《光电探测器》PPT课件
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《光电导探测器》课件
详细描述
光电导探测器在光通信领域中用于光信号的接收和检测，在光谱分析中用于光 谱仪的光电转换，在环境监测中用于气体和液体的成分分析和浓度测量，在生 物医学中用于医疗诊断和生物分子检测等。
02
CHAPTER
光电导探测器的基本结构
半导体材料
光电导探测器的核心是半导体材料，它们能够吸收光子并产生电子-空穴对。常见的 半导体材料包括硅、锗、硫化铅等。
这些半导体材料具有直接带隙结构，使得它们能够有效地吸收特定波长的光子，产 生光生载流子。
半导体材料的性能决定了光电导探测器的响应速度、光谱响应范围和暗电流等关键 参数。
光敏元件
光敏元件是光电导探测器的核心部分 ，它负责吸收光子并转换为电信号。
光敏元件的形状和尺寸对探测器的性 能有重要影响，例如响应速度、光谱 响应范围和探测率等。
未来发展方向与挑战
交叉学科融合
光电导探测器的发展需要与物理、化学、生物等 多学科交叉融合，开拓新的应用领域。
环境适应性
提高光电导探测器的环境适应性，使其能够在恶 劣环境下稳定工作。
降低成本
通过优化工艺和材料，降低光电导探测器的制造 成本，促进其在民用领域的应用。
THANKS
谢谢
光谱响应
描述光电导探测器在不同波长光下的 响应特性，是决定探测器应用范围的 重要参数。
响应时间与恢复时间
响应时间
光电导探测器从接收到光信号到产生可观测电信号的时间间隔，反映了探测器的反应速 度。
恢复时间
探测器在持续光照下，从最大响应状态回到初始状态所需的时间，影响连续测量时的性 能。
温度稳定性与可靠性
03
CHAPTER
光电导探测器的性能参数
响应度与探测率
光电导探测器在光通信领域中用于光信号的接收和检测，在光谱分析中用于光 谱仪的光电转换，在环境监测中用于气体和液体的成分分析和浓度测量，在生 物医学中用于医疗诊断和生物分子检测等。
02
CHAPTER
光电导探测器的基本结构
半导体材料
光电导探测器的核心是半导体材料，它们能够吸收光子并产生电子-空穴对。常见的 半导体材料包括硅、锗、硫化铅等。
这些半导体材料具有直接带隙结构，使得它们能够有效地吸收特定波长的光子，产 生光生载流子。
半导体材料的性能决定了光电导探测器的响应速度、光谱响应范围和暗电流等关键 参数。
光敏元件
光敏元件是光电导探测器的核心部分 ，它负责吸收光子并转换为电信号。
光敏元件的形状和尺寸对探测器的性 能有重要影响，例如响应速度、光谱 响应范围和探测率等。
未来发展方向与挑战
交叉学科融合
光电导探测器的发展需要与物理、化学、生物等 多学科交叉融合，开拓新的应用领域。
环境适应性
提高光电导探测器的环境适应性，使其能够在恶 劣环境下稳定工作。
降低成本
通过优化工艺和材料，降低光电导探测器的制造 成本，促进其在民用领域的应用。
THANKS
谢谢
光谱响应
描述光电导探测器在不同波长光下的 响应特性，是决定探测器应用范围的 重要参数。
响应时间与恢复时间
响应时间
光电导探测器从接收到光信号到产生可观测电信号的时间间隔，反映了探测器的反应速 度。
恢复时间
探测器在持续光照下，从最大响应状态回到初始状态所需的时间，影响连续测量时的性 能。
温度稳定性与可靠性
03
CHAPTER
光电导探测器的性能参数
响应度与探测率
第十二章光电探测器 PPT
计量起伏噪声(以起伏噪声电压 n为(t)例,噪声电流 i类n (似t) )
n (t) 0噪声电压平均值得瞬间振幅与相位随时间呈无规则变化
___
n2 均方值完全确定,表示单位电阻上所消耗得噪声平均功率
___
n2 —计量噪声电压大小
___
n2 —起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_ n2
光电导探测器
利用光电导效应可以制成各种用途得光电元件,如光敏电阻(光 电导探测器)、光电管等。其中光敏电阻具有体积小、坚固耐用、 价格低廉、光谱响应范围宽等优点,广泛用于微弱辐射信号得探 测领域。
#
光电导探测器
光电导效应
本征半导体:
光电导增量
e(nn pp )
n和p
分别就是电子与空穴得迁移率
i
生得具有电量为e得光电子数量
量子效率
Ip / e
单位时间内光子所激励得光电子数
Pi /h
单位时间内入射到探测器表面得光子数
代表入射到探测器得单个光子所能产生得光电子数目
#
光电探测器得性能参数
时间常数
探测器得惰性:
当入射光功率发生突然变化时(如开始或停止照射),光电探测器
得输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数 来衡 量
在阶跃输入光功率条件下,光电探测器输出电流 为
is
当is
(t
)
i
[1
exp(t 时,(稳态值
/
)]
)
称is (为t)参数
频率响应
——探测器得响应度随入射光调制频率得变化特征 多数探测器得响应度与调制频率得关系为
(f )
0
1
(1+4 2f 2 2 ) 2
《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。
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ppt课件
*
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
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
光电探测器的性能与参数 ppt课件
D* D Af
1
(cm Hz 2 / W)
称为归一化探测度。
这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。
考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长 λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ, f ,Δf )。
共28页 21
ppt课件
UP
DOWN
21
BACK
主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
七、其它参数
光电探测器还有其它一些特性参数，在 使用时必须注意到，例如光敏面积，探测器 电阻，电容等。
特别是极限工作条件，正常使用时都不允 许超过这些指标，否则会影响探测器的正常 工作，甚至使探测器损坏。
通常规定了工作电压、电流、温度以及光 照功率允许范围，使用时要特别加以注意。
光敏电阻
共28页 22
1探测器件热电探测元件光子探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管夜色降临海面上有一无形的视而不见触而不觉的哨兵红外激光探测器监视着海面当有不速之客到来光线挡断光电探测器探测不到激光而进行声光报警
共28页 3
ppt课件
光电倍增管
3
UP
DOWN BACK
主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
4.2 光电探测器的性能参数
光电倍增管
共28页 4
ppt课件
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4
BACK
主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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。
.
《光电探测器概述》课件
光电探测器概述
本次PPT课件将详细介绍光电探测器的定义、工作原理、分类、应用领域、 性能指标、市场前景等内容，以及总结和展望。
光电探测器的定义
1 什么是光电探测器？
光电探测器是一种将光信 号转化为电信号的器件， 常用于光通信、光电子计 算、光电测量等领域。
2 光电探测器的组成
光电探测器主要由光电转 换器、电子放大器、信号 处理电路等组成。
量子效率
探测器有效响应光子数与入射 光子数之比，常用百分比表示， 值越大，效率越高。
工作波长范围
光电探测器可以工作的光波长 范围，常用纳米、微米等单位 表示。
光电探测器的市场前景
1
新能源行业需求
2
太阳能、光催化、新型半导体等新兴产
业的发展，都需要大量应用光电探测器
的技术。
3
高速互联网需求
随着5G网络、云计算、物联网等技术的 发展，光电ห้องสมุดไป่ตู้测器在高速互联网领域的 应用需求也将持续增长。
3 光电探测器的特点
具有高精度、高速度、高 灵敏度、低噪音等特点， 是光电子技术的核心器件 之一。
光电探测器的工作原理
1
内部光电效应
通过光电效应，将入射光子能量转换成电子，再经由电荷隔离、放大、输出等处 理步骤，获得探测信号。
2
外部光电效应
借助半导体结构中PN结、PIN结等，并通过将入射光子和电子进行复合，使得 PN结两端出现电压，获得探测信号。
军事与安防
光电探测器在红外夜视、导弹制导、火力控制和远 程探测等领域有广泛应用。
新能源领域
光电探测器在太阳能电池、光催化电池等应用中发 挥重要作用。
医疗
光电探测器在CT、MRI、PET、胶片扫描等医疗领 域有广泛应用，可提供更清晰、准确的成像效果。
本次PPT课件将详细介绍光电探测器的定义、工作原理、分类、应用领域、 性能指标、市场前景等内容，以及总结和展望。
光电探测器的定义
1 什么是光电探测器？
光电探测器是一种将光信 号转化为电信号的器件， 常用于光通信、光电子计 算、光电测量等领域。
2 光电探测器的组成
光电探测器主要由光电转 换器、电子放大器、信号 处理电路等组成。
量子效率
探测器有效响应光子数与入射 光子数之比，常用百分比表示， 值越大，效率越高。
工作波长范围
光电探测器可以工作的光波长 范围，常用纳米、微米等单位 表示。
光电探测器的市场前景
1
新能源行业需求
2
太阳能、光催化、新型半导体等新兴产
业的发展，都需要大量应用光电探测器
的技术。
3
高速互联网需求
随着5G网络、云计算、物联网等技术的 发展，光电ห้องสมุดไป่ตู้测器在高速互联网领域的 应用需求也将持续增长。
3 光电探测器的特点
具有高精度、高速度、高 灵敏度、低噪音等特点， 是光电子技术的核心器件 之一。
光电探测器的工作原理
1
内部光电效应
通过光电效应，将入射光子能量转换成电子，再经由电荷隔离、放大、输出等处 理步骤，获得探测信号。
2
外部光电效应
借助半导体结构中PN结、PIN结等，并通过将入射光子和电子进行复合，使得 PN结两端出现电压，获得探测信号。
军事与安防
光电探测器在红外夜视、导弹制导、火力控制和远 程探测等领域有广泛应用。
新能源领域
光电探测器在太阳能电池、光催化电池等应用中发 挥重要作用。
医疗
光电探测器在CT、MRI、PET、胶片扫描等医疗领 域有广泛应用，可提供更清晰、准确的成像效果。
光电探测器概述ppt课件
Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷 区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩 散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。它对多 数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。
内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带 来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的 少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）一旦靠近PN结，便 在内电场的作用下漂移到对方，这种少数载流子在内电场作用 下有规则的运动称为漂移运动，结果使空间电荷区变窄。
光电子发射探测器光电子发射效应或外光电效应金属氧化物或半导体表面光子能量大于逸出功材料内束缚能级的电子逸出表面自由电子光辐射光电导探测器光电导效应或内光电效应半导体材料光子能量大于禁带宽度材料内不导电束缚状态的电子空穴自由电子空穴光辐射电导率变化光伏探测器光生伏特效应或内光电效应光伏探测器光生伏特效应或内光电效应金属氧化物或半导体表面光子能量足够大材料内束缚能级的电子逸出表面电子空穴对光辐射光电磁探测器光电磁效应或内光电效应光电磁探测器光电磁效应或内光电效应垂直磁场中的半导体材料光子能量足够大本征吸收产生电子空穴对载流子浓度梯度光辐射光磁电动势光电池光电二极管雪崩光电二极管pin管及光电晶体管光生电动势选择性探测器即光子波长有长波限
♥ 选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长
于长波限的入射辐射不能产生所需的光子 效应，因此无法被探测。
♥ 波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波
长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论 响应率应正比于波长。
热探测器（光热效应）
光辐射
材料产生温升
热探测器
物理性质变化
温差电动 （温差电效应）
热电偶
因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少 子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄， 内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。
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
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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
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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
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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）
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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，
在晶体中掺杂可以是光谱特性曲线象长波方向扩展或移动。
σ0＝n0qun+p0qup 式中n0和p0分别时电子和空穴的热平衡浓度，un和up分别时电子和空穴的 迁移率。在适当波长的光照射下，半导体中出现光生电子和光生空穴，设 它们的浓度分别时Δn和Δp，则半导体的电导率将增为： σ＝（n0+Δn）qun＋（p0＋Δp）qup
＝σ0＋Δσpn 式中Δσpn＝Δnqun+Δpqup 称为光电导。
a.暗电阻和亮电阻
暗电阻:是指全暗的条件下所测的电阻。其值大于1MΩ，在给定 的条件下，所通过的电流为暗电流。
亮电阻:受到光照时所测的电阻，其值几千Ω，在给定的条件下 ，所通过的电流为亮电流。暗电阻与亮电阻之间之比为在102---106 之间
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性
光伏型（PV）:有光伏结构的光 敏电阻（PD）等
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3
8.1 半导体光电探测器概述
半导体光电探测器是利用半导体材料的内光电效应来接收和探测光信号的 器件。
半导体光电探测器只能探测具有足够能量的光子，即该材料长波限以下的 光子，其数学关系为
max1.24Eg (um)
为能被探测的光波长， max 为半导体材料之长波限，E g 为材料带隙，
用[ev]作单位。
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8.1 半导体光电探测器概述
半导体光电探测器有三个基本过程：
1 光子入射到半导体中激励产生载流子 2 载流子输运及倍增 3 电流经外电路作用后输出信号，从而完成对光子探测的过程
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8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
1 光谱响应特性：在某一波长 λ 间隔 dλ 内的光子，在探测器中产生的输出电流与 输出光功率之比为光谱响应 R(λ) 。 2 噪声：探测器的噪声电平或信噪比是限制探测器使用范围的最重要参数。
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=hc1240Eg
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
设无光照射半导体的电导率（暗电导率）为：
4 探测率
1
cmHz2
/W
A为探测器面积，Δf为放大器宽度。 5 响应时间：描述探测器接收入射辐射的响应速度。
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8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃 升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电， 因此电阻显著减小，光敏电阻常用的制作材料为硫化镉，另外 还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有 在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
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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
b.响应灵敏度
光敏元件对于各种光的响应灵敏度是随入射光的波长变化而变化 的。因此，常常利用光谱响应特性曲线来评价光敏元件。光谱响应 特性表示光敏元件对各种单色光的敏感程度。对应于一定敏感程度 的波长区间，称为光谱响应范围。对光谱响应最敏感的波长数值， 称为光谱响应峰值波长，峰值波长取决于制造光敏元件所用半导体 材料的禁带宽度。
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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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8.2光敏电阻
2 光敏电阻结构
光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云 母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗 口的金属或塑料外壳内。
光敏电阻原理结构示意图
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理 光敏电阻是根据光电导效应实现光电转换。
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
p型半导体的光电导效应： 当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，光子可能把价带中的电 子激发到受主能级，结果该电子就成为捕获电子，而在价带中留下空 穴（自由空穴）。 使空穴浓度增加，结果电导率增加。 σ＝（n0+Δn）qun n型半导体的光电导效应： 当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，施主能级中的电子也可 能被激发到导带而成为自由电子，使电子浓度增加，结果电导率增加。
8 半导体光电探测器
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本章内容
• 1.半导体光电探测器概述 • 2.光敏电阻 • 3.光敏二极管
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8.1 半导体光电探测器概述
光电探测器是对各种光辐射进行接收和探测的器件。
光电探测器
光电发射器件：真空光电二极管，光电倍增管等
半导体光电探测器
光导型（PC）:各种光敏电阻
σ＝（n0+Δn）qun
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
结论： •故同一材料的本征光电导比杂质光电导大。 •杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小。 •通过改变半导体内部的杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小 ，来测量不同波长的光。
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性
噪声来源
热噪声： 载流子热运动的起伏引起的噪声 散粒噪声：载流子在越过pn结之类的耗尽区时，单位时间内通过 的载流子数在其平均值附近的一定起伏所引起的噪声。 1/f噪声： 它与测量频率呈倒数关系。
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8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
3 噪声等效功率（NEP）：为产生与探测器噪声输出大小相等的信号所需要入射 辐射功率。