常用光电探测器
光子探测器分类
描述bios的含义
光子探测器是一种能够探测光（光子）的探测器，通常用于高能物理、核医学、安全检查、环境监测等领域。
常见的光子探测器分类如下：
- 按照工作原理分类：
- 光电探测器：利用光电效应将光信号转换为电信号，如光电二极管、光电倍增管等。
- 热探测器：利用光热效应将光信号转换为热信号，如热敏电阻、热释电探测器等。
- 量子探测器：利用量子效应将光信号转换为电信号，如雪崩二极管、硅光电池等。
- 按照探测波长分类：
- 可见探测器：能够探测可见光谱范围内的光，如光电二极管、光敏电阻等。
- 红外探测器：能够探测红外光谱范围内的光，如热释电探测器、量子阱探测器等。
- 紫外探测器：能够探测紫外光谱范围内的光，如雪崩二极管、硅光电池等。
- 按照应用领域分类：
- 高能物理探测器：用于高能物理实验中探测光子，如闪烁计数器、切伦科夫计数器等。
- 核医学探测器：用于核医学成像中探测光子，如正电子发射
断层扫描（PET）探测器、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）探测器等。
- 安防探测器：用于安全检查和监控中探测光子，如X射线探测器、γ射线探测器等。
光电探测器的几种类型
光电探测器的几种类型红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子电子或空穴、，引起电学性能变化。
因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。
量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。
为了达到性能，一般都需要在低温下工作。
光电探测器可分为：1、光导型：又称光敏电阻。
入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。
从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。
截止波长由杂质电离能决定。
量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。
2、光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。
能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。
存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差。
外电路就有电压或电流信号。
与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。
这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。
3、光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。
充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模1024×1024甚至更大、焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。
有严格的低温要求。
用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。
PtSi/Si结构FPA是早制成的IRFPA。
4、量子阱探测器QWIP：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。
电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。
利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。
90年代以来发展很快，已有512×512、640×480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。
光电探测器
光电探测器光电探测器是利用辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象的原理而制成的器件。
它的的工作原理是基于光电效应（包括外电光效应和内电光效应）。
根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子型探测器；另一类是热探测器。
其中光子探测器包括真空光电器件（光电倍增管等）和固体光电探测器（光电二极管、光导探测器、CCD等）。
1光子探测器1）原理光子探测器利用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。
这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。
在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成光电流。
光电倍增管与光电管的差别在于，在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极（称为打拿极）。
从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞，发生倍增效应，最后形成较大的光电流信号。
因此，光电倍增管具有比光电管高得多的灵敏度。
红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴极、阳极和一个简单的电子光学系统组成。
光电子在受到阳极加速的同时又受到电子光学系统的聚焦，当它们撞击在与阳极相连的磷光屏上时，便发出绿色的光像信号。
2）光电管光电管原理是光电效应。
一种是半导体材料类型的光电管，它的工作原理光电二极管又叫光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。
当光照强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多，如果二极管反偏，则反向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。
光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下。
常见的半导体材料有硅、锗等。
如我们楼道用的光控开关。
还有一种是电子管类型的光电管，它的工作原理用碱金属（如钾、钠、铯等）做成一个曲面作为阴极，另一个极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间断开。
光电探测器
种类
• • • • 真空管光电探测器（PMT等） 半导体光电探测器 热电探测器 多通道探测器、成像器件
1.真空管光电探测器
• 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应
光电阴极材料 • 光吸收系数大 • 传输能量损失小 • 光电子逸出功低
探测器窗口 • 透过率大
G n
AE
1.2光电倍增管
主要指标：
4. 暗电流 • 主要来源于阴极和倍 增级的热电子发射 • 决定了光电倍增管可 探测的最小光功率 • 暗电流与管子的工作 温度以及所加电压有 关
1.2光电倍增管
主要指标：
5.噪声等效功率 • 与阳极暗电流相等 的阳极输出电流所 需要的光功率决定 了光电倍增管可探 测的最小光功率 • ～10-15—10-16瓦， • ～10-18—10-19瓦（冷 却后），单光子探 测水平
单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比
如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率 为多少(光波长为1um)？
光探测器－参数
2.噪声等效功率（NEP） • 信噪比: SNR 信号的峰值和噪声的有效值(√带宽)之比
• NEP
NEP P S / N 1/ Hz
单位为W/Hz1/2
R1
C
R2
Vs
fC
图2.3 探测器的频率响应
f
Vmax
1 = c
T
i t dt
0
光探测器－参数
响应光谱 频谱响应 噪声
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
白噪声
热噪声均方振幅电压值：
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。
光电探测器列表
紫外探测器：碳化硅（SiC）材质，响应波段200-400nm。
应用：火焰探测和控制、紫外测量、控制杀菌灯光、医疗灯光的控制等。
————————————————————————————————————————————可见光探测器：硅（Si）材质，响应波段200-1100nm。
有室温、热电制冷两种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。
主要用在测温、激光测量、激光检测、光通信等领域。
————————————————————————————————————————————红外探测器（1）：锗（Ge）材质，响应波段0.8-1.8um，有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。
主要应用在光学仪表、光纤测温、激光二极管、光学通信、温度传感器等————————————————————————————————————————————红外探测器（2）：铟钾砷（InGaAs）材质，响应波段0.8-2.6um，波段内可以进行优化。
有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，可以配光纤输出，多种封装形式可选。
主要应用在光通信、测温、气体分析、光谱分析、水分分析、激光检测、激光测量、红外制导等领域。
————————————————————————————————————————————红外探测器（3）：砷化铟（InAs）材质，响应波段1-3.8um，有室温和热电制冷两种，可以配内置前放，多种封装形式可选。
主要用于激光测量、光谱分析、红外检测、激光检测等领域。
红外探测器（4）：锑化铟（InSb）材质，响应波段2-6um，液氮制冷，可以带内置前放，多种封装形式可选。
主要应用在光谱测量、气体分析、激光检测、激光测量、红外制导等领域。
————————————————————————————————————————————红外探测器（5）：硫化铅（PbS）材质，响应波段为1-3.5um，有室温和热电制冷两种，可以带内置前放，多种封装形式可选。
光电探测器综述(PD)讲解
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
光电探测器的制作及其在通信领域中的应用
光电探测器的制作及其在通信领域中的应用光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件，也是光通信中关键的组成部分之一。
目前，光电探测器已经广泛应用于通信、医学、军事、航空等领域。
本文将介绍光电探测器的制作及其在通信领域中的应用。
一、光电探测器的制作1.1 探测器的种类常见的光电探测器有光电二极管、光电倍增管、光电子倍增管、光耦合器等。
其中，光电二极管是最常用的一种，它具有易用、低成本、体积小等优点。
1.2 制作工艺光电二极管的制作采用半导体工艺，主要包括以下几个步骤：（1）材料生长：在晶体生长炉中制备出探测器所需的半导体材料，比如硅、锗等。
（2）制作P-N结：在半导体片上涂上金属掩膜，经过光刻、腐蚀等工艺将掩膜除去，然后用掩膜后的半导体材料进行扩散或外延生长，形成P-N结。
（3）包装：将制作好的探测器芯片封装到保护壳内。
二、光电探测器在通信领域中的应用2.1 光通信光通信是一种基于光传输进行信息传输的技术，它具有带宽大、传输距离远、抗干扰性强等优点。
而光电探测器则是将光信号转化为电信号的核心器件。
在光通信系统中，光电探测器扮演着重要的角色，它能够将光信号转化为电信号，并通过信号处理器处理后输出。
2.2 光纤通道检测光纤通道检测是指使用光电探测器检测光纤通道的损耗和信号衰减，在光纤通讯系统中具有非常重要的作用。
光电探测器能够将光信号转化为电信号，通过信号处理器分析电信号的强度，从而确定光纤信道的损耗和衰减程度。
2.3 光纤传感光纤传感是利用光纤作为传感器进行信号检测的一种技术。
光电探测器则是将光信号转化为电信号的核心器件。
在光纤传感系统中，光电探测器通常与光纤衰减器、光源等组成一个光衰减传感器，用于检测光纤信号的衰减程度，从而确定被测量的物理量。
2.4 医疗领域在医疗领域中，光电探测器常用于医学影像系统中的探测器和光源。
光电探测器能够将光信号转化为电信号，并通过信号处理器处理后输出，从而成为医学影像系统的关键组成部分，为医疗事业做出了重要的贡献。
建筑工程中常用的火灾探测器
建筑工程中常用的火灾探测器
在建筑工程中，常用的火灾探测器有以下几种：
1. 光电式烟感探测器：该探测器通过光电二极管发射光束，当烟雾进入探测器时，会散射光束，使光电二极管接受到光信号，从而触发火警报警。
这种探测器对烟雾敏感，能及早发现火灾。
2. 离子式烟感探测器：离子式烟感探测器通过放射放射性物质产生离子，当烟雾进入探测器时，会吸附并散射放射性物质产生的离子，从而改变电流的流动情况，触发火警报警。
这种探测器较为敏感，但容易误报。
3. 热敏式感温探测器：热敏式感温探测器通过感温元件感测周围环境的温度变化，当温度超过设定的阈值时，触发火警报警。
这种探测器适用于高温或易产生烟尘的场所。
4. 气体报警探测器：气体报警探测器可以用于检测一氧化碳、甲烷等有害气体浓度。
当检测到有害气体浓度超过设定的阈值时，触发报警。
5. 光纤式烟温一体探测器：光纤式烟温一体探测器是将光电传感器和感温传感器相结合，能够同时检测烟雾和温度变化，能够提高火灾的准确性和可靠性。
这些火灾探测器可以根据具体的建筑场所和需求进行选择和配置，以确保在火灾发生时能够及早发现并采取相应的应急措施。
光电探测器以及光电探测器阵列的研究与应用
光电探测器以及光电探测器阵列的研究与应用光电探测器是指用于探测光信号的电子元件。
目前光电探测器已经广泛应用于科学研究、医学、军事、通信、制造业等多个领域。
随着该技术的持续发展，光电探测器阵列已成为研究的重点之一。
光电探测器的种类光电探测器按照其所使用的探测材料不同，可以分为两类：半导体型光电探测器和真空管型光电探测器。
半导体型光电探测器主要由半导体材料组成，常用的半导体材料有硅、锗和化合物半导体（如氮化镓、砷化镓等）。
半导体型光电探测器具有响应速度快、噪声小等优点，目前已成为主流。
真空管型光电探测器常用的是光电倍增管，它由光电阴极、倍增部件和阳极组成。
真空管型光电探测器具有灵敏度高、稳定性好等优点，但是价格相对较高，广泛应用于一些特殊领域，如核物理学、天文学等。
光电探测器阵列的研究与应用光电探测器阵列是指通过多个光电探测器组合而成的探测器，它可以同时探测多个光信号，适用于高精度成像、光谱分析、光学通信等场景。
随着光学技术的快速发展，光电探测器阵列已经成为光电技术中的重要工具。
在太空探测方面，光电探测器阵列已经成为航天器上必不可少的组成部分。
例如在欧空局的ROSITA航天器中，光电探测器阵列被用来探测来自宇宙的X射线辐射。
在医学领域，光电探测器阵列被广泛应用于荧光成像和光学相干断层扫描（OCT）成像。
这些技术被用于研究生物活动的细节，有助于深入了解生命体的结构和机理。
在通信领域，光电探测器阵列是高速光通信系统的重要组成部分。
它能够实现高速数据传输，并且具有低噪声、高响应速度和高灵敏度等优点。
未来的发展趋势虽然目前光电探测器阵列已经有了很好的应用前景，但是其自身的限制也限制了其进一步的发展。
例如目前光电探测器阵列的空间分辨率还不够高，无法满足高精度成像的需求。
为了解决这些问题，未来的研究方向包括：开发新型的高能量光学材料、提高光电探测器的响应速度和灵敏度、开发新型的探测器结构等。
随着这些问题的逐步解决，光电探测器阵列将会在更多领域中得到应用。
探测器的原理和应用
探测器的原理和应用1. 概述探测器是一种用于检测和测量特定物理量的设备，它能够将被测量的物理量转换为可观测的信号。
探测器在各个领域都有广泛的应用，包括科学研究、医学、工业和安全等领域。
本文将介绍一些常见的探测器，包括原理和应用。
2. 光敏探测器光敏探测器是一种能够测量光辐射的设备。
它通过光电效应、热释电效应或光致发光等原理将光能转换为电能或其他形式的能量。
常见的光敏探测器包括光电二极管、光电倍增管和光电探测器。
•光电二极管：光电二极管是一种能够将光能转换为电能的半导体器件。
它利用光生电流的光电效应将光能转换为电信号。
光电二极管具有高灵敏度、快速响应和宽波长范围的特点，广泛应用于光电测量、通信和显示等领域。
•光电倍增管：光电倍增管是一种能够将光能转换为电能并放大的设备。
它通过光电倍增效应将光信号放大后输出。
光电倍增管具有极高的灵敏度和放大能力，适用于低光强度测量和高精度测量。
•光电探测器：光电探测器是一种能够对光进行检测和测量的设备。
它利用光电效应或光生电流的原理将光信号转换为电信号。
光电探测器广泛应用于光谱分析、光学成像和光通信等领域。
3. 温度探测器温度探测器是一种能够测量温度的设备。
它通过测量物体的温度变化来获取温度信息，并将其转换为可观测的信号。
常见的温度探测器包括热电偶、热敏电阻和红外测温仪。
•热电偶：热电偶是一种能够将温度转换为电压的设备。
它由两种不同材料的导线组成，当其两端存在温差时，会产生热电势，从而产生电压。
热电偶具有宽温度范围、高精度和稳定性好的特点，广泛应用于工业测温和科学研究等领域。
•热敏电阻：热敏电阻是一种能够根据温度变化而改变电阻值的设备。
它的电阻值随温度的变化而线性变化，可以通过测量电阻值来得到温度信息。
热敏电阻适用于家用电器、汽车和医疗设备等领域。
•红外测温仪：红外测温仪是一种通过检测物体发射的红外辐射来测量物体表面温度的设备。
它利用热辐射物体与温度的关系，将红外辐射转换为温度信息。
光电探测器的种类
6、选择制冷型探测器时，还要注意对应的温控器选择， 探测器、温控器及前置放大器均需根据需要单独选择；
7、红外探测器通常需要制冷和配合锁相放大器使用。
光电导探测器
常用光电导探测器材料有： （1）射线和可见光波段：CdS、CdSe、CdTe、Si、
CCD结构
CCD的基本单元是MOS 电容器 .半导体硅作为底 电极，作为衬底。 .蒸镀一层小面积 金属作为电极，作为 栅极。 .硅片上通过氧化 生成一层SiO2为绝 缘层。
（1）光谱响应度 光谱响应度是指某一波长下探测器输出的电压或电流
与入射光功率之比。 光谱响应度随波长的变化关系曲线即是探测器的光谱
响应曲线 （2）等效噪声功率（NEP） 等效噪声功率是信噪比为1时探测器能探测到的最小
辐射功率，即最小可探测功率。 （3）时间常数 时间常数表示探测器输出信号随入射光信号变化的速
率
如何选择合适的光探测器
1、实际光谱测量范围是选择光探测器的首要注意问题；
2、光电倍增管是高灵敏的探测器，使用时要求配套高稳 定性的高压电源；
3、光伏型探测器具有响应快、灵敏度高的特点，使用时 一般可不需要锁相放大器，探测微弱信号时可选用锁相 放大器以提高信噪比；
4、光导型探测器响应较慢，使用时要求信号光必须调制， 并且需要搭配锁相放大器进行信号检出，同时要注意调 制频率的选择；
光电探测器的种类
小组成员： 祝卓茂 何小亮 周长平 孙原超
光电探测器的分类
（1）按工作波段分 : 紫外光探测器、可见光探测器、 红外光探测器
（2）按应用分： 非成像型光探测器：光信息转换成电信息 成像型光探测器：变像管、像增强器、 摄像管 、真
最新常用光电探测器PPT课件
V
Pmax Rg
RL Rg
光敏电阻
时间响应特性
光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增 大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上 升时间和衰减时间表示。
光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负 载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间） 等因素有关。
光敏电阻
稳定特性
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
▪ 第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，
称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是 流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的
光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分
几种国产硅光电池的特性
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
短路电流和开路电压
短路电流——RL=0 开路电压——RL=∞
光电池等效电路
Cj：结电容 ish：pn结漏电流，很小 Rsh：等效泄露电阻，很大 Rs：引出电极－管芯接触电阻
HgxCd1-xTe探测器：化合物本征型光电导探测器，由 HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度 随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8~14μm， 工作温度77K，用液氮致冷；内电流增益约为500，低 内阻，广泛用于10.6μm的CO2激光探测。
光敏电阻
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。
光电探测器及其应用研究
光电探测器及其应用研究光电探测器是一种将光信号转化为电信号输出的设备，其应用广泛于通信、医疗、安防等领域。
在工业和科研中，光电探测器也发挥着越来越重要的作用。
本文主要介绍光电探测器的基础原理及其在现代科技领域的应用。
一、基础原理光电探测器的基础原理是光电效应。
光电效应是指光照射金属表面时，金属内的电子吸收了光能，跃迁到了导电带，从而产生电流。
根据光电效应可得知，光电探测器的输出电流与光照射的强度成正比，且与光照射的频率有关。
常见的光电探测器有光电二极管、光敏电阻、光电管、PIN光电二极管等。
光电探测器可以将光信号转化为电信号，方便了数据的处理和传输。
二、应用领域1. 通信领域随着信息技术的不断发展，通信领域对光电探测器的需求量越来越大。
现代光通信系统中，用光电探测器将光信号转化为电信号，进行数据处理和传输。
常用的光电探测器有光电二极管、APD光电二极管、PIN光电二极管等。
2. 医疗领域光电探测器在医疗领域的应用十分广泛，例如医学成像、病理诊断、荧光免疫分析等。
其中，光电二极管和CCD摄像头常用于医学成像领域，光电探测器能够将人体深部的信息转化为可视化的图像，为医生的诊断和治疗提供了帮助。
3. 安防领域在安防领域，光电探测器可以用于监控和探测，例如红外线探测器。
红外线探测器可以感应到人体体温和活动，在夜间和低照度环境中发挥重要作用。
4. 科研领域光电探测器在科研领域的应用也十分重要。
例如，光电探测器可以用于测量粒子的能量、位置等信息，用于核物理学、粒子物理学等领域。
三、发展趋势随着信息技术和科学技术的不断发展，光电探测器也在不断发展，存在以下一些趋势：1. 高灵敏度：为了更好地感应到光信号，光电探测器的灵敏度要不断提高。
2. 增大响应范围：光电探测器的响应范围大小也是当前研究热点之一。
为了使光电探测器适应更广泛的光谱范围，其响应范围需要不断扩大。
3. 降低噪声：光电探测器的噪声对信号检测的准确性会有很大影响，因此需要不断降低噪声水平。
光电探测器概况
⑤ 噪声等效功率
噪声等效功率(NEP)是描述光电探测器探测能力的参 数。 定义：单位信噪比时的入射光功率。表达式为
P NEP Vs / Vn
NEP 越小，噪声越小，探测器探测能力就越强。
⑥ 探测度D与归一化探测度D*
1.探测度D 为噪声等效功率的倒数，即
D
1 NEP
2.归一化探测度D* 由于D与探测器的面积Ad 和放大器带宽Δf乘积的平 方根成正比，为消除这一影响，定义：
光电探测器
一 概述 二 常用单光子探测的器件 三 单光子雪崩二极管的工作原理
四 光电探测器的应用
一 概述
1. 什么是光电探测器？
光电探测器是一种把光辐射能量转换为便于测量的 电能的器件。
2.常用光电探测器
光电管、光敏电阻、光电二极管、光电倍增管、光 电池、四象限探测器、热电偶、热释电探测器等。
3. 光电探测器的性能参数主要有：
单光子雪崩二极管探测器构成和分类
SPAD探测成像技术主要包括： 单光子雪崩二极管、雪崩淬灭电路、雪崩信号读取电路三部分
其中淬灭电路，分为： 被动式淬灭、主动式淬灭、门脉冲淬灭 雪崩信号读取电路，根据每次能够读出的像素数目可分为： 像素串行读出、像素并行读出、列并行读出
三 单光子雪崩二极管的工作原理
① 量子效率
② 响应度
③ 光谱响应度 ④ 频率响应度 ⑤ 噪音等效功率 ⑥ 探测度D与归一化探测度D*
① 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。
光电探测器的性能参数
电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比
RV
Vs P
电流响应度RI
光电探测器件输出电流与入射光功率之比
RI
Is P
三、光谱响应度
光谱响应度R(λ)是响应度随波长变化的性能参
数。大多数光电探测器具有光谱选择性。 定义：探测器在波长为λ的单色光照射下，输
出电压或电流与入射光功率之比。
一、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。
对于理想的探测器，每入射一个光子则
定义：
D*
1 NEP*
D ( Ad f
)1/ 2
D*越大的探测器其探测能力越强。
七、其它参 数
光电探测器还有其它一些参数，在使用时 必须注意到。如：
1、暗电流：指没有信号和背景辐射时通过探 测器的电流。
2、光敏面积：指灵敏元的几何面积。
3、探测器电阻、电容。
4、工作电压、电流、温度。
五、噪声等效功率
噪声等效功率(NEP)是描述光电探测器探测能
力的参数。 定义：单位信噪比时的入射光功率。表达式为
NEP P Vs / Vn
NEP 越小，噪声越小，探测器探测能力就越强。
六、探测度D与归一化探测 度D*
1.探测度D 为噪声等效功率的倒数，即
D 1 NEP
2.归一化探测度D*
由于D与探测器的面积Ad 和放大器带宽 Δf乘积的平方根成正比，为消除这一影响，
光 电 探 测 器
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 示为 ： PW P 1 e W
0
P0为入射光功率； α (λ)材料的吸收系数，其大小与材料 性质有关，且是波长的函数。通常使用的PIN光电二级管 半导体材料。不同材料适用于不同的波长范围。当工作 波长比材料的带隙波长 λC=1.24/Eg(μm)长时，吸收系数 急剧减小。 为获得最佳的转换效率——量子效率及低的暗电流(它随 带隙能量的增加按指数减小)，理想光电二极管材料的带 隙能量Eg应略小于与最长工作波长相对应的光子能量。 在0.85μm短波长区，Si是最优选材料，截止波长1.09μm， 吸收系数a(λ)≈600cm-1，穿透深度17μm。 在长波长区，Ge和InGaAs合金可选用为 光电二极管材料。
1 exp W
W
1, 1
W ,
但是W 增大时，产生的电子空穴对要花较长 的时间才能到达结边被收集，这样又降低了光 检测器的响应速度。
1.0
• 对于波长的限制：
0.8 70% Si 0.6 50% Ge 0.4 30% InGaAs
hc c Eg
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+和N+掺杂浓度很高。 且I层很厚，约有 5~5 0μm，吸收系数 很小，入射光很容易进 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+ Ⅱ(N)
N+
电极
E
PIN光电二极管结构
《光电探测器概述》课件
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。
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品种很多，包括各种光电池、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。
和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一 些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏 探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测 器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。
PN结光伏探测器的工作模式
PN结光伏探测器的典型结构如图所示。为说明光功率转 换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用 一理想电流表记录光照下流过回路的电流，这个电流常
常称为短路光电流 i 。
光子
电极
SiO2 n
p+
耗尽层 电极
n+
PN结光伏探测器的工作模式
假定光生电子-空穴对在PN结的结区，即耗尽区内产生。 由于内电场作用，电子向n区、空穴向p区漂移运动，被内
应 特 别 注 意 ， 光 电 流 总 是 反 向
电流，而光电流在RL上的电压降， 对探测器产生正向偏置称为自偏
压，当然要产生正向电 RL1>RL2 流。最终
RL2
两个电流抵消，伏安曲线中止于
横轴上。
RL1
RL
i
+ －
V
-V P=0
光 功
P1
率
增
P2
大
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
对外回路所贡献的总电荷量： QQpQn e
光伏探测器的内电流增益等于M=1。
光伏探测器光电转换关系为
i
e h
P
这是和光电导探测器明显不同的地方。
PN结光伏探测器的工作模式
一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒
流源(光电流源)的并联，如图 (b)所示。它的工作模式则 由外偏压回路决定。在零偏压时(图 (c))，称为光伏工作 模式。当外回路采用反偏压V时(图 (d))，即外加P端为负 n端为正的电压时，称为光导工作模式。
光敏电阻
4.使用注意事项
（1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻 的光敏特性匹配；
（2）要防止光敏电阻受杂散光的影响； （3）要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超 过允许值；
（4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。
PN结光伏探测器的工作模式
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。
）
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
2）在光线作用下，半导体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
3）以下几种探测器属于热探测器的有：（
）
A、热电偶
B、热释电探测器
C、热敏电阻 D、超导远红外探测器
4）表征光电探测器探测微弱光信号能力的参数是（ ）
uViRLiRg
i
V Rg
2
RL Rg
arctan1
RL
arctan1
Rg
arctan1
Rd
光敏电阻
伏安特性 uViRL
u u V i iR L
i
i
iD
i
u
i
(a)
(b)
RL RL
V
(c) (d)
PN结光伏探测器的工作模式
普通二极管的伏安特性为 iDiS0(eeu /kBT1)
光伏探测器的总伏安特性应为 i D 和 i 之和，考虑到二
者的流动方向，我们有：
iiDiiS0(ee/u kBT1)i
式中i是流过探测器的总电流，e是电子电荷，u是探测器
实际光照特征呈非线性关系： i KuP
K : 与器件的材料、尺寸、形状以及载
流子寿命有关；
:电压指数，与接触电阻等因素有关，
其值一般为1~1.2；
: 照度指数，由杂质种类及数量决定，
其值一般为0.5~1.0。
在低偏压、弱光照条件下
1, 1
CdS的光照特性曲线
光敏电阻
伏安特性
非本征型光敏电阻：通常在低温条件下工作，常用于 中、远红外辐射探测
常用的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS以及TeCdHg等。其中CdS是工 业应用最多的，而PbS主要用于军事装备，
光敏电阻
1. 光敏电阻的结构和偏置电路
在绝缘基片上淀积半导体薄膜，然后在薄膜面上蒸镀金 或铟，形成梳状金属电极——间距很近的电极之间，具 有较大的光敏面积，从而获得很高的灵敏度。
常用光电探测器简介
知识巩固
光电探测器的物理效应
光子效应
光热效应
响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见
截止波长，超过该波长，器 件无响应
光到远红外的各种波长的辐
射同样敏感
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
知识巩固
1）以下属于内光电效应的有（
i e MP h
M Ln2un
M——光电导体的 光电流内增益
光敏电阻
2. 光敏电阻的工作特性
光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性、照 度伏安特性、频率响应、温度及噪声特性来判别； 在实际应用中，可根据这些特性合理选择相应的 器件。
光敏响应特性 光照特性和伏安特性 时间响应特性 稳定特性 噪声特性
电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流 i 。
p Ec EEvF
光生空穴
-
光子
o
+
电离受主 电离施主L
p+
---
++ ++
n
x 光生电子
-
n
Ei 耗尽层
PN结光伏探测器的工作模式
就光电流形成的过程而言，光伏探测器和光电导
探测器有十分类似的情况。
可以证明：在光伏情况下一个光生电子-空穴对
两端电压，kB是玻耳兹曼常数，T是器件的绝对温度。把 上式中i和u为纵横坐标作成曲线，就是光伏探测器的伏 安特性曲线。
第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起重
要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。
RL1>RL2
RL2 RL1
RL
i
+ －
V
-V P=0
光 功
P1
率
增 大
P2
光敏电阻
3.几种典型的光敏电阻
CdS和CdSe：可见光辐射探测器，低造价、高可靠和 长寿命；光电导增益比较高(103～104)，响应时间比 较长(大约50ms)。
PbS：近红外辐射探测器，波长响应范围在1～3.4μm， 峰值响应波长为2μm，内阻（暗阻）大约为1MΩ，响 应时间约200μs，室温工作能提供较大的电压输出； 广泛用于遥感技术和红外制导技术。
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，
称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是 流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的
光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分
相似。
RL1>RL2
RL2 RL1
RL
i
+ －
V
-V P=0
光 功
P1
率
增 大
P2
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着
光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻 RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式。通常 把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。
V Rg
2
RL Rg
uiRL
VRgRL
2
RL Rg
当 RL Rg 时， u 最大。称为匹配状态。
最大功率损耗限制:
i2Rg Pmax
1/2
偏置电压的选取原则：
V
Pmax Rg
RL Rg
光敏电阻
时间响应特性
光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增 大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上 升时间和衰减时间表示。
光敏电阻
光敏响应特性
对各种光的响应灵敏度随入射光的波长变化而变化
的特性。常用光谱响应曲线、光谱响应范围及峰值响应
波长来描述。
m(m)
1.24 Eg(eV)
或
m(nm)