第六章 光电探测器
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第六章 光电探测器
0 hc / Eg
0 hc / Ei
21
光电导探测器件
利用光电导效应的半导体材料以光敏电阻应用最为广泛。
（1）硫化镉CdS和硒化镉CdSe 光敏电阻 硫化镉和硒化镉 （CdS和CdSe） 是可见光区用得较多的两种光敏 电阻。CdS光敏电阻的峰值波长 很接近人眼最敏感的555nm波长， 可用于视觉亮度有关的测量和底 片曝光方面的测量。
特点：响应度高；缺点：受单晶大小的限制，受光面积小，响应时间与光照强度 有关，随着光照强度减弱响应时间增加。
22
（2）硫化铅PbS和硒化铅
PbSe光敏电阻 为多晶薄膜型
23
➢ 硫化铅PbS和硒化铅PbSe光敏电阻特性
为多晶薄膜型光敏电阻
m
PbS光敏电阻响应波长范围为1.0~3.5μm
峰值响应波长为2.4 μm，低温
器件等
2
6.1 光电探测器的特性参数
量子效率: 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。
描述光电器件 光电转换能力
I＝P＝ e P h
＝ Ihv ep
单位时间入射到探测器表面的光子 单位时间内被光子激励的光电子数。
特定波长下，单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入射到探测器 表面的光子数之比
14
（2） 光电倍增管
➢ 结构和工作原理
• 由光电阴极、倍增极、阳极和真空管壳组成。图中K是光电阴极，D是倍增极, A是阳 极。U是极间电压，称为分级电压；分极电压为百伏量级，分级电压之和为总电压， 总电压为千伏量级。从阴极到阳极，各极间形成逐级递增的加速电场。
➢ 特点：
灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小，但结构复杂、工作电压高、体积大。电 流放大元件，具有较高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测。
光电信号检测光电探测器概述概要课件
光电探测器广泛应用于光通信、光谱分析、环境监测、生物医学 等领域，是光电信号检测中的关键器件。
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。
THANK YOU
感谢聆听
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。
03
•·
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。
THANK YOU
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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。
03
•·
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。
光电探测器的设计与应用
光电探测器的设计与应用光电探测器是光电传感技术的重要组成部分，它可以将光信号转化成电信号，广泛应用于光通信、光电测量、光学成像等领域。
本文将从光电探测器的基本原理、设计方法和应用领域三个方面探讨其技术特点和未来发展趋势。
一、光电探测器的基本原理光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件。
其中，光电流是探测器检测到的信号，它的大小取决于光功率和器件特性。
光电探测器的基本原理是利用半导体材料在光照射下的光电效应产生光电流，从而实现光信号的检测。
在实际应用中，光电探测器常常和光源、光导纤维等光学元件配合使用，完成光通信、光电测量、光学成像等任务。
光电探测器的主要性能指标包括响应速度、响应度、线性度、灵敏度、噪声等。
其中，响应速度是指探测器对光信号快速响应的能力，通常用时间常数来表示；响应度是指探测器对光功率的敏感程度，通常用单位光功率产生的电信号来表示；线性度是指探测器对入射光功率的响应是否呈线性关系，通常用线性度系数来表示；灵敏度是指探测器对入射光功率单位的响应电流，通常用单位光功率产生的电流信号来表示；噪声是指探测器在不存在光信号时输出的电流信号，通常用暗电流来表示。
二、光电探测器的设计方法光电探测器的设计主要涉及到半导体器件制备、光学和电学性能优化等方面。
其中，半导体器件制备是光电探测器设计的关键技术之一。
现代光电探测器主要应用半导体光电二极管和光电晶体管作为探测元件。
在制备过程中，要根据不同半导体材料的特性选择合适的工艺参数，以保证器件性能。
同时，光学和电学性能优化也是光电探测器设计的重要环节。
光学性能包括反射率、折射率、发射率等，可以通过防反射膜、铝化、电镀等技术手段来实现；电学性能包括系数、漏电流等，可以通过器件结构优化、工艺控制等手段来实现。
此外，针对不同的应用场景，光电探测器的设计也有一定的差异。
例如，在光通信中，高响应速度、低噪声、高灵敏度等是优良的性能指标；而在光学成像中，高分辨率、高信噪比、宽动态范围等是关键的指标。
《光电探测器》PPT课件
t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间
t ，耗尽层中漂移时间 diff
dr
和耗尽层电容C与负载电阻R之乘积所决定的RC时间常数。
2021/4/24
28
8.3光敏二极管
6、光敏二极管的一般特性 c、噪声特性 噪声源：热噪声、散粒噪声 热噪声-主要负载； 散粒噪声-信号光电流，背景光电流，反向饱和电流
2021/4/24
8
8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
2021/4/24
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
2021/4/24
11
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
2021/4/24
16
8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体
中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很
多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味
着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且，
光电探测器简介演示
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。
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 探 测 器ppt课件
*
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
光电探测器的性能参数
光电探测器的应用领域包括通 信、医疗、军事等
光电探测器的分类包括光电二 极管、光电三极管、光电倍增 管等
光电探测器的分类
按照工作原理分 类：光电管、光 电倍增管、光电 二极管、光电三 极管等
按照响应波长分 类：紫外探测器、 可见光探测器、 红外探测器等
按照响应速度分 类：慢速探测器、 快速探测器、超 高速探测器等
技术更新：光电探测器技术不 断更新，需要不断研发新产品
法规限制：法规限制光电探测 器的应用范围，需要寻找新的
应用领域
环保要求：环保要求不断提高， 需要研发环保型光电探测器
应用挑战
提高灵敏度：提 高光电探测器的 灵敏度，以适应 更广泛的应用领 域
降低功耗：降低 光电探测器的功 耗，以延长其使 用寿命和降低成 本
噪声功率
影响因素：光 电探测器的灵 敏度、噪声系
数、带宽等
测量方法：通 过测量光电探 测器的输出信 号与噪声信号 的比值来计算
应用：在光电探 测系统中，噪声 等效功率是评估 探测器性能的重
要指标之一
探测率
探测率是指光电探测器在单位时间内接收到的光子数 探测率与光电探测器的灵敏度、响应时间、噪声等因素有关 探测率是衡量光电探测器性能的重要参数之一 提高探测率可以提高光电探测器的探测效率和精度
提高稳定性：提 高光电探测器的 稳定性，以适应 各种恶劣环境
提高集成度：提 高光电探测器的 集成度，以实现 更小型化和便携 化的应用
感谢您的观看
汇报人：XX
工业测量：用于 测量温度、压力、 流量等工业参数
工业检测：用于 检测产品质量、 缺陷等
医疗领域
生物医学研究：用于细胞、 组织、器官的成像和检测
医疗影像诊断：用于X射线、 CT、MRI等设备的成像
光电探测器
N Q(t) / h
15
而入射的瞬时光辐射能量为：
Q(t) t0t P(t)dt t0
式中，P(t)是光辐射的瞬时功率。 一般来说，它是一个随机量，如果P(t)在观察时间t内没
有明显的改变，则W(t)P(t) t。由此可得光电探测器输出
的平均光电流表达式：
IP
eK 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
截止波长，超过该波长，器 件无响应。
光到远红外的各种波长的辐
射同样敏感
响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒 需要的时间短， 一般为纳 秒到几百微秒
6
二、光电探测器原理
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
7
二、光电探测器原理
➢ 光电探测器利用材料的光电效应制成。 ➢ 在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光
段各类常用光电探测器工作原理和结构又可分类如下：
光电管
光电倍增管
真空光电器件 真空摄象管
变象管
象增强器
光敏电阻
光电探测器
光电池
光电二极管
光电三极管
光电耦合器
固体光电器件 光中断器
位置传感器PSD
电荷耦合器件CCD
自扫描光电二极管
列阵SSPD 5
光检测器件的特点
光电器件
热电器件
响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见
基本定律。
16
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
15
而入射的瞬时光辐射能量为：
Q(t) t0t P(t)dt t0
式中，P(t)是光辐射的瞬时功率。 一般来说，它是一个随机量，如果P(t)在观察时间t内没
有明显的改变，则W(t)P(t) t。由此可得光电探测器输出
的平均光电流表达式：
IP
eK 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
截止波长，超过该波长，器 件无响应。
光到远红外的各种波长的辐
射同样敏感
响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒 需要的时间短， 一般为纳 秒到几百微秒
6
二、光电探测器原理
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
7
二、光电探测器原理
➢ 光电探测器利用材料的光电效应制成。 ➢ 在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光
段各类常用光电探测器工作原理和结构又可分类如下：
光电管
光电倍增管
真空光电器件 真空摄象管
变象管
象增强器
光敏电阻
光电探测器
光电池
光电二极管
光电三极管
光电耦合器
固体光电器件 光中断器
位置传感器PSD
电荷耦合器件CCD
自扫描光电二极管
列阵SSPD 5
光检测器件的特点
光电器件
热电器件
响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见
基本定律。
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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
第6章_光电系统设计PPT课件
图6-2频率响应特性
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，为充分利用光能， 要求：光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，为充分利用光能， 要求：光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。
光电探测器的原理
光电探测器的原理
光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件，它在光
电通信、光电传感、光学测量等领域发挥着重要作用。
其工作原理
主要基于光电效应和半导体器件的特性。
光电效应是光电探测器能够实现光电转换的基础。
当光线照射
到半导体材料表面时，光子能量被吸收，激发了材料内部的电子，
使其跃迁到导带中，从而产生了电子空穴对。
这些电子空穴对会在
材料内部扩散，最终形成电流。
这种通过光子激发产生电子空穴对
的过程就是光电效应。
在光电探测器中，半导体材料扮演着至关重要的角色。
常见的
半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。
这些材料具有良好的光电特性，能够高效地将光信号转换为电信号。
此外，光电探测器中的半导体
材料通常会被掺杂，形成P型和N型半导体，以产生PN结构。
当光
子照射到PN结上时，会产生光生载流子，从而形成电流。
这种PN
结的结构使得光电探测器具有了很高的灵敏度和响应速度。
除了光电效应和半导体材料的特性外，光电探测器的工作原理
还与光电探测器的结构密切相关。
光电探测器的结构通常包括光电
转换单元和信号处理单元。
光电转换单元负责将光信号转换为电信号，而信号处理单元则负责放大、滤波、数字化等处理，以提高信号的质量和适应不同的应用场景。
总的来说，光电探测器能够实现光信号到电信号的转换，其工作原理主要基于光电效应和半导体材料的特性。
通过合理的结构设计和信号处理，光电探测器能够实现高灵敏度、高响应速度和稳定的光电转换效果，广泛应用于光通信、光传感、光学测量等领域，为人们的生活和工作带来了诸多便利。
《光电探测器》课件
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2. 启动测试程序，记录光电探测器的响应速度、信噪比 、光谱响应等参数。
在此添加您的文本16字
3. 根据需要，可调整光源的波长和强度，重复上述测试 步骤，以获得不同条件下的性能参数。
在此添加您的文本பைடு நூலகம்6字
4. 在测试过程中，需保持测试环境的稳定，避免外界干 扰对测试结果的影响。
详细描述
光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件，其工作原理基于光子与 物质的相互作用。根据工作原理和应用需求，光电探测器可分为结型光电探测 器、光电二极管、光电晶体管、光电倍增管等类型。
光电探测器的工作原理
总结词
光电探测器利用光子与物质相互作用产生电子-空穴对，通过 收集这些电子-空穴对并转换为电信号实现光信号的探测。
光电探测器的制造工艺
薄膜沉积技术
通过物理或化学方法在衬底上 沉积光电材料薄膜。
光刻技术
利用光敏材料和化学反应将掩 膜上的图形转移到衬底上。
刻蚀技术
通过物理或化学方法将衬底表 面不需要的部分去除。
掺杂技术
通过化学或物理方法将杂质引 入到材料中，以改变材料的电
学性质。
光电探测器的封装技术
芯片级封装
将单个或多个光电探测器芯片封装在一个小 型封装内，以便于集成和使用。
响应速度
光电探测器对光信号的反应速度，通 常以ns或μs为单位表示。
噪声等效功率（NEP）
噪声等效功率
表示光电探测器输出端信噪比为1时 所需的入射光功率，通常以W为单位 表示。
噪声来源
主要包括暗电流、热噪声和散粒噪声 等。
探测率与比探测率
探测率
表示光电探测器在单位时间内对单位光功率的光信号产生响应的概率。
光 电 探 测 器
为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半 导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光 的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表 示为 ： PW P 1 e W
0
P0为入射光功率； α (λ)材料的吸收系数，其大小与材料 性质有关，且是波长的函数。通常使用的PIN光电二级管 半导体材料。不同材料适用于不同的波长范围。当工作 波长比材料的带隙波长 λC=1.24/Eg(μm)长时，吸收系数 急剧减小。 为获得最佳的转换效率——量子效率及低的暗电流(它随 带隙能量的增加按指数减小)，理想光电二极管材料的带 隙能量Eg应略小于与最长工作波长相对应的光子能量。 在0.85μm短波长区，Si是最优选材料，截止波长1.09μm， 吸收系数a(λ)≈600cm-1，穿透深度17μm。 在长波长区，Ge和InGaAs合金可选用为 光电二极管材料。
1 exp W
W
1, 1
W ,
但是W 增大时，产生的电子空穴对要花较长 的时间才能到达结边被收集，这样又降低了光 检测器的响应速度。
1.0
• 对于波长的限制：
0.8 70% Si 0.6 50% Ge 0.4 30% InGaAs
hc c Eg
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P+和N+掺杂浓度很高。 且I层很厚，约有 5~5 0μm，吸收系数 很小，入射光很容易进 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对,因而大幅度提高
P+ Ⅱ(N)
N+
电极
E
PIN光电二极管结构
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。
.
《光电探测器概述》课件
光电探测器概述
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。
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。
光电仪器原理与设计第6章光电探测器课件
• 光电倍增管特点
✓ 响应速度快 ✓ 响应度极高 ✓ 稳定度线性度较好
光电倍增管的应用
单光子探测技术 正电子发射断层扫描仪PET 紫外/可见/近红外光光度计 发光分光光度计
23
内光电效应原理
• 当光照射某种物质时，若入射光子能量足够大，和物质中 的电子相互作用，受激发产生的自由电子仍留在物体内部， 导致物体导电性加强、出现电势差或产生其他效应
• 取不同的参数为参变量可得到
✓ 伏安特性，灵敏度/响应度，光谱灵敏度，幅频特性等
17
第二节 光电探测器的工作原理与分 类
• 客观光探测原理的分类
✓ 光照后探测器材料产生物理或化学变化 ✓ 光子效应：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。对光波频率有选择性。响应速度一般较快。 • 外光电效应：光电子发射、光电子倍增 • 内光电效应：光电导、光生伏特效应等
✓ 这样如光电管（灵敏度低）、光敏电阻（线性度差）、光电池 （响应速度慢）之类的器件难以满足要求。其它如光电倍增管、 雪崩光电二极管虽然有优越的探测性能，尤其是灵敏度极高，但 本系统是常规激光光强探测，没有微弱信号探测方面的需求，没 有必要选用这两种器件。
(l)
e
Pel d l
e
l Pel d l
R(l)hc el
✓ h：普朗克常量h，c：光速，e：电hc子电量
13
光电特性——噪声等效功率
• NEP（noise equivalent power）
✓ 指明器件可检测的最小辐射功率 ✓ 探测器输出信号电压的有效值Vs等于噪声均方根电压值Vn时，对
应的入射光功率（单位：W）
19
外光电效应器件——光电管
• 光电管（photocell）
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f [ AV ( f ) / AV ]2 df
0
1 2 AV
0
2 AV ( f )df
(6-19)
16
设有一低通型电压放大器如图，它由电压放大倍数AV=50的放大器 与RC低通滤波器组成，其放大倍数的频率响应为 AV ( f ) AV /(1 jCR)
该复数的模AV(f)为
8
6.1.2 主要的噪声类型
1. 电阻热噪声（Thermal noise）
当电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下，自由电子的热运 动形成起伏变化的噪声电流。大小与极性随机变化，且长时间的平 2 均值等于零。常用噪声电流的均方值I nT 表示
2 I nT
4kT f R
(6-4)
I nT (
4kT f 1 / 2 ) R
(6-5)
式中 R——所讨论元件的电阻值； k——玻尔兹曼常数，k=1.3806505×10-23 J/K ； T—— 电阻所处环境的绝对温度； f——所用测量系统的频带宽度。
9
图6-1 电阻热噪声
图6-2 电阻热噪声的等效电路
10
2. 散弹噪声（Shot noise）
28
6.2 前置放大器
1. 输出信号较强时，前置放大器及后续放大器的设计 主要考虑：增益、带宽、阻抗匹配和稳定性。
2. 输出信号弱时，应主要考虑抑制噪声。
图6-16 探测器与偏置电路的等效
29
1. 前置放大器设计的大致步骤
（1）测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻Rs； （2）从噪声匹配原则出发， 选择前置放大器第一级的管型，
(6-21)
对应总输入噪声为
2 2 RL / AV Eni 4kTReqf 4kT (Ri Req )f
19
3. 等效噪声温度 这是一种将各噪声等效为放大器输入源电阻因等效 升温而附加热噪声的方法。Ri为源电阻，用Ri的热噪声 表示输入源的噪声
2 EnT 4kT0 Rs f
第6章 光电信号的变换 及检测技术
本章的主要内容
6.1 光电信号检测电路的噪声 6.2 前置放大器
6.3 常用电路介绍 6.4 光电技术中的调制技术
2
光电检测系统组成
光电检测系统组成
第6章 光电信号的 变换及检测技术
3
信号处理的重要性！
理想白光干涉信号 探测器接 测量
处理后
4
6.1光电检测电路的噪声
恒流等效 噪声源
图6-9 三极管噪声等效电路
24
2. 半导体三极管的噪声系数
在所考虑的频带范围内，如果 噪声频谱是均匀的，三极管噪 声系数为：
输入信号 源电阻 输入信号 源电压 恒流等效 噪声源
基区电阻
恒压等效 噪声源
2 2 En In ( Rs rbb ) 2 F 1 2 Ens
E 4kTn Rs f 是Rs热噪声的均方值。 式中，
AV ( f )
所以
1 f 2 AV
AV 1 (CR)2
2 V
图6-5 低频放大器
0
1 2500 A (f) df 2 0 2500 1 ( wCR )
d ( wCR ) df 1 0 1 ( wCR ) 2 2 CR 0 1 ( wCR ) 2 1 fH 2 CR 2 2 1 式中，fH= 2CR为低通放大器的三分贝频率。
2 In 4qI( / c )f
(6-13)
该式与散弹噪声表达式相类似，可认为是近似的白噪声。
13
5. 温度噪声
这是热敏器件因其温度起伏所引起的噪声，该噪声用温度 起伏的均方值表示
4kT 2 f T GQ (1 w2 2 ) 式中 k一波尔兹曼常数； T—热敏器件的绝对温度； GQ—器件的热导。
带通型网络中等效带 宽的物理意义
15
系统的等效噪声带宽还可以用调制传递函数He(f)来表示
f D( f ) H e2 ( f )df
0
(6-18)
对于白噪声来说D(f)＝1，所以有
f H e2 ( f )df
0
对于一个电压放大电路有 H e ( f ) AV ( f ) / AV 式中，AV(f)电路电压放大倍数的频率响应；AV:中心频率或零频时的 电压放大倍数。 于是有
图6-6 放大器等效噪声电阻
来等效放大器的噪声，负载电阻 用电阻的热噪声 Req 2 2 2 RL的热噪声为 EnL 0 4kTRL f 等效到输入端 EnL 0 4kT ( R1 / A V )f
2 R / A 对应等效电阻为 1 。 V
总等效电阻:
2 RL / AV Req Ri Req
式中,T0为参考温度(工作室温)。
图6-7 放大器等效噪声温度
20
假设放大器的噪声也等效到电阻RS上，相当 于附加一个温差Teq在RS产生的热噪声,把Teq叫作 等效噪声温度。于是等效在输入端的总噪声为
2 Eni 4kT0 Rs f 4kTeq Rs f
4k (T0 Teq ) Rs f
本节包括以下几部分内容：
6.1.1 噪声的分类及性质 6.1.2 主要的噪声类型 6.1.3 噪声等效参量 6.1.4 前置放大器的噪声
5
为什么要研究噪声？
任何虚假的和不需要的信号称为噪声。 噪声总是伴随着测量信号存在 测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的 过程
6
6.1.1 噪声的分类及性质
外部干扰噪声:人为造成的和自然造成的干扰。 内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。 2 噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值 E n2 、 表示， In 2 有时简化为 En2 、 。而噪声电压或噪声电流的均方根值则可用 I n In 和 En表示。 固有噪声是随机过程，噪声电压的瞬时值可取不同值E1， E2， …Ei，而对应出现的概率P(E1)，P(E2)，…，P(Ei)，…，其 分布规律符合高斯分布。n次采样的算术平均值E为
Nn F 1 N io
(6-29)
23
2. 半导体三极管的噪声系数
如何选择信号源电阻使半导体 三极管的噪声系数最小？ 半导体三极管的噪声主要包括 散弹噪声、分配噪声、热噪声 和1/f(闪烁)噪声。
基区电阻
恒压等效 噪声源
输入信号 源电阻 输入信号 源电压
恒压等效噪声源：基区电阻热噪声和分配噪声 恒流等效噪声源：发射结的散弹噪声和分配噪声 分配噪声只存在于三极管中，是由于基区载流子 的复合率有起伏，使得集电极电流和基极电流的 分配有起伏，从而使集电极电流产生起伏。
E [E1 E2 Ei En ] / n
(6-1)
7
均方值为
2 [(E1 E )2 (E2 E)2 (En E)2 ] / n
(6-2)
概率分布函数P(E)为
1 (E E)2 P( E ) exp 26-7 放大器等效噪声温度
21
6.1.4 前置放大器的噪声 1. 噪声系数(F , noise factor) –输入信噪比与输出信噪比的比值
Rs是信号源内阻；Es是信号源电动势；RL是输出负载；Pi ，P0分别 是输入、输出的信号功率；Ni是加到输入端的噪声功率；No是输 出端的总噪声功率；于是噪声系数可定义为
图6-9 三极管噪声等效电路
Rs Rcopt En / I n
要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三 极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！ 26
2. 半导体三极管的噪声系数
要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三 极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！
OP27运算放大器的性能参数表
图6-17 选用第一级放大器件的准则
（3）在管型选定后，第一，二级应采用噪声尽可能低的器件， 按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点，并进行工作频率， 带宽等参量的计算及选择。
30
2. 放大器设计中频率及带宽的确定
(6-20)
17
2. 等效噪声电阻
各种噪声可能不属于同一起因与类型，但是 为了计算和分析的方便，可以用一个电阻的热噪 声来等效，称为等效噪声电阻。 图示的典型放大器，其噪声可由三部分组成， 即输入电阻Ri的热噪声；放大器噪声和负载电阻 RL的噪声。
图6-6 放大器等效噪声电阻
18
2. 等效噪声电阻
1
1 噪声的电流均方值与电路频率f成反比，所以称之为 f 噪声，它不为 f
白噪声，噪声功率谱集中在低频，有时又称其为低频噪声。
12
4. 产生–复合噪声(g—r噪声，GenerationRecombination noise )
光电导探测器因光(或热)激发产生载流子和载流子复合(或 寿命)这两个随机性过程，引起电流的随机起伏形成产生–复合 噪声。该噪声的电流均方值为 4qI ( / c )f 2 In (6-12) 1 4 2 f 2 2 式中 I——流过光电导器件的平均电流； ——载流子的平均寿命； e——载流子在光电导器件两电极间的平均漂移时间； F——测量电路的带宽。 产生–复合噪声与频率f有关，属于非白噪声。但在相对低频的条件 下，即 4 2 f 2 2 1时，公式可简化为
11
3.
1 f
噪声（Flicker noise）
又称闪烁噪声，它也是元器件中的一种基本噪声，通常是由元 器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的。在探测器、电阻、晶 体管及电子管中均有这类噪声。 1 k1 I f 2 噪声有以下经验公式： I n (6-10) f f 式中：k1——与元件有关的参数； ——与流过元器件电流有关的常数，通常取＝2 ——与元器件材料性质有关的系数，约在0.8~1.3之间，常取 ＝1。
0
1 2 AV
0
2 AV ( f )df
(6-19)
16
设有一低通型电压放大器如图，它由电压放大倍数AV=50的放大器 与RC低通滤波器组成，其放大倍数的频率响应为 AV ( f ) AV /(1 jCR)
该复数的模AV(f)为
8
6.1.2 主要的噪声类型
1. 电阻热噪声（Thermal noise）
当电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下，自由电子的热运 动形成起伏变化的噪声电流。大小与极性随机变化，且长时间的平 2 均值等于零。常用噪声电流的均方值I nT 表示
2 I nT
4kT f R
(6-4)
I nT (
4kT f 1 / 2 ) R
(6-5)
式中 R——所讨论元件的电阻值； k——玻尔兹曼常数，k=1.3806505×10-23 J/K ； T—— 电阻所处环境的绝对温度； f——所用测量系统的频带宽度。
9
图6-1 电阻热噪声
图6-2 电阻热噪声的等效电路
10
2. 散弹噪声（Shot noise）
28
6.2 前置放大器
1. 输出信号较强时，前置放大器及后续放大器的设计 主要考虑：增益、带宽、阻抗匹配和稳定性。
2. 输出信号弱时，应主要考虑抑制噪声。
图6-16 探测器与偏置电路的等效
29
1. 前置放大器设计的大致步骤
（1）测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻Rs； （2）从噪声匹配原则出发， 选择前置放大器第一级的管型，
(6-21)
对应总输入噪声为
2 2 RL / AV Eni 4kTReqf 4kT (Ri Req )f
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3. 等效噪声温度 这是一种将各噪声等效为放大器输入源电阻因等效 升温而附加热噪声的方法。Ri为源电阻，用Ri的热噪声 表示输入源的噪声
2 EnT 4kT0 Rs f
第6章 光电信号的变换 及检测技术
本章的主要内容
6.1 光电信号检测电路的噪声 6.2 前置放大器
6.3 常用电路介绍 6.4 光电技术中的调制技术
2
光电检测系统组成
光电检测系统组成
第6章 光电信号的 变换及检测技术
3
信号处理的重要性！
理想白光干涉信号 探测器接 测量
处理后
4
6.1光电检测电路的噪声
恒流等效 噪声源
图6-9 三极管噪声等效电路
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2. 半导体三极管的噪声系数
在所考虑的频带范围内，如果 噪声频谱是均匀的，三极管噪 声系数为：
输入信号 源电阻 输入信号 源电压 恒流等效 噪声源
基区电阻
恒压等效 噪声源
2 2 En In ( Rs rbb ) 2 F 1 2 Ens
E 4kTn Rs f 是Rs热噪声的均方值。 式中，
AV ( f )
所以
1 f 2 AV
AV 1 (CR)2
2 V
图6-5 低频放大器
0
1 2500 A (f) df 2 0 2500 1 ( wCR )
d ( wCR ) df 1 0 1 ( wCR ) 2 2 CR 0 1 ( wCR ) 2 1 fH 2 CR 2 2 1 式中，fH= 2CR为低通放大器的三分贝频率。
2 In 4qI( / c )f
(6-13)
该式与散弹噪声表达式相类似，可认为是近似的白噪声。
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5. 温度噪声
这是热敏器件因其温度起伏所引起的噪声，该噪声用温度 起伏的均方值表示
4kT 2 f T GQ (1 w2 2 ) 式中 k一波尔兹曼常数； T—热敏器件的绝对温度； GQ—器件的热导。
带通型网络中等效带 宽的物理意义
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系统的等效噪声带宽还可以用调制传递函数He(f)来表示
f D( f ) H e2 ( f )df
0
(6-18)
对于白噪声来说D(f)＝1，所以有
f H e2 ( f )df
0
对于一个电压放大电路有 H e ( f ) AV ( f ) / AV 式中，AV(f)电路电压放大倍数的频率响应；AV:中心频率或零频时的 电压放大倍数。 于是有
图6-6 放大器等效噪声电阻
来等效放大器的噪声，负载电阻 用电阻的热噪声 Req 2 2 2 RL的热噪声为 EnL 0 4kTRL f 等效到输入端 EnL 0 4kT ( R1 / A V )f
2 R / A 对应等效电阻为 1 。 V
总等效电阻:
2 RL / AV Req Ri Req
式中,T0为参考温度(工作室温)。
图6-7 放大器等效噪声温度
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假设放大器的噪声也等效到电阻RS上，相当 于附加一个温差Teq在RS产生的热噪声,把Teq叫作 等效噪声温度。于是等效在输入端的总噪声为
2 Eni 4kT0 Rs f 4kTeq Rs f
4k (T0 Teq ) Rs f
本节包括以下几部分内容：
6.1.1 噪声的分类及性质 6.1.2 主要的噪声类型 6.1.3 噪声等效参量 6.1.4 前置放大器的噪声
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为什么要研究噪声？
任何虚假的和不需要的信号称为噪声。 噪声总是伴随着测量信号存在 测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的 过程
6
6.1.1 噪声的分类及性质
外部干扰噪声:人为造成的和自然造成的干扰。 内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。 2 噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值 E n2 、 表示， In 2 有时简化为 En2 、 。而噪声电压或噪声电流的均方根值则可用 I n In 和 En表示。 固有噪声是随机过程，噪声电压的瞬时值可取不同值E1， E2， …Ei，而对应出现的概率P(E1)，P(E2)，…，P(Ei)，…，其 分布规律符合高斯分布。n次采样的算术平均值E为
Nn F 1 N io
(6-29)
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2. 半导体三极管的噪声系数
如何选择信号源电阻使半导体 三极管的噪声系数最小？ 半导体三极管的噪声主要包括 散弹噪声、分配噪声、热噪声 和1/f(闪烁)噪声。
基区电阻
恒压等效 噪声源
输入信号 源电阻 输入信号 源电压
恒压等效噪声源：基区电阻热噪声和分配噪声 恒流等效噪声源：发射结的散弹噪声和分配噪声 分配噪声只存在于三极管中，是由于基区载流子 的复合率有起伏，使得集电极电流和基极电流的 分配有起伏，从而使集电极电流产生起伏。
E [E1 E2 Ei En ] / n
(6-1)
7
均方值为
2 [(E1 E )2 (E2 E)2 (En E)2 ] / n
(6-2)
概率分布函数P(E)为
1 (E E)2 P( E ) exp 26-7 放大器等效噪声温度
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6.1.4 前置放大器的噪声 1. 噪声系数(F , noise factor) –输入信噪比与输出信噪比的比值
Rs是信号源内阻；Es是信号源电动势；RL是输出负载；Pi ，P0分别 是输入、输出的信号功率；Ni是加到输入端的噪声功率；No是输 出端的总噪声功率；于是噪声系数可定义为
图6-9 三极管噪声等效电路
Rs Rcopt En / I n
要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三 极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！ 26
2. 半导体三极管的噪声系数
要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三 极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！
OP27运算放大器的性能参数表
图6-17 选用第一级放大器件的准则
（3）在管型选定后，第一，二级应采用噪声尽可能低的器件， 按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点，并进行工作频率， 带宽等参量的计算及选择。
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2. 放大器设计中频率及带宽的确定
(6-20)
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2. 等效噪声电阻
各种噪声可能不属于同一起因与类型，但是 为了计算和分析的方便，可以用一个电阻的热噪 声来等效，称为等效噪声电阻。 图示的典型放大器，其噪声可由三部分组成， 即输入电阻Ri的热噪声；放大器噪声和负载电阻 RL的噪声。
图6-6 放大器等效噪声电阻
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2. 等效噪声电阻
1
1 噪声的电流均方值与电路频率f成反比，所以称之为 f 噪声，它不为 f
白噪声，噪声功率谱集中在低频，有时又称其为低频噪声。
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4. 产生–复合噪声(g—r噪声，GenerationRecombination noise )
光电导探测器因光(或热)激发产生载流子和载流子复合(或 寿命)这两个随机性过程，引起电流的随机起伏形成产生–复合 噪声。该噪声的电流均方值为 4qI ( / c )f 2 In (6-12) 1 4 2 f 2 2 式中 I——流过光电导器件的平均电流； ——载流子的平均寿命； e——载流子在光电导器件两电极间的平均漂移时间； F——测量电路的带宽。 产生–复合噪声与频率f有关，属于非白噪声。但在相对低频的条件 下，即 4 2 f 2 2 1时，公式可简化为
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3.
1 f
噪声（Flicker noise）
又称闪烁噪声，它也是元器件中的一种基本噪声，通常是由元 器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的。在探测器、电阻、晶 体管及电子管中均有这类噪声。 1 k1 I f 2 噪声有以下经验公式： I n (6-10) f f 式中：k1——与元件有关的参数； ——与流过元器件电流有关的常数，通常取＝2 ——与元器件材料性质有关的系数，约在0.8~1.3之间，常取 ＝1。