光电检测器件(一般原理与种类)
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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
❖ 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和 2DU两种系列。
❖ 2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底 ❖ 2CU系列光电二极管只有两个引出线， ❖ 而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，
特点
原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。
在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈， 所以广泛用于对红外线辐射的探测。
二、光电发射效应
光电发射效应
在光照下，物体向表面以外的空间发 射电子（即光电子）的现象。
光电发射体
能产生光电发射效应的物体，在光电管 中又称为光阴极。
爱因斯坦方程
Ek h E
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。
这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生 载流子。
显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量 G， 我们称之为光电导。相应和杂质半导体就分别称为本征光电 导和杂质光电导。
四、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 is0 eeu/ kBT 1
m
1.24
本征型 光敏电阻
掺杂型
非放大
红外探测器 光电池
光电二极管
光生伏特探测器
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
一、光子效应和光热效应
光子效应(photonic effect )
指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光 电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电 子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改 变。
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 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。
光电导过程
半导体
光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件：
( m)
c
1.24 Eg (eV )
(本征)
1.24
(杂质)
Ei (eV )
Eg 是禁带宽度
Ei 是杂质能带宽度
光敏电阻
光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就 使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量
n
p
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。 膜中2也CU含管有子少，量因的为正是离以子N，-S而i为它衬的底静，电虽感然应受不光会面使的NS-iSOi表2防面反产射 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。
还设了一个环极。 ❖ 硅光电二极管结构示意图 ❖ 2DU管加环极的目的是为了减少暗电
流和噪声。
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。
❖ 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。
❖ 所不足的是，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。
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。
当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生 所谓的自持雪崩。
这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响 应速度最快的一种光电二极管。
Ei eV
光照零偏pn结产生开路电压的效应
光伏效应
光电池
光照反偏
光电信号是光电流
结型光电探测 器的工作原理
光电二极管
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
E ：光电发射体的功函数
Ek
1 2
m v2
电子离开发射体表面时的动能
截止频率
E h
c
截止波长
h 6.6 1034 J s 4.131015eV s
c 31014 m / s 31017 nm / s
c (m)
1.24 E (eV )
三、光电导效应
光电导现象——半导体材料的“体”效应
本征
例如:光子效应在光电池等中体现
特点
对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。
光热效应(photothermal effect )
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态 的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探 测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质 或其他物理性质发生变化。
第三章 光电检测器件（1）
本节内容
光辐射探百度文库的一般原理与分类 光子探测器
光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件
光辐射量
光电探测器
电量
热探测器 光子探测器
光电倍增管
探测器件
热电探测元件 光子探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管
光电导探测器
像增强器 摄像管 变像管
❖ 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和 2DU两种系列。
❖ 2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底 ❖ 2CU系列光电二极管只有两个引出线， ❖ 而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，
特点
原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。
在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈， 所以广泛用于对红外线辐射的探测。
二、光电发射效应
光电发射效应
在光照下，物体向表面以外的空间发 射电子（即光电子）的现象。
光电发射体
能产生光电发射效应的物体，在光电管 中又称为光阴极。
爱因斯坦方程
Ek h E
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。
这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生 载流子。
显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量 G， 我们称之为光电导。相应和杂质半导体就分别称为本征光电 导和杂质光电导。
四、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 is0 eeu/ kBT 1
m
1.24
本征型 光敏电阻
掺杂型
非放大
红外探测器 光电池
光电二极管
光生伏特探测器
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
一、光子效应和光热效应
光子效应(photonic effect )
指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光 电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电 子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改 变。
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 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。
光电导过程
半导体
光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件：
( m)
c
1.24 Eg (eV )
(本征)
1.24
(杂质)
Ei (eV )
Eg 是禁带宽度
Ei 是杂质能带宽度
光敏电阻
光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就 使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量
n
p
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。 膜中2也CU含管有子少，量因的为正是离以子N，-S而i为它衬的底静，电虽感然应受不光会面使的NS-iSOi表2防面反产射 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。
还设了一个环极。 ❖ 硅光电二极管结构示意图 ❖ 2DU管加环极的目的是为了减少暗电
流和噪声。
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。
❖ 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。
❖ 所不足的是，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。
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。
当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生 所谓的自持雪崩。
这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响 应速度最快的一种光电二极管。
Ei eV
光照零偏pn结产生开路电压的效应
光伏效应
光电池
光照反偏
光电信号是光电流
结型光电探测 器的工作原理
光电二极管
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
E ：光电发射体的功函数
Ek
1 2
m v2
电子离开发射体表面时的动能
截止频率
E h
c
截止波长
h 6.6 1034 J s 4.131015eV s
c 31014 m / s 31017 nm / s
c (m)
1.24 E (eV )
三、光电导效应
光电导现象——半导体材料的“体”效应
本征
例如:光子效应在光电池等中体现
特点
对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。
光热效应(photothermal effect )
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态 的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探 测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质 或其他物理性质发生变化。
第三章 光电检测器件（1）
本节内容
光辐射探百度文库的一般原理与分类 光子探测器
光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件
光辐射量
光电探测器
电量
热探测器 光子探测器
光电倍增管
探测器件
热电探测元件 光子探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管
光电导探测器
像增强器 摄像管 变像管