光电探测器精品PPT课件

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光电检测器件
光子器件
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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
CCD
热电偶/热电堆
热辐射计/热敏电 阻
光电探测器的主要工作特性
1
响应特性
2
量子效率
3
噪声等效功率
4 探测度与归一化探测度
1.响应特性
（1）响应度R（或称灵敏度）描述的是光电探测器
的光电转换效率。 定义：光电探测器输出信号与输入光功率之比。
描述的是光电探测器件的光电转换效率。 – 响应度是随入射光波长变化而变化的 – 响应度分电压响应度和电流响应度
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
光电探测器件输出电流与入射光功率之比
（2）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。
3.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。 噪声等效功率是一个可测量的量 。 设入射辐射的功率为P ，测得的输出电压为U0 ， 然后除去辐射源测得探测器的噪 声电压为UN，则按比例计算，要使U0＝UN的辐射功率为
4.探测度D与归一化探测度D*
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
色敏传感器 固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 位置检测用元件（PSD） 光电池
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： ① 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流； ② 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； ③ 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； ④ 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； ⑤ 具有较小的体积、较长的工作寿命等。 目前常用的半导体光电探测器有两种： PIN光电二极管 APD雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode）。
光电二极管材料。
光检测器吸收光功率后产生的一次光电流可表为
e电子电荷；hf光子能量 (hf=1.24/λeV, λ光波长 μm,h普朗克常数)，W 耗尽区宽度，Rf材料界 面的菲涅尔反射系数。
光探测器（Photodetector）是光纤通信系统的重要组成部分， 它的作用是把光源发送并经光纤传输的携带有信息的光信号转 化成相应的电信号（与光源相反），然后放大并恢复为原始电 信号,即将电信号“解调”出来。 光探测器是一种光电信息转换器件。在光纤系统中，光探测器 的作用是将光纤传来的光信号功率变换为电信号电流。
– 上升时间：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：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。
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:
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。
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 示为 ：
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。
（3）频率响应度
频率响应度R(f)：
响应度随入射光频率而变化的 性能参数。其表达式为：
度式；中R为(f探)为测频器率的为响f 应时时的间响或应称度时；间R0常为数频,由率材为料零和时外的电响路应
决定。 响应时间：响应时间τ=RC是描述光电探测器对入射光响应
快慢的一个参数。决定了光电探测器频率响应的带宽。
热释电探测器
光电探测器的种类
类型 PN结
非PN结 电子管类 其他类
实例
PN光电二极管（Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管（Si） 雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电晶体管(Si) 集成光电传感器和光电晶闸管(Si) 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管
• 探测度D 为噪声等效功率的倒数，即
• 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： D*越大的探测器其探测能力越强。
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
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
P+
。
Ⅱ(N)
且I层很厚，约有 5~5 0μm，吸收系数 很小，入射光很容易进
N+
E
电极
入材料内部被充分吸收
PIN光电二极管结构
而产生大量的电子-空
穴了对光,电因转而换大效幅率度，提两高侧P+层和N+层很薄，吸 收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽