D e
hv
dn电 dn光
dt dt
i(t)
e P(t)
hv
——探测器的量子效率
2021
7
28
八、光电转换定律
*光电探测器对入射功率响应(光电流) ——一个光子探测器可视为一个电流源
**光功率P正比于光电场的平方 ——平方律探测器——非线性器件(本质)
2021
6
29
5
光电探测器件的特点
光子器件
A、光电发射效应 B、光 电 导 效 应 C、光生伏特效应 D、光 磁 效 应
2021
31
3
知识巩固
2、在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于( A、外光电效应 B、内光电效应 C、光电发射 D、光导效应
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
光电探测器概况课件
噪声干扰
灵敏度
光电探测器在工作中容易受到环境噪 声的干扰，如热噪声、散粒噪声等， 这些噪声会影响探测器的性能和精度 。
光电探测器的灵敏度也是一大挑战， 尤其是在低光强度或弱光信号的探测 中，需要提高探测器的灵敏度和信噪 比。
响应速度
光电探测器的响应速度是另一个挑战 ，尤其在高速或瞬态光信号的探测中 ，需要提高探测器的响应速度和带宽 。
光电探测器技术的起源
19世纪末
物理学家发现光电效应，为光电 探测器技术奠定理论基础。
20世纪初
科学家开始研究光电材料，探索 光电转换原理。
光电探测器技术的发展阶段
20世纪中叶
半导体材料的发展推动了光电探测器 技术的进步，硅基光电探测器逐渐成 为主流。
20世纪末至今
新型光电材料和器件不断涌现，光电 探测器技术应用领域不断拓展。
光电探测器可以检测空气中的污染物，如烟雾、灰尘等。
光电探测器在医疗领域的应用
医学影像
光电探测器用于医学影像设备，如CT、 MRI等，将X射线或磁共振信号转换为图像 。
激光治疗
在激光治疗中，光电探测器用于检测激光光 束的强度和位置，确保治疗的准确性和安全
性。
06
光电探测器的挑战与 展望
光电探测器面临的主要挑战
• 噪声等效功率：描述光电探测器在特定信噪比下所能探测到的 最小光功率。它反映了探测器在低光功率条件下的探测能力， 是衡量光电探测器性能的重要指标。
探测率与探测极限
探测率
描述光电探测器在单位时间、单位面积内探测到的光子数。它是衡量光电探测器探测能力的关键参数 。
探测极限
指光电探测器在特定噪声等效功率下的最小可探测光功率。它反映了探测器在高信噪比下的探测能力 。
光电探测基础全面讲解
1m 1 cm 1 mm
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
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
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(推荐)zm2011)光电探测器的物理基础完美
光生伏特效应
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有光照射时，若PN结电路接负载电阻RL，如图，在PN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PN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PN结施加正向偏置电压，从而产 生电流ID。
流过负载的电流IL为： qU
13
在半导体中，电子获取势能后从价带跃迁到导带，导带中出现自由电子， 价带中出现自由空穴。
本征半导体
N型半导体
半导体能带图
P型半导体
14
EC
EC
EFi
EFi
EFp
EFp
EV
Ea
EV
Ea
（a）p型重掺杂
（a）p型轻掺杂
Ed
EC
Ed
EFn
EC EFn
EFi
EFi
EV （a）n型轻掺杂
EV （a）n型重掺杂
30
1.内光电效应
（1）光电导效应 光辐射－载流子－电导率变化
光电导效应可分为本征光电导效应与非本征（杂质） 光电导效应两种：
➢本征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，从而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。
➢非本征半导体中杂质能级上的束缚态电子（n型）
或空穴（p型）吸收光子能量而产生光生载流子，从
而使半导体的电导率发生变化。这种现象称为非本征
光电导效应。
31
光电导效应
32
本征光电导的长波限（截止波长）
0 hc/Eg 或 00((m m )) 1 1..2 2/4 /4 E E gg((eeV )V )
光电探测器的物理效应
光生伏特效应
当光子照射到光伏电池上 时，产生电动势的现象。
光电效应的物理过程
电子吸收光子能量
01
当光子照射到物体表面时，电子吸收光子能量，获得
02
在光伏电池中，光子能量被吸收后转化为电能，产生电动势。
电荷分离
03
在光电导材料中，光子能量导致材料内部产生电子-空穴对，形
皮尔兹效应
汤姆逊效应
当电流通过存在温度梯度的导体时，除了产 生焦耳热外，还会在导体内部产生热电压， 这是由于导体内部自由电子的热扩散产生的 。
当一个导体被加热时，在导体的两端 会产生电压，即热电压，这是由于导 体内部自由电子的热运动产生的。
热电效应的物理过程
热能转化为电能
当两种不同导体连接成回路时，由于两导体之间存在温度差，使得 电子从高温端向低温端扩散，形成电势差，从而产生热电流。
光电导效应
当光照射在半导体材料上时，光子能 量使材料中的价电子吸收能量并跃迁 至导带，形成光生载流子，导致材料 电导率发生变化，产生光电导效应。
光电流与光电导效应的应用
光电二极管
利用光电流效应，将光信号转换为电信号，用于光信 号检测、光电开关等。
光电导传感器
利用光电导效应，将光信号转换为电信号，用于光强 测量、光谱分析等。
光子雪崩效应可应用于光纤通信、激光雷 达、光谱分析、生物医学成像等领域。
06 其他光电物理效应
CHAPTER
光电发射效应
光电发射效应是指当光子照射到 物质表面时，物质中的电子吸收 光子的能量，从束缚态跃迁到自
由态，形成电流的现象。
光电发射效应可以分为光电发射、 光电子发射和热电子发射等类型， 其中光电发射是最常见的一种。
光电效应
第2章 光电探测器概述-半导体物理基础知识
弱注入 Δn(t) =Δp(t)<< n0
2.非平衡载流子的寿命
以N型为例，计算弱注入条件下少子的寿命
dΔp (t ) − = rn0 Δp (t ) dt
τ c = 1 / (rn0 )
表明：
弱注入条件下，载流 子寿命与热平衡时多 子电子的浓度成反比， 并且在一定温度下是 一个常数。
Δp (Δ )t (0)e = p
电子共有化，能级扩展为能带
1．原子能级与晶体能带
N个原子
……
电子能量
禁 禁 (a) (b)
带 带
Eg
导带 Ec 价带 Ev
导带Ec 禁带Eg 价带Ev
价电子（最外层电子）能级相对应的能带
1．原子能级与晶体能带
……
电子能量
N个原子
禁 禁 (a) (b)
带 带
Eg
导带 Ec 价带 Ev
导带Ec 禁带Eg 价带Ev
kT
本征和杂质半导体中的费米能级：
半导体费米能级推导
（a）本征半导体；（b）N型半导体； （c）P型半导体
用费米能级描述载流子分布－－ “标尺”
练习：画出轻掺杂N型和重掺杂N型费米能级示意图
热平衡状态下的载流子
总 结： 热平衡态
导带中电子的浓度
载流子的分布
价带中空穴的浓度 本征半导体
用费米能级Ef描述：
(a)本征半导体；
(b)N型半导体；
(c) P型半导体
杂质吸收：
N型半导体 施主 束缚电子导带
P型半导体 受主 束缚空穴价带
hc hc 1.24 1.24 ′ = ′ = (μm ) (μm ) 或 λ0 = = λ0 ∆ Ed ∆ Ed ∆ Ea ∆ Ea
光电仪器原理与设计第6章光电探测器课件
• 光电倍增管特点
✓ 响应速度快 ✓ 响应度极高 ✓ 稳定度线性度较好
光电倍增管的应用
单光子探测技术 正电子发射断层扫描仪PET 紫外/可见/近红外光光度计 发光分光光度计
23
内光电效应原理
• 当光照射某种物质时，若入射光子能量足够大，和物质中 的电子相互作用，受激发产生的自由电子仍留在物体内部， 导致物体导电性加强、出现电势差或产生其他效应
• 取不同的参数为参变量可得到
✓ 伏安特性，灵敏度/响应度，光谱灵敏度，幅频特性等
17
第二节 光电探测器的工作原理与分 类
• 客观光探测原理的分类
✓ 光照后探测器材料产生物理或化学变化 ✓ 光子效应：探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子
状态的改变。对光波频率有选择性。响应速度一般较快。 • 外光电效应：光电子发射、光电子倍增 • 内光电效应：光电导、光生伏特效应等
✓ 这样如光电管（灵敏度低）、光敏电阻（线性度差）、光电池 （响应速度慢）之类的器件难以满足要求。其它如光电倍增管、 雪崩光电二极管虽然有优越的探测性能，尤其是灵敏度极高，但 本系统是常规激光光强探测，没有微弱信号探测方面的需求，没 有必要选用这两种器件。
(l)
e
Pel d l
e
l Pel d l
R(l)hc el
✓ h：普朗克常量h，c：光速，e：电hc子电量
13
光电特性——噪声等效功率
• NEP（noise equivalent power）
✓ 指明器件可检测的最小辐射功率 ✓ 探测器输出信号电压的有效值Vs等于噪声均方根电压值Vn时，对
应的入射光功率（单位：W）
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外光电效应器件——光电管
• 光电管（photocell）
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。
光电探测器及光电导探测器
响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒 需要的时间短， 一般为纳 秒到几百微秒
5
二、光电探测器原理
光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件
光辐射量
光电探测器
电量
• 光电探测器利用材料的光电效应制成。 • 外光电效应、内光电效应。 • 光电导效应、光生伏特效应及光磁电效应均
属于内光电效应。
5.当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是否能正确 反映光信号的波形—探测器的响应时间。
6.当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅度是否能 线性地响应。
11
等效噪声功率和探测率
➢ 当入射功率小至使信号电流和噪声电流相等时， 信号与噪声难以分辨，器件就失去了探测辐射的 能力。因此要考虑器件的噪声，通常用噪声等效 功率NEP和探测率D*来描述器件的极限探测本领， 即最小可探测功率。
光电探测器及光电导探测器
1
光电探测器及光电导探测器
❖ 光电探测器的物理基础、分类 通常需考虑特性参数； 常用的光电导探测器原理和特性。 光电探测器的噪声
❖ 光电导探测器的电路偏置
2
光检测器件的分类
根据工作机理不同分为：光电探测器和热电探测器。
3
光检测器件
光电器件
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
光阴极 6
三、光电转换定律
➢ 光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的电学 量，所以光电探测器实质上是一种光－电转换器件。
➢ 光子入射到光电探测器上所产生的光电流，如果光子能
量大于探测器材料的禁带宽度，在观察时间t内，它产 生的平均光电子数为N，则根据量子理论分析的结果， N 与入射的平均光辐射能量成正比，即
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