光电探测器
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光探测器
蒋燕义
什么是光探测器？
物理量Βιβλιοθήκη Baidu
（可测量）
光
热量
光辐射探测器
电流
电压
光电探测器
光辐射探测器
• 又名“光热探测器”
晶格振动
光
热量
温度
光辐射探测器－特点
➢“慢热”——响应时间慢
最快只能响应到ns量级
➢“木讷”——灵敏度低 ✓“兼容性好”——响应波长范围广
光电探测器－特点
✓ 时间响应快 ✓灵敏度高 具有波长选择性
RV
VS P
RI
IS P
单位为V/W 单位为A/W
➢光谱响应 (spectral response) 特性
R
1
0.5
λ
λS
λP
λL
图2.1 探测器灵敏度的光谱响应
光探测器－参数
• 量子效率(Quantum Efficiency）
I /e P / h
单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比
3.噪声等效辐射照度 (Noise Equivalent Irradiance，NEI)
探测器的靶面积Ad
NEI
带宽 Δf
NEI NEP Ad
（单位为W/Hz1/2·cm-2）
光探测器－参数
4.探测率D (detectivity)
D 1 S / N 1 NEP P
单位为Hz1/2·W-1
量子效率 (峰值) 0.4% 15% 30% 25% 15% 12% 20% 20%
1.真空管光电探测器－种类
• 真空管光电二极管 • 光电倍增管 (photomultiplier tube 或简称：PMT) • 微通道光电倍增管
1.1真空管光电二极管
+ V
K：阴极 A：阳极
特点： 结构简单，灵敏度较低，可检测较强的光辐射信号，极间电容小，频率响应特 性较快
光探测器－参数
✓响应光谱 ✓频谱响应 ✓噪声
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
白噪声
热噪声均方振幅电压值：
Vn2 4kBTRfn
k 为玻尔兹曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻阻值，Δfn为测试系统等效噪声带宽
电流均方值：
in2
4kBT fn R
光探测器－参数
4.比探测率D*
D*
Ad f
1 2
NEP
（单位为 cm·Hz1/2·W-1）
光探测器－参数
5.截止频率(cut-off frequency, fC)
表征它对入射光功率随时间变化的响应
R(f) 1
0.707
R1 C
R2 Vs
fC
f
图2.3 探测器的频率响应
1T
Vmax = c
it
0
dt
1. 阴极灵敏 度：阴极 电流与照 射到阴极 上的光通 量之比
1.2光电倍增管
主要指标：
2. 阳极灵敏度： • 阳极输出电流
与光的散粒噪声 的关系？
求入射光为nW 量级时的噪声大 小？（0.5A/W， R=50Ω，带宽 300kHz）
光探测器－噪声
3.闪烁噪声 (flicker noise)
器件内部的低频噪声
闪烁噪声的电流有效值：
I f AI S 2f n / f
A为与探测器有关的系数 Is 为流过探测器的总直流电流 功率谱密度＝1/f，因此经常被称为1/f噪声
1.真空管光电探测器
• 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应
光电阴极材料
• 光吸收系数大 • 传输能量损失小 • 光电子逸出功低
探测器窗口 • 透过率大
光电阴极材料
光电阴极
银氧铯Ag-O-Cs 单碱型Sb-Cs
双碱型Cs-K-Sb 多碱型Cs-Na-K-Sb
日盲型Cs-Te 日盲型Cs-I 半导体型GaAs-Cs2O 半导体型InAsP-Cs2O
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
电阻中自由电子的热运动，白噪声？
热噪声均方振幅电压值： Vn2 4kBTRfn
k 为玻尔兹曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻阻值，Δfn为测试系统等效噪声带宽
热噪声的功率谱密度： S ( f ) 4kBTR
如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率 为多少(光波长为1um)？
光探测器－参数
2.噪声等效功率（NEP）
• 信噪比: SNR
信号的峰值和噪声的有效值(√带宽)之比
• NEP
NEP
P
S / N 1/ Hz
单位为W/Hz1/2
表征探测器的噪声电平和探测器对微弱光信号的探测能力
光探测器－参数
S的单位（物理量纲）是什么？室温下热噪 声的功率谱密度大概在什么量级（R=50Ω）？
光探测器－噪声
2.散粒噪声(shot noise)
电荷载流子的起伏称为散粒噪声，白噪声
散粒噪声功率谱密度：
Si ( f ) 2eI S
e 为电子电荷， Is为探测器的光生电流 散粒噪声的电流有效值：
电压有效值:
I shot 2eI S f n VShot 2eI S R 2 f n
由于光电倍增管制作工艺的成熟以及半导体光电探测器的发展，真空管光电二极 管已可以被这些器件所取代。
1.2光电倍增管
真空管光电二极管 + 电子倍增系统
阳极电流 Ia 为： I a I k n
Ik 为光电阴极发射的光电流，δ为倍增级的二次电子发射系数； n为PMT中倍增级的级数
1.2光电倍增管
主要指标：
光电探测器－分类
光导器件
内光电
光
电
光伏器件
探
测
器
电子逸出
外光电
光真空器件
外光电效应－原理
• 爱因斯坦的光电效应定律
Ek h E p
光电子离开探测 入射光 器靶面后的动能 子能量
探测器 材料逸 出功
• 截止频率或截止波长
C
Ep h
C
hc Ep
光探测器－参数
1. 灵敏度（sensitivity）
峰值波长 (nm)
750-800 340-400 330-420 330-640 170-210 120-140
850 400
波长极限 (nm) 1200 700 700 900 320 200 930 1100
阴极灵敏度 (mA/W) 2-3 20-50 30-90 20-60 20-30 15-20 50-70 40-50
光探测器－噪声
4.产生-复合噪声
光电导探测器中的激发载流子是电子-空穴对，它们的产 生和复合都是按照散粒噪声的规律随机起伏的
噪声的噪声电流和电压的有效值：
I gr 4eI d M 2f n Vgr 4eI d M 2 R 2f n
Id为探测器的暗电流，M为探测器的内增益
种类
• 真空管光电探测器（PMT等） • 半导体光电探测器 • 热电探测器 • 多通道探测器、成像器件
蒋燕义
什么是光探测器？
物理量Βιβλιοθήκη Baidu
（可测量）
光
热量
光辐射探测器
电流
电压
光电探测器
光辐射探测器
• 又名“光热探测器”
晶格振动
光
热量
温度
光辐射探测器－特点
➢“慢热”——响应时间慢
最快只能响应到ns量级
➢“木讷”——灵敏度低 ✓“兼容性好”——响应波长范围广
光电探测器－特点
✓ 时间响应快 ✓灵敏度高 具有波长选择性
RV
VS P
RI
IS P
单位为V/W 单位为A/W
➢光谱响应 (spectral response) 特性
R
1
0.5
λ
λS
λP
λL
图2.1 探测器灵敏度的光谱响应
光探测器－参数
• 量子效率(Quantum Efficiency）
I /e P / h
单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比
3.噪声等效辐射照度 (Noise Equivalent Irradiance，NEI)
探测器的靶面积Ad
NEI
带宽 Δf
NEI NEP Ad
（单位为W/Hz1/2·cm-2）
光探测器－参数
4.探测率D (detectivity)
D 1 S / N 1 NEP P
单位为Hz1/2·W-1
量子效率 (峰值) 0.4% 15% 30% 25% 15% 12% 20% 20%
1.真空管光电探测器－种类
• 真空管光电二极管 • 光电倍增管 (photomultiplier tube 或简称：PMT) • 微通道光电倍增管
1.1真空管光电二极管
+ V
K：阴极 A：阳极
特点： 结构简单，灵敏度较低，可检测较强的光辐射信号，极间电容小，频率响应特 性较快
光探测器－参数
✓响应光谱 ✓频谱响应 ✓噪声
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
白噪声
热噪声均方振幅电压值：
Vn2 4kBTRfn
k 为玻尔兹曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻阻值，Δfn为测试系统等效噪声带宽
电流均方值：
in2
4kBT fn R
光探测器－参数
4.比探测率D*
D*
Ad f
1 2
NEP
（单位为 cm·Hz1/2·W-1）
光探测器－参数
5.截止频率(cut-off frequency, fC)
表征它对入射光功率随时间变化的响应
R(f) 1
0.707
R1 C
R2 Vs
fC
f
图2.3 探测器的频率响应
1T
Vmax = c
it
0
dt
1. 阴极灵敏 度：阴极 电流与照 射到阴极 上的光通 量之比
1.2光电倍增管
主要指标：
2. 阳极灵敏度： • 阳极输出电流
与光的散粒噪声 的关系？
求入射光为nW 量级时的噪声大 小？（0.5A/W， R=50Ω，带宽 300kHz）
光探测器－噪声
3.闪烁噪声 (flicker noise)
器件内部的低频噪声
闪烁噪声的电流有效值：
I f AI S 2f n / f
A为与探测器有关的系数 Is 为流过探测器的总直流电流 功率谱密度＝1/f，因此经常被称为1/f噪声
1.真空管光电探测器
• 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应
光电阴极材料
• 光吸收系数大 • 传输能量损失小 • 光电子逸出功低
探测器窗口 • 透过率大
光电阴极材料
光电阴极
银氧铯Ag-O-Cs 单碱型Sb-Cs
双碱型Cs-K-Sb 多碱型Cs-Na-K-Sb
日盲型Cs-Te 日盲型Cs-I 半导体型GaAs-Cs2O 半导体型InAsP-Cs2O
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
电阻中自由电子的热运动，白噪声？
热噪声均方振幅电压值： Vn2 4kBTRfn
k 为玻尔兹曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻阻值，Δfn为测试系统等效噪声带宽
热噪声的功率谱密度： S ( f ) 4kBTR
如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率 为多少(光波长为1um)？
光探测器－参数
2.噪声等效功率（NEP）
• 信噪比: SNR
信号的峰值和噪声的有效值(√带宽)之比
• NEP
NEP
P
S / N 1/ Hz
单位为W/Hz1/2
表征探测器的噪声电平和探测器对微弱光信号的探测能力
光探测器－参数
S的单位（物理量纲）是什么？室温下热噪 声的功率谱密度大概在什么量级（R=50Ω）？
光探测器－噪声
2.散粒噪声(shot noise)
电荷载流子的起伏称为散粒噪声，白噪声
散粒噪声功率谱密度：
Si ( f ) 2eI S
e 为电子电荷， Is为探测器的光生电流 散粒噪声的电流有效值：
电压有效值:
I shot 2eI S f n VShot 2eI S R 2 f n
由于光电倍增管制作工艺的成熟以及半导体光电探测器的发展，真空管光电二极 管已可以被这些器件所取代。
1.2光电倍增管
真空管光电二极管 + 电子倍增系统
阳极电流 Ia 为： I a I k n
Ik 为光电阴极发射的光电流，δ为倍增级的二次电子发射系数； n为PMT中倍增级的级数
1.2光电倍增管
主要指标：
光电探测器－分类
光导器件
内光电
光
电
光伏器件
探
测
器
电子逸出
外光电
光真空器件
外光电效应－原理
• 爱因斯坦的光电效应定律
Ek h E p
光电子离开探测 入射光 器靶面后的动能 子能量
探测器 材料逸 出功
• 截止频率或截止波长
C
Ep h
C
hc Ep
光探测器－参数
1. 灵敏度（sensitivity）
峰值波长 (nm)
750-800 340-400 330-420 330-640 170-210 120-140
850 400
波长极限 (nm) 1200 700 700 900 320 200 930 1100
阴极灵敏度 (mA/W) 2-3 20-50 30-90 20-60 20-30 15-20 50-70 40-50
光探测器－噪声
4.产生-复合噪声
光电导探测器中的激发载流子是电子-空穴对，它们的产 生和复合都是按照散粒噪声的规律随机起伏的
噪声的噪声电流和电压的有效值：
I gr 4eI d M 2f n Vgr 4eI d M 2 R 2f n
Id为探测器的暗电流，M为探测器的内增益
种类
• 真空管光电探测器（PMT等） • 半导体光电探测器 • 热电探测器 • 多通道探测器、成像器件