光电子器件_第二章结型光电探测器
光电探测器简介、现状及分析
光电探测器的发展现状及分析摘要概述了光电探测器的分类和基本原理，并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状，预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景关键词光电探测器分类原理发展现状一光电探测器原理光子型探测器（photon detector）利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光电型探测器。
探测器中的电子直接吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。
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特点：入射光子和材料中的电子发生各种直接相互作用即光电子效应所用的材料：大多数为半导体。
根据效应发生的部位和性质分为1. 外光电效应：发生在物质表面上的光电转化现象，主要包括光阴极直接向外部发射电子的现象。
典型的例子是物质表面的光电发射。
这种效应多发生于金属和金属物。
2. 内光电效应：指发生在物质内部的光电转化现象，特别是半导体内部载流子发生效应，这种效应多发生于半导体内。
二光电探测器分类2.1 外光电效应探测器外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是外光电效应，逸出物质表面的电子叫做光电子2.11 光电管光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。
光电探测器
冯斌 吴志鹏 梅卫龙 陈进
光纤通信系统对光电探测器的要求：
（1）在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光 信号功率，光探测器能输出尽可能的光电流； （2）检测过程中带来的附加噪声尽可能小； （3）响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小； （4）高可靠长寿命，尺寸可与光纤直径匹配，工作电压 低等。
暗电流
• 在理想情况下，当没有光照射时，光电探测器应无光电流输出。但是 实际上由于热激励、宇宙射线后放射性物质的激励，在无光的情况下， 光电探测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。
• 严格的说，暗电流还包括器件表面的漏电流。暗电流由体内暗电流和 表面暗电流组成。器件的暗电流越小越好。
光电探测器的噪声
1
光电探测器原理及结构
• 光电探测器的作用是把接收到的光信号转换成光 电流，其工作原理是基于光电效应来实现的。
• 光电效应：入射光照射到半导体的P-N结上，若光 子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收 光子的能量，从价带越过禁带跃迁到导带，在导 带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电 子-空穴对，导带价带中间的能量间隔称为禁带 （带隙）宽度Eg 。
光电探测器的噪声
• 散弹噪声 源自光的波粒二重性：光子以其统平均值产生随机波动，这种光子
激发产生的电子-空穴对也具有随机波动的特性产生散弹噪声。
2 S
2eIP B
2eId B
式中，I P为产生光电流，I d为暗电流，B为设计的带宽
• 热噪声 负载电阻 内部自由电子或电荷载流子的不规则热骚动引起。是
光电探测器原理及结构
• 光电探测器主要由P-N结（组 件外部电场），耗尽区（组件 内部电场）组成。 P-N结器件 加反向偏置电压，形成耗尽区， 当入射光进入耗尽区，产生电 子-空穴对（光生载流子）， 形成光电流
《S2光电探测器》幻灯片
④ 半导体激光器 半导体激光器的基本结构
激光工作物质：直接带隙半导体材料------砷化稼(GaAs)、砷 化铟(InAs)、铝稼砷(A1xGaAs)、铟磷砷(InPxAs)等等
谐振腔：半导体介质的自然解理面构成平行 平面腔
泵浦源：通常采用电压很低的直流电源
LOGO
LOGO
④ 半导体激光器
半导体的能带结构
④ 半导体激光器
LOGO
为了形成稳定振荡，激光媒质必 须能提供足够大的增益 以弥补谐振腔引起的光损耗及从 腔面的激光输出等引起的损耗， 不断增加腔内的光场。这就必须 要有足够强的电流注入，即有足 够的粒子数反转，粒子数反转程 度越高，得到的增益就越大，即 要求必须满足一定的电流阈值条 件。当激光器达到阈值时，具有 特定波长的光就能在腔内谐振并 被放大，最后形成激光而连续地 输出。
发光二极管(LED)是以特殊材 料掺杂制成的半导体电致发 光器件。
当PN结加上正向电压后，结区势垒降低，P区的空穴载流子 p向N区扩散，N区的电子n向P区扩散。空穴与电子在结区 相遇复合并释放能量而发光。
发光二极管种类很多，可由不同的材料制成。
Ge ——1850nm Si ——1110nm GaAs ——867nm GaP ——550nm SiC ——435nm
④ 伏安特性
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类似于普通二极管的 正偏状态 正向工作电压低。 1.5 - 2V
⑤ 响应时间
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❖ 二极管的上升时间 随电流的增加而近 似呈指数衰减。
❖ 响应快，ns量级。
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⑥ 寿命
二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历 的时间。LED寿命可达百万小时以上。 随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。工作电 流加大，老化变快，寿命变短。
南理工光电检测技术课程光电检测器件
优点：灵敏度高，工作电流大（达数毫安） ， 光谱响应范围宽，所测光强范围宽，，无极性之分。
缺点：响应时间长，频率特性差，强光线性差， 受温度影响大。
主要用于红外的弱光探测与开关控制。
路灯自动点熄原理图如图所示，分析它的工作原理。
二、光电池
★它是利用光生伏特效应制成的将光能转换成电能的 器件。它是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电 能P-N结光电器件。
3、优缺点
优点：光电阴极面积大，灵敏度较高；暗电流小，最低 可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百 伏到数百伏、玻壳容易破碎等。目前已基本被固体光电器 件所代替。
建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上 的，把微弱入射光转换成光电子，并获倍增的器件。
金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★金属吸收效率很低 ； ★金属中光电子逸出深度很浅，只有几纳米； ★金属逸出功大多为大于3eV，对λ>410nm的可见光来说，很难 产生光电发射，量子效率低；
半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★光吸收系数比金属大； ★体内自由电子少，散射能量变小——故量子效率比金
光电检测光电池具有光敏面积大，频率响应高，光电流随 照度线性变化。
太阳能光电池耐辐射，转换效率高，成本低，体积小，结 构简单、重量轻、可靠性高、寿命长，在空间能直接利用太 阳能转换成电能的特点。
I
U RL
Ip Ij
I
U RL
符号 连接电路
等效电路
三、光敏二极管
与普通二极管相比:
共同点：一个PN结，单向导电性 不同点：
第二章、光电检测器件
光电子器件笔记
光电子器件第一章1、 光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比，即单位入射光功率作用下探测器输出信号电压或电流称为响应率.光谱响应率（R λ）：光电器件在单色 (在波长λ附近一个很小的波长范围里) 辐射功率作用下产生的信号电压或信号电流。
——其中Rm 为光谱响应率的最大值R λ（单位：A/W ）光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定，而与光源无关。
2. 器件的光谱响应与光源辐射功率谱密度紧密相关，它们之间的匹配系统 α—称为器件与光源的光谱匹配系数，它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。
在光源固定的情况下,面积A1是不变的,如果与曲线重合得愈多,面积A2愈大, α愈大，也就是光谱匹配愈好;反之,如果两曲线没有重合之处,α=0,即二者完全失配,则该光电器件对光源辐射没有探测能力。
光谱匹配是选择光电子器件,如像管、光电倍增管、红外成像器件的材料的重要依据。
3.光电探测器输出的电流或电压在其平均值上下无规则的、随机的起伏，称为噪声。
噪声是物理过程所固有的，人为不可能消除。
它的计算是在足够长时间内求其平方平均或均方根。
dP du R s u λλ=dP di R s i λλ=mR R R λλ=)( λR m R 1.24λλη)(λ R λ 12A A =α光电探测器的噪声来源主要有热噪声、散粒噪声、温度噪声、放大器噪声、频率噪声、复合噪声等。
当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率叫做最小可探测辐射功率，也叫做噪声等效功率NEP 。
Pmin 越小，器件的探测能力越强。
对Pmin 取倒数可作为衡量探测器探测能力的参数，称为探测率。
研究指出:探测率与器件的面积和工作带宽成反比。
4.光吸收厚度：设入射光的强度为 I0，入射到样品厚度为x 处的光强度为 I ，则：α为线吸收系数，单位为（1/cm ）α大时，光吸收主要发生在材料的表层；α小时，光入射得深。
当厚度d=1/α时，称为吸收厚度，有64%的光被吸收。
光电子器件结型光电探测器课件ppt
在光通信领域，结型光电探测器可以用于接收和检测光信号，实现高速、高效的数据传输。
应用领域
02
结构与特性
03
结型光电探测器的电极结构
结型光电探测器的电极结构通常采用金属薄膜或金属网格制成，以提高光的吸收效率和电子的收集效率。
能带工程的原理和方法
通过改变材料的能带结构，可以实现对光电子器件性能的优化。
常用的能带工程方法
包括离子注入、薄膜沉积、外延生长等。
01
02
03
量子效率的定义
量子效率是描述光电子器件将光子转化为电子的能力的参数。
量子效率的影响因素
主要包括入射光的波长、温度、晶体结构、界面态等。
提高量子效率的方法
包括优化材料结构、采用多层膜结构、使用光学共振等。
结型光电探测器在光电子器件中具有重要地位
技术瓶颈
结型光电探测器的性能受到多种因素的影响
如暗电流、灵敏度、响应速度等
这些问题限制了结型光电探测器的应用和发展
发展趋势
通过优化材料、结构、工艺等方面来提高结型光电探测器的性能
同时，与其他光电子器件的集成和多功能化也是未来发展的重要趋势
结型光电探测器的发展趋势是向着高灵敏度、高响应速度、高稳定性等方向发展
采用先进的封装和测试技术，保证器件的稳定性和可靠性，同时实现与其他电路模块的集成和兼容。
制程挑战
制程稳定性
优化制程工艺参数和流程，提高制程的稳定性和重复性，降低生产成本。
制程兼容性
综合考虑不同材料、不同工艺和不同封装方式之间的兼容性，以实现器件性能的最优和可靠性的提高。
制程污染控制
光电子器件_第二章结型光电探测器
（b）所示。
PIN光电二极管在反向电压作用下，
耗尽区扩展到整个半导体，光生载流子只产 生漂移电流，因此， 它的时间响应只取决
IL的模量为
IL
1 1 2 2
Ip
可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。 当ω=1/τ时，
IL
这时f = 1/2πτ
1 2
Ip
称为上限截止频率，或称为带宽。
几种国产2CU型硅光电二极管的特性
几种国产2DU型硅光电二极管的特性
2.4 其他类型的光生伏特器件
• PIN型光电二极管
当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以 得到如图3-11所示的伏安特性曲线。
从曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为 PL=ILU
（3-17）
其中，光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与 暗电流等三部分，即
quL KT
I L I P I d (e
1)
IL
－－光电池的输出短路电流
于τ
与τ
dr
，在10-9s左右。
dr
RC
PIN光电二级管
P型层很薄使光子很快进入I区
I区电阻很大可加较高电压
高的电阻使暗电流明显减小， 这些产生的光生电子－
P
I
N
空穴对将立刻被电场分离并 作快速漂移运动
I区加入增大了耗尽层厚度 减小了结电容CJ，提高了量 子效率 漂移时间约为 f=１KMHz 相当于
光电技术 第4-2节 光电导探测器
所谓短态前历效应是指被测光敏电阻在 无光照条件下放置一段短时间（如三分钟） 后，再在1lx光照下测量它在不同时刻的阻值 （如1秒后的阻值）R1 ，求出此阻值与稳态 时阻值R0的百分比R1/R0，这就是短态前历效 应或暗态前历效应。所谓中态前历效应是将 光敏电阻在无光照条件下存放24小时，在 100lx光照度下放置15分钟，再放在100lx下 测阻值 R2 ，则中态前历效应为（又称亮态前 历效应）。 R2 R1
R1 100%
附：光敏电阻暗态前历效应：
时间s 阻值k
时间s 阻值k
1 6.5 20 5.2
R1/R2
2 6 30 5.2
77 ﹪
5 5.5 60 5.1
10 5.2 90 5.0
15 5.2 120 5.1
Cd S 亮态前历效应：
元件编号 1 2 3 4 5 6 7 8 R1（ k） R2( k) 2.74 2.89 5.06 5.24 2.25 2.39 2.42 2.60 1.45 1.48 2.23 2.31 3.58 3.69 5.40 5.62
在弱光下， 1 称直线性光电导。在强光照时 =0.5，在其它光照时，0.5≤ ≤1。 一般，光电流和照度关系曲线如右。在 实际应用范围（0.1～104lux），有可能制造 出 接近于1的光敏电阻，这时应有
I p S gVE g p E
式中 g p S gV 称为光电导 在器件中流过的电流是光电流 I p与暗电流 I d 之 和。
由光电导效应可知，光敏电阻在受到光照或停 止光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段 时间，这就是光敏电阻的响应时间或驰豫时间。它 t 反映了光敏电阻的惰性。 p (t ) p0 exp( ) 此处 是光敏电阻的下降时间。在突然加光照时，
光伏探测器详解
B、雪崩光电二极管（APD）
一般旳硅光电二极管和PIN光电二极管是没有内增益旳光 伏探测器，而在光探测器系统中旳实际应用中，大多是对微 光信号进行探测，采用具有内增益旳光探测器将有利于对薄 弱光信号旳探测。
雪崩光电二极管是具有内增益旳光伏探测器，它是利用 光生载流子在高电场区内旳雪崩效应而取得光电 料主要是硅和锗，实际旳器件具有极短旳响应时间，即数以 千兆旳相应频率，高达100到1000旳增益，所以在光纤通讯、 激光测距、激光雷达和光纤传感器等领域得到了广泛旳应用。
5、频率响应及响应时间 6、温度特征
五．光电探测器应用
1.光电池及应用 光电池是一种无需外加偏压就能将光能转换成电能旳光伏探测 器。光电池能够分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。太 阳能光电池主要用作电源，对它旳要求是转换效率高、成本低， 因为它具有构造简朴、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、 在空间能直接利用太阳能转换电能旳特点，因而不但仅成为航 天工业上旳主要电源，还被广泛地应用于供电困难旳场合和人 们日常生活中。测量光电池旳主要应用时作为光电探测用，即 在不加偏置旳情况下将光信号转换成电信号，对它旳要求是线 性范围宽、敏捷度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被 广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测验试中
一、三种工作模式
（1）零偏置旳光伏工作模式 若p-n结电路接负载电阻RL，如图，有光照射
时，则在p-n结内出现两种相反旳电流：
光激发产生旳电子－空穴对，在内建电
场作用下形成旳光生电流Ip，它与光照有 关，其方向与p-n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p-n结施加正向偏置电压，从而产生电 流ID。
（1）光电池旳构造 光电池是用单晶硅构成旳，在一块N型硅片上扩散P型杂质，形成一种扩 散np结；或在P型硅片扩散N型杂质，形成pn结，在焊上两个电极。P端 为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器旳多为np型。 pn型硅光电池具有较强旳抗辐射能力，适合空间应用，作为航天旳太阳 能电池。下图为是硅光电池结 构示意图。
光电子学与光子学的原理及应用第二章-课后答案
光电子学与光子学的原理及应用第二章-课后答案1. 选择题1.1 题目一答案：C解析：光电效应是指物质受到光的照射后，吸收光能，将光能转化为电能的一种现象。
光电效应首先是由爱因斯坦在1905年提出的，他在描述光电效应时，引入了光子概念，假设光是由一组个别粒子组成的（即光量子），这些粒子就是后来被称为光子的电磁辐射量子。
1.2 题目二答案：A解析：光电倍增管是指通过光电效应，在光电面上光电发射物质外壳的钨丝和灯管之间加一个高达2000-3000伏的电压使其产生光电流，再对光电流进行电子倍增，最后输出检测的一种光电探测器。
光电倍增管的结构与普通的电子管相似，但是在各个电极和玻璃壳之间加入了紧密和高度真空的保护，同时在阳极和阳极网之间还添加了一个用直流电压加电的光电体。
当阳极对外加正电压使阳极电流开始增大时，就成为光电倍增管。
1.3 题目三答案：D解析：光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的器件。
光电二极管的基本原理是利用半导体材料的PN结在光照射下产生光电效应，使得PN结两端产生电荷，从而产生电压信号。
光电二极管的结构和普通二极管类似，主要由P型和N型的半导体材料组成，当光照射到光电二极管上时，光子能量被半导体材料所吸收，产生的热力激发电子，从而引起半导体PN结的载流子的复合和流动，产生感光电流。
光电二极管应用广泛，如光通信、光电测量、光谱分析等领域。
1.4 题目四答案：B解析：光导纤维是一种能够传输光信号的特殊纤维材料。
光导纤维的核心部分是由高折射率的材料构成，而外部由低折射率的材料构成。
当光线传输到光导纤维中时，会发生全反射现象，使得光线能够沿着光导纤维进行传输，最终到达目标地点。
光导纤维具有传输距离远、损耗小、带宽大、抗电磁干扰等优点，在通信、医疗、传感等领域得到广泛应用。
2. 填空题2.1 题目一答案：钠解析：钠具有低电离电势，激发电子的能量比较低，是光电电子极容易脱离的材料之一。
2.2 题目二答案：光电效应解析：光电效应是指物质受到光的照射后，吸收光能，将光能转化为电能的一种现象。
结型光电探测器
艺提升等方面的研究进展。
未来研究方向展望
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度
新材料探索
随着材料科学的不断发 展，探索具有优异光电 性能的新型材料，如二 维材料、拓扑材料等， 将为结型光电探测器的 性能提升提供新的可能 。
器件集成与微型化
研究结型光电探测器的 集成技术和微型化工艺 ，实现高性能、小型化 的光电探测系统，以满 足日益增长的便携式和
背景光噪声
由于环境背景光干扰产生的噪声。可通过采用滤 光片、降低环境光强等方式抑制背景光噪声。
04 应用领域与案例分析
红外成像技术应用
01
02
03
红外夜视仪
结型光电探测器可将红外 辐射转换为可见光图像， 用于夜间或低光环境下的 目标识别和跟踪。
红外热像仪
通过捕捉物体发出的红外 辐射，结型光电探测器可 生成热图像，用于工业检 测、医疗诊断等领域。
和高频应用。
制备工艺流程简介
外延生长
通过化学气相沉积（CVD）、 分子束外延（MBE）等方法在 衬底上生长所需材料。
电极制备
在器件表面制备金属电极，形 成欧姆接触。
材料准备
选择适当的衬底材料，如硅、 玻璃等，并进行清洗和烘干。
器件加工
利用光刻、刻蚀等技术将外延 片加工成具有特定结构的器件 。
封装测试
红外光谱仪
结型光电探测器可用于红 外光谱分析，识别物质成 分和结构。
可见光通信领域应用
可见光通信（VLC）
01
结型光电探测器可将可见光信号转换为电信号，实现高速、低
成本的无线通信。
室内定位
02
利用结型光电探测器接收室内光源信号，实现室内定位和导航
光电子器件第二章结型光电探测器
第2章结型光电探测器2.1.光伏效应光伏现象一导体材料的“结效瓯如:雪崩二极管ncmla^l (calhcxie)p-la>rer Oration/ / region□contact(anoda)光照下u1.24a(pim)=光照零偏p 〃结产生开路电压的效应光照反偏光电信号是光电流A结型光电探测光电二极管器的工作原理空2. 2. 硅光电池光电池是一种不需加偏蚤电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件，按光电池的功用可将其分为煎类*即太阳能光电池和测量光电池。
K /太卩聆总光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本低。
由于总具有结构简单、体积小、重量轻、髙可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。
测量光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。
它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。
1•用途a.b.作光电探测器使用红外辐射探测器光电读出光电耦合作为电源使用人造卫星野外灯塔微波站§2.2光电池•光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源结构和工作原理硼扩冃攵层p 型电极 光电池的结构原理图光光电池有方形圆形三角形环形等P —+ N-+ O——丄p N-------------------------------- ___________________+性1・硅光电池的基本结构和工作原理按硅光电池衬底材料的不同奇分为2DR 型和2CR 型。
如图3・9 (a)所示为2DR 型硅 光电池，它是以P 型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镣等)，然后在衬底 上扩散磷而形成N 型层并将其作为受光面。
硅光电池的受光面的输出电极多做成如图3・9 (b)所示为硅光电池的外形图，图中所示的 梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。
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。
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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
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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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《光电子器件》笔记
《光电⼦器件》笔记光电⼦器件第⼀章1、光电探测器输出信号电压或电流与单位⼊射光功率之⽐，即单位⼊射光功率作⽤下探测器输出信号电压或电流称为响应率.光谱响应率（R λ）：光电器件在单⾊ (在波长λ附近⼀个很⼩的波长范围⾥) 辐射功率作⽤下产⽣的信号电压或信号电流。
——其中Rm 为光谱响应率的最⼤值R λ（单位：A/W ）光谱响应率及量⼦效率仅由器件的响应特性所决定，⽽与光源⽆关。
2. 器件的光谱响应与光源辐射功率谱密度紧密相关，它们之间的匹配系统α—称为器件与光源的光谱匹配系数，它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。
在光源固定的情况下,⾯积A1是不变的,如果与曲线重合得愈多,⾯积A2愈⼤, α愈⼤，也就是光谱匹配愈好;反之,如果两曲线没有重合之处,α=0,即⼆者完全失配,则该光电器件对光源辐射没有探测能⼒。
光谱匹配是选择光电⼦器件,如像管、光电倍增管、红外成像器件的材料的重要依据。
3.光电探测器输出的电流或电压在其平均值上下⽆规则的、随机的起伏，称为噪声。
噪声是物理过程所固有的，⼈为不可能消除。
它的计算是在⾜够长时间内求其平⽅平均或均⽅根。
dP du R s u λλ=dP di R s i λλ=mR R R λλ=)( λR m R 1.24λλη )(λλ12A A =α光电探测器的噪声来源主要有热噪声、散粒噪声、温度噪声、放⼤器噪声、频率噪声、复合噪声等。
当输出信号电压等于输出噪声电压均⽅根值时的探测器的⼊射辐射功率叫做最⼩可探测辐射功率，也叫做噪声等效功率NEP 。
Pmin 越⼩，器件的探测能⼒越强。
对Pmin 取倒数可作为衡量探测器探测能⼒的参数，称为探测率。
研究指出:探测率与器件的⾯积和⼯作带宽成反⽐。
4.光吸收厚度：设⼊射光的强度为 I0，⼊射到样品厚度为x 处的光强度为 I ，则：α为线吸收系数，单位为（1/cm ）α⼤时，光吸收主要发⽣在材料的表层；α⼩时，光⼊射得深。
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。
结型光电探测器
输出最大功率 入射光功率
5．频率特性
100 80
I(%)
RL=1kΩ 10kΩ 100kΩ
光电池作为探测器使用时，由于载流子在 PN结区内扩散、漂移、产生、复合都要有 一个时间驰豫过程，所以当光照变化很快 时，光电流就有滞后于光照变化的现象。 光电池的频率响应除了载流子运动的内在 因素外，还与材料、结构、光敏面的大小 及使用条件有关。
电子扩散运动 空穴扩散运动 内建电场 E 空穴漂移 电子漂移
外加电场 内建电场
P
N
电流方向+
+U
加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
PN结加上外加电压，流过PN 结的电流为： Ij=I1-I0=I0(eeU/kT-1) 饱和电流 U为正，即P区电压高于N区， 即常说的正向电压，此时电流 光电流 由P区流到N区，电流为正值， 如图2-3。 U为负，即N区电压高于P区， 即通常所说的负向电压，电流 由N区流到P区，电流为负值， P 如图2-4。 PN结的电流电压特性如图2-5 中的无光照的I-U曲线。
第2章 结型光电探测器
2.1 光生伏特效应
光生伏特效应：两种半导体材料或金属/半导体相接 触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子， 注入到势垒附近形成光生电压的现象。 光生伏特效应属于内光电效应。 利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电 探测器.
势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的，故 也称结型光电探测器。
2.2.1 光电池的结构
结构有两种：一种是金属—半导体接触型，硒 光电池即属此类。另一种是PN结型，硅光电 池属PN结型。
硅光电池的结构形式有多种，按基底材料可分 为2DR型和2CR型。
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雪崩光电二极管
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪 崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击 穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到 极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此， 这种管子有很高的内增益，可达到几百。
雪崩二极管
光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中 又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。 SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是
它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。
这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与N－ Si连通起来。 当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN 结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电
IL的模量为
IL
1 1 2 2
Ip
可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。 当ω=1/τ时，
IL
这时f = 1/2πτ
1 2
Ip
称为上限截止频率，或称为带宽。
几种国产2CU型硅光电二极管的特性
几种国产2DU型硅光电二极管的特性
2.4 其他类型的光生伏特器件
• PIN型光电二极管
加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。
与硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。 一是把硅光电池的伏安特性曲线图中Ⅰ、Ⅱ象限里的图线对 于纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表
负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。
二是因为开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二 者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式。
2.3 光电二极管
光变化－电流变化 外形 光电转换器 光敏特性
光输入
+
或
U
R
输出
-
（a） （b） 光电二极管的符号与光电特性的测量电路 （a）符号 （b）光电特性的测量电路
硅光电二极管
光电二极管的伏安特性
无光 暗电流 有光 光电接收二极管 反偏状态 光电流（恒流） 光电流与照度线性关 系
第2章 结型光电探测器
2.1、光伏效应
光伏现象——半导体材料的“结” 效应 例如：雪崩二极管
id is 0 e
eu / k BT
1
1.24 m Ei eV
光照零偏pn结产生开路电压的效应
光伏效应
光照反偏 结型光电探测 器的工作原理
光电池
光电信号是光电流
光电二极管
2.2. 硅光电池
子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。
为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包 围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前 极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即 可达到电源的通路。 这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的 。 如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性 能均不受影响。 2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射 膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产 生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表 面漏电流，所以不需要加环极。
2. 硅光电池工作原理
如图3-10所示，当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的 作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流IL，且负载电 阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL 有关，即
U=ILRL
（3-16）
按硅光电池衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。如图3-9（a）所示为2DR型硅 光电池，它是以P型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等)，然后在衬底 上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。
硅光电池的受光面的输出电极多做成如图3-9（b）所示为硅光电池的外形图，图中所示的 梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。
微变等效电路与频率特性： 光电二极管的等效电路可表达如下： 其中图a为实际电路； 图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路
，其中Ip为光电流，V为理想二极管，Cf为结电容，Rsh为漏 电阻，Rs为体电阻，RL为负载电阻；
图c是从图b简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加
反向电压，Rsh很大，Rs很小，所以图b中的V、Rsh、Rs都可 以不计，因而有图c的形式；
最大特点：频带宽，可达 10GHz 。另一个特点是，因为 I 层很 厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围 宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会 使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度 变宽。
不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微 安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅 片上并封装于一个管壳内的商品出售。
于τ
与τ
dr
，在10-9s左右。
dr
RC
PIN光电二级管
P型层很薄使光子很快进入I区
I区电阻很大可加较高电压
高的电阻使暗电流明显减小， 这些产生的光生电子－
P
I
N
空穴对将立刻被电场分离并 作快速漂移运动
I区加入增大了耗尽层厚度 减小了结电容CJ，提高了量 子效率 漂移时间约为 f=１KMHz 相当于
PIN管
PIN管是光电二极管中的一种。是在P型半导体和N型半 导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。 这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使 PN结双电层的间距加宽，结电容变小。
由式τ = CfRL与f = 1/2πτ知，Cf小，τ则小，频带将变宽。 因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个 特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电 压，线性输出范围宽。
义为光电池的最大光电转换效率，记为ηm。 显然，光电池的最大光电转换效率η
m
Pm Φe (0.6 ~ 0.7)qU oc 0 Φe, λ (1 - e-d )d hc0 Φe, λ d
m为
（3-24）
式中是于材料有关的光谱光电转换效率，表明光电池的
最大光电转换效率与入射光的波长及材料的性质有关。
3.光电池的频率特性
100 硅光电池
相 对 光 电 流 / ％
80 60 40 20 硒光电池
0
1500
3000
4500 6000
7500
/Hz
光电池的频率特性
4.光电池的光电转换效率
光电池的输出功率与入射辐射通量之比定义为光电池
的光电转换效率，记为η。当负载电阻为最佳负载电阻
Ropt时，光电池输出最大功率Pm与入射辐射通量之比定
当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以 得到如图3-11所示的伏安特性曲线。
从曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为 PL=ILU
（3-17）
其中，光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与 暗电流等三部分，即
quL KT
I L I P I d (e
1)
IL
－－光电池的输出短路电流
图d又是从图c简化来的，因为Cf很小，除了高频情况要考虑
它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。 因此具体应用时多用图d和图c两种形式。 流过负载的交变电流复振幅为 ： I L ＝ I p· 1/(1+jωτ)
ω：入射光的调制圆频率，ω＝2πf，f为入射光的调制频率。 τ = CfRL
光电池是一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件，按光 电池的功用可将其分为两大类：即太阳能光电池和测量光电池。
太阳能光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本
低。由于它具有结构简单、体积小、重量轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能
转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的 场所和一些日用便携电器中。
测量光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换 成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿 命长等。它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。
1.用途
a. 作光电探测器使用 红外辐射探测器 光电读出 光电耦合
b.
作为电源使用 人造卫星 野外灯塔 微波站
40
20
0.4
0.2
0
2000
4000
Ge光电池光电特性
I L mA
UOC V
300
0.6
200
0.4
100
0.2
0
2000
4000
Si光电池光电特性
2.光电池的光谱特性
相 对 灵 敏 度 ％
100 80 60 硒 硅
40
20
/
0
4000
6000
8000
10000
波长 A
光电池的光谱特性
I I L I SO e qu / KT 1
I SO －－无光照时PN结反向饱和电流
q0
－－电子电量
Voc
KT q0
ln
IL I SO
1
K
－－玻尔兹曼常数
T
－－热力学温度
Voc －－光电池开路输出电压
1.光电特性 I mA
L
UOC mV
100 80 60
1.0 0.8 0.6
§2.2 光电池
• 光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源