光电检测技术概述PPT课件
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光电二极管实物图
典型的光电转换器件
光电二极管工作原理
➢ 光电二极管是在反向电压作用之下工作的。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，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。 ➢ 光生载流子在反向电压作用下参加漂移运动，使反向 电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，从而实 现电信号随着光的变化而相应变化。
典型的光电转换器件
光敏电阻的应用
光敏电阻可广泛应用于照相机，验钞机，石英钟，音乐杯， 礼品盒，迷你小夜灯，光控开关，路灯自动开关以及各种 光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。
例：照明灯自动开关控制
光暗时，光敏电阻阻值很 高，继电器关，灯亮； 光亮时，光敏电阻阻值降 低，继电器工作，灯关。
光电效应
外光电效应
内光电效应
光电导效应 光伏效应
光电检测的基本原理及特点
外光电效应： 物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金 属氧化物。
光电导效应： 半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体 中载流子数显著增加而电阻减少的现象。
光生伏特效应： 光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在 PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。
220V
灯 CdS K
常闭
照明灯自动控制电路
典型的光电转换器件
二、光电二极管
➢ 光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。 ➢ 与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。结构 不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实 现光电转换。 ➢ 为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普 通二极管大得多，电极面积则尽量小。 ➢ 为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅一般小于1微米。
利用光电传感器实现各类检测。将被测量转换成光通量, 再转换成电信号，并综合利用信息传送和处理技术，完 成信息获取。
光敏器件 光电效应
光调制 （波长、幅度、相位）
电信号
光电转换
信号光
被测物
探测光
电信号处理
采集、放大、滤波、 解调、A/D、接口等
信息获取
信号分析
光电检测的基本原理及特点
光电效应
光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发 生变化、或产生光生电动势等。这种因光照而引起 物体电学特性发生改变的现象统称为光电效应。
光
半导体材料中载流子的数目增加，使其 电阻率变小，从而造成阻值下降。
入射光消失后，由光子激发产生的电 子—空穴对将复合，阻值也恢复原值。
典型的光电转换器件
光敏电阻的特点
➢ 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，既可加直流电压，也可加交流电压； ➢ 在强光照射下，光电响应线性度较差 ➢ 光电驰豫时间较长，频率响应较差。
典型的光电转换器件
三、光电倍增管
光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。 由光阴极、倍增极和阳极构成。
光电倍增管结构示意图
光电倍增管实物图
➢ K为光阴极，由光敏材料制成，如镓砷化物、铟砷化钾等；
➢ D1，D2，…，Dn为倍增级（打拿级），打拿极材料有锑化铯、 氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等 ；
典型的光电转换器件
对于不同强度的光信号，光电倍增管输出的电信号 的形式可分为以下两种情况：
电平测量Βιβλιοθήκη Baidu
光子计数测量
一般光照下光电倍增管输 出信号示意图
弱光条件下光电倍增管输出信 号示意图
典型的光电转换器件
光电倍增管的特点
➢ 增益高，增益可达104~108； ➢ 暗噪声低，小于20电脉冲/秒； ➢ 响应快，一般为1~20ns； ➢ 光谱覆盖范围广，200nm~1200nm。
光敏电阻实物图
典型的光电转换器件
光敏电阻的结构
在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频 瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口 的金属或塑料外壳内。
工作原理
黑暗环境里，电阻值很高。
入
当受到光照时，价带中的电子吸收光子 能量跃迁到导带，并在价带中产生一个
射
带正电的空穴，形成电子—空穴对。
LOGO
电子信息工程学术讲座
光电检测技术概述
白华
2013.10.31
.
1
讲座内容
➢ 什么是光电检测 ➢ 光电检测的基本原理及特点 ➢ 典型的光电转换器件 ➢ 光敏器件的基本特性参数 ➢ 光电检测技术的应用及发展趋势
什么是光电检测
光不仅传输能量，也是信息的载体
光通信 光谱
光纤传感 生物发光
什么是光电检测
光电检测的基本原理及特点
光电检测技术的特点
❖ 高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。 ❖ 高速度：以光速传播。 ❖ 远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 ❖ 非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。 ❖ 寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿
命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。
典型的光电转换器件
❖ 光敏电阻 ❖ 光电二极管 ❖ 光电倍增管 ❖ 电荷耦合器件
典型的光电转换器件
一、光敏电阻
光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电 阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电 阻减小，入射光弱，电阻增大。
黑暗条件下，阻值1M~100M欧 强光条件下，阻值几百到数千欧
典型的光电转换器件
光电二极管的特点
➢ 大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场， 电子—空穴在耗尽层复合机会少，提高了光敏二极管的 灵敏度。 ➢ 大反偏压的施加，结电容减小，提高了器件的频响 特性。
因此，光敏二极管具有体积小，灵敏度高，响应时间 短等优点，同时光谱响应覆盖可见到近红外区，被广 泛应用于光电检测。
➢ A为阳极；R为分压电阻；-VH为偏置负高压。
典型的光电转换器件
光电倍增管的工作原理示意图 ➢ 待测光照射由光阴极K，光阴极以一定的概率（量子效率）释放电子。 ➢ 光阴极释放的电子在负高压驱动下加速撞击第一倍增级D1（打拿级），溅射 出数量更多的二次电子。 ➢ 依此类推，前一个倍增级发出的次级电子在电压驱动下加速撞击下一个倍增级， 产生更多的次级电子，实现信号的放大。 ➢ 阳极A接收最后一个倍增级发出的电子，转换为电流或电压。通常情况下，电 流或电压的大小与光信号的强弱成正比，从而实现弱光的探测。
典型的光电转换器件
光电二极管工作原理
➢ 光电二极管是在反向电压作用之下工作的。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，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。 ➢ 光生载流子在反向电压作用下参加漂移运动，使反向 电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，从而实 现电信号随着光的变化而相应变化。
典型的光电转换器件
光敏电阻的应用
光敏电阻可广泛应用于照相机，验钞机，石英钟，音乐杯， 礼品盒，迷你小夜灯，光控开关，路灯自动开关以及各种 光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。
例：照明灯自动开关控制
光暗时，光敏电阻阻值很 高，继电器关，灯亮； 光亮时，光敏电阻阻值降 低，继电器工作，灯关。
光电效应
外光电效应
内光电效应
光电导效应 光伏效应
光电检测的基本原理及特点
外光电效应： 物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金 属氧化物。
光电导效应： 半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体 中载流子数显著增加而电阻减少的现象。
光生伏特效应： 光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在 PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。
220V
灯 CdS K
常闭
照明灯自动控制电路
典型的光电转换器件
二、光电二极管
➢ 光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。 ➢ 与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。结构 不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实 现光电转换。 ➢ 为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普 通二极管大得多，电极面积则尽量小。 ➢ 为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅一般小于1微米。
利用光电传感器实现各类检测。将被测量转换成光通量, 再转换成电信号，并综合利用信息传送和处理技术，完 成信息获取。
光敏器件 光电效应
光调制 （波长、幅度、相位）
电信号
光电转换
信号光
被测物
探测光
电信号处理
采集、放大、滤波、 解调、A/D、接口等
信息获取
信号分析
光电检测的基本原理及特点
光电效应
光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发 生变化、或产生光生电动势等。这种因光照而引起 物体电学特性发生改变的现象统称为光电效应。
光
半导体材料中载流子的数目增加，使其 电阻率变小，从而造成阻值下降。
入射光消失后，由光子激发产生的电 子—空穴对将复合，阻值也恢复原值。
典型的光电转换器件
光敏电阻的特点
➢ 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，既可加直流电压，也可加交流电压； ➢ 在强光照射下，光电响应线性度较差 ➢ 光电驰豫时间较长，频率响应较差。
典型的光电转换器件
三、光电倍增管
光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。 由光阴极、倍增极和阳极构成。
光电倍增管结构示意图
光电倍增管实物图
➢ K为光阴极，由光敏材料制成，如镓砷化物、铟砷化钾等；
➢ D1，D2，…，Dn为倍增级（打拿级），打拿极材料有锑化铯、 氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等 ；
典型的光电转换器件
对于不同强度的光信号，光电倍增管输出的电信号 的形式可分为以下两种情况：
电平测量Βιβλιοθήκη Baidu
光子计数测量
一般光照下光电倍增管输 出信号示意图
弱光条件下光电倍增管输出信 号示意图
典型的光电转换器件
光电倍增管的特点
➢ 增益高，增益可达104~108； ➢ 暗噪声低，小于20电脉冲/秒； ➢ 响应快，一般为1~20ns； ➢ 光谱覆盖范围广，200nm~1200nm。
光敏电阻实物图
典型的光电转换器件
光敏电阻的结构
在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频 瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口 的金属或塑料外壳内。
工作原理
黑暗环境里，电阻值很高。
入
当受到光照时，价带中的电子吸收光子 能量跃迁到导带，并在价带中产生一个
射
带正电的空穴，形成电子—空穴对。
LOGO
电子信息工程学术讲座
光电检测技术概述
白华
2013.10.31
.
1
讲座内容
➢ 什么是光电检测 ➢ 光电检测的基本原理及特点 ➢ 典型的光电转换器件 ➢ 光敏器件的基本特性参数 ➢ 光电检测技术的应用及发展趋势
什么是光电检测
光不仅传输能量，也是信息的载体
光通信 光谱
光纤传感 生物发光
什么是光电检测
光电检测的基本原理及特点
光电检测技术的特点
❖ 高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。 ❖ 高速度：以光速传播。 ❖ 远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 ❖ 非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。 ❖ 寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿
命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。
典型的光电转换器件
❖ 光敏电阻 ❖ 光电二极管 ❖ 光电倍增管 ❖ 电荷耦合器件
典型的光电转换器件
一、光敏电阻
光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电 阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电 阻减小，入射光弱，电阻增大。
黑暗条件下，阻值1M~100M欧 强光条件下，阻值几百到数千欧
典型的光电转换器件
光电二极管的特点
➢ 大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场， 电子—空穴在耗尽层复合机会少，提高了光敏二极管的 灵敏度。 ➢ 大反偏压的施加，结电容减小，提高了器件的频响 特性。
因此，光敏二极管具有体积小，灵敏度高，响应时间 短等优点，同时光谱响应覆盖可见到近红外区，被广 泛应用于光电检测。
➢ A为阳极；R为分压电阻；-VH为偏置负高压。
典型的光电转换器件
光电倍增管的工作原理示意图 ➢ 待测光照射由光阴极K，光阴极以一定的概率（量子效率）释放电子。 ➢ 光阴极释放的电子在负高压驱动下加速撞击第一倍增级D1（打拿级），溅射 出数量更多的二次电子。 ➢ 依此类推，前一个倍增级发出的次级电子在电压驱动下加速撞击下一个倍增级， 产生更多的次级电子，实现信号的放大。 ➢ 阳极A接收最后一个倍增级发出的电子，转换为电流或电压。通常情况下，电 流或电压的大小与光信号的强弱成正比，从而实现弱光的探测。