光电探测器概述
光电信号检测光电探测器概述概要课件
光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理基于光子与物质相互作用产生电子-空穴对或光生电场效 应，从而将光信号转换为电信号。
具体来说，当光子照射到光电探测器的敏感区域时，光子能量被吸收并产生电子 -空穴对，这些电子-空穴对在电场的作用下分离并形成光电流，从而完成光信号 到电信号的转换。
光电探测器的应用领域不断拓 展，如物联网、智能制造、无 人驾驶等新兴领域，为市场发 展带来更多机遇。
05
光电探测器的挑战与展望
光电探测器的挑战与展望
• 光电探测器是用于检测光信号并将其转换为电信号的器件，广泛应用于光通信、环境监测、安全监控等领域。随着光电子技术的发展，光电 探测器的性能不断提高，应用范围不断扩大。
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04
光电探测器的市场前景
全球市场情况
光电探测器在全球范围内应用广泛，包括通信、工 业、医疗、安全等领域。
随着技术的不断进步和应用需求的增加，全球光电 探测器市场规模持续增长。
市场竞争激烈，各大厂商在技术研发、产品创新等 方面不断投入，以提高市场份额。
中国市场情况
02
01
03
中国光电探测器市场发展迅速，成为全球最大的光电 探测器市场之一。
光电探测器的分类
01
光电探测器可以根据工作原理、材料、波长响应范围、光谱响应特、光电发射型等；按材料可分为硅基、锗 基、硫化铅等；按波长响应范围可分为可见光、红外、紫外等；按光谱响应特 性可分为窄带、宽带等。
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•·
02
光电探测器的应用
通信领域的应用
光纤通信
光电探测器在光纤通信中起到至关重要的作用。它们能够将光信 号转换为电信号，使得信息的传输和处理成为可能。
光电探测器原理及应用
光电探测器原理及应用
光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，其基本原理是利用光的能量激发材料中的电子从而产生电流。
根据光电效应的不同机制，光电探测器通常可以分为光电二极管、光电导、光电二极管阵列等多种类型。
光电二极管是最基本的光电探测器之一，其工作原理是光照射到光敏材料表面时，材料中的电子会被光激活并跃迁至导带中，从而形成电流。
光电二极管具有响应速度快、灵敏度高等特点，广泛应用于光通信、光谱分析、光电测量等领域。
光电导是一种利用光照射后材料电阻发生变化的光电探测器，其工作原理是光激发后，光电导材料中的载流子浓度发生改变，从而引起电阻的变化。
光电导具有较高的灵敏度和较宽的光谱响应范围，可广泛应用于光谱分析、光学测量、遥感等领域。
光电二极管阵列是由多个光电二极管组成的阵列结构，可以同时检测多个光信号，具有高灵敏度和高分辨率的特点。
光电二极管阵列常被用于光通信、图像传感、光谱分析等领域，如CCD（电荷耦合器件）摄像头就是经典的光电二极管阵列应
用之一。
此外，光电探测器还广泛应用于激光测距仪、扫描仪、光电子显像、医学诊断、环境监测等领域。
例如，激光测距仪利用光电探测器检测激光脉冲的发射和接收时间差，实现对目标距离的测量；扫描仪利用光电探测器对扫描光线的反射或透射光进行检测，实现图像的数字化处理和存储。
总之，光电探测器通过将光信号转化为电信号，实现了光能量的检测和测量。
其应用领域广泛，并在科学研究、工业生产、医疗诊断等领域发挥着重要的作用。
光电探测器
2、光电导(PC)探测器
其工作原理基于内光电效应。 光电导效应？
半导体吸收能量足够大的光子后，会把其 中的一些电子或空穴从原来不导电的束缚 态激活到能导电的自由态，从而使半导体 电导率增加。
(1)特点
光电导探测器的结构一般为金属一半导体 一金属（测
一、 光电探测器的定义 及工作原理
光电探测器接收光信号并进行光电转换， 是半导体电子学的重要器件，是光电系统中 的重要组成部分，被称为这类仪器的“心 脏”。
光电探测器是利用入射的光子流与探测 材料中的电子之间直接互相作用，从而改变 电子能量状态的光子效应来制作的一类器件。
二、光电探测器的分类
PE探测器
2001年，美国军方实验室的Liang等人利用 MOCVD方法以蓝宝石为衬底生长ZnO薄膜，制 备出MSM结构肖特基型紫外探测器。
2004年，浙江大学叶志镇等利用磁控溅射生 长的ZnO薄膜，采用Au电极形成肖特基接触， Al电极形成欧姆接触，在Si(100)衬底上制 备出肖特基型ZnO紫外探测器，Si3N4为绝缘 隔离层，器件性能较好。
光电探测器
PC探测器
PV探测器
1、光电子（PE）发射探测器
此探测器的工作原理是基于外光电效应。
当辐射照射在某些金属、金属氧
外
化物或半导体材料表面时，若光
光 电
子能量hv足够大，则足以使材料
效
内一些电子完全脱离材料从表面
应
逸出。
与外光电相对应的则为内光电效应，两 者的不同点在与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电子从低能态激发到高 能态，于是在低能态留下一个空位一空穴对， 而在高能态上产生一自由移动的电子，形成 光生电子一空穴对。通过检测这一性能的变 化，来探测光信号的变化。本节主要讨论的 利用内光电效应的光电探测器的制备及其性 能特点。
什么是光的光电探测器和光电导
什么是光的光电探测器和光电导？光的光电探测器和光电导是光电传感器的重要类型，用于检测和测量光信号。
本文将详细介绍光的光电探测器和光电导的原理、结构和应用。
1. 光电探测器（Photodetector）的原理和结构：光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
它基于光子的能量被半导体材料吸收，激发带载流子，从而形成电流的原理。
最常见的光电探测器类型是光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube），前文已经详细介绍过。
除了这两种常见类型，还有其他一些光电探测器，如光电晶体管、光电场效应晶体管和光电导等。
光电探测器的结构和工作原理与具体的类型有关。
总体而言，光电探测器通常包括光敏元件、电极、引线和封装等部分。
光敏元件是用于吸收光信号并产生电荷载流子的材料，电极用于收集和测量电流，引线用于连接光电探测器与外部电路，封装则是保护和固定光电探测器的外壳。
2. 光电探测器的应用：光电探测器在许多领域有着广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：-光通信：光电探测器用于接收光信号，将光信号转换为电信号，并通过电路进行处理和解码，实现光通信的接收端。
-光测量：光电探测器可以用于测量光的强度、波长、频率和相位等参数，用于光谱分析、光度计和光谱仪等。
-光电检测：光电探测器可以用于检测物体的存在、位置和运动等，用于光电开关、光电传感和光电探测等应用。
-光电能转换：光电探测器可以将光能转化为电能，用于太阳能电池板和光伏发电系统等。
3. 光电导（Photoconductor）的原理和结构：光电导是一种能够根据光信号的强度来改变电导率的材料。
光电导的原理是光照射到材料上时，光子的能量被吸收，激发带载流子，从而改变材料的导电性能。
光电导材料通常是半导体材料，如硒化铟（Indium Selenide）、硒化镉（Cadmium Selenide）和硒化铅（Lead Selenide）等。
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。
光电探测器在通信系统中的应用技术分析
光电探测器在通信系统中的应用技术分析一、光电探测器概述光电探测器是一种能将光信号转换成电信号的器件。
其主要作用是将通过光纤传输的光信号转换为电信号，使其在通信电路中得以传输。
目前光电探测器已经成为了通信电路中的重要组成部分，其应用领域覆盖到了光通信、无线通信、光纤传感等多个领域。
二、光电探测器的分类根据不同的工作方式，光电探测器可分为两类：基于内光电效应的光电探测器和基于外光电效应的光电探测器。
其中基于内光电效应的光电探测器主要有光电二极管、APD和PD等三类。
而基于外光电效应的光电探测器主要有光电导和光致伸缩器等两类。
1. 光电二极管光电二极管是一种具有直接内光电效应的器件，主要是利用光子能量来产生管内电荷的效应。
其工作原理是将光线照射到半导体材料上，光线的能量被转化为电子能量，从而在导体上形成电磁场。
在电子和空穴的作用下，光电二极管上的电荷可以发生反向电流，从而将光信号转变为电信号输出。
2. APDAPD是一种分析内光电效应的器件，其原理与光电二极管类似，但是其内部的电场比光电二极管要强。
当光子进入APD器件的时候，它会产生电子-空穴对，然后这些电子将加速，形成在吸收区内的离子对电流，相对于光电二极管，APD的增量因子接近子级负反馈，因此其灵敏度比光电二极管要高得多。
3. PDPD是一种利用光吸收特性来检测光的器件，主要是通过光子与半导体材料之间的作用产生电流来完成对光信号的检测。
当光子通过PD的半导体介质时，组成介质的电子会被激发，这些电子随后会被电场推动，形成电荷。
然后，这个电荷会产生电流，从而将光信号转换成电信号输出。
4. 光电导光电导是一种利用外光电效应的器件，其工作原理是将光照在导体上，产生电磁场，然后通过电磁场的作用来使光电导的电阻发生变化。
这种变化可以通过电流检测器来检测，从而将光信号转化为电信号输出。
5. 光致伸缩器光致伸缩器是一种利用外光电效应的器件，其工作原理是利用光致伸缩材料的导电性差异来实现光电信号的转换。
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。
光电探测器概况课件
噪声干扰
灵敏度
光电探测器在工作中容易受到环境噪 声的干扰，如热噪声、散粒噪声等， 这些噪声会影响探测器的性能和精度 。
光电探测器的灵敏度也是一大挑战， 尤其是在低光强度或弱光信号的探测 中，需要提高探测器的灵敏度和信噪 比。
响应速度
光电探测器的响应速度是另一个挑战 ，尤其在高速或瞬态光信号的探测中 ，需要提高探测器的响应速度和带宽 。
光电探测器技术的起源
19世纪末
物理学家发现光电效应，为光电 探测器技术奠定理论基础。
20世纪初
科学家开始研究光电材料，探索 光电转换原理。
光电探测器技术的发展阶段
20世纪中叶
半导体材料的发展推动了光电探测器 技术的进步，硅基光电探测器逐渐成 为主流。
20世纪末至今
新型光电材料和器件不断涌现，光电 探测器技术应用领域不断拓展。
光电探测器可以检测空气中的污染物，如烟雾、灰尘等。
光电探测器在医疗领域的应用
医学影像
光电探测器用于医学影像设备，如CT、 MRI等，将X射线或磁共振信号转换为图像 。
激光治疗
在激光治疗中，光电探测器用于检测激光光 束的强度和位置，确保治疗的准确性和安全
性。
06
光电探测器的挑战与 展望
光电探测器面临的主要挑战
• 噪声等效功率：描述光电探测器在特定信噪比下所能探测到的 最小光功率。它反映了探测器在低光功率条件下的探测能力， 是衡量光电探测器性能的重要指标。
探测率与探测极限
探测率
描述光电探测器在单位时间、单位面积内探测到的光子数。它是衡量光电探测器探测能力的关键参数 。
探测极限
指光电探测器在特定噪声等效功率下的最小可探测光功率。它反映了探测器在高信噪比下的探测能力 。
光电探测器概述分析
光电探测器概述分析光敏元件是光电探测器的核心部件，用于将入射的光能量转换为电能。
常见的光敏元件包括光电二极管、光电倍增管、光电导、光敏晶体等。
其中，光电二极管是最常见的光敏元件，由P型和N型半导体材料组成，当光照射到PN结时，产生光生电流。
光电倍增管是一种具有电子增益的光敏元件，它通过二次发射效应实现光电信号的放大。
光电导是一种基于金属-绝缘-半导体(MIS)结构的光敏元件，光照射到MIS结时，产生的电子流被金属电极捕捉，从而产生电信号。
光敏晶体是一种利用光生载流子的非线性效应来实现光电转换的光敏元件，具有高速响应和高灵敏度的特点。
信号处理电路是光电探测器将光信号转换为电信号后进行进一步处理的电路部分。
常见的信号处理电路包括放大电路、滤波电路、模数转换电路等。
放大电路用于增加光电信号的幅度，以提高信噪比和灵敏度。
滤波电路则用于去除杂散信号和噪声，保留感兴趣的频段信号。
模数转换电路则将模拟电信号转换为数字信号，以便进行数字信号处理和分析。
光电探测器的性能参数主要包括灵敏度、响应时间、线性度、噪声等。
灵敏度是指光电探测器对光信号的敏感程度，一般用电流-光功率转换系数和量子效率来描述。
响应时间是指光电探测器从接收到光信号到产生相应电信号的时间间隔。
线性度是指光电探测器输出的电信号与输入光信号之间的线性关系程度。
噪声是指光电探测器输出电信号中的随机波动，通常分为热噪声、暗电流噪声和光电转换噪声等。
在实际应用中，根据需要选择合适的光电探测器。
有选择的因素包括工作波长范围、动态范围、灵敏度要求、响应速度、稳定性等。
比如，在光通信领域，一般选择具有较高灵敏度和快速响应时间的光电探测器；在光谱分析领域，一般需要选择具有较高线性度和低噪声的光电探测器。
总之，光电探测器是一种重要的光电器件，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和需求的不断增长，对光电探测器的性能和特性要求也在不断提高，这就需要不断地研发和创新，以满足不同领域的应用需求。
光电探测器的物理基础(性能指标噪声)
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。
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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。
光电探测器的研究及其应用分析
光电探测器的研究及其应用分析光电探测器，是一种能够将光信号转换成电信号的装置，是现代光电科技中的重要细分领域之一。
在许多领域中，如通信，医学，生物，安全等方面都受到广泛应用。
目前，光电探测器已经成为人类社会中不可缺少的一种技术。
一、光电探测器的概述光电探测器是一种能够将光信号转换成电信号的装置，是现代光电科技中的重要细分领域之一。
它对于光学通信、遥感、生物医学、工业自动化等领域的发展起到了重要作用，广泛应用于国防、工农业以及日常生活中的安全保障、新能源、节能减排等方面。
光电探测器大致可以分为探测器和光电转换器两种类型。
其中，探测器可以将光信号转换成电信号，光电转换器则是指将光电信号直接转换成数字信号。
光电探测器通常采用半导体材料制成，包括硅、锗、砷化镓、砷化铟等材料。
其中，硅是最重要的材料之一，它被广泛应用于光通信、计算机网络、医学诊断等领域。
二、光电探测器的工作原理光电探测器的工作原理基于光电效应的光学基础。
当光子通过光电探测器，它们会与半导体材料中的电子互作用。
这时，电子从半导体内部跃迁到导带中，并在外电路中产生一个电流。
当光照射的强度增加时，产生的电流也会相应地增加。
因此，当存在光信号时，光电探测器能够将其转换为电信号，实现光电转换。
三、光电探测器的应用1.光通信光电探测器被广泛应用于光通信系统中。
在光通信系统中，光电探测器用于将光信号转换成电信号。
这些电信号传输到接收机中，接收机再将其转换成光信号，从而确保光通信的高效与可靠性。
2.医学光电探测器在医学领域中也有着广泛的应用。
在医学成像方面，光电探测器可用于检测人体内部的光信号，以诊断疾病并提供治疗方案。
同时，光电探测器也可以应用于实验室中的生物学研究中。
3.安全在安全领域中，光电探测器广泛应用于安全监控摄像机中。
通过光电探测器，监控设备可以检测到接近或距离物体的存在，并将其转换成信号进行处理。
4.新能源太阳能电池板是一种能够将太阳能转换成电能的装置。
光电探测器的原理与应用
光电探测器的原理与应用近几年来，随着光电技术的飞速发展，光电探测器也备受瞩目。
它的应用范围非常广泛，涉及到基础研究、医疗、安防、通信等众多领域。
那么，什么是光电探测器？它有哪些原理和应用呢？本文将为您一一解答。
一、什么是光电探测器？光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件，利用光电效应产生电子，进而从光信号中提取有用信息的装置。
它是一种电光混合技术，是光学和电子学的交叉学科。
二、光电探测器的工作原理光电探测器的工作原理主要基于光电效应和内光效应。
光电效应是一种将光能转化为电能的现象，当光子通过某些材料时，会引起材料中的自由电子跃迁到导带中，产生电子空穴对。
如果这些电子空穴对在外加电场的作用下被分离，就会生成电流。
内光效应是指太阳光在半导体中产生光生载流子，从而发电。
基于这两种现象，光电探测器的工作模式又分为两种：一种是外光电探测器，另一种是内光电探测器。
外光电探测器主要是利用光电效应工作，包括光电倍增管、光电二极管、光电管等。
内光电探测器是利用内光效应工作，包括太阳能电池、半导体激光器、LED 等。
三、光电探测器的应用1. 医疗领域在医疗领域，光电探测器主要用于医学影像系统中，例如牙科X射线成像、CT、MRI等医学设备。
它能够通过将光转化为电来检测和分析人体内部的结构和病变情况。
2. 安防领域光电探测器在安防领域也具有重要应用。
例如，红外线夜视仪、热成像仪等设备都是利用光电探测器的原理进行工作的。
这些设备可以在特定场合下对目标进行有效监测和识别。
3. 通信领域在通信领域，光电探测器则主要用于光通信系统。
比如，在光纤通信中，光电探测器可以将光信号转化为电信号，使信号能够在光纤中传输。
4. 航天领域光电探测器还可以用于航天领域。
例如，太阳能电池就是最常用的一种光电探测器。
在太空中，它可以利用光子产生的电流来供应能量。
总之，光电探测器具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好等优点，广泛应用于各个领域。
未来，随着科学技术的不断发展，光电探测器也将会有更加广阔的应用前景。
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。
光电探测器的物理效应
光生伏特效应
当光子照射到光伏电池上 时，产生电动势的现象。
光电效应的物理过程
电子吸收光子能量
01
当光子照射到物体表面时，电子吸收光子能量，获得
02
在光伏电池中，光子能量被吸收后转化为电能，产生电动势。
电荷分离
03
在光电导材料中，光子能量导致材料内部产生电子-空穴对，形
皮尔兹效应
汤姆逊效应
当电流通过存在温度梯度的导体时，除了产 生焦耳热外，还会在导体内部产生热电压， 这是由于导体内部自由电子的热扩散产生的 。
当一个导体被加热时，在导体的两端 会产生电压，即热电压，这是由于导 体内部自由电子的热运动产生的。
热电效应的物理过程
热能转化为电能
当两种不同导体连接成回路时，由于两导体之间存在温度差，使得 电子从高温端向低温端扩散，形成电势差，从而产生热电流。
光电导效应
当光照射在半导体材料上时，光子能 量使材料中的价电子吸收能量并跃迁 至导带，形成光生载流子，导致材料 电导率发生变化，产生光电导效应。
光电流与光电导效应的应用
光电二极管
利用光电流效应，将光信号转换为电信号，用于光信 号检测、光电开关等。
光电导传感器
利用光电导效应，将光信号转换为电信号，用于光强 测量、光谱分析等。
光子雪崩效应可应用于光纤通信、激光雷 达、光谱分析、生物医学成像等领域。
06 其他光电物理效应
CHAPTER
光电发射效应
光电发射效应是指当光子照射到 物质表面时，物质中的电子吸收 光子的能量，从束缚态跃迁到自
由态，形成电流的现象。
光电发射效应可以分为光电发射、 光电子发射和热电子发射等类型， 其中光电发射是最常见的一种。
光电效应
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。
光电探测器简介、现状及分析
光电探测器简介、现状及分析光电探测器是一种广泛应用于工业自动化中的智能传感器，特别是在机器视觉检测、运动控制、安全监测和无线通信等领域，它可以完成光、距离、位移、位置和各种物体的检测。
光电探测器的工作原理是在探测的物体表面上光放射出一种潜在的成像，然后由光学、电子或激光传感器探测其反射信号，并将其变换成电信号和数字信号。
光、距离的检测，可以有效的解决光学探测器在检测欠精确问题，能够快速、精确地对物体进行定位。
目前市场上出现了一些专业的光电探测器，它们具有很高的灵敏度、快速测量精度，具有可靠性、安全性、耐久性，几乎可以非常容易的控制各种位移、运动和距离变化。
例如：相位差式光电探测器，它主要应用于汽车动力检测，在其角度检测方面具有很高的精度。
另外，相关传感器的应用也日渐广泛，如安全监测、计算机视觉应用、机械行程测量和位置检测四大应用领域。
随着自动技术的发展，智能化程度日益提高，光电探测器在工业控制及安全监测中的应用也日益增多，比如机器视觉检测、机械运动控制及位置检测等。
光电探测器通过反射信号检测到物体的位置信息，能够快速精确的完成位置和运动控制，解决了传统机械式探测器容易受干扰的问题，更能满足当代工业的智能化需求。
不过由于传感器的检测范围有限，对物体反射能力和形状有一定要求，另外在低灰度条件下，光电探测器很难准确检测。
因此在应用过程中，还要求温度、湿度、表面状态均为常规状态，且具体物体应该是有反射能力的均匀凸面。
另外因提出信号受劳会发生幅值相比变化，影响信号传递、产生噪声，因此在使用过程中也要注意要引入高斯滤波及其它信号滤波技术。
总的来说，光电探测器是一种具有很高灵敏度和安全性的智能传感器，通过对物体进行检测，使得工业自动化技术更加便捷精准。
《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。
光电探测器概况
第十三页，共43页。
二 常用单光子探测的器件：
光电倍增管 雪崩二极管
超导单光子探测器
第十四页，共43页。
光电倍增管
原理：
当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电 场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子 用阳极参数
衡量SPAD性能优劣的参数有很多， 主要包括了单光子量子效率、暗计数、 后脉冲和死时间。下面对这些参数进行 一一介绍，并分别给出在实际制作器件 时的建议。
第二十八页，共43页。
SPAD的特性参数 ——探测效率
在SPAD系统中一个主要考察的参数指标是单光子量子效率, 即探测效 率, 定义为探测到的光子数目与入射光子的比值。它与普通外量子效率的 区别在于, 多考虑了暗计数以及雪崩概率的影响。通常单光子量子效率表 示为
光电综合侦察装备将可见光激光红外激光等几种传感技术汇集于一个侦察或侦察攻击系统中增强了在昼夜恶劣气候和不良的战场环境条件下对目标的探测和识别能力以及对抗能力光电导探测器在生活中的用途目前数光电感烟探测技术最为完善
光电探测器概况
第一页，共43页。
一 概述
1. 什么是光电探测器？
2. 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。
区的电场，但仍然保持着一个比较高的值，能够保证载流子在不发生碰撞电离 的时候仍有
较高的运动速度。
第二十四页，共43页。
SPAD的探测机理
图2.1（b）给出了（a）图中对应的电场分布曲线，很明显，在N+P 结靠近P 区的一
侧拥有最高的电场强度。反偏压较低时，N+P 结承受了大部分的压降；反偏压 趋近雪崩阈 值电压时，耗尽层几乎覆盖了整个π 区，所以这种结构也称为拉通型结构；反 偏压超过
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光辐射
光子能量
材料内束缚能级的
足够大
金属氧化物或 半导体表面
电子逸出表面
电子—空穴对
光生电动势
光电池、光电二极管、雪崩光电二极管、PIN管及光电晶体管
光电磁探测器（光电磁效应或内光电效应）
光辐射
光子能量
本征吸收产生
足够大
垂直磁场中的 半导体材料
电子空穴对
载流子 浓度梯度
光磁电动势
光电探测器特点
♠ P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混
入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体， 使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。
空穴的产生：由于杂质原子的
最外层有3个价电子，当它们与周 围的硅原子形成共价键时，就产生 了一个“空位”（空位电中性）， 当硅原子外层电子由于热运动填补 此空位时，杂质原子成为不可移动 的负离子，同时，在硅原子的共价 键中产生一个空穴 ，由于少一电 子，所以带正电。P型取“Positve （正）”一词的第一个字母。
概述
♣ 光辐射探测系统由信息源、传输介质和接收
系统组成。接收光学系统把信息源光辐射和背景 及其它杂散光经传输介质一起会聚在光探测器上。
♣ 光辐射所携带的信息，如：光谱能量分布、辐
射通量、光强分布、温度分布等由光探测器转变成 电信号测量出来，经电子线路处理后，可供分析、 记录、存储或直接显示，从而识别被测目标。
1. 响应率（度）RV 、RI
单位入射光功率作用下探测器的输出电压（流）， 即灵敏度。 ——器件对全色入射辐射的响应能力，
定义为器件的输出信号与输入辐射功率之比，用 R来表示。
输出信号用电压表示：
RVVs PVW1输出信号用电流表示： RI
Is P
AW1
光电二极管
♫ 外加反偏电压于结内电场方向一致，没有光照时，反向电流很小（一般小 于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能 量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴 对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，电子被拉向n区， 空穴被拉向p区而形成光电流，使反向电流明显变大。同时势垒区一侧一个扩 散长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导 电。光的强度越大，反向电流也越大。光电二极管在一般照度的光线照射下， 所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号， 而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
PN结的能带结构
♠ P型半导体杂质浓度越高，费米能级越低，N型半导
体杂质浓度越高，费米能级越高。
能隙 N区 结区 P区
导带
EF 价带
PN结的形成
当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界 面处存在载流子浓度的差异，电子和空穴都要从浓度高的 地方向浓度低的地方扩散。
电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和 Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而 留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能 移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电 荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近形成了一个很薄的 空间电荷区，即PN的结。 这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了， 或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。
♥ 选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长
于长波限的入射辐射不能产生所需的光子 效应，因此无法被探测。
♥ 波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波
长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论 响应率应正比于波长。
热探测器（光热效应）
光辐射
材料产生温升
热探测器
物理性质变化
温差电动 （温差电效应）
热电偶
（2） 外加反向电压 （反偏）
在PN结上加反向电压，外电场 与内电场的方向一致，扩散与漂 移运动的平衡同样被破坏。外电 场驱使空间电荷区两侧的空穴和 自由电子移走，于是空间电荷区 变宽，内电场增强，使多数载流 子的扩散运动难于进行，同时加 强了少数载流子的漂移运动，形 成由N区流向P区的反向电流。由 于少数载流子数量很少，因此反 向电流不大，PN结的反向电阻很 高，即PN结处于截止状态。
2. 单色灵敏度（光谱响应度）
光电探测器在单位单色辐射通量（光通量）照射 下得到输出电压（流）；即探测器的输出电压（流） 与入射到探测器上单色辐射通量（光通量）之比。 ——器件对单色入射辐射的响应能力。
杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体 中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。
N型半导体
♠ N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），
使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
♠ N型半导体：由于杂质原子的最
外层有5个价电子，所以除了与周 围硅原子形成共价键外，还多出一 个电子。在常温下，由于热激发， 就可使它们成为自由电子，显负电 性。这N是从“Negative（负）” 中取的第一个字母。
一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的
价导带带：，晶二体者中之原间子是的禁内 带。这是半导体是一个不导电
层 电电子的子所绝能填缘级满体相，对这。应种的能能 带带称被为
导带
价带♣；但是本征半导体的禁带宽度Eg较小，在热运动活
子 导填带导其带满；带它，或：外这者价界 时是带空激 导以的发 带上能的 有未带作 了被称用电电为下子，，价价E带带g 的有电了子空激穴发 ，费跃 使米迁 本能级至 征E禁导 半F带
2.2.1 光电探测器的工作条件
1. 辐射源的光谱分布 （如单色、黑体、调制） 2. 电路的通频带和带宽 （噪声的影响） 3. 工作温度：
295K、195K、77K、20.4K 、 4.2K 4. 光敏面尺寸：1cm2 5. 偏置情况
2.2.2 响应性能参数
♠ 光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要
光电探测器（1）
♠ 光电子发射探测器（光电子发射效应或外光电效应）
光辐射
光子能量大于
材料内束缚能级的
逸出功
金属氧化物或
电子逸出表面
自由电子
半导体表面
♠ 光电导探测器（光电导效应或内光电效应）
光辐射
光子能量大于
材料内不导电束缚
禁带宽度
状态的电子空穴
半导体材料
自由电子空穴
电导率变化
光电探测器（2）
光伏探测器（光生伏特效应或内光电效应）
因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少 子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄， 内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。
在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐 渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后扩散运动 和漂移运动达到动态平衡，交界面形成稳定的空间电荷区，即 PN结处于动态平衡。
多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 度，称为多数载流子，简称多子。
少子：空穴为少数载流子，简称少子。 施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
结论：
N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入
的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电 性能也就越强。
P型半导体
近年来的发展方向：
阵列光电探测器、
光电探测器集成化 电荷耦合器件（CCD, charged coupled device）
热电偶温度计
热释电探测器
光电二极管、三极管
光电池
光电二极管阵列 Si /PIN光电二极管
热电阻、热电偶
热敏电阻
热释电探测器
耦合式GaAs/AlGaAs 多量子阱红外探测器结构
禁导带体：形导成带导和电价特带性之。间 电子和空穴都是电流的载流者
的能，隙统称称为为禁带“。载导流带子底”和
价带
价带顶的能级间隙就是禁带
宽度Eg 。
半导体类型 ♠ 半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。 ♠ 本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体
称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。
(CCD) Charged coupled device
2.1.2 光辐射探测器分类
光辐射探测器件是利用各种光电效应，或光热效应使
入射光辐射强度转换成电学信息或电能的仪器。
♣ 按用途分：成像、非成像探测器； ♣ 按光谱响应分：紫外光、可见光、近红外、
中红外、远红外探测器；
♣ 按结构分：单元、多元、阵列光探测器；
§2-2 光电探测器的响应性能参数
光电探测器的定义
定义：光子探测器是指入射在光探测器上的光辐射 能，它以光子的形式与光子探测器材料内受束缚的 电子相互作用（光电子效应），从而逸出表面或释 放出自由电子和自由空穴来参与导电的器件。
光电子 发射效应
光电导 效应
外光电效应
光生伏特 效应
光电磁 效应
内光电效应
多子：P型半导体中，多子为空穴。 少子：为电子。 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
结论：
1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质 使多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大 大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高， 少子的浓度就愈低。
2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发 形成的，与温度有关。
有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但
电子光仍留电在探物测体器内件部的，工使物作体原的理导是电基性于增光加，电这效种应现，
象称而为热内探光测电效器应需。要经过加热物体的中间过程， 因此，前者反应速度快。
半导体的能带结构
♠ 半导体的特点：由于原子间的相互作用而使能级分
裂♣，离纯散净的（能本级征形）成半能导带体。在分绝为对价零带度、的导理带想和状禁态带下。有