第14-3章光电探测器

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第三章 光电信号的采集

第三章 光电信号的采集

(2)匹配偏置电路 匹配偏置指的是偏置电阻RB等于探测器内阻Rd 。
图为一匹配偏置电路。由于光敏电阻的阻值对温度变化特别敏 感,偏置电路中的RB通常不采用一个固定电阻,而是用一个与所 用探测器相同规格的光敏电阻代替,使RB与Rd随温度产生相同的 变化,以减小由于环境温度变化对输出信号的影响,从而保持输 出端A点电位的稳定。
(2) 孔径误差 由于模拟量转换成数字量有一个过程,对于一 个动态模拟信号,在模/数转换器接通的孔径时 间里,输入的模拟信号值是不确定的,从而引 起输出的不确定误差。 可见,孔径误差与信号的最高频率f和系统的 孔径时间有关

假设输入信号为一频率为ƒ的正弦信号V=Vmsin2 π ƒt,如图所示。
它基本上是一个电流-电压变换器,在环路增益很大的情况 下,输出电压与与输入电流之间的关系为: Vo = -ZFIi; 式中,ZF是从放大器的输出到输入的有效反馈阻抗。
2. 低噪声放大 第一级低噪声前置放大器多采用分立元件,因为集成运算放大 器的噪声一般比低噪声分立元件的噪声大。晶体管的选择是设计 前置放大器的重要环节,通常根据光电探测器的阻抗来选择合适 的晶体管。对于低噪声放大器,源电阻的大小是选择第一级放大 元件的重要依据。如果源电阻RS在1kΩ~1M Ω之间,选用运算放 大器; RS在1MΩ~1G Ω之间,多采用结型场效应管(JFET);当RS 超过1G Ω,可采用MOSFEF。 要得到低噪声前置放大器,必须选用噪声系数小的晶体管,同 时还要使光电探测器的源电阻与晶体管的最佳源电阻相等,以得 到最小的噪声系数。但在实际使用中,这二者不会刚好相等,可 以采用变压器匹配和并联来达到阻抗匹配的目的。 此外,还要减少背景光、杂散光以及外界电磁场对光电探测器 和前置放大器的影响。

光电探测器的性能参数

光电探测器的性能参数
(W-1) 显然,D愈大,光电探测器的性能就愈好。 探测率D所提供的信息与NEP一样, 也是一项特征参数。
1 Vs / VN D NEP P
优劣。为此.引入两个新的性能参数 —— 探测 率D和比探测率D*
●显然,D愈大,光电探测器的性能就愈好。
它描述的特性是:光电探测器在它的噪声电平之上产生 一个可观测的电信号的本领,即光电探测器能响应的入 射光功率越小,则其探测率越高。
光电信号处理
光电探测器的性能参数
1.1.3 光电探测器的性能参数
光电系统一般都是围绕光电探测器的性能 进行设计的, 探测器的性能由特定工作条件下的一些 参数来表征。
光电探测器的工作条件
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关,所以在给出性能参数时,要注明有关的 工作条件。主要工作条件有: 1.辐射源的光谱分布 2.电路的通频带和带宽 3.工作温度 4.光敏面尺寸 5.偏置情况
S Ps I s2 RL I s2 即: 2 2 N PN I N RL I N
●利用S/N评价两种光电探测器性能时,必须在信号
辐射功率相同的情况下才能比较。
●对单个光电探测器,其S/N的大小与入射信号辐射
功率及接收面积有关。如果入射辐射强,接收面积 大.S/N就大,但性能不一定就好。 因此用S/N评价器件有一定的局限性。
2.等效噪声输入(ENI)功率
●定义:探测器在特定带宽内(1Hz)产生的均方
根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时辐射 源的输入通量, 此时,其他参数,如频率温度等应加以规定。
●这个参数是在确定光电探测器件的探测极限
(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。
3.噪声等效功率(NEP)
(最小可探测功率Pmin)

《光电探测技术》课程标准

《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%。

光电探测器相对光谱响应度的测试

光电探测器相对光谱响应度的测试
光电探测器相对光谱响应度的测试
光谱响应度是光电探测器的基本性能参数之一,它表征了 光电探测器对不同波长入射辐射的响应。 通常热电探测器的光谱响应较平坦,而光子探测器的响应 却具有明显的选择性。
一、实验目的
1、加深对光敏二极管、光敏三极管、光电池、光敏电阻原 理的理解; 2、加深对光谱响应度概念的理解; 3、掌握光谱响应度的测试方法; 4、掌握热释电探测器、光敏二极管、光敏三极管、光电池、 光敏电阻的使用。
R相对 l I标 l R标 l max
在实际测量时,每个探测器输出的光电流都要经过 I-V变换 为电压信号,即计算机采集到的是电压信号,软件的数据 处理过程中,将此电压信号除以反馈电阻值就是光电探测 器响应的电流I(l)。
4
三、实验装置
5
四、实验步骤
1、打开光源开关,将单色仪入射狭缝S1的大小调到1mm,调整聚光镜的位置,使光源发 出的光经会聚后准确投射到狭缝S1处; 2、把装有标准探测器(光电三极管)的模块放在单色仪出射狭缝后的套筒内,并用旋钮 将其固定; 3、在控制面板上,把标准探测器光电三极管模块所带数据线的红色插头插在图 12-3中的 孔1中,黑色插头插在孔2中,选择10K的电阻插在孔4和5上; 4、接通仪器总电源; 5、调整单色仪出射狭缝大小为0.5mm; 6、运行软件,选择“探测器光谱响应”标签页,点屏幕右下角的“启动单色仪”,单色 仪初始化完成后,在“波长扫描目标位置”框中输入370nm,然后点击“扫描”,待单色 仪扫描到370nm后,点击左侧的“采集数据”(此按键有自动按现在单色仪的目标位置以 波长扫描间距为步长增加波长的功能),数据采集将从380nm开始采集数据; 7、更换被测探测器:光敏二极管、光敏电阻、硅光电池,把单色仪扫描到370nm位置, 重复以上步骤,注意在步骤3中,光敏二极管、光敏电阻各自模块所带数据线的红色插头 插在图14-4中的孔 1中,黑色插头插在孔 2中;光敏二极管在孔 4和 5上插500K电阻,光敏 电阻在孔4和5上插1K电阻;硅光电池的红色插头插在图 14-4中的3,黑色插头插在其中的 2,4和5上插500K的电阻。对于被测探测器在软件上最好需要按“数据归一化”按钮; 8、数据采集完之后按“数据归一化”按钮,得到相对光谱响应度,屏幕右侧显示出相对 6 光谱响应度随波长的变化曲线。

第三章-火灾探测器

第三章-火灾探测器
1.3 火灾探测器的型号
1. 型号:①②③④-⑤⑥-⑦ ①- J(警)-火灾报警设备(消防产品中的分类代号) ②- T(探)-火灾探测器 ③- Y、W、G、Q、F-火灾探测器种类 ④- B、C-应用范围特征 ⑤⑥-LZ、GD、MC、MD、GW、YW-HS、YW-传感器特征 ⑦-主参数-定温、差定温用灵敏度级别表示 例:JTY-LZ-F732-表示F732型离子感烟探测器 2. 基本图形符号:P39
第三章 火灾探测器
2005.9-2006.1
第一节 火灾探测器构造及分类 1.1 探测器构造:
(一)敏感元件:将火灾燃烧的特征物理量转换成电信号。 (二)电路:将敏感元件转换所得的电信号进行放大并处理成火灾报警控制器所需的信号。 1.转换电路 它将敏感元件输出的电信号变换成具有一定幅值并符合火灾报警控制器要求的报警信号。它通常包括匹配电路、放大电路和阈值电路。具体电路组成形式取决于报警系统所采用的信号种类,如电压或电流阶跃信号、脉冲信号、载频信号和数码信号等。 2.抗干扰电路 由于外界环境条件,如温度、风速、强电磁场、人工光等因素,会对不同类型的探测器正常工作受到影响,或者造成假信号使探测器误报。因此,探测器要配置抗干扰电路来提高它的可靠性。常用的有滤波器、延时电路、积分电路、补偿电路等。 3.保护电路 用来监视探测器和传输线路的故障。检查试验自身电路和元件、部件是否完好,监视探测器工作是否正常;检查传输线路是否正常(如探测器与火灾报警控制器之间连接导线是否通)。它由监视电路和检查电路组成。 4.指示电路 用以指示探测器是否动作。探测器动作后,自身应给出显示信号。这种自身动作显示通常在探测器上设置动作信号灯,称作确认灯。5.接口电路 用以完成火灾探测器和火灾报警控制器问的电气连接,信号的输入和输出,保护探测器不致因安装错误而损坏等作用。 (三)固定部件和外壳 它是探测器的机械结构。其作用是将传感元件、电路印刷板、接插件、确认灯和紧固件等部件有机地连成一体,保证一定的机械强度,达到规定的电气性能,以防止其所处环境如光源、阳光、灰尘、气流、高频电磁波等干扰和机械力的破坏。

第4节光电效应光电探测器的噪声和特性ppt课件

第4节光电效应光电探测器的噪声和特性ppt课件
对信号特别是微弱信号的正确探测。
• 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。

基于红外光电探测器的目标探测与识别

基于红外光电探测器的目标探测与识别

基于红外光电探测器的目标探测与识别第一章:引言红外光电探测器作为一种新型的光电传感器,已经成为目前光电探测技术领域的一个重要组成部分,随着社会科技的进步,其在军事、工业、医疗和生命体检等领域中有着广泛的应用。

红外光电探测器作为一种有效的目标探测和识别技术,其具有可靠性高、精度高、隐蔽性强、无暴露性等特点。

本文就基于红外光电探测器技术的目标探测与识别进行详细的探讨,旨在深入研究红外光电探测器的概念、原理、应用及相关研究进展。

第二章:基本原理红外光电探测器是指通过对红外辐射的探测、转换和处理,实现对目标的探测和识别的光电传感器。

其基本原理是将红外辐射信号通过红外探测器转换成电信号,并对电信号进行处理,从而实现对目标的探测和识别。

红外光电探测器的主要技术指标包括波长范围、光谱灵敏度、温度响应、响应时间、噪声等,其中波长范围是指红外辐射波长的选择区间,光谱灵敏度是指在特定波长范围内的探测器灵敏度。

红外光电探测器的主要分类包括热致电式、热敏电阻式、热电偶式、光电倍增管式、铟锑化铅等。

第三章:目标探测与识别红外光电探测器的应用领域主要包括军事、工业、医疗和生命体检等方面。

在军事领域,红外光电探测器可以用于目标搜索、跟踪导弹等武器系统的制导和引导。

在工业领域,红外光电探测器可以应用于温度检测和人体保存控制等方面。

在医疗领域,红外光电探测器可以被用于体温计等医疗器械中。

在生命体检领域,红外光电探测器可以应用于心理测量和神经科学等方面。

红外光电探测器在目标探测中的应用包括光学探测、热成像探测和光学与热成像相结合探测。

在红外光电探测器的光学探测中,其通过探测目标发出的热辐射来实现目标探测和识别。

热成像探测是指通过热像仪等设备,对物体表面温度的差异进行检测,以达到目标探测和识别的目的。

红外光电探测器与热成像相结合的探测方法能够有效地提高其探测和识别的精度和效率。

第四章:相关研究进展随着现代科技的发展,红外光电探测器技术在不断改善和提高。

探测器原理大全范文

探测器原理大全范文

探测器原理大全范文探测器是一种用于检测物质、能量或者现象的仪器。

它们广泛应用于科学研究、工业生产、环境监测等领域。

不同的探测器使用不同的原理来感知目标,下面将介绍一些常见的探测器原理。

1.光电探测器光电探测器是利用光电效应原理进行工作的。

光线通过探测器产生的电流或电荷,可用于测量光的强度、频率、波长等。

常见的光电探测器包括光电二极管、光电倍增管、光电子倍增管、光电导和光电子器件。

2.激光雷达激光雷达利用激光束的反射来测量目标的距离和形状。

激光束发射出去后,通过测量激光束的传播时间来计算目标的距离。

通过改变激光束的角度,可以获取目标的形状和位置。

3.红外探测器红外探测器是利用物体辐射的红外辐射来探测目标的存在。

它可以检测热辐射源,并将其转换为电信号。

红外探测器广泛应用于热成像、安防监控等领域。

4.电化学传感器电化学传感器是利用电化学原理进行测量的探测器。

它通过测量电流或电势变化来检测目标物质的浓度、氧化还原状态等。

常见的电化学传感器包括pH传感器、氧气传感器和电导率传感器。

5.声纳探测器声纳探测器是利用声波进行探测的设备。

它通过发射声波信号并接收回波信号来测量目标的距离和位置。

声纳探测器广泛应用于水下探测、鱼群定位等领域。

6.微波雷达微波雷达是利用微波信号进行探测的设备。

它通过发射微波信号并接收回波信号来测量目标的距离和速度。

微波雷达广泛应用于航空、天气预报等领域。

7.粒子探测器粒子探测器是用于测量宇宙射线、粒子束等高能粒子的设备。

常见的粒子探测器包括电离室、时间投影室和多丝比例计。

8.化学传感器化学传感器是用于检测化学物质浓度、化学反应等的设备。

它们使用特定的反应物质与目标物质发生反应,并通过测量反应产生的信号来检测目标物质。

常见的化学传感器包括气体传感器、生物传感器和电化学传感器。

9.磁传感器磁传感器是用于测量磁场强度和方向的设备。

它们通过测量磁场对传感器产生的力或磁场对传感器产生的电磁感应来检测磁场。

光电子技术基础14

光电子技术基础14

3. 频率灵敏度Rf(响应频率fc和响应 时间t)
若入射光是强度调制,在其它条件不变下,光电流if将 随调频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
if是光电流时变函数的付里叶变换,通常
if
i f 0
1 (2f )2
τ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。
D 1 (瓦1) NEP
这样,D值大的探测器就表明其探测力高。 常需要在同类型的不同探测器之间进行比较,发现“D
值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。
主要是探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响甚大。
探测器的噪声功率N ∝Δf,所以
于是由D的定义知
in (f )
1
D (f ) 2
另一方面,探测器的噪声功率N∝ A
7. 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
光电二极 管
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i=f (P), 称为探测器的光电特性。
灵敏度R定义为这个曲线的斜率,即
Ri
di dP
i P
(线性区内) (安/瓦)
Ru
du dP
u P
(线性区内) (伏/瓦)
R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度,i和u称为 电表测量的电流、电压有效值。
光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。

光电信号检测 光电探测器概述

光电信号检测 光电探测器概述

6. 光学视场
7. 背景温度(红外)
二、有关响应方面的性能参数
1.响应率(响应度)Rv或RI
• 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测 器输出信号与输入辐射之间关系的参数。
• 定义为光电探测器的输出均方根电压VS或电流IS 与入射到光电探测器上的平均光功率之比,并分 别用RV 和RI 表示,即
hc w (逸出功)

hc/ w
低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电 阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 • 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的 是光电倍增管,它的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。 • 波段:可见光和近红外(<1.25μm) • 特点:响应快、灵敏度高
热探测器的特点: 无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制
§2-2 光电探测器的性能参数
一、 光电探测器工作条件
• 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关,所以在给出性能参数时,要注明有关的 工作条件。只有这样,光电探测器才能互换 使用。
1.辐射源的光谱分布
• 很多光电探测器,特别是光子探测器,其响应是辐射波长的 函数,仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。 • 所以在说明探测器的性能时,一般都需要给出测定性能时所 用辐射源的光谱分布。
随着激光与红外技术的发展,在许多情况下单个 光探测器已个能满足探测系统的需要,从而推动 了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。 目前,光电探测器的另一个发展方向是集成化, 即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片 上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、 提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要 方面,其性能达到相当高的水平、将光辐射探测 器阵列与CCD器件结合起来,可实现信息的传输。

光电探测器的物理基础性能指标噪声

光电探测器的物理基础性能指标噪声

2
1.辐射源的光谱分布
➢ 很多光电探测器(特别是光子探测器),其响 应是辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内 的辐射有信号输出,称为光谱响应,它决定了 探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测 器的性能时,一般都需要给出测定性能时所用 辐射源的光谱分布。
➢ 如果辐射源是单色辐射,则需给出辐射波长。 假如辐射源是黑体,那么要指明黑体的温度。
精品文档
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噪声影响对信号特别是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往由探测系统 的噪声所限制。 所以在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领域, 减小和消除噪声是十分重要的问题。
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➢噪声的度量
➢噪声是一种随机信号,它实质上就是物理量围绕其平均值的涨 落现象。任何一个宏观测量的物理量都是微观过程的统计平均 值。研究噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方 法,在数学上即用随机量的起伏方差来计算。
1)定义
描述探测器的光电特性或光照特性曲线中输出信号 与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围 内,探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性 能。
2)线性区
在规定的范围内,若探测器的响应度是常数,这一 规定的范围称为线性区。
光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有 很大关系。线性区的下限一般由器件的暗电流和噪 声因素决定,上限由饱和效应或过载决定。
精品文档
30
(2)来自被研究系统内部
➢来自被研究系统内部的材料、器件或固有的物理 过程的自然扰动。 ➢例如: ➢●导体中带电粒子无规则运动引起的热噪声, ➢●光探测过程中光子计数引起的散粒噪声等。 ➢这些过程是随机过程,它既不能预知其精确大小 及规律。 ➢不能完全消除,但可以得知其遵循的统计规律、 也可以通过一些措施予以控制。

半导体光电探测器PPT课件

半导体光电探测器PPT课件

计量起伏噪声(以起伏噪声电压 n ( t为) 例,噪声电流 i n ( t )类似)
n (t) 0噪声电压平均值的瞬间振幅和相位随时间呈无规则变化
___
2 n
均方值完全确定,表示单位电阻上所消耗的噪声平均功率
___
2 n
—计量噪声电压大小
___
2 n
—起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_n2
光电导探测器
光电导探测器(弱辐射下)
设模型为N型材料(P型同此分析)
若光功率P沿x方向均匀入射,光电导材料的吸收系数为
则入射光功率在材料内部沿x方向的变化为
P(x)Pexp(x) (P为x=0处入射功率)
x处光生载流子的浓度设为n(x)
外加电场下,光电子的漂移电流密度光为生载流子的稳产态生率件和下复合率相等
发射的光电子数也总是围绕一个统计平均值做无规则伏。
内光电探测器中,光生载流子的产生和复合的随机性,
通过PN结的载流数总有微小的不规则起伏。
定义:
散粒噪声的均方值
Vn22eG2I0R2f
I 0 —通过探测器的平均电流
In2 2eG2I0f
G—探测器的电流内增益
#
.
22
光电探测器的噪声
低频噪声
来源:目前尚不清楚。
n和p
分别是电子和空穴浓度的增量,即光生载流子
浓度
截止波长
c
1.24 Eg (eV)
(m)
入射光子的能量须不低于本征半导 体的禁带宽度,既存在“红限”
.
# 28
光电导探测器
光电导效应
杂质半导体
光电导率增量
n enn
p enp
(N型) 电子 浓度增量 (P型) 空穴浓度增量

光电检测器件光电检测器件资料

光电检测器件光电检测器件资料

光电检测器件
非聚焦型光电倍增管, 由于极与极之间没有聚焦 场,电子损矢较大,为了要得到较大的电子倍增,就 要增加倍增极数目,相应地也就增加了飞行时间及其 涨落,所以这种管子的时间分辨本领较差,其优点是 同样大小的光脉冲照射到光阴极不同部位时,阳极灵 敏度变化不大,最后输出的脉冲幅度比较一致,因此 作能谱测量时的能量分辨率较好。
光电检测器件
3、分类 ①“聚焦型”和“非聚焦型”
电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的 打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去, 两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分 为圆环瓦片式(即鼠笼式)、直线瓦片式、拿栅式和 百叶窗式。
聚焦型光电倍增管,电子在其中飞行的时间较短, 飞行时间的涨落也小,它适用于要求分辨时间短的场 合;
Sp
IA
G
各倍增极和阳极
都加上适当电压;
注明整管所加的
V
电压
2.电流增益
阳极电流与阴极电流之比称为电流增益M(内增益)
M IA SAΦ SA IK SKΦ SK
M
IA IK
0
n
IA IK • 0 (11)(22 ) (nn )
M n
3、光电特性
阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数 关系,称为倍增管的光电特性。
1、常规光电阴极
(1)、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
最早的光电阴极,主要应用于近红外探测
•峰值波长: 350nm, 800nm
•光谱响应范围约300-1000nm; •量子效率约0.5%; •使用温度100°C; •暗电流大。
(2)单碱锑化物:
CsSb阴极最为常用,紫外和可见光区的灵敏度最高
光电检测器件
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在光线作用下,电子吸收光子能量从键合状态 过度到自由状态,而引起材料电导率的变化。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
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光电效应 ------内光电效应
当光照射到光电导体上时,若这个光电导体为 本征半导体材料,且光辐射能量又足够强,光电 材料价带上的电子将被激发到导带上去,使光 导体的电导率变大。
电子能量E
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反向偏置时,整个I区 都为耗尽层,在耗尽层 中电场作用下,光生载 流子会很快地扫过耗尽 层,电子到达n区,空 穴到达p区,在外电路 上形成光电流。
PIN光电二极管及能带图
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PIN光电二极管动画
24
PIN光电二极管实例
InGaAs PIN PD
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光电探测器结构
普通光电二极管(PD) ------pn结 PIN光电二极管------pn结+I层 雪崩光电二极管(APD)------PIN+p层
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雪崩光电二极管的原理
在漂移区,虽不具有象高 电场区那样的高电场,但 对于维持一定的载流子速 度来讲,该电场是足够的 。总之,在同样大小入射 光的作用下,由于倍增效 应,APD 光二极管可以产 生比PIN 光二极管高得多 的光电流。
31
APD光电二极管动画
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光敏电阻
如果把光敏电阻连接到外电路中,在外加电压的作用下 ,用光照射就能改变电路中电流的大小.
3。按照器件结构分类。
PD、 PIN、 APD、MSM
4。按照内部增益分类。
无:PD、PIN、MSM。有: APD
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(1)依材料分类
无论是直接带隙半导体材料还是间接带隙半 导体材料,都能够用来制备半导体光电探测 器件。而半导体发光器件要求半导体材料必
须是直接带隙半导体材料。因此,在这一点 上,光电探测器件对材料的要求比发光器件 宽容一些。材料有四族、II-IV族等半导体,例 如Ⅳ族的Si、Ge和SiGe合金,III-V族的GaAs、 InGaAs、InGaAsP、InGaN等。异质结材料 能够提供透明的窗口、完全的光学限制和优 异的导波特性,异质结构的光电探测器性能 超群,显示出了更多的好处,
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爱因斯坦光电效应方程:
h

1 2
m02

A0
1.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A。
2.υ一定时,产生的光电流和光强成正比。
3.逸出的光电子具有动能。
3
4

电 方式二
光电导效应
------内光电效应 当光照在物体上,使物体的电导率发生变 化1.,光或电产导生效光应生电动势的效应。
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当光照射到光电导体上时,若光电导体为本 征半导体材料,而且光辐射能量又足够强, 光导材料价带上的电子将激发到导带上去, 从而使导带的电子和价带的空穴增加,致使 光导体的电导率变大。
光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱 特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、 小的体积及工艺简单,故应用广泛。
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用下,电子偏向N区外侧,空穴偏向P区外侧,使
P区带正电,N区带负电,
形成光生电动势。
PN
7
§14.3 光电探测器
凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压) 的光探测器,都称为光电探测器。
1。按照材料分。 2。按照器件波段分类。
可见Si、InGaAs,红外Ge、 InGaAs、 GaAs,远红 外TeCdHg
到导带上,形成一个电子
—空穴对。
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在耗尽区,在内建电场的作用下电子向N区漂移, 空穴向P区漂移,如果PN结外电路构成回路,就会形 成光电流。当入射光功率变化时,光电流也随之线性 变化,从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量 小于Eg时,不论入射光有多强,光电效应也不会发生, 即产生光电效应必须满足:
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Si光电二极管的波长响应范
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
波 长 /m
围0.5~1μm。
Ge和InGaAs―PIN光电管的
图 材料吸收系数随波长的变化情况波 长 响 应 范 围 约 为 1~1.7μm 。 15
普通光电二极管(PD)
P
N
光电二极管作成的光检测器 的核心是PN结的光电效应。
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拉通型APD,耗尽层”拉通”到整个π区
P+与 N+分别为重掺杂的P 型材料与N 型材料,π为近似本征
型的材料。当外加反向偏压较低时,它与PIN 光二极管相似,
即入射光仅能产生较小的光电流。随着反向偏压的增大,其耗
尽层的宽度也逐渐增加,当反向偏压增加到一定数值(如100
伏以上)时,则耗尽层会穿过P 区而进入π区形成了高电场区
第14章 光器件
§14.1 光学吸收 § 14.2 太阳能电池 § 14.3 光电探测器 § 14.4 光致发光和电致发光 § 14.5 光电二极管

电 方式一
光电效应 ------外光电效应
物体内的电子逸出物体表面向外发射的现 象叫做外光电效应。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光 电倍增管。
与漂移区。
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雪崩光电二极管的原理
在高电场区,由入射光产生的空穴电子对在高电场作用下高速 运动。由于其速度很快而具有很大的动能,所以在运动过程中 会出现“碰撞电离”现象而产生新的二次空穴电子对。同样, 二次空穴电子对在高电场区运动又可以通过“碰撞电离”效应 产生三次、四次空穴电子对。这样以来,由入射光产生的一个 首次空穴电子对,可能会产生几十个或几百个空穴电子对,即 所谓“倍增”效应,如图所示。
(μm)

c

1.24 Eg (eV)
(本征)
本征吸收是半导体吸收光的主要机制, 从而构成光电探测器工作的基础。
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吸 收 系数(cm- 1) In0.70Ga0.30As 0.64P0.36
In 0. 5 3 Ga0. 4 7 As
105 Ge
104 GaA s
103
102 Si
材料的带隙决 定了截止波长 要大于被检测 的光波波长, 否则材料对光 透明,不能进 行光电转换。
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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。
1.半导体材料的电导概念: 金属之所以导电,是由于金属原子形成晶体
时产生了大量的自由电子。自由电子浓度n是 个常量,不受外界因素影响。 半导体和金属的导电机构完全不同,在0K时, 导电载流子浓度为零。在0K以上,由于热激 发而不断产生热生载流子(电子和空穴),它在 扩散过程中又受到复合作用而消失。
即存在
h Eg
c

hc Eg
这是必要条件, 还要满足波长响 应度!!!
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光电二极管( PD )反向 p接 - , n 接 +
n区电子 n端,p区空穴 p端
P
N
Is
R
E
-+
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P
N
I
R
E -+
当光不照射时,光敏二极管处于截止状态 = 0状态。 当光照射时,光敏二极管处于导通状态 = 1状态。
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按器件响应波段分
常用的光电接收器材料
常用光电接收 器的材料有硅 锗等
右图为几种常 用材料的响应 曲线
光电接收器的 基本性能:响 应波长,敏感 度,噪声性能 等
Quantum Efficiency = 1
Germanium
InGaAs 0.5
Silicon
0.1
500
1000
1500
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光电探测器工作原理
半导体光电探测器的依据:
能够吸收光能并把光变为电。半导体材料对光的吸 收可分:本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂 质吸收和自由载流子吸收。
普通光电二极管(PD) ------pn结
PIN光电二极管------pn结+I层
雪崩光电二极管------PIN+p层
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半导体光电探测器的原理:
在热平衡下,单位时间内热生载流子的产生数目 正好等于因复合而消失的数目。
因此在导带和满带中维持着一个热平衡的电子浓
度n和空穴浓度p,他们的平均寿命分别用

即 p 表示。无论何种半导体材料,下式一定成n立,
式中ni是响应温度下本征半导体中的本征热生载 流子浓度。这说明,在n型或p型半导体中,一种 浓度增大,另一种浓度就减少,但绝不会减少到 零。
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半导体中的光发射 (e)反向偏置的pn结
•光电二极管(PD)是一 个工作在反向偏压下的PN 结二极管,当PN结加反向 偏压时,外加电场方向与 PN结的内建电场方向一致 ,势垒加强,在PN结界面 附近载流子基本上耗尽形 成耗尽区。
•当光束入射到PN结上,
且光子能量hv大于半导体
材料的带隙Eg时,价带上 的电子吸收光子能量跃迁
无论是直接带隙半导体还是间接带隙半导体,都 能制成光电探测器。
光于能量较大(>Eg)时,将发生本征吸收,而能 量大于能带同杂质能级之差时,可观察到杂质吸 收、自由载流子吸收。
本征吸收、杂质吸收等是半导体吸收光的主要机 制,从而构成光电探测器工作的基础。
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光辐射照射外加电压的半导体。如果光波 长λ满足如下条件,即:
经过多次电离后,载流子迅速增加,形成雪崩 倍增效应。
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雪崩光电二极管的结构
APD就。
下图为一种被称为拉通型APD(RAPD) 的结构。π层为低掺杂区(接近本征态),而 且很宽。当偏压加达到一定程度后,耗尽区将 被拉通到π层,一直抵达P+层。
这是一种全耗尽型结构,具有光电转换 效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。
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