光电探测器物理基础
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光电探测器的原理
光电探测器的原理光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件，它在光通信、光电测量、光谱分析等领域有着广泛的应用。
光电探测器的原理主要基于光电效应和半导体材料的特性，下面将详细介绍光电探测器的原理。
首先，光电探测器的基本原理是光电效应。
光电效应是指当光线照射在金属或半导体表面时，光子能量被吸收，激发出电子从固体表面逸出的现象。
这些逸出的电子就构成了光电流，通过测量光电流的大小可以间接测量光的强度。
在光电探测器中，光电效应是将光信号转换为电信号的关键过程。
其次，光电探测器的原理还与半导体材料的特性密切相关。
常见的光电探测器主要有光电二极管（Photodiode）、光电导（Phototransistor）、光电二极管阵列（Photodiode Array）等。
这些光电探测器主要利用半导体材料的光电特性来实现光信号的转换。
当光线照射在半导体材料上时，会产生电子-空穴对，并在外加电场的作用下产生电流。
不同类型的光电探测器采用不同的半导体材料和工作原理，但它们都是利用半导体材料的光电特性来实现光信号的探测和转换。
除此之外，光电探测器的原理还涉及到光信号的增强和处理。
在实际应用中，光信号往往非常微弱，需要经过光电探测器的增强和处理才能得到有效的电信号。
因此，光电探测器通常会与放大器、滤波器、模数转换器等电路相结合，以实现对光信号的放大、滤波和数字化处理，最终得到精确的电信号输出。
总的来说，光电探测器的原理主要包括光电效应、半导体材料的光电特性以及光信号的增强和处理。
通过光电效应将光信号转换为电信号，利用半导体材料的特性实现光信号的探测和转换，再通过电路的增强和处理得到最终的电信号输出。
光电探测器在光通信、光电测量、光谱分析等领域有着广泛的应用，其原理的深入理解对于光电器件的设计和应用具有重要意义。
光电探测器基本原理
光电管原理
光电倍增管
三、内光电效应器件
当光照射在物体上，使物体电阻率发生变化或产生光
生电动势的现象称为内光电效应，它多发生于半导体内。
内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应
在光线照射下，电子吸收光子能量，从键合状态过度
到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称
为光电导效应。基于光电导效应的光电器件是光敏电阻。
光敏电阻
工作原理：
金属电极 入射光
光电导材料 Ip Ubb Ip
光敏电阻符号
光敏电阻原理及符号
光敏电阻的结构： 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。 光敏电阻常做成梳状电极，光 敏面做成蛇形这样既可以保证有较大 的受光面，也可以减小电极之间的距
电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，
Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范 围内。
PbS光敏电阻 PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件， 因此，常用于火灾的探测等领域。 PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作 温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波 限将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。
离，从而既可以减小载流子的有效级
间的渡越时间，也有利于提高灵敏度。
本征型光敏电阻
一般在室温下工作 适用于可见光和近红外辐射探测
非本征型光敏电阻
通常在低温条件下工作 常用于中、远红外波长较长的辐射探测
典型光敏电阻
CdS光敏电阻 CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特 性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵 敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相 机的自动测光等。 CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏
第4章-光电探测原理及器件
A0
c 为产生光电子发射的 式中：c为真空中的光速， c 为产生光电子发射的入 入射光波的截止频率， 射光波的截止波长。
讨论
若入射光线频率低于红限频率（截止频率）， 光子能量不足以使物体内的电子逸出，即使光 强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光 频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光 电子射出。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与 光强成正比，即光强愈大，意味着入射光子数 目越多，逸出的电子数也就越多。
4.2.1 光电探测器的响应特性
１．响应度（R） 响应度（R）也称灵敏度，是光电探测器输出信号与输入 光功率之间关系的度量，用以描述光电探测器件的光电转 换效率。 响应度（R）随入射光波长变化而变化的，分为电压响应 率和电流响应率。 电压响应率指光电探测器件输出电压与入射光功率之比。
其中， fc 为上限截止频率。
4.2.2 光电探测器的噪声特性
光电探测器常见的噪声有：热噪声，散粒噪声，产生-复 1 合噪声， 噪声。 f 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别 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受探测系统的噪声 所限制。 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。
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 )
c 为产生光电子发射的 式中：c为真空中的光速， c 为产生光电子发射的入 入射光波的截止频率， 射光波的截止波长。
讨论
若入射光线频率低于红限频率（截止频率）， 光子能量不足以使物体内的电子逸出，即使光 强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光 频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光 电子射出。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与 光强成正比，即光强愈大，意味着入射光子数 目越多，逸出的电子数也就越多。
4.2.1 光电探测器的响应特性
１．响应度（R） 响应度（R）也称灵敏度，是光电探测器输出信号与输入 光功率之间关系的度量，用以描述光电探测器件的光电转 换效率。 响应度（R）随入射光波长变化而变化的，分为电压响应 率和电流响应率。 电压响应率指光电探测器件输出电压与入射光功率之比。
其中， fc 为上限截止频率。
4.2.2 光电探测器的噪声特性
光电探测器常见的噪声有：热噪声，散粒噪声，产生-复 1 合噪声， 噪声。 f 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别 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受探测系统的噪声 所限制。 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。
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 )
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
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
80
光电探测器的物理基础(性能指标噪声)
产生机制
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。
感谢您的观看
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。
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。
感谢您的观看
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。
(推荐)zm2011)光电探测器的物理基础完美
光生伏特效应
34
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
光电检测器件的工作原理及特性
温度低时，自发极化强度大，晶体表面感应的电荷增加。 温度高时，自发极化强度小，晶体表面感应的电荷相应 的减少，相当于释放了一部分电荷。
热释电器件只能检测变化的温度。
思考：为什么热释电器件只能检测变化的温度？
相 变：
随着温度的逐渐升高，极化强度越来越弱，当温度达到一特定 温度之后，自发极化强度下降为零，即为极化晶体发生了相变。 极化晶体变为非极化晶体。产生相变的温度为居里温度。
2、辐射热计效应
辐射热计是利用入射辐射使敏感元件的温度提高后从而使电阻 随之改变而测出辐射的探测器。 材料电阻随温度的变化可用下式表示
材料的电阻温度系数
一般情况下： 金属材料的电阻温度系数与温度成反比，αT≈0.0033
αT=1/T
半导体材料的电阻温度系数与T2成反比
αT=-β/T2
辐射热计效应的应用：
探测原理
把冷端分开并与一个电流表连接，当光照熔接端(称为电偶接 头)时，熔接端（电偶接头）吸收光能使其温度升高，电流表 就有相应的电流读数，电流的数值就间接反映了光照能量的 大小。
实际中为了提高测量的灵敏度，常将若干个热电偶串联起来 使用，称为热电堆。它在激光能量计中获得较多应用。
温差电效应主要有三种形式：
黑球温度计：利用黑体吸收辐射热量最强的原理，用一个深 黑色的空心铜球和一支插在铜球中心的温度计构成。测定时 悬挂在测点，大约15分钟后可读出稳定读数。
3、温差电效应
当两种不同的配偶材料(金属或半导体)两端并联熔接时，如 果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温 差电动势，回路中就有电流流通。
4)、光子牵引效应
当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自 由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的 运动。结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻
热释电器件只能检测变化的温度。
思考：为什么热释电器件只能检测变化的温度？
相 变：
随着温度的逐渐升高，极化强度越来越弱，当温度达到一特定 温度之后，自发极化强度下降为零，即为极化晶体发生了相变。 极化晶体变为非极化晶体。产生相变的温度为居里温度。
2、辐射热计效应
辐射热计是利用入射辐射使敏感元件的温度提高后从而使电阻 随之改变而测出辐射的探测器。 材料电阻随温度的变化可用下式表示
材料的电阻温度系数
一般情况下： 金属材料的电阻温度系数与温度成反比，αT≈0.0033
αT=1/T
半导体材料的电阻温度系数与T2成反比
αT=-β/T2
辐射热计效应的应用：
探测原理
把冷端分开并与一个电流表连接，当光照熔接端(称为电偶接 头)时，熔接端（电偶接头）吸收光能使其温度升高，电流表 就有相应的电流读数，电流的数值就间接反映了光照能量的 大小。
实际中为了提高测量的灵敏度，常将若干个热电偶串联起来 使用，称为热电堆。它在激光能量计中获得较多应用。
温差电效应主要有三种形式：
黑球温度计：利用黑体吸收辐射热量最强的原理，用一个深 黑色的空心铜球和一支插在铜球中心的温度计构成。测定时 悬挂在测点，大约15分钟后可读出稳定读数。
3、温差电效应
当两种不同的配偶材料(金属或半导体)两端并联熔接时，如 果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温 差电动势，回路中就有电流流通。
4)、光子牵引效应
当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自 由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的 运动。结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻
通工专业-光纤通信技术-第四章-光探测器与光接收机
光纤通信系统对光探测器的要求
（1）灵敏度高：灵敏度高表示探测器把 光功率转变为电流的效率高。在实际的光接 收机中，光纤传来的信号极其微弱，有时只 有1nw左右。为了得到较大的信号电流，人 们希望灵敏度尽可能的高。
（2）响应速度快：指射入光信号后，马上就有 电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出， 不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信 号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个 范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断 提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的 要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
RC 2.2RT CT （4.6）
式中，CT为电路的总电容，RT为电路的总电阻。
考虑上述三个因素的影响，总的上升时间为
(
2 RC
2 d
2 i
)1/ 2
PIN-PD特性参数(3)噪声
•噪声
噪声直接影响光接收机的灵敏度。
散粒噪声（信号电流和暗电流产生）
暗电流是器件在反偏压0.9UB条件下，没有入射光时 产生的反向电流，与光电二极管的材料和结构有关
I层较厚，几乎占据了整个耗 尽区。绝大部分的入射光在I层 内被吸收并产生大量的电子-空 穴对。在I层两侧是掺杂浓度很 高的P型和N型半导体，P层和 N层很薄，吸收入射光的比例 很小。因而光产生电流中漂移 分量占了主导地位，这就大大 加快了响应速度。另外，可通 过控制耗尽层的宽度w，来改 变器件的响应速度。
4.1 光探测器
4.1.1光电检测原理——PN结的光电效应
光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导 体PN结的光电效应实现的。
当光照射到光电二极管的光敏面 上时，能量大于或等于带隙能量 Eg的光子将激励价带上的电子吸 收光子的能量而跃迁到导带上 （受激吸收），可以产生自由电 子-空穴对（称为光生载流子）。 在耗尽层，由于内部电场的作用， 电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成漂移电流。
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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第三章光电探测器
3.1 光电探测器的物理基础 3.2 光电子发射探测器 3.3 光电导探测器 3.4 光伏探测器 3.5 热电探测器 3.6 光电成值器件 3.7 各类光电探测器的性能 及应用比较
光电探测器物理基础
第三章光电探测器
3.1 光电探测器的物理基础 3.2 光电子发射探测器 3.3 光电导探测器 3.4 光伏探测器 3.5 热电探测器 3.6 光电成值器件 3.7 各类光电探测器的性能 及应用比较
Φ=dQ/dt
(J／s，焦耳每秒)
光电探测器物理基础
3．辐射强度I
点辐射源在给定方向上单位
立体角内的辐射通量，单位
为W／sr(瓦每球面度)。
I
=
d d
Φ ω
在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角ω内发射的
辐射通量为
Φ= I ω
π
在空间所有方向( ω＝4 )上发射的辐射通量为Φ=4πI
实际上，一般辐射源多为各向异性的辐射源，其辐射强度随方向 而变化，如图所示。
光电探测器物理基础
3.光通量
按人眼的视觉特性V(λ)来评价的辐射通量Φ即 为光通量ΦV，这两者的关系为：
VKm3788 00()V()d
•等号的左边是光通量，其单位是流明(lm)； •等号的右边的()d是辐射通量，单位是瓦(w·nm）， V()是光视效率，单位是1/nm。所以等号右边引进一个 系数Km，从而使两边的单位一致。 •Km的单位为流明／瓦(lm/W) •Km表示人眼对波长为555nm[V(555)=1]光辐射产生光感 觉的效能。称为最大光谱光视效能。亦称为光功当量。
光电探测器物理基础
一、辐射度的基本物理量
1．辐射能Q 辐射能是一种以电磁波的形式发 射、传播或接收的能量，单位为J(焦耳)。
当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形 式的能量，如热能、电能等。
2．辐射通量Φ 辐射通量又称辐射功率P，是 辐射能的时间变化率。单位为W(瓦)，是单位 时间内发射、传播或接收的辐射能。
光电探测器物理基础
3.1.1 光辐射与度量
光学中定量地描述辐射能强度的量有两类： 1.一类是物理的——辐射度学量，是用能量单位描述光 辐射能的客观物理量； 2.另一类是生理的——光度学量，是描述光辐射能为平 均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度。即光度量是 具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量。 3.辐射度量和光度量两者在研究方法和概念上非常类似， 它们的基本物理量也是一一对应的。 4.在衡量光电探测器的性能时，或者是评价光电测量系 统的指标时，辐射度量和光度量是紧密相关的。
M=dΦ／dS E 和 M 的 单 位 相 同 ， 区 别 ： 前 者 是 描 述 辐 射 接 收 面 （探测器）所接收的辐射特性。后者则为描述扩展辐 射源向外发射的辐射特性。
光电探测器物理基础
6．辐射率 L
辐射率定义为辐射强 度与辐射表面在垂直 于该方向平面上的投 影面积的比值。又称 辐射亮度。
光电探测器物理基础
明视觉光谱光视效率
实线是亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V(λ)表示， 此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的 V(λ)的最大值在555nm处。
暗视觉光谱光视效率
Vˊ(λ)
V(λ)
虚线是亮度小于0.001cd/㎡时 的暗视觉光谱光视效率，用 Vˊ(λ) 表 示 ， 此 时 的 视 觉 主 要 由人眼视网膜上分布的杆状细 胞刺激所引起的； Vˊ(λ)的最 大值在507nm处。
光电探测器物理基础
按国际实用温标IPTS—68的理论计算值为 Km＝683 ( lm/W )
Km＝683lm／W。它表示在波长为555nm处，即人眼光谱光视效 率最大(V=1)处，1W的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句 话说，此时1lm相当于1／683W。
4.光度量和辐射度量之间的换算
Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。 由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。 同理，其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示光度量 与辐射量之间的关系 ：
•前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量 相对应的关系：
光谱辐照度：
光谱辐射出射度：光谱辐射亮度： Nhomakorabea辐射源的总辐射通量是：
光电探测器物理基础
三、光度学的基本物理量
1．光谱光视效能
人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度存 在差异。不同的人对各种波长光的感光灵敏度也 有差异。 对人眼来说采用光谱光视效能K(λ)来表征不同 波长辐射下的响应能力。光谱光视效能K(λ)为同 一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即
光电探测器物理基础
4．辐射照度E 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，dA是投射 辐射通量dΦ的面积元，单位为W／m2(瓦每平方米)。
E＝dΦ／dA 5．辐射出射度M 辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量，dΦ 是扩展源表面dS在半球空间（2π立体角)所发出的总 的辐射通量，单位为W／㎡(瓦每平方米)。
K(λ)=Φvλ/Φeλ
光电探测器物理基础
2.光谱光视效率
由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产 生的光感觉是不同的，国际照明委员会(CIE)根据对 许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光 的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”光 谱光视效率，或称之为视见函数V(λ)。
不同光亮度条件下，人眼对波长的光谱光视效率不 同，分为明视觉光谱光视效率和暗视觉光谱光视效 率。
光电探测器物理基础
3.1 光电探测器的物理基础
§3.1.1 光辐射与度量 §3.1.2 光电探测器概述 §3.1.3 光电探测器的性能参数 §3.1.4 光电探测器的噪声
光电探测器物理基础
3.1.1 光辐射与度量
光的基本性质回顾 1.光是一种电磁波——物质 2.电磁波谱（22个量级 ） 3.光学波段 4.光的波粒二象性
光电探测器物理基础
二．光谱辐射量
1.光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。 2.光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。
光谱辐射通量Ф（λ）： 辐射源发出的光在波长λ处的 单位波长间隔内的辐射通量。 辐射通量与波长的关系如图。 其关系式为
单位为W／μm(瓦每微米)， 或W／nm(瓦每纳米)。
多色辐通量，全色辐通量光电探测器物理基础
3.1 光电探测器的物理基础 3.2 光电子发射探测器 3.3 光电导探测器 3.4 光伏探测器 3.5 热电探测器 3.6 光电成值器件 3.7 各类光电探测器的性能 及应用比较
光电探测器物理基础
第三章光电探测器
3.1 光电探测器的物理基础 3.2 光电子发射探测器 3.3 光电导探测器 3.4 光伏探测器 3.5 热电探测器 3.6 光电成值器件 3.7 各类光电探测器的性能 及应用比较
Φ=dQ/dt
(J／s，焦耳每秒)
光电探测器物理基础
3．辐射强度I
点辐射源在给定方向上单位
立体角内的辐射通量，单位
为W／sr(瓦每球面度)。
I
=
d d
Φ ω
在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角ω内发射的
辐射通量为
Φ= I ω
π
在空间所有方向( ω＝4 )上发射的辐射通量为Φ=4πI
实际上，一般辐射源多为各向异性的辐射源，其辐射强度随方向 而变化，如图所示。
光电探测器物理基础
3.光通量
按人眼的视觉特性V(λ)来评价的辐射通量Φ即 为光通量ΦV，这两者的关系为：
VKm3788 00()V()d
•等号的左边是光通量，其单位是流明(lm)； •等号的右边的()d是辐射通量，单位是瓦(w·nm）， V()是光视效率，单位是1/nm。所以等号右边引进一个 系数Km，从而使两边的单位一致。 •Km的单位为流明／瓦(lm/W) •Km表示人眼对波长为555nm[V(555)=1]光辐射产生光感 觉的效能。称为最大光谱光视效能。亦称为光功当量。
光电探测器物理基础
一、辐射度的基本物理量
1．辐射能Q 辐射能是一种以电磁波的形式发 射、传播或接收的能量，单位为J(焦耳)。
当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形 式的能量，如热能、电能等。
2．辐射通量Φ 辐射通量又称辐射功率P，是 辐射能的时间变化率。单位为W(瓦)，是单位 时间内发射、传播或接收的辐射能。
光电探测器物理基础
3.1.1 光辐射与度量
光学中定量地描述辐射能强度的量有两类： 1.一类是物理的——辐射度学量，是用能量单位描述光 辐射能的客观物理量； 2.另一类是生理的——光度学量，是描述光辐射能为平 均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度。即光度量是 具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量。 3.辐射度量和光度量两者在研究方法和概念上非常类似， 它们的基本物理量也是一一对应的。 4.在衡量光电探测器的性能时，或者是评价光电测量系 统的指标时，辐射度量和光度量是紧密相关的。
M=dΦ／dS E 和 M 的 单 位 相 同 ， 区 别 ： 前 者 是 描 述 辐 射 接 收 面 （探测器）所接收的辐射特性。后者则为描述扩展辐 射源向外发射的辐射特性。
光电探测器物理基础
6．辐射率 L
辐射率定义为辐射强 度与辐射表面在垂直 于该方向平面上的投 影面积的比值。又称 辐射亮度。
光电探测器物理基础
明视觉光谱光视效率
实线是亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V(λ)表示， 此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的 V(λ)的最大值在555nm处。
暗视觉光谱光视效率
Vˊ(λ)
V(λ)
虚线是亮度小于0.001cd/㎡时 的暗视觉光谱光视效率，用 Vˊ(λ) 表 示 ， 此 时 的 视 觉 主 要 由人眼视网膜上分布的杆状细 胞刺激所引起的； Vˊ(λ)的最 大值在507nm处。
光电探测器物理基础
按国际实用温标IPTS—68的理论计算值为 Km＝683 ( lm/W )
Km＝683lm／W。它表示在波长为555nm处，即人眼光谱光视效 率最大(V=1)处，1W的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句 话说，此时1lm相当于1／683W。
4.光度量和辐射度量之间的换算
Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。 由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。 同理，其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示光度量 与辐射量之间的关系 ：
•前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量 相对应的关系：
光谱辐照度：
光谱辐射出射度：光谱辐射亮度： Nhomakorabea辐射源的总辐射通量是：
光电探测器物理基础
三、光度学的基本物理量
1．光谱光视效能
人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度存 在差异。不同的人对各种波长光的感光灵敏度也 有差异。 对人眼来说采用光谱光视效能K(λ)来表征不同 波长辐射下的响应能力。光谱光视效能K(λ)为同 一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即
光电探测器物理基础
4．辐射照度E 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，dA是投射 辐射通量dΦ的面积元，单位为W／m2(瓦每平方米)。
E＝dΦ／dA 5．辐射出射度M 辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量，dΦ 是扩展源表面dS在半球空间（2π立体角)所发出的总 的辐射通量，单位为W／㎡(瓦每平方米)。
K(λ)=Φvλ/Φeλ
光电探测器物理基础
2.光谱光视效率
由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产 生的光感觉是不同的，国际照明委员会(CIE)根据对 许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光 的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”光 谱光视效率，或称之为视见函数V(λ)。
不同光亮度条件下，人眼对波长的光谱光视效率不 同，分为明视觉光谱光视效率和暗视觉光谱光视效 率。
光电探测器物理基础
3.1 光电探测器的物理基础
§3.1.1 光辐射与度量 §3.1.2 光电探测器概述 §3.1.3 光电探测器的性能参数 §3.1.4 光电探测器的噪声
光电探测器物理基础
3.1.1 光辐射与度量
光的基本性质回顾 1.光是一种电磁波——物质 2.电磁波谱（22个量级 ） 3.光学波段 4.光的波粒二象性
光电探测器物理基础
二．光谱辐射量
1.光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。 2.光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。
光谱辐射通量Ф（λ）： 辐射源发出的光在波长λ处的 单位波长间隔内的辐射通量。 辐射通量与波长的关系如图。 其关系式为
单位为W／μm(瓦每微米)， 或W／nm(瓦每纳米)。
多色辐通量，全色辐通量光电探测器物理基础