光电探测器的物理基础
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第2章 光电探测器概述
光电探测器的工作条件
光谱匹配 电路的通频带和带宽 工作温度 光敏面尺寸 偏置情况
2.2 光电探测器的特性参数 1．光电特性 2. 灵敏度与光谱特性 3．等效噪声功率和比探测率 4．响应时间与频率特性
1．光电特性
光电特性是指电学参量与光辐射参量之间的函 数关系。
例如：I=f（Ф） I=f（E） 例1：P109 光电倍增管的 光电特性 线性度-重要性
k =1
SNR =
IS
2 IN
3．噪声等效功率和比探测率
辐射通量 信号电流 噪声电流
Φmin
NEP = Φmin
I=
2 IN
当探测器输出的信号电流I (或电压U)等于探测器 本身的噪声电流(或电压)均方根值时，入射到探 测器上的信号辐射通量称为噪声等效功率（简称 NEP）
3．噪声等效功率和比探测率
典Байду номын сангаас光电探测器的D*曲线
4. 响应时间与频率特性
矩形光脉冲，响应出 现上升沿和下降沿
通常光电器件输出的电信号都要在 时间上落后于作用在其上的光信号， 即光电器件电信号输出相对于输入 光信号要发生时间上的扩展，其扩 展特性可由响应时间来描述。光电 器件的这种相应落后于作用光信号 的特性称为惰性，将会使先后作用 的光信号产生交叠，从而降低了信 号的调制度。如果接收器件测试的 是随时间快速变化的物理量，则由 于惰性的影响会使输出产生严重畸 变。
2. 灵敏度与光谱特性
光谱灵敏度 ：
U (λ ) RU (λ ) = Φ (λ )
S
I (λ ) RI (λ ) = Φ (λ )
例1：人眼 光谱灵敏度
例2：硅光电器件 光谱灵敏度
2. 灵敏度与光谱特性 光谱特性（曲线）
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
《光电子技术基础》(第二版) 第6章 光电探测技术基础
出电流为： 其功率信噪比
ic
(t)
GPs e
hνs
2m c osωmt
SNR Pc
Pn
Pns
Pnb
Pc Pnd
PnT
2( GPse hνs )2 RL
in2s in2b in2d in2T RL
式Pn中d ，和GP为nT光分探别测是器光的电内倍部增增管益的，信ib号为光背噪景声光功电率流、，i背d 景为光光噪电声阴功极率暗、电暗流电。P流ns产，生P的nb 噪，
第6章 光电探测技术基础
主要内容
6.1 光探测器性能参数 6.2 光电探测方式 6.3 光电探测的物理效应 6.4 光电探测器
光电探测技术基础
光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光 探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测 量的物理量的器件。光探测器的发展可追溯到1873年，英国的Smith和 May在大西洋 横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的Se棒后，其电阻值约改 变30%，同年Simens将白金绕在这种Se棒上，制成了第一个光电池；1888年，德国的 Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射， 1909年，Richtmeyer发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子 数成正比，奠定了光电管的基础；接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制 造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管；1950年，美国的Weimer等人研制 出光导摄像管，1970年Boyle等人发明了CCD(电荷耦合器件)。如今，激光的发展进一 步促进和刺激了光电探测领域的发展，各种光电探测器件大都已工业化、商品化，摄 像机等已微型化。由于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量，因而光电探 测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义。
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
光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理
光电探测器基本上是一种将光信号转换为电信号的装置。
它的工作原理主要包括光电效应、光电场效应、光电导效应和半导体效应等。
1. 光电效应：根据爱因斯坦的光电效应理论，当光照射到金属或半导体材料上时，光子的能量可以激发并释放束缚在材料中的电子，使其成为自由电子，从而形成光电流。
这个效应是光电探测器工作的基础。
2. 光电场效应：某些光电探测器中，光照射到探测器的光敏元件上会产生电场效应，这个电场效应可以影响电子的移动和集中，从而产生电流。
这种光电场效应可以用于增强光电流的效果。
3. 光电导效应：某些光电探测器中，光照射到探测器的光敏元件上，使其电导性能发生变化。
例如，在光敏电阻中，当光照射到电阻上时，光能激发电子，在晶格中移动，增加电阻的导电能力，从而产生电流。
4. 半导体效应：半导体材料具有光电效应和半导体材料本身的特性结合在一起，可以提高光电探测器的性能。
例如，光敏二极管就是利用P-N结的特性，通过电压和光照射控制二极管
的导通和截止状态，实现光电流的探测。
总的来说，光电探测器的工作原理是利用光和材料的相互作用，
将光信号转化为电信号。
不同类型的光电探测器采用不同的工作原理，但都是基于光电效应的基本理论。
光电检测器件工作原理及特性
若在某一规定范围内光电检测器件的响应度是常数，则这 一范围为线性区。
线性区的下限 光电器件的暗电流和噪声决定 线性区的上限 饱和效应或过载决定
四、工作温度
光电检测器件的工作温度：最佳工作状态时的温度
五、光电检测器件的合理选择
1. 根据待测光信号的大小，确定检测器的动态范围； 2. 检测器的光谱响应范围是否与待测光信号的光谱匹配； 3. 检测器的最小分辨率、信噪比； 4. 当待测光信号功率变化时，检测器的线性度； 5. 检测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素。
视觉的刺激强度，引入光通量 v 定义：
v CV e
其 中 ： C—— 比 例 系 数 ， 683 lm/W，V ——视见函数，描 述人眼对各种波长辐射能的相
对敏感度，e 即辐射通量.
对光通量：
v
dQv dt
3）辐射出(射)度和光出(射)度 辐射出射度：面辐射源单位面积上辐射的辐射通量，即
M
dr
光电导器件结构：
载流子的寿命 载流子在两极间的渡越时间
电极
引线
引线 光导电材料
绝缘衬低
2. 杂质光电导效应
截止波长
0
hc
Ed Ea
3. 光生伏特效应
光 生 伏 特 效 应 是 基 于 半 导 体 PN 结 基础上的一种将光能转换成电能的 效应。当入射辐射作用在半导体 PN 结 上 产 生 本 征 吸 收 时 ， 价 带 中 的光生空穴与导带中的光生电子在 PN结内建电场的作用下分开，并 分别向两个方向运动，形成光生伏 特电压或光生电流的现象。
描述光电检测器对入射光响应的快慢
入射光
I
1 0.9
0.1 0 上升时间τr
线性区的下限 光电器件的暗电流和噪声决定 线性区的上限 饱和效应或过载决定
四、工作温度
光电检测器件的工作温度：最佳工作状态时的温度
五、光电检测器件的合理选择
1. 根据待测光信号的大小，确定检测器的动态范围； 2. 检测器的光谱响应范围是否与待测光信号的光谱匹配； 3. 检测器的最小分辨率、信噪比； 4. 当待测光信号功率变化时，检测器的线性度； 5. 检测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素。
视觉的刺激强度，引入光通量 v 定义：
v CV e
其 中 ： C—— 比 例 系 数 ， 683 lm/W，V ——视见函数，描 述人眼对各种波长辐射能的相
对敏感度，e 即辐射通量.
对光通量：
v
dQv dt
3）辐射出(射)度和光出(射)度 辐射出射度：面辐射源单位面积上辐射的辐射通量，即
M
dr
光电导器件结构：
载流子的寿命 载流子在两极间的渡越时间
电极
引线
引线 光导电材料
绝缘衬低
2. 杂质光电导效应
截止波长
0
hc
Ed Ea
3. 光生伏特效应
光 生 伏 特 效 应 是 基 于 半 导 体 PN 结 基础上的一种将光能转换成电能的 效应。当入射辐射作用在半导体 PN 结 上 产 生 本 征 吸 收 时 ， 价 带 中 的光生空穴与导带中的光生电子在 PN结内建电场的作用下分开，并 分别向两个方向运动，形成光生伏 特电压或光生电流的现象。
描述光电检测器对入射光响应的快慢
入射光
I
1 0.9
0.1 0 上升时间τr
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。
第二章第3节 光电探测器
1．光窗 光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。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。 2．光电阴极 它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是 化合物半导体。 3．电子光学系统 任务：（1）通过对电极结构的适当设计，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，使下一级的收集率接近于1； （2）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时 间尽可能相同，使渡越时间零散最小。
主要参数
(1)倍增系数 倍增系数等于各倍增电极的二次电子发射系数δ 的乘积。 如果n个倍增电极的δ 都一样，则
M
n i
因此，阳极电流I为
I i
n i
式中 i——光电阴极的光电流。 M与所加电压有关，一般M在105 ~108之间，如果电压有波动， 倍增系数也要波动。因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和 阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位 差为50~100V,对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落， 从而减小测量误差。 I n （2）光电倍增管的电流放大倍数为
第三节光纤传感器的光探测器
在光纤传感器中，光探测器性能好坏既 影响被测物理量的变换准确度，又关系到 光探测接收系统的质量。它的线性度、灵 敏度、带宽等参数直接关系到传感器的总 体性能。 常用的光探测器有光敏二极管、光敏三 极管、光电倍增管、ＣＣＤ等。
定 义
光电式传感器是能将光能转换为电能的一种 器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。 由于光电元件响应快，结构简单．而且有较高的 可靠性等优点，在现代测量与控制系统中，应用 非常广泛。 • 大多数光电探测器都是把光辐射转换为电量来 实现探测，即便直接转换量是非电量（温度、体 积等）时，通常也总是把非电量再转换为电量来 测量。 • 光电探测器的物理效应通常分为两类：光子效应 和光热效应。
(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 )
光电探测器的物理基础(精选)PPT共87页
光电探测器的物理基础（精选）
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
Thank you
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
பைடு நூலகம்
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
Thank you
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
பைடு நூலகம்
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
4现代光电探测器概述及光电导探测器
电探测器输出的平均光电流表达式：
IP
eN t
e h
P(t)
e h
P
式中P为入射光辐射的平均功率。此式描述
了光－电转换的基本定律。
从光电转换定律可知：
①光电探测器输出的光电流与入射平均光功率 成正比，因此，一个光子探测器可视为一个 电流源。
②由于平均光功率与光电场强度的平方成正比， 所以光电探测器输出的光电流也与光电场强 度的平方成正比。也就是说，光电探测器的 响应具有平方律特性。因此，通常称光电探 测器为平方律探测器，或者说，光电探测器 本质上是一个非线性器件。
到的将是光照灵敏度单位为v／lm，或光照灵敏度
光谱灵敏度
如果把光功率P换成波长可变的光功率谱密度P ，则
由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情况
下，光电流（或光电压）将是光波长的函数，记为I （或U），于是光谱灵敏度定义为： • SI (λ)＝I /dP • SU(λ)＝U /dP
• 如果SI (λ)或SU(λ)是常数，则相应的探测器称为无选择
4.对某种探测器，它能探测的极限功率是多少——需 要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生 电信号的信噪比。
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。
1．量子效率η 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电
的变化。
3．光谱响应和光谱响应率
光谱响应是光电探测器响应度随入射光的波长 改 变 而 改 变 的 特 性 ， 即 上 述 三 个 参 量 η 、 Ru （或Sv）和Sd（或Si）都是入射光波长的函数。 几个慨念： • 光谱响应曲线 • 归一化光谱响应曲线 • 峰值响应波长 • 光谱响应的截止波长 光谱响应率。即 Sv(λ)=Vs(λ)/φe(λ)或 Si(λ)=Is(λ)/φe(λ)
IP
eN t
e h
P(t)
e h
P
式中P为入射光辐射的平均功率。此式描述
了光－电转换的基本定律。
从光电转换定律可知：
①光电探测器输出的光电流与入射平均光功率 成正比，因此，一个光子探测器可视为一个 电流源。
②由于平均光功率与光电场强度的平方成正比， 所以光电探测器输出的光电流也与光电场强 度的平方成正比。也就是说，光电探测器的 响应具有平方律特性。因此，通常称光电探 测器为平方律探测器，或者说，光电探测器 本质上是一个非线性器件。
到的将是光照灵敏度单位为v／lm，或光照灵敏度
光谱灵敏度
如果把光功率P换成波长可变的光功率谱密度P ，则
由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情况
下，光电流（或光电压）将是光波长的函数，记为I （或U），于是光谱灵敏度定义为： • SI (λ)＝I /dP • SU(λ)＝U /dP
• 如果SI (λ)或SU(λ)是常数，则相应的探测器称为无选择
4.对某种探测器，它能探测的极限功率是多少——需 要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生 电信号的信噪比。
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。
1．量子效率η 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电
的变化。
3．光谱响应和光谱响应率
光谱响应是光电探测器响应度随入射光的波长 改 变 而 改 变 的 特 性 ， 即 上 述 三 个 参 量 η 、 Ru （或Sv）和Sd（或Si）都是入射光波长的函数。 几个慨念： • 光谱响应曲线 • 归一化光谱响应曲线 • 峰值响应波长 • 光谱响应的截止波长 光谱响应率。即 Sv(λ)=Vs(λ)/φe(λ)或 Si(λ)=Is(λ)/φe(λ)
光电导探测器
时间的增加光生载流子逐渐增加，经过一定时间后，载 流子浓度才逐渐趋于一稳定值。此后，若突然遮断入射 的光辐射，光生载流子并不立即下降到照射前的水平， 而是经过一定时间才趋于照射前的水平，这种现象称为
光电导的弛豫现象。
光电导的弛豫时间或时间常数 光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，建立稳定
的光生载流子浓度所需要的时间，或停止照射后光生载 流子浓度下降到照射前的水平所需要的时间。
偏离线性而呈非线性。
22
三、光敏电阻的主要特性
➢光敏电阻的光电特性和光照指数
I P () SgU 或I P () SgUE
式中，Sg是光电导灵敏度，与光敏电阻材料有 关；U为外加电源电压；Φ为入射光通量；E为 入射光照度。为0.5～1之间的系数，弱光照射 时， ＝1，Ip与Φ有良好的线性关系，即线性 光电导；强光照射时， ＝0.5，即抛物线性光
与该载流子在光敏电阻 •提高载流子寿命，减小电极间
两极间的有效渡越时间 的间距L，适当提高工作电压Ub，
之比，即
对提高A值和响应度有利。
A= /dr
•如果L减得太小，使受光面太小， 也是不利的，一般A值可达103数
式中，A为光电导增益；量级。
τ为为载器流件子的在时两间极响间应的；渡dr•电极做成梳状，既增大面积，
13
14
工作性能特点：
• 光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域 • 工作电流大，可达数毫安。 • 所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光 • 灵敏度高，光电增益可以大于1 • 无选择极性之分，使用方便。
缺点： 强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性 差。需要外部电源，有电流时会发热。
电导。
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三、光敏电阻的主要特性
光电导的弛豫现象。
光电导的弛豫时间或时间常数 光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，建立稳定
的光生载流子浓度所需要的时间，或停止照射后光生载 流子浓度下降到照射前的水平所需要的时间。
偏离线性而呈非线性。
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三、光敏电阻的主要特性
➢光敏电阻的光电特性和光照指数
I P () SgU 或I P () SgUE
式中，Sg是光电导灵敏度，与光敏电阻材料有 关；U为外加电源电压；Φ为入射光通量；E为 入射光照度。为0.5～1之间的系数，弱光照射 时， ＝1，Ip与Φ有良好的线性关系，即线性 光电导；强光照射时， ＝0.5，即抛物线性光
与该载流子在光敏电阻 •提高载流子寿命，减小电极间
两极间的有效渡越时间 的间距L，适当提高工作电压Ub，
之比，即
对提高A值和响应度有利。
A= /dr
•如果L减得太小，使受光面太小， 也是不利的，一般A值可达103数
式中，A为光电导增益；量级。
τ为为载器流件子的在时两间极响间应的；渡dr•电极做成梳状，既增大面积，
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工作性能特点：
• 光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域 • 工作电流大，可达数毫安。 • 所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光 • 灵敏度高，光电增益可以大于1 • 无选择极性之分，使用方便。
缺点： 强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性 差。需要外部电源，有电流时会发热。
电导。
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三、光敏电阻的主要特性
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
光电探测器技术的原理分析与应用
光电探测器技术的原理分析与应用随着科技的不断发展，光电探测器技术在许多领域中被广泛应用。
从工业控制到医学影像，从通信网络到空间探测，都离不开光电探测器技术。
本文将从原理和应用两个方面，进行光电探测器技术的分析。
一、光电探测器技术的原理1. 光电效应光电效应是光电探测器技术的基础。
它是指在金属表面或半导体中，光子能够释放出电子，使电子获得动能并在器件中产生电流的现象。
2. 半导体材料半导体材料应用广泛，在光电探测器技术中尤为重要。
半导体材料的电子能级结构与金属不同，其中包含导带和禁带。
当光子击打半导体材料时，会激发出电子从价带跃迁到导带，增加了导体中的自由电子数量，激发出电子在器件中流动的可能。
3. 器件结构在光电探测器技术中，制造一个光电探测器关键是在半导体材料中建立器件结构。
其中，p-n结光电探测器是光电探测器技术中最常见的。
p-n结光电探测器由n型和p型半导体材料制造而成。
当光子击中器件表面时，激发出的电子会被向外加电场推动，产生电流。
由于半导体材料中掺杂的阻值能够影响电压和电流关系，因此可以通过控制半导体材料的掺杂浓度，调节器件的闪烁率和信噪比。
二、光电探测器技术的应用1. 工业控制光电探测器技术在工业控制中有着广泛应用。
例如，用于检测工业生产线上产品的位置和运动状态，以及识别缺陷。
此外，光电探测器技术还可以用于物料分选、包装检验等工业应用。
2. 医学影像光电探测器技术在医学影像中是不可或缺的。
在X光影像、核磁共振、电子显微镜等医学影像技术下，光电探测器技术都发挥着重要作用。
如X射线摄影设备中的探测器，可以将X射线转化为数字信号，生成人体内部的影像。
3. 通信网络在光纤通信中，光电探测器作为接收器，将光信号转换为电信号再进行传输，对实现高速、高效、可靠的通信提供了关键性支持。
除此之外，光纤通信还在广域网、局域网等通信领域中得到了广泛的应用。
4. 空间探测随着人类对太空探索的不断深入，光电探测器技术也在空间探测中被广泛应用。
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