第四章光电检测中的光电探测器-光电子发射器件-3
第4章 光电探测器及其校正技术
4.2 光电导器件 1. 光电导器件的基本参数
(1) 光敏器件的光特性 光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、 电压或电流等量与入射辐射之间的关系； (2) 光敏器件的灵敏度 灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为电能的能力。 具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通 量之比。输出电信号由器件及偏置电路的特性决定，既可以是电流， 也可以是电压，如电流表示的光灵敏度
3
4
(2) 内光电效应 某些物质在光子作用下，使物质导电特性发生变化，这种现 象叫做内光电效应。 利用内光电效应材料制成的光电探测器主要是各种类型的光 敏电阻。
5
(3) 障层光电效应
在不同材料的接触面上，由于它们电学特性不同而产生障层。
利用障层光电效应制成的光电探测器主要有各种类型的光电池和光 电二极管、光电三极管等。
21
(5) 光电倍增管的不稳定性 管子工作的不稳定性主要表现在以下三个方面: ①由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化
②在几分钟或几小时内,由于可逆的疲劳所构成的漂移
③滞后作用造成阳极输出的不稳定 (6) 暗电流
在无光输入时，由阳极输出的电流叫做暗电流。暗电流的主要来源 有热发射、漏电流、管内电子散射引起泡壳荧光反馈阴极引起的发射 电流、残余气体电离和宇宙射线等。
31
(7)光敏器件的探测率D
该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式,它是噪声等效功 率的倒数。 (8)光敏器件的归一化探测率D* 该特性表示单位面积的器件，在放大器带宽为1Hz条件下的探 1 1 测率 1 1 2 2 1 D* D A 2 f 2 ( NEP) A f 式中 A为器件光敏面的有效面积；∆f为所用放大器的带宽； (9)光敏器件的频率特性 该特性表示器件惰性的大小。常以比探测率下降到1/2时，或信 号电压下降到1/2^0.5时所对应的频率，叫做截止频率。指导我们选 用探测器调制频率范围。
光电检测应用中的基础知识
业，第一是光子产业，第二是信息通信 产业……”。 我国:
政府十分重视光电子技术和产业的发展， 已将它列入国民经济优先发展的领域， 把光电子产业列为国家重点发展计划， 继1986年3月王大恒等四位专家倡导的 “863计划”之后，在此基础上开始了 “973计划”，这两个高科技计划的
重点是光电子产业。据国家统计资料显 示，世纪具有代表意义的主导产业，第 一是光子产业，第二是信息通信产 业……”。
的定义
dS cosd
d 2 LdS cosd
d d d A
d
dS
d
dA r2
rd r sind sindd
r2
d 2 LdS cos sindd
2
d LdS 2 cos sind d
0
0
根据辐出度的定义
LdS
M
d dS
LdS
dS
L
3. 漫反射面 ----把入射光向各个方向
均匀的散射的各种表面
价带 性
本征激发
2）掺5族元素时------N型半导体的能级
低
处于共价键之外
温
下
导带
杂质能级 禁带
价带
常
温
被激发至导带
下
低
导带
温
杂质能级
下
禁带
价带
导带
施主能级 禁带
价带
本征激发+杂质激发
3）掺3族元素时-----P型半导体
低 温 下
B
导带
杂质能级
价带
低
导带
温
下
杂质能级
价带
常
温
下
B
导带
受主能级
价带
杂质激发+本征激发
第4章-光电探测原理及器件
c 为产生光电子发射的 式中：c为真空中的光速， c 为产生光电子发射的入 入射光波的截止频率， 射光波的截止波长。
讨论
若入射光线频率低于红限频率（截止频率）， 光子能量不足以使物体内的电子逸出，即使光 强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光 频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光 电子射出。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与 光强成正比，即光强愈大，意味着入射光子数 目越多，逸出的电子数也就越多。
4.2.1 光电探测器的响应特性
１．响应度（R） 响应度（R）也称灵敏度，是光电探测器输出信号与输入 光功率之间关系的度量，用以描述光电探测器件的光电转 换效率。 响应度（R）随入射光波长变化而变化的，分为电压响应 率和电流响应率。 电压响应率指光电探测器件输出电压与入射光功率之比。
其中， fc 为上限截止频率。
4.2.2 光电探测器的噪声特性
光电探测器常见的噪声有：热噪声，散粒噪声，产生-复 1 合噪声， 噪声。 f 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别 是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声 所限制。 在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是 十分重要的问题。
４．响应时间
响应时间τ参数描述光电探测器对入射光响应快慢。 上升时间是指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。 下降时间是指入射光遮断后，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． 由于光电探测器信号产生和消失，存在着一个滞后过程， 所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影 响。 S0 光电探测器响应率与入射调制频率的关系为 S ( f )
《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%。
光电技术与应用作业指导书
光电技术与应用作业指导书第1章光电技术概述 (3)1.1 光电技术基本概念 (3)1.2 光电技术发展历程与趋势 (3)1.3 光电技术的主要应用领域 (3)第2章光的传播与变换 (4)2.1 光的波动性描述 (4)2.2 光的传播方程 (4)2.3 光的变换技术 (4)第3章光电探测器 (5)3.1 光电探测器原理 (5)3.2 常见光电探测器 (5)3.3 光电探测器的功能评价 (5)第4章光电发射器件 (6)4.1 光电发射原理 (6)4.2 常见光电发射器件 (6)4.2.1 光电管 (6)4.2.2 光电倍增管 (6)4.2.3 太阳能电池 (7)4.3 光电发射器件的应用 (7)4.3.1 光通信 (7)4.3.2 光电检测 (7)4.3.3 太阳能利用 (7)4.3.4 其他应用 (7)第5章光电显示技术 (7)5.1 光电显示原理 (7)5.1.1 发光原理 (7)5.1.2 液晶显示原理 (8)5.2 常见光电显示器件 (8)5.2.1 LED显示屏 (8)5.2.2 液晶显示屏（LCD） (8)5.2.3 有机发光二极管显示屏（OLED） (8)5.2.4 等离子显示屏（PDP） (8)5.3 光电显示技术的发展趋势 (8)第6章光通信技术 (9)6.1 光通信原理 (9)6.1.1 光通信概述 (9)6.1.2 光的传播特性 (9)6.1.3 光的调制与解调 (9)6.2 光纤通信系统 (9)6.2.1 光纤概述 (9)6.2.2 光纤的种类与特性 (9)6.3 光通信网络技术 (10)6.3.1 波分复用技术 (10)6.3.2 光开关与光交换技术 (10)6.3.3 光网络的结构与拓扑 (10)6.3.4 光通信网络的管理与控制 (10)第7章光电测量技术 (10)7.1 光电测量原理 (10)7.2 常见光电测量方法 (10)7.2.1 光电效应法 (10)7.2.2 光谱分析法 (11)7.2.3 干涉法 (11)7.3 光电测量系统的功能评价 (11)7.3.1 灵敏度 (11)7.3.2 精确度 (11)7.3.3 稳定度 (11)7.3.4 响应速度 (11)7.3.5 抗干扰能力 (12)第8章光电成像技术 (12)8.1 光电成像原理 (12)8.1.1 光电器件的感光原理 (12)8.1.2 光电转换原理 (12)8.1.3 信号输出原理 (12)8.2 光电成像器件 (12)8.2.1 光电传感器 (13)8.2.2 成像器件 (13)8.2.3 光电探测器 (13)8.3 光电成像系统的应用 (13)8.3.1 工业检测 (13)8.3.2 医疗影像 (13)8.3.3 安全监控 (13)8.3.4 航天遥感 (13)8.3.5 通信与显示 (13)8.3.6 其他应用 (14)第9章光电传感器技术 (14)9.1 光电传感器原理 (14)9.2 常见光电传感器 (14)9.3 光电传感器在自动化领域的应用 (14)第10章光电技术的创新与发展 (15)10.1 光电技术新兴领域 (15)10.1.1 光量子计算 (15)10.1.2 光电传感器 (15)10.1.3 光通信技术 (15)10.1.4 光电显示技术 (16)10.2.1 集成化和微型化 (16)10.2.2 绿色环保 (16)10.2.3 跨学科融合 (16)10.3 光电技术在我国的应用前景与挑战 (16)10.3.1 应用前景 (16)10.3.2 挑战 (16)第1章光电技术概述1.1 光电技术基本概念光电技术是指将光与电相结合，通过对光的产生、传输、调制、检测和转换等过程的研究与应用，实现信息获取、处理和传输的技术。
第四章光电检测中的光电探测器-光电子发射器件-3
I Φ
Wφ为金属材料的电子逸出功，即电子从材
-Vg1-Vg2-Vg3
V
5
3
截止频率和红限波长 频率越高，Vg越大; 频率与Vg成线性关系； 频率低于某值时， Vg 减小到 0 。
VG a b
光谱响应范围：兰光～1200nm； 积分灵敏度：1450～4000μA/lm； 峰值响应：550nm附近
量子效率：＞40％（1060nm处可达9％）；
图5-23 作工艺 负电子亲和势光阴极制
暗 电 流： 10-16～ 10-17 A/cm2。 机理： （1）异质结理论；
（2）偶极层理论。
GaAs的 Eg≈1.4eV；EAff≈3.9eV Cs2O的 Eg≈2.0eV；EAff≈0.45eV
16
图5-19 银氧铯光阴极固溶胶理论 的组成结构
2．锑铯(Sb-Cs)光阴极 （S－11）
1936年研制出的锑铯（Cs3Sb）光阴极其光谱响 应在大部分可见光区和紫外区，长波阈值接近 650nm。峰值光谱灵敏度处于蓝光和紫外波段，峰 值的量子效率接近20％。根据所用的窗口材料的不 同而有不同的光谱特性。在S系列中包括S-4、S-5、 S-11、S-13、S-17和S-19等多种编号。
T、 R R R R R T T T T R R T T T T T
800 420 400 340 365 480 450 440 440 490 330 420 440 240 380 420
30 6.5 40 40 3 30 40 70 60 125 40 150 30 － 45 200
2.8 1.8 40 50 2.3 20.5 20 56 48 83 65 64 23.5 4 67 43
光电技术 第4-1节 光电子发射探测器
2、光电倍增管的结构 由上述工作原理我们知道，光电倍增管由光电阴 极、电子光学输入系统（光电阴极到第一倍增极D1之 间的系统）、二次发射倍增系统和阴极等构成。 （1）入射窗口和光电阴极结构 光电倍增管通常有端窗式和侧窗式两种，侧窗式 通过管壳的侧面接收入射光，一般使用反射式光电阴 极，大多采用鼠笼式倍增极结构；端窗式使用透射式 光电阴极，光电子发射材料沉积在窗口内侧，一般半 透明光电阴极的灵敏度均匀性好于反射式，且阴极面 可做成各种大小，从几十mm2到几百cm2。为了使各 处灵敏度一致，常把窗口做成球面状。
（3）暗电流Id 无光照时，光电倍增管的输出电流 为暗电流，暗电流对测量缓变弱信号不 利，一般暗电流为10-8~10-10A，相当于入 射光10-10~10-10lm。引起暗电流的主要因 素有： ① 热电子发射 ② 极间漏电流 ③ 离子和光的反馈作用 ④ 场致发射 ⑤ 放射性同位素与宇宙射线影响
减小暗电流的主要方法： ①选择合适的极间电压可避开反馈， 场致发射及宇宙射线等带来的不稳定状 态的影响； ②直流补偿； ③选频和锁相放大； ④冷却。
（2）电子光学系统 电子光学系统有两方面作用： 1）使光电阴极发射的光电子尽可能 地全部会聚于第一倍增极，而将其它部 分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。 其性能用电子收集率 0 表示； 2）使阴极面上各处发射的光电子在 电子光学系统中渡越的时间尽可能相等， 以保证光电倍增管的快速响应。这一参 数用渡越时间的离散性Δt表示，具体结 构见教材P72图12。
一般金属中自由电子数很多，不仅 光反射系数大，吸收系数小，且逸出深 度小，亲和力大（极易生成电偶极层）， 故光电子发射的量子效率很低。大多数 金属材料的光谱响应都在紫外与远紫外 区。半导体发射材料光吸收系数大，体 内自由电子少，散射能量损失小，使其 量子效率比金属大得多，其光发射波长 延伸至可见与近红外区域。
生物光子学第4章概要
准单色和 单色光源
发光二极管(LED) 气体激光器
激光器(LASER) 液体激光器
原子激光器（He-Ne）
分子激光器（CO2） 离子激光器（Ar+）
准分子激光器
固体激光器（红宝石激光器、钛宝 石激光器、Nd：YAG Laser）
半导体激光器（LD）
5
4.1 光源
4.1.2 生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器 1、分光光度计中的光源
分光光度测量 获得的是物质 在不同波长下 的吸光度，要 求光源能提供 波长稳定而强 度足够的光。
6
4.1 光源
2、临床诊断中的光源
利用光信息检测有望实现疾病的早期发现。
考虑到组织体对光的吸收，光学诊断中应用的光波长大多位于诊断 和治疗的光学窗口，即600~900nm波段，也有一部分位于近红外光 的更远部分（如血糖检测中考虑糖的吸收，要求波长>1000nm）。
• 噪声特性：主要来源于暗电流、背景光电流以及负载电阻的热 噪声；如果信号变化缓慢，还要考虑1/f噪声。
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4.2 光电探测器
（2）光电导探测器（光敏电阻）
• 光电导探测器的工作原理是基于光电导效应。 • 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。
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4.2 光电探测器
红外区灵敏的光 敏电阻的光谱特 性曲线
PbS探测器波长响应范围在1~3.4微米，峰值响应波长为2微米，内阻
大约为1兆欧，响应时间约200微秒，室温工作，广泛应用手遥感技术
和武器红外制导技术。
lnSb探测器光谱响应范围3~5微米，内阻低(大约50Ω)，响应时间短