第六章 光电探测器分解
第六章 光电探测器解读
－施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁导带或价带。
施主能级：在N型半导体中，五价元素杂质的剩余电子所处的杂级能级。 受主能级：在P型半导体中，三价元素杂质的剩余空穴所处的杂级能级。
0 hc / Eg
0 hc / Ei
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光电导探测器件
利用光电导效应的半导体材料以光敏电阻应用最为广泛。
Ek hv
特点：光电子动能与照射光强度无关； 光谱响应表现出选择性； 光电子发射效应的低频限； 优点：灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪音小 缺点：结构复杂，工作电压高，体积较大
8
光电子发射器件
• 光电管、光电倍增管:典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件. • 由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种电流放大器件。 • 光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测
R0为调制频率f ＝0时的响应度。
R( f c ) R0 / 2 时的调制频率 响应频率：
5பைடு நூலகம்
噪声等效功率（NEP）：使探测器输出电压正好等于输出噪声
电压时的入射光功率 。 在探测极其微弱的信号时，限制光电探测器对极微弱光辐射探测能力 的不是响应度的大小。
NEP
NEP
Un P Ru U s / U n
其数值与电子电流相当。因此，在阳极电路内就形成了数倍于真空光 电管的光电流。
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充气光电管
特点：
灵敏度：高于真空光电管，由于阳极电流不仅取决于阴极发射的电子
还取决于气体电离的电子和离子，只有在一定条件下阳极电流和光照 之间才有线性关系。
伏安特性：充气光电管没有饱和现象，由于管内气体的电离作用，随
（2）硫化铅PbS和硒化铅
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。
光电探测器分解
真空光电管的结构
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主要特性
灵敏度：在一定光谱和阳极电压下，光电管阳极电流与阴极面上光
通量之比，反应了光电管的光照特性。
伏安特性：一定光照条件下，阳极电流会随其电压增加而增加 。
不同电极结构有不同的饱和电压 。
光谱响应：各种真空光电管的光谱响应不同，影响光谱特性的主要 因素是光阴极的结构、材料、厚度及光窗材料等 。
器件等
2
6.1 光电探测器的特性参数
量子效率: 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。
描述光电器件 光电转换能力
I＝P＝ e P h
＝ Ihv ep
单位时间入射到探测器表面的光子 单位时间内被光子激励的光电子数。
特定波长下，单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入射到探测器 表面的光子数之比
_
in2 2e i f
7
6.2 光电探测器原理和种类
6.2.1 光电子发射效应
原理：材料表面的电子吸收光子能量，吸收的光能能够满足途中由于 与晶格或其它电子碰撞而损失的能量外，尚有一定能量足以克服固体 表面的势垒（或叫逸出功）则电子就可以穿出材料表面。这些逸出表 面的电子称为光电子。这种现像叫光电子发射或外光电效应。
2．暗电流噪声：当探测器接入电路后，由于热电子发射，场致发射或半导体中 晶格热振动激发出载流子，而产生的输出电流。 I n (2eI d f )1/ 2
3．散粒噪声： 由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。每一瞬时通过PN 结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引 起散粒噪声。散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。
测器的惰性。
is t i 1 et /
第6章 光探测材料及器件
二、光电效应 1、定义 物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电 子运动状态发生变化；因此，把由光照而引起物体电学 特性的改变统称为光电效应。
理解光电效应的三个要点： 1）原因：是辐射，而不是升温； 2）现象：电子运动状态发生变化； 3）结果：光电子发射、电导率变化、光生伏特。
光电效应的物理机制： 在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子 的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激 发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与 导电，因而产生了光电效应。 光电效应中光与物质相互作用的本质：光子与电子 的直接作用(电子吸收光子)
外光电效应
充气光电管 光电倍增管 象增强管 光导管或光敏电阻
内光电效应
光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管
光电磁探测器 光子牵引探测器
光电发射探测器、光电导探测器、光生伏特探测器
1）光电导效应:当光照射到半导体材料时，价带中的 电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使 其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子 和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。常存 在于高电阻率的半导体中。 2 ）光生伏特效应 : 如果在一定条件下受到光照作用 的半导体特定方向上产生电动势 , 这种现象称为光生 伏特效应。
外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照 而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流， 而后者则在物质内部参与导电。
简单记为：光辐射→电子运动状态发生变化→光电 导效应、光生伏特效应、光电子发射。
光电效应的分类
效 应 1.光阴极发射光电子 正电子亲和势光阴极 负电子亲和势光阴极 2.光电子倍增 气体繁流倍增 打拿极倍增 通道电子倍增 1. 光电导(本征和非本征) 2. 光生伏特 PN结和PIN结(零偏) PN结和PIN结(反偏) 雪崩 肖特基势垒 异质结 3.光电磁 光子牵引 相应的探测器 光电管
《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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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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8.2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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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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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
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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
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，
光电探测器简介演示
contents
目录
• 引言 • 光电探测器的基本原理 • 光电探测器的种类与特点 • 光电探测器的性能指标 • 光电探测器的应用案例 • 总结与展望
01
CATALOGUE
引言
什么是光电探测器
• 光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，它利用 了光的能量和物质的相互作用来产生电信号。光电探测器在许 多领域都有广泛的应用，如光学通信、光谱分析、环境监测、 安全监控等。
安全监控
光电探测器可以用于安全监控，例如在机场、银行等场所 的监控系统中，光电探测器可以检测到人员的活动和物体 的移动。
02
CATALOGUE
光电探测器的基本原理
光-电转换原理
光-电转换是光电探测器的基本工作原理，即通过接收光子，将光信号转换为电 信号。
光电探测器中的光敏元件（如光电二极管、雪崩光电二极管等）能够将入射光子 转化为电子-空穴对，这些载流子在外加电场的作用下定向移动，形成电信号输 出。
光电探测器的应用场景
光学通信
光电探测器可以将光信号转换为电信号，从而实现信息的 传输和处理。在光纤通信中，光电探测器是必不可少的器 件之一。
环境监测
光电探测器可以用于监测环境中的光辐射水平，从而对环 境进行评估和管理。例如，它可以用于监测大气污染和海 洋环境中的光辐射水平。
光谱分析
光电探测器可以用于检测物质的光谱特征，从而对物质进 行分析和鉴别。在环境监测和化学分析中，光电探测器也 有广泛的应用。
光电探测器在医疗诊断中的应用
内窥镜
内窥镜结合光电探测器可以实时检测人体内部病变，提高医疗诊断的准确性和 效率。
医学影像
光电探测器在医学影像技术中也有广泛应用，如X光、CT等设备的图像采集和 处理系统中都离不开光电探测器的支持。
光电探测器分解课件
光电探测器的应用领域
总结词
光电探测器广泛应用于各种领域，如科学研究、工业 生产、安全监控等。其应用范围涵盖了光谱分析、辐 射监测、激光雷达、光纤通信等众多领域。
详细描述
光电探测器作为一种重要的光电器件，具有广泛的应用 领域。在科学研究领域，光电探测器可用于光谱分析、 辐射监测等实验中，帮助科学家深入了解物质的性质和 行为。在工业生产领域，光电探测器可用于各种自动化 生产线和设备的控制与监测，提高生产效率和产品质量 。此外，在安全监控、激光雷达、光纤通信等领域，光 电探测器也发挥着重要的作用。通过不断的技术创新和 应用拓展，光电探测器的应用前景将更加广阔。
02
薄膜沉积
在衬底上沉积光电探测器的关键薄膜 材料，如半导体材料、金属材料等。
01
封装与测试
将制造完成的光电探测器进行封装和 性能测试，确保其正常工作。
05
03
光刻与刻蚀
通过光刻技术将薄膜材料加工成所需 的结构和图形，然后进行刻蚀以形成 光电探测器的各个部分。
04
掺杂与欧姆接触
对光电探测器的半导体材料进行掺杂 ，并形成欧姆接触，以实现电流的收 集和传输。
光电探测器输出电压与输入光 功率之比，用于衡量光电探测
器的光转换效率。
带宽
光电探测器的响应速度的量度 ，通常以Hz或MHz为单位。
噪声等效功率
在一定的信噪比下，探测器可 检测到的最小光功率。
线性范围
光电探测器输入光功率与输出 电压呈线性关系的范围。
03
光电探测器的制造工艺
制造工艺流程
衬底准备
选择合适的衬底材料，并进行清洗和 加工，为后续制造过程做准备。
光电探测器的发展趋势
高响应速度
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
第6章 热探测器
Ps
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
13
1.热释电效应
热“释电”的物理过程
Ps (T1 )
温度低 热电晶体－－ 极化强度与温度关系
Ps (T2 )
U
2 2
2 NJ
=
(4kTRΔf )
1
2
(1 + ω τ )
2 2 e
1
4
当ωτe ＞＞1时，上式可简化为
2 U NJ
4kTRΔf = ωτ e
1
2
表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
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2） 温度噪声 温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机 性，噪声电流的方均值为
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》 23
αγAd S ≈ ωHC
2 热释电器件的噪声
热释电器件的基本结构是一个电容器，因此输出阻抗 很高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形 式，使输出阻抗降低到适当数值。因此在分析噪声的时候， 也要考虑放大器的噪声。这样，热释电器件的噪声主要有 电阻的热噪声和温度噪声。
热“释电”的物理过程 恒温T1 电荷中和时间：秒～小时
自由电荷
Ps
Ps (T1 )
束缚电荷
温升到T2 －－束缚电荷减少 极化驰豫时间－－皮秒 －－“释放” 电荷
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》
Ps (T2 )
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1.热释电效应 恒温T1 电荷中和时间：秒～小时
光电探测器综述(PD)分解
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。
第六章光电检测电路的设计
S max /[U b (1 G / G0 ) S max / G0 ]
当
R
＝1/
L
G
L
已知时，可计算偏置电源
电压 U b为
用解析法计算输入电路
U b S max(GL G0 ) / GL (G0 G)
a) 确定线性区 b) 计算输出信号
3）计算输出电压幅度 由图b，当输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压
b) 相对探测灵敏度曲线 1-检测型Si光电二极管
2-照相用Si光电二极管 3-平面型Si光电池 4-光电三极管
5-台面型光电二极管 6-视见函数
7-CdS光敏电阻
2）探测器的光电转换特性和入射辐射能量的大小相匹配
根据光电系统辐射源的发光强度、传输介质和目标的传输 及调制损耗、接收光学系统接收孔径的限制及反射吸收等损失 的影响，可以计算出入射到探测器光敏面上的实际辐射能量， 通常它们是很微弱的，探测器的选择应充分利用这些有用的信 号能量，为此要考虑：
为了提高传输效率，无畸变地变换光电信号，光电检测器 件不仅要和被测辐射源及光学系统，而且要和后续的电子系统 在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最 佳的工作状态。光电检测器件和光路的匹配是在对辐射源和光 路进行光谱分析和能量计算的基础上，通过合理选择光路和器 件的光学参数来实现的，这要涉及到工程光学的内容。而光电 检测器件和电路的匹配则应根据选定的光电检测器件的参数， 通过正确选择和设计电路来完成。
载电阻RL的减小会增大输出信号电流 而使输出电压减小。但RL的减小会受 到最大工作电流和功耗的限制。为了
提高输出信号电压应增大RL ，但过大 的RL会使负载线越过特性曲线的转折 点M进入非线性区，而在这个范围内
遥感导论 第6章 扫描成像
垂直航迹扫描
1、垂直航迹扫描 扫描系统使用一个旋转镜或震荡镜沿与飞行 路线成90角的扫描线来进行扫描。扫描仪不断地 来回重复测量飞机左右两侧的能量，数据采集范 围在飞机下方90~120的弧形内。
垂直航迹多光谱扫描仪：
使用一个旋转或者震荡镜，这个系统沿着与飞行线 成直角的扫描线扫描地面，当飞机飞行时覆盖了连续的 扫描线，产生了组成一帧二维图像的一系列紧邻的观测 窄带。入射能量被分解成多个光谱成分，传感器都能感 测这些光谱成分。
思考： 分析像面扫面和物面扫描的本质区别。
2、沿航迹扫描（推帚式扫描）
沿航迹扫描系统中没有扫描镜，它使用的是一个由 探测器组成的线性阵列。典型的线性阵列包括了大量首 尾相连的电荷耦合装置（CCD）。 CCD—— Charge Coupled Device电荷耦合装置
6.2 扫描探测器的工作原理
1、光子或电子探测器
光电探测器:
根据光电效应，由金属材料制成的探测器称光电 探测器。 光电子发射器件在入射光子的作用下，表面电子 能逸出成为自由电子。
6.4.2 光机扫描仪的成像过程
扫描
探测
信号处理
信号记录
光学扫描过程涉及到的几个概念：
瞬时视场角(IFOV)：Instantaneous Field Of-View 扫描系统在某一时刻对空间所张的角度。决定了每 个像元的视场。
总视场角： 光学扫描系统对角对应的地面分辨单元是一个正方形，该 正方形是瞬间视场角对应的地表面积。在影像上叫像元 或像素。
5、探测器灵敏度
元件面积
A f D NEP
频带宽度
6.3电子扫描成像
扫描成像技术过程：
依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单 位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特 性信息，利用光电效应和光热效应，将辐射能转换成电 能（电流、电压），或者是其他物理特性的变化，形成 一定谱段的图像从而对物体进行探测。
光电探测器综述(PD)分解
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PPT课件
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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。
.
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光电探测器：基于光电效应把光能直接转换成电信息的
器件。
分类：根据工作效应的不同可以分为：
（1）光电子发射器件：光电管和光电倍增管 （2）光电导器件：单晶型、多晶型、合金型的光敏电阻 （3）光生伏特器件：光电池、光电二极管和光电三极管 （4）光磁电器件 按排列结构光电探测器也可分为单元器件、阵列器件或成像 器件等
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充气光电管 在光电管中充进低压惰性气体，在光照下光电阴极发射出的光电
子受电场作用加速向阳极运动，途中与气体原子相碰撞，气体原子发
生电离而形成电子与正离子。电离出来的电子在电场的作用下与光电 子一起再次使气体原子电离。如此繁衍下去，使充气光电管的有效电
流增加，同时正离子也在同一电场作用下向阴极运动，构成离子电流，
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（1）光电管
光电管分为真空光电管和充气光电管两大类。 真空光电管：管内保持真空，只存在电子运动 充气光电管：管内充有低压惰性气体，工作时电子碰撞气体，利用气体电离放电 获得光电流放大作用的光电管。
真空光电管
工作原理： 当入射光线透过光窗照射到电阴极面上时，光电子从阴极发射到真空中，在 极间电场作用下，光电子加速运动到阳极被阳极吸收，光电流数值可在阳极 电路
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6.2 光电探测器原理和种类
6.2.1 光电子发射效应
原理：材料表面的电子吸收光子能量，吸收的光能能够满足途中由于
与晶格或其它电子碰撞而损失的能量外，尚有一定能量足以克服固体
表面的势垒（或叫逸出功）则电子就可以穿出材料表面。这些逸出表 面的电子称为光电子。这种现像叫光电子发射或外光电效应。
Ek hv
特点：光电子动能与照射光强度无关； 光谱响应表现出选择性； 光电子发射效应的低频限； 优点：灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪音小 缺点：结构复杂，工作电压高，体积较大
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光电子发射器件
• 光电管、光电倍增管:典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件. • 由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种电流放大器件。 • 光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测
线性度：探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成比例的
程度和范围。通常，弱光照时探测器输出光电流都能在较 大范围内与输入光功率（或辐照度）成线性关系。在强光 照时趋于平方根关系。
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响应时间和频率响应
当照射探测器的光功率由零增加到某一值时，光电探测器的瞬时输出电流 总不能完全跟随输入变化。 同样，在光照突然停止时也是这样，这就是探 测器的惰性。
响应度 ：入射的单位光辐射功率所引起的反应
电流灵敏度： 电压响应度：
Sd
Ru
Is P
Us P
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6.1 光电探测器的特性参数
光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性 。 光谱响应：
峰值响应波长：响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长 截止波长：当响应度下降到其峰值的50%时所对应的波长。
其数值与电子电流相当。因此，在阳极电路内就形成了数倍于真空光 电管的光电流。
R0为调制频率f ＝0时的响应度。
R( f c ) R0 / 2 时的调制频率 响应频率：
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噪声等效功率（NEP）：使探测器输出电压正好等于输出噪声
电压时的入射光功率 。 在探测极其微弱的信号时，限制光电探测器对极微弱光辐射探测能力 的不是响应度的大小。
NEP
NEP
Un P Ru U s / U n
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6.1 光电探测器的特性参数
量子效率: 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。
描述光电器件 光电转换能力
I＝P＝
＝
Ihv ep
e P h
单位时间入射到探测器表面的光子 单位时间内被光子激励的光电子数。
特定波长下，单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入射到探测器 表面的光子数之比
is t i 1 e t /
is (t ) 上升到稳态值的0.63倍时的时间 响应时间：阶跃输入时，
由于探测器存在惰性，当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，若调制 频率低，则响应度与调制频率无关；若频率高，响应度就随频率升高而降 低。
R( f ) R0 1 ( 2f ) 2
In P Sd I s / I n
噪声等效功率的概念表征探测器的最小可探测功率。
探测度D及归一化探测度D*：
D 1/ Af
D* D Af
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光电探测器的噪声
噪声来自系统外部干扰噪声和内部噪声。系统内部噪声主要是由于元器 件中带电粒子的不连续性以及局部不均匀造成的
1．热噪声：凡有功耗电阻的元件都有热噪声，来源于电阻内部自由电子或电荷 载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度成正比，与测量仪器的电子带宽成 正比，与频率无关。 2．暗电流噪声：当探测器接入电路后，由于热电子发射，场致发射或半导体中 晶格热振动激发出载流子，而产生的输出电流。 I n (2eI d f )1/ 2 3．散粒噪声： 由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。每一瞬时通过PN 结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引 起散粒噪声。散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。
第六章 光电探测器
概述
光电器件：探测载波光信息，利用光电效应把光信息转换成电信息的
器件。按器件的机理不同，分为热电和光电探测器两大类。
热电探测器：
基于光辐射引起探测器温度上升，从而使与温度有关的电物理量发生变化， 反映的是入射光的能量或功率和输出电量的函数关系。如热敏电阻、热电偶 和热电堆、气动管（高莱管）、热释电探测器等。 热电探测器对光谱响应没有选择性，从可见光到红外波段均可响应。
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真空光电管的结构
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主要特性
灵敏度：在一定光谱和阳极电压下，光电管阳极电流与阴极面上光
通量之比，反应了光电管的光照特性。 伏安特性：一定光照条件下，阳极电流会随其电压增加而增加 。
不同电极结构有不同的饱和电压 。
光谱响应：各种真空光电管的光谱响应不同，影响光谱特性的主要 因素是光阴极的结构、材料、厚度及光窗材料等 。 暗电流：在低照度下，暗电流大小和噪声决定了测量光通量的低限， 并影响对弱光的测量精度 。