第2章 结型光电探测器
《结型光电器件》课件
光电检测领域应用
光功率检测
结型光电器件作为光电探测器，能够 快速响应光功率的变化，用于实时监 测光网络的传输状态。
光谱分析
结合光谱仪，结型光电器件可以对不 同波长的光信号进行探测和分析，用 于光谱分析和物质成分检测。
光电控制领域应用
光控开关
结型光电器件可以实现高速的光控开关功能，用于光信号的路由、分束和合束 等控制。
本的结型光电器件。
集成化与模块化的探索
03
未来研究将进一步探索结型光电器件的集成化与模块化技术，
以满足大规模光电系统集成和光电信息处理的需求。
05
CATALOGUE
结型光电器件的制备与工艺
材料选择与制备
01
02
03
材料纯度
选择高纯度的材料，以减 少杂质和缺陷对器件性能 的影响。
材料匹配
确保材料之间的晶格常数 和热膨胀系数相匹配，以 减小应力集中和热失配。
生物医学
结型光电器件在生物医学领域具有广泛的应用， 如光学成像、光谱分析等。
结型光电器件的历史与发展
早期研究
20世纪60年代，随着半导体材料 和光学技术的发展，人们开始研 究结型光电器件。
技术进步
随着材料、工艺和设计的不断改 进，结型光电器件的性能不断提 高，应用领域不断扩大。
未来展望
随着物联网、人工智能等技术的 快速发展，结型光电器件在未来 的信息社会中将发挥更加重要的 作用。
1 2
结构设计
优化器件结构，提高光电器件的性能和稳定性。
界面工程
优化界面质量，减少界面态和缺陷，提高载流子 输运效率。
3
工艺调控
通过精细调控工艺参数，实现性能优化和提升。
06
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。
第七章功能转换材料
金属棒中，两端温度不同，电子扩散形成的电动势
即汤姆逊电动势。发生在同种金属两端之间。
AB (T1)
Ek
(T )
dT dl
l
0 Ek dl
T2 (T )dT
T1
A
B
回路总电动势：
AB (T1T2 ) AB (T1) AB (T2 )
T2 T1
A (T )dT
T1 T2
B
(T
金属棒 ab ，两端 T1 T2
a
I T1
T1 T2
b
T2
流过电流，棒吸热，电流反向时放热。称为汤姆逊效应。
原因：棒ab存在电动势（汤姆逊电动势）
温度高处（a）电子动能较大， a
向低温处扩散，形成电动势。非 静电力（扩散力）做负功，吸热；
T1
Ek
电流反向时，非静电力做正功，
放热。
E b
T2
还有：硫化镉，鍗化镉，砷化镓
3、光电子发射应用
光电管是利用光电子发射（外光电效应）制成。用 于光控继电器（自动报警器等）、光电光度计（光电 流反应入射光强度）
光电倍增管（非常弱的光照，产生很大电流），在 工程、天文、军事上有重要应用。
电视摄像管
7-4 热电材料
一、热电效应（温差电效应）
用不同导体构成回路，两接头保持温差，则闭合
InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si.
光电探测器（光敏器件），光电导摄像管，固体图 像传感器。 2、结型光电二极管 （1）高速响应的光电探测器
对非结型光电探测器，光电子在外电路中产生光电 流的响应慢。光照停止时，载流子平均寿命内仍存在 光电子，故有延迟光电流产生。
对结型光电二极管，光电子主要产生于结中吸收区内。
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。
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 。
《光电探测技术》课程标准
《光电探测技术》课程标准课程代码：学时：36 学分：2一、课程的地位与任务《光电探测技术》课程是光电制造与应用技术专业（五年一贯制）开设的一门2学分的专业拓展课程，针对光机电一体化设备中涉及的光检测和控制技术，讲述光的度量、光电检测器件工作原理及特性、光电导探测器、结型光电探测器、光电成像器件、光纤传感检测、光电信号检测电路。
通过本课程的学习，使学生掌握光机电一体化设备的测量与自动化技术及其应用等知识，开拓学生思维。
二、课程的主要内容和学时分配1.课程的主要内容光的度量、光电检测器件工作原理及特性、光电导探测器、结型光电探测器、光电成像器件、光纤传感检测、光电信号检测电路，基本光电元器件检测、识别、焊接、装配。
第1章光的度量1.1辐射度量1.2光度的基本物理量1.3光度量基本定律1.4照度计与亮度计第2章光电检测器件工作原理及特性2.1光电检测器件的物理基础2.2光电检测器件的特性参数2.3光电导探测器及应用3.1光电导探测器的工作原理3.2光敏电阻的结构及分类3.3光敏电阻的特性3.4光敏电阻的应用习题3.5结型光电探测器及应用1.1结型半导体光伏效应1.2光电池1.3光电二极管1.4光电三极管1.5光电开关与光电耦合器1.6光电位置探测器第5章光电成像器件及应用5.1ccd图像传感器5.2CmOS图像传感器第6章光纤传感检测技术及应用6.1光纤传感器的基础6.2光纤的光波调制技术6.3光纤传感器实例第7章光电信号检测电路6.1光电检测电路的设计要求6.2光电信号输入电路的静态计算6.3光电信号检测电路的动态计算6.4前置放大器7.5滤波器7.6光电信号主放大器8.学时分配1.本课程注重学生对光电检测器件的应用能力培养;2.采取理论教学和实验相结合的方式以增强课程学习的理实性；四、课程的实践环节安排实验一光敏电阻的应用实验二光电二极管的应用实验三光电位置探测器的应用实验四光纤传感器的应用实验五光电检测电路的单元电路设计五、推荐教材和主要参考书《光电探测技术与应用》作者：黄焰、肖彬、孙冬丽，华中科技大学出版社，出版时间：2016年六、考核方式及标准平时考核成绩占60%（出勤+作业+其它），期末考试（开卷）占40%。
光电检测技术与应用课后答案
光电检测技术与应⽤课后答案第2章1、简述光电效应的⼯作原理。
什么是暗电流？什么是亮电流？P11答：暗电流指的是在⽆光照时，由外电压作⽤下P-N结内流过的单向电流；光照时，光⽣载流⼦迅速增加，阻值急剧减少，在外场作⽤下，光⽣载流⼦沿⼀定⽅向运动，形成亮电流。
2、简述光⽣伏特效应的⼯作原理。
为什么光伏效应器件⽐光电导效应器件有更快的响应速度？P15答：（1）光⽣伏特效应的⼯作基础是内光电效应.当⽤适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作⽤（不加外电场），光⽣电⼦拉向n区，光⽣空⽳拉向p区，相当于PN结上加⼀个正电压。
（2）光⽣伏效应中，与光照相联系的是少数载流⼦的⾏为，因为少数载流⼦的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件⽐以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。
3、简述光热效应⼯作原理。
热电检测器件有哪些特点？P15、P17第3章2、对于同⼀种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同⽽温度不同时情况⼜会如何？3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。
p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产⽣，这是因为p-n结在反偏电压下产⽣的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光⽣电流就会明显增加。
5、光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件⼯作频率哪个⾼？实际使⽤时如何改善其⼯作频率响应？6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升⾼⽽下降？影响光电倍增管⼯作的环境因素有哪些？如何减少这些因素的影响？答：温度升⾼时，半导体的导电性将发⽣⼀定的变化，即少数载流⼦浓度随着温度的升⾼⽽指数式增⼤，相对来说多数载流⼦所占据的⽐例即越来越⼩，这就使得多数载流⼦往对⽅扩散的作⽤减弱，从⽽起阻挡作⽤的p-n结势垒⾼度也就降低。
光电探测器 (2)
４．响应时间：响应时间τ是描述光电探测 器对入射光响应快慢的一个参数（如
图）。
– 上升时间：入射光照射到光电探测器后，光
电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。
– 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出
下降到稳定值所需要的时间。
５．频率响应：光电探测器的响应随入射光 的调制频率而变化的特性称为频率响应．
• 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，
=1
• 实际上， <1
• 量子效率是一个ຫໍສະໝຸດ 观参数，量子效率愈高愈好。量子效率与响应度的关系
I /q S ( ) ( ) h P / h q
I/q ： 每秒产生的光子数
P/hυ：每秒入射的光子数
五、工作温度
• 工作温度就是指光电探测器最佳工作状态 时的温度。 • 光电探测器在不同温度下，性能有变化。
（ U A qUA n n p p） Ip L L
２．光敏电阻的工作特性
• 光电特性 • 伏安特性 • 时间响应和频率特性 • 温度特性
光敏电阻的光电特性
• 光电特性：光电流与入射光照度的关系：
I光 SgE U
: 照度指数(一般0.5 1)，Sg : 光电导灵敏度， :电压指数(欧姆接触为1，非欧姆接触1.1 ~ 1.2)，U：外
1 fc 2 2 RC S0 S0 S( f ) 0.707 S0 2 1/ 2 [1 (1) ] 2
f c ：上限截止频率
时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽
1
返回
二、噪声特性
• 在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号 并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏， 它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。
光电检测技术复习
第四章 光电导器件
• 工作原理 • 主要特性参数 • 偏置电路和噪声 • 特点与应用
工作原理
• 基于内光电效应（光电导效应） • 暗电流、亮电流、光电流及三者的关系
IP
U L
A
U L
q( nn
p p
)A
qUN L2
(
n
p
)
主要特性参数
• 光电灵敏度 g p Sg E
• 用负载电阻实现电流电压转换
• 用运算放大器实现电流电压转换
光电倍增管的应用
– 负电子亲合势及其特点
光电管与光电倍增管
• 光电管
– 玻壳、光电阴极和阳极组成，真空型和充气型
• 光电倍增管
– 基于外光电效应和二次电子发射效应 – 结构上与光电管的区别：电子光学系统和倍增
级
光电倍增管
• 工作原理 • 典型参数
阴极K
D2
D4
D1
D3
D5
U1 U2 U3
U4 U5
U6
A阳极 μA
I p I0 (e kT 1)
硅光电池
• 特性参数
– 光照特性——开路时、短路时、有限负载时
线性区
IL
Uoc1 Uoc2 Uoc3 Uoc4
Isc1 Isc2
Isc3
E1
U
E2
E3 E4
RL2
Isc4
RL1
硅光电二极管和三极管
• 一般在反向偏压下工作
I
E=0
U
E1
E2 光导工作区
qU
IL I p I0( e kT 1) IP I0 IP SEE
光电探测器结构组成
光电探测器结构组成
光电探测器的结构主要由以下几部分组成：
1. 光电转换部分：包括光电转换元件和相应的电路。
常见的光电转换元件有光敏二极管（Photodiode）、光电导管（Phototube）、光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）等。
这些元件能够将光信号转换为电信号。
2. 电子放大部分：一般包括前置放大器、信号处理电路等。
前置放大器用于放大光电转换元件输出的微弱电信号，以增加信号的强度和灵敏度。
信号处理电路则用于对放大后的信号进行滤波、放大、去噪等处理。
3. 光学系统：用于收集和聚焦光信号，将光信号引导到光电转换元件上。
光学系统一般包括透镜、反射镜、光纤等。
4. 外部电路：包括供电电路、控制电路等。
供电电路为光电探测器提供所需的电源，控制电路用于控制光电转换元件的工作状态。
以上是光电探测器常见的结构组成，不同类型的光电探测器结构可能会有所不同，但基本原理相似。
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。
光电子器件
第1章光电导探测器1.1 光电子器件的基本特性1.1.1 光谱响应率和响应率1.1.2 最小可探测辐射功率和探测率1.1.3 光吸收系数1.2 光电导探测器原理1.2.1 光电导效应1.2.2 光电导电流1.2.3 光电导增益1.2.4 光电导灵敏度1.2.5 光电导惰性和响应时间1.2.6 光电导的光谱响应特性1.2.7 电压响应率1.2.8 探测率D1.3 光敏电阻1.3.1 光敏电阻的结构1.3.2 光敏电阻的特性第2章结型光电探测器2.1 光生伏特效应2.1.1 PN结2.1.2 PN结光生伏特效应2.2 光电池2.2.1 光电池的结构2.2.2 光电池的电流与电压2.2.3 光电池的主要特性2.3 光电二极管2.3.1 PN结型光电二极管2.3.2 PIN型光电二极管2.3.3 雪崩型光电二极管（APD）2.4 光电三极管2.4.1 光电三极管结构和工作原理2.4.2 光电三极管的主要性能参数第3章光电阴极与光电倍增管3.1 光电发射过程3.1.1 外光电效应3.1.2 金属的光谱响应3.1.3 半导体光电发射过程3.1.4 实用光电阴极3.2 负电子亲和势光电阴极3.2.1 负电子亲和势光电阴极的原理3.2.2 NEA光电阴极中的电子传输过程3.2.3 NEA阴极的量子产额3.2.4 负电子亲和势阴极的工艺及结构3.3 真空光电管3.3.1 真空光电管工作原理3.3.2 真空光电管的主要特性3.4 光电倍增管3.4.1 光电倍增管结构和工作原理3.4.2 光电倍增管主要特性和参数3.4.3 光电倍增管的供电电路第4章微光像增强器4.1 像管的基本原理和结构4.1.1 光电阴极4.1.2 电子光学系统4.1.3 荧光屏4.1.4 光学纤维面板4.2 像管主要特性分析4.2.1 像管的光谱响应特性4.2.2 像管的增益特性4.2.3 像管的光传递特性4.2.4 像管的背景特性4.2.5 像管的传像特性4.2.6 像管的时间响应特性4.2.7 空间分辨特性4.3 红外变像管4.3.1 玻璃管型的红外变像管4.3.2 金属型红外变像管4.4 第一代微光像增强器4.5 微通道板4.5.1 通道电子倍增器4.5.2 微通道板的增益特性4.5.3 电流传递特性4.5.4 微通道板的噪声4.5.5 微通道板的噪声因子4.6 第二代微光像增强器4.6.1 近贴式MCP像增强器4.6.2 静电聚焦式MCP像增强器4.6.3 第二代微光像增强器的优点4.6.4 第二代微光像增强器的缺点4.7 第三代微光像增强器4.8 第四代微光像增强器第5章摄像管5.1 摄像管的工作方式5.2 摄像管的性能指标与评定5.2.1 摄像管的灵敏度5.2.2 摄像管的光电转换5.2.3 摄像管的分辨率5.2.4 摄像管的惰性5.2.5 摄像管的灰度5.3 氧化铅光电导视像管5.3.1 氧化铅靶结构5.3.2 视像管的结构5.3.3 视像管的工作原理5.3.4 氧化铅视像管特性第6章CCD和COMS成像器件6.1 电荷耦合器件的基本原理6.1.1 MOS结构特征6.1.2 CCD势阱深度和存储电荷能力6.1.3 电荷耦合原理6.2 电荷耦合器件基本结构6.2.1 转移电极结构6.2.2 转移信道结构6.2.3 通道的横向限制6.2.4 输入结构6.2.5 输出结构6.3 CCD的主要特性6.4 电荷耦合成像器件6.4.1 线阵电荷耦合成像器件6.4.2 面阵电荷耦合成像器件（ACCID）6.4.3 两种面型结构成像器件的比较6.4.4 扫描方式与读出转移动作6.5 彩色CCD成像器件6.5.1 彩色摄像器件6.5.2 数码相机6.6 CMOS型成像器件的像素构造6.6.1 PN结光电二极管方式6.6.2 光电门+FD方式6.6.3 掩埋型光电二极管+FD方式6.7 cMOS成像器件的彩色像素6.8 CM（）S与CCD图像器件的比较第7章致冷型红外成像器件7.1 SPRITE红外探测器7.1.1 碲镉汞的性质7.1.2 SPRITE探测器的工作原理与结构7.1.3 SPRITE探测器的响应率7.2 红外焦平面阵列的结构和工作原理7.2.1 红外探测的原理7.2.2 红外焦平面阵列特点7.2.3 红外焦平面阵列的材料7.2.4 混合式IRFPA之倒装式结构7.2.5 混合式IRFPA之Z平面结构7.2.6 单片式阵列之PtSi肖特基势垒IR.FPA 7.2.7 单片式阵列之异质结探测元IRFPA 7.2.8 单片式阵列之MIS像元IRFPA7.2.9 准单片式阵列结构7.3.IRFPA的性能参数17.3.1 光伏型红外探测器的电压响应率1 7.3.2 光伏型红外探测器的噪声和探测率7.3.3 光子探测器的背景辐射限制7.3.4 IRFPA的其他特性简述7.4 红外成像器件与材料的制备7.4.1 材料制备技术7.4.2 衬底的选择与制备7.4.3 PN结的制作第8章微测辐射热计红外成像器件8.1 热探测器的基本原理8.1.1 热探测器的基本原理8.1.2 热探测器的温度噪声限制8.2 微测辐射热计的工作原理8.2.1 微测辐射热计的工作模式8.2.2 微测辐射热计的工作原理8.3 微测辐射热计的结构8.4 微测辐射热计的响应率8.4.1 微测辐射热计热平衡方程8.4.2 无偏置的热平衡方程的解8.4.3 加偏置的热平衡8.4.4 V—I曲线的计算8.4.5 负载线8.4.6 带偏置的微辐射计的低频噪声8.4.7 微辐射计性能的数值计算8.5 微测辐射热计的噪声8.5.1 辐射计的电阻噪声8.5.2 偏置电阻的噪声8.5.3 热传导引起的温度噪声8.5.4 辐射噪声8.5.5 整个电噪声8.5.6 前置放大器噪声8.6 微辐射计信噪比8.6.1 噪声等效功率（NEP）8.6.2 噪声等效温差（NETD）8.6.3 探测率8.6.4 与理想辐射计相比较8.6.5 J0hnson噪声近似第9章热释电探测器和成像器件9.1 热释电探测器的基本原理9.1.1 热释电效应9.1.2 热释电探测器特性分析9.2 热释电材料和探测器9.2.1 热释电材料9.2.2 热释电探测器的结构形式9.2.3 热释电探测器的特点9.3 混合型热释电成像器件的设计9.3.1 热隔离以提高温度响应9.3.2 像素间热隔离以改进MTF 9.3.3 斩波器的结构9.4 单片热释电成像器件9.4.1 热释电薄膜材料9.4.2 隔离结构9.4.3 微机械加工传感器的制作流程设计9.4.4 热释电成像器件的集成电路第10章紫外探测与成像器件10.1 紫外光的特性10.1.1 紫外光波段的划分10.1.2 大气对紫外光的吸收10.1.3 紫外辐射源10.2 紫外成像器件概述10.3 紫外像增强器10.4 GaN的性质10.5 GaN和GaAIN材料的生长技术10.5.1 分子束外延10.5.2 有机金属化学气相沉积10.6 器件的制作10.7 紫外成像器件的基本结构10.7.1 PIN结构紫外探测器10.7.2 金属／（A1）GaN肖特基势垒结构10.7.3 ITO／N—GaN肖特基势垒结构10.7.4 金属一半导体一金属（MSM）紫外探测器第11章X射线探测与成像器件11.1 X射线的特性11.1.1 X射线的产生11.1.2 X射线透过和吸收特性11.1.3 X射线量的表征11.2 x射线探测与成像器件的分类11.2.1 X射线成像器件的分类11.2.2 X射线计算机断层扫描技术11.3 x射线成像器件系统的性能指标11.4 CSI／MCP反射式x射线光电阴极11.4.1 反射式X光阴极的物理过程11.4.2 反射式X光阴极的量子效率11.5 窗材料／阴极透射式X光阴极11.5.1 窗材料／阴极透射式X光阴极物理过程11.5.2 窗材料／阴极透射式X光阴极的量子效率11.6 x射线像增强器11.6.1 X射线像增强器的基本结构11.6.2 近贴型X射线像增强器11.7 x射线影像光电二极管阵列成像器件11.8 直接数字x射线影像器件11.8.1 动态成像的直接转换探测器的结构11.8.2 动态成像的直接转换探测器的工作原理11.8.3 直接转换成像器件的分辨本领11.8.4 动态成像的直接转换探测器的灵敏度参考文献。
光电探测器的性能与参数 ppt课件
D* D Af
1
(cm Hz 2 / W)
称为归一化探测度。
这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。
考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长 λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ, f ,Δf )。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
七、其它参数
光电探测器还有其它一些特性参数，在 使用时必须注意到，例如光敏面积，探测器 电阻，电容等。
特别是极限工作条件，正常使用时都不允 许超过这些指标，否则会影响探测器的正常 工作，甚至使探测器损坏。
通常规定了工作电压、电流、温度以及光 照功率允许范围，使用时要特别加以注意。
光敏电阻
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1探测器件热电探测元件光子探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管夜色降临海面上有一无形的视而不见触而不觉的哨兵红外激光探测器监视着海面当有不速之客到来光线挡断光电探测器探测不到激光而进行声光报警
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光电倍增管
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
4.2 光电探测器的性能参数
光电倍增管
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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PPT课件
.
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。
.
《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。
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2.1.1 PN结
❖ 当P型与N型半导体相接 触，电子和空穴相互扩 散在接触区附近形成空 间电荷区和耗尽层，结 区两边形成内建电场。
❖ 接触电势差UD取决于P 型和N型半导体的费米 能级EFp、EFn之差：
UD 1e(EFn EFp)
P
N
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
Ec
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。
P
N
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 光电流
(3) 光电导探测器为均质型探测器，均质型探测器的载流子驰 豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测 器响应速度快、频率响应特性好。
另外，雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增 益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。
势垒型光电探测器的应用非常广泛，广泛应用于光度测量、光 开关报警系统、光电检测、图象获取、光通讯、自动控制等方 面。
I1
EF
I0
加反向电场时 的势垒宽度
加反向电压的结构与能带
❖ 设扩散电流I1，一般都规定 PN结中的扩散电流方向为流 过PN结电流的正方向，即由 P区通过PN结指向N区，如 图2-3。反向饱和漂移电流I0， 与扩散电流方向相反，也称
反向电流。
❖
I1=I0eeU/kT
❖ 其中，k为波尔兹曼常数，T
为热力学温度。
外接电路短路时，流过电路的电流为短路时的光生电流，称Isc为 短路电流，短路电流在PN结中N→P（电流方向），在外回路中由
P→N。
❖ PN结在有光照的电流电压曲线， 与普通的二极管的电流电压特性 相区别:
❖ 相当于在回路中加了一个反向电 饱和电流 势，所以产生了光生伏特效应的 光电二极管的电流电压特性发生 光电流 了移动。
阵列式
激光 象限式
❖ 光电池的符号、连接电路
I
P
N
RL
I
Ip
Ij RL U
符号
连结电路
等效电路 用一个电流源与二极管并联
测量用的光电池
太阳能光电池
2.2.2 光电池的电流与电压
❖ PN结中有三种电流：扩散电流I1、漂移电流 I0、光生电流Ip
+ 光生电势 -
P
N
光生电流 漂移电流 扩散电流
RL
❖ 应用：应用于光能转换、光度学、辐射测量、光学计量和测 试、激光参数测量等方面。
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N结光电池的结构图
外电路电流
光照引起电压和势垒的变化
+ 产生电势 -
P
N
光生电流 漂移电流 扩散电流
外电路电流
结电流=扩散电流-漂移电流 IjI0 eeU /kTI0I0(eeU /kT 1 )
栅状
上电极 前极
SiO2保护膜
N
N-Si
P
P
P-Si
N
2DR
下电极Al 后极
2CR
受光表面上涂保护膜，减小反射损失，增加对入射光
的吸收，同时又可以防潮，防腐蚀如镀SiO2，MgF2。 上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小
串联电阻。
❖ 除典型结构型式的硅光电池以外，按不同用 途，还有些特殊的结构型式
Ec EFn
EFp
Ev
Ev
Ec
漂移
扩散
eUD
EF Ev
EF
漂移 扩散 内建电场E
PN结的单向导电性
外加电场 内建电场
P
N
+U EF
电流方向+
加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
I1 I0
不加电场时 的势垒宽度
❖ 加正向电压的结构与能带
外加电场 内建电场
P
N
电流方向不加电场时
-U 的势垒宽度
eUD e(UD+U)
❖ 根据所用结的种类的不同，可分为PN结型、PIN结 型、异质结型和肖特基结型等。
❖最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、 雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。
❖ 势垒型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别:
(1) 产生光电变换的部位不同。
(2) 光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压， 而结型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把 光信号变为电信号。
❖ 当I=0时，U=Uoc，即光生电势。
❖ 当U=0时，I= Isc，即光生电流。 比较图2-5的曲线Ⅰ和Ⅱ，随着 光照的增强，曲线向下移动，光 生电势和电流增加。
电流I
无光照 有光照Ⅰ 有光照Ⅱ
暗电流
电压U 开路光电压Uoc
短路光电流Isc
2.2 光电池
❖ 光电池是直接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势 垒的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电 池。
❖ 按用途分：太阳能光电池、测量光电池。
❖ 按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、 砷化镓光电池。
❖ 其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。
❖ 硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能 稳定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、能耐高温。
❖ 硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似。
N
电流方向+
加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
2.1.2 PN结光生伏特效应 光
Ec
Ec EFn
EFp
Ev
Ev
Ec
漂移
扩散
eUD
EF Ev
EF
漂移 扩散 内建电场E
Eg P
eUD EF
N
P PN结 内建电场
N
e(UD-U)
h
eU
h
外接电路开路时，光生载流子积累在PN结两侧，光生电压最大， 即光生电势Uoc，等于费米能级分开的距离，称Uoc为开路电压。
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
P
值，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。
+U
EF
电流I
无光照 有光照Ⅰ 有光照Ⅱ
暗电流
电压U 开路光电压Uoc
短路光电流Isc
外加电场 内建电场