光电探测器
有机光电探测器的定义和分类
有机光电探测器的定义和分类有机光电探测器是一种通过有机材料将光信号转化为电信号的器件。
它具有结构简单、加工工艺成本低、可用于大面积器件制备等优点，因此被广泛应用于光电信息处理领域。
根据其工作原理的不同，有机光电探测器可以分为光电导型、光电流型和光电压型三类。
光电导型有机光电探测器是指那些在光照下，其电导率会随着光强度的增加而增加的器件。
这种器件的工作原理是利用光子的能量将有机材料中的电子激发到传导带中，从而形成电导电流。
光电导型有机光电探测器通常由有机半导体材料构成，例如聚合物、小分子化合物等。
这类器件具有响应速度较快、灵敏度较高、制备工艺简单等优点，因此在光通信、光存储、光传感等领域有着广阔的应用前景。
光电流型有机光电探测器是指那些在光照下，其输出信号是光电流的器件。
这种器件的工作原理是利用外界光照下的光子能量将有机材料中的载流子激发到传导带或者价带中，从而产生电流。
光电流型有机光电探测器通常由有机半导体材料构成，例如聚合物、小分子化合物等。
这类器件具有高电流响应、低噪声等特点，适用于光通信、光传感等领域。
光电压型有机光电探测器是指那些在光照下，其输出信号是光电压的器件。
这种器件的工作原理是通过光激发的载流子在有机材料中产生空间电荷分离形成电压信号。
光电压型有机光电探测器通常由有机半导体材料构成，例如聚合物、小分子化合物等。
这类器件具有高电压响应、低噪声等特点，适用于成像传感器、光电转换器等领域。
除了根据工作原理的分类，有机光电探测器还可以根据其器件结构的不同进行分类。
常见的有机光电探测器结构包括有机薄膜型、有机异质结型、有机量子阱型等。
其中，有机薄膜型具有制备工艺简单、成本低廉等优点，适用于大面积器件制备；有机异质结型具有电荷分离效果好、较高的光电转换效率等特点，适用于高性能光电器件制备；有机量子阱型则具有高载流子迁移率、低激子束缚能等特点，适用于光电转换效率、响应速度等要求较高的器件制备。
光电探测器
单光子雪崩二极管探测器构成和分类
SPAD探测成像技术主要包括： 单光子雪崩二极管、雪崩淬灭电路、雪崩信号读取电路三部分
其中淬灭电路，分为： 被动式淬灭、主动式淬灭、门脉冲淬灭 雪崩信号读取电路，根据每次能够读出的像素数目可分为： 像素串行读出、像素并行读出、列并行读出
三 单光子雪崩二极管的工作原理
Vs ( ) RV ( ) P ( )
I s ( ) RI ( ) P ( )
④ 频率响应度
频率响应度R(f)：响应度随入射光频率而变化的性能 参数。其表达式为：
R0 R( f ) [1 (2f ) 2 ]1/ 2
式中R(f)为频率为f 时的响应度；R0为频率为零时的响 应度；为探测器的响应时间或称时间常数,由材料和外 电路决定。
单光子雪崩二极管的工作原理
单光子雪崩二极管就是利用APD 的雪崩效应使光电流得 到倍增的高灵敏度的光子检测器。理论上，当APD 的反 向偏压无限接近其雪崩阈值电压时，认为电流增益接近 无穷大；实际上，当APD 的反向偏压不超过雪崩电压时， 电流增益增长到一定量就会饱和 ，该饱和值无法确保 APD 一定能够检测到单光子信号。因此，通常使APD 两 端的偏置电压高于其雪崩电压，确保当有光子信号到达 时，APD 会被迅速触发而产生雪崩，这种偏置方式称为 盖革模式。由于APD 只有工作在盖革模式下才具备单光 子探测能力，所以通常直接用单光子雪崩二极管（SPAD） 来表示。
SPAD的探测机理
拉通结构将吸收区和倍增区合二为一，漂移区和倍增区分开， 这种特点保证了SPAD高量子效率、高响应速度和高内部增益的 优点。宽尺寸的π 区能够吸收大部分的入射光子，并确保只有 在该区产生的光生载流子才能进入倍增区引发碰撞电离。N+区 和P 区都很窄，所以光生空穴进入高场区中发生碰撞电离的贡 献很小；π 区的光生空穴向相反方向运动，不可能进入高场倍 增区。另一方面，硅材料中空穴离化率比电子离化率小的多， 所以硅雪崩管主要是靠电子在倍增区产生碰撞电离。噪声主要 由雪崩过程的随机起伏引起，只有一种载流子引起碰撞电离， 噪声也就比较小。
光电探测器原理及应用
光电探测器原理及应用
光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，其基本原理是利用光的能量激发材料中的电子从而产生电流。
根据光电效应的不同机制，光电探测器通常可以分为光电二极管、光电导、光电二极管阵列等多种类型。
光电二极管是最基本的光电探测器之一，其工作原理是光照射到光敏材料表面时，材料中的电子会被光激活并跃迁至导带中，从而形成电流。
光电二极管具有响应速度快、灵敏度高等特点，广泛应用于光通信、光谱分析、光电测量等领域。
光电导是一种利用光照射后材料电阻发生变化的光电探测器，其工作原理是光激发后，光电导材料中的载流子浓度发生改变，从而引起电阻的变化。
光电导具有较高的灵敏度和较宽的光谱响应范围，可广泛应用于光谱分析、光学测量、遥感等领域。
光电二极管阵列是由多个光电二极管组成的阵列结构，可以同时检测多个光信号，具有高灵敏度和高分辨率的特点。
光电二极管阵列常被用于光通信、图像传感、光谱分析等领域，如CCD（电荷耦合器件）摄像头就是经典的光电二极管阵列应
用之一。
此外，光电探测器还广泛应用于激光测距仪、扫描仪、光电子显像、医学诊断、环境监测等领域。
例如，激光测距仪利用光电探测器检测激光脉冲的发射和接收时间差，实现对目标距离的测量；扫描仪利用光电探测器对扫描光线的反射或透射光进行检测，实现图像的数字化处理和存储。
总之，光电探测器通过将光信号转化为电信号，实现了光能量的检测和测量。
其应用领域广泛，并在科学研究、工业生产、医疗诊断等领域发挥着重要的作用。
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
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
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
G n
AE
1.2光电倍增管
主要指标：
4. 暗电流 • 主要来源于阴极和倍 增级的热电子发射 • 决定了光电倍增管可 探测的最小光功率 • 暗电流与管子的工作 温度以及所加电压有 关
1.2光电倍增管
主要指标：
5.噪声等效功率 • 与阳极暗电流相等 的阳极输出电流所 需要的光功率决定 了光电倍增管可探 测的最小光功率 • ～10-15—10-16瓦， • ～10-18—10-19瓦（冷 却后），单光子探 测水平
单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比
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
R1
C
R2
Vs
fC
图2.3 探测器的频率响应
f
Vmax
1 = c
T
i t dt
0
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：
什么是光的光电探测器和光电导
什么是光的光电探测器和光电导？光的光电探测器和光电导是光电传感器的重要类型，用于检测和测量光信号。
本文将详细介绍光的光电探测器和光电导的原理、结构和应用。
1. 光电探测器（Photodetector）的原理和结构：光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
它基于光子的能量被半导体材料吸收，激发带载流子，从而形成电流的原理。
最常见的光电探测器类型是光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube），前文已经详细介绍过。
除了这两种常见类型，还有其他一些光电探测器，如光电晶体管、光电场效应晶体管和光电导等。
光电探测器的结构和工作原理与具体的类型有关。
总体而言，光电探测器通常包括光敏元件、电极、引线和封装等部分。
光敏元件是用于吸收光信号并产生电荷载流子的材料，电极用于收集和测量电流，引线用于连接光电探测器与外部电路，封装则是保护和固定光电探测器的外壳。
2. 光电探测器的应用：光电探测器在许多领域有着广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：-光通信：光电探测器用于接收光信号，将光信号转换为电信号，并通过电路进行处理和解码，实现光通信的接收端。
-光测量：光电探测器可以用于测量光的强度、波长、频率和相位等参数，用于光谱分析、光度计和光谱仪等。
-光电检测：光电探测器可以用于检测物体的存在、位置和运动等，用于光电开关、光电传感和光电探测等应用。
-光电能转换：光电探测器可以将光能转化为电能，用于太阳能电池板和光伏发电系统等。
3. 光电导（Photoconductor）的原理和结构：光电导是一种能够根据光信号的强度来改变电导率的材料。
光电导的原理是光照射到材料上时，光子的能量被吸收，激发带载流子，从而改变材料的导电性能。
光电导材料通常是半导体材料，如硒化铟（Indium Selenide）、硒化镉（Cadmium Selenide）和硒化铅（Lead Selenide）等。
光电探测器 标准
光电探测器标准
光电探测器的标准通常包括以下几个方面：
响应度：光电探测器产生光电流与入射光功率之比，单位通常为A/W。
响应度与量子效率的大小有关，为量子效率的外在体现。
量子效率：描述光电探测器将光子转换为电子的能力。
暗电流和噪声：在没有光入射的情况下，探测器存在的漏电流被定义为暗电流。
其大小影响着光接收机的灵敏度大小，是探测器的主要指标之一。
等效噪声功率（NEP）：代表光电探测器的噪声水平。
跨阻增益：单位有的是V/A，有的是V/W，意思是输出电压信号幅度除以输入光电流或者光功率。
带宽：带宽是衡量光电探测器响应速度的指标。
输出信号幅度：在高频的光电探测器有的会做限幅处理，只有两三百毫伏，这将影响动态范围。
探测功率过大可能会导致探测器饱和无法探测到真实值，甚至烧坏探测器。
光纤接口还是自由空间光，两种类型的光敏面相差很大。
电源供电，双电源还是单电源。
这些标准因不同的光电探测器和应用而有所不同，选择适合的探测器需要考虑这些因素以达到最佳性能。
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。
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光电探测器
光电探测器是利用辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象的原理而制成的器件。
它的的工作原理是基于光电效应（包括外电光效应和内电光效应）。
根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子型探测器；另一类是热探测器。
其中光子探测器包括真空光电器件（光电倍增管等）和固体光电探测器（光电二极管、光导探测器、CCD等）。
1光子探测器
1）原理
光子探测器利用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。
这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。
在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成光电流。
光电倍增管与光电管的差别在于，在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极（称为打拿极）。
从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞，发生倍增效应，最后形成较大的光电流信号。
因此，光电倍增管具有比光电管高得多的灵敏度。
红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴
极、阳极和一个简单的电子光学系统组成。
光电子在受到阳极加速的同时又受到电子光学系统的聚焦，当它们撞击在与阳极相连的磷光屏上时，便发出绿色的光像信号。
2）光电管
光电管原理是光电效应。
一种是半导体材料类型的光电管，它的工作原理光电二极管又叫光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。
当光照强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多，如果二极管反偏，则反向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。
光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下。
常见的半导体材料有硅、锗等。
如我们楼道用的光控开关。
还有一种是电子管类型的光电管，它的工作原理用碱金属（如钾、钠、铯等）做成一个曲面作为阴极，另一个极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间断开。
光电管有真空光电管（电子光电管）和充气光电管（离子光电管）。
光电倍增管一般用于测弱辐射而且响应速度要求较高的场合，如人造卫星的激光测距仪、光雷达等。
3）光电倍增管
光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的、透明真空壳体内装有特殊电极的器件。
光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场)加速，聚焦于第
一次极。
这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极。
一般经十次以上倍增,放大倍数可达到108～1010。
光电倍增管具有很高的电流增益，特别适于探测微弱光信号；但它结构复杂，工作电压高，体积较大。
由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。
其优点是：测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。
4）性能
半导体光子型探测器的性能在很大程度上取决于制备探测器所用的半导体材料。
本征半导体材料比掺杂半导体材料更加有用。
本征半导体材料既能用来制作光导型探测器，又能制做光伏型探测器；而掺杂半导体只能做成光导型探测器。
截止波长较长的半导体光子型探测器，大多数必须在较低温度下工作，如77K，38K 或4.2K。
同一探测器在室温下的探测率明显低于低温下的探测率。
为了保持半导体光子型探测器的正常工作，常把探测器置于低温容器（杜瓦瓶）中，或用微型致冷器使探测器达到较低的工作温度。
2 热探测器
热探测器是用探测元件吸收入射辐射而产生热、造成温升,并借助各种物理效应把温升转换成电量的原理而制成的器件。
最常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。
热探测器是利用居里点以下的热电晶体的自发极化强度与温度有关的原理制成的器件。
当热（释）电晶体薄片吸收辐射产生温升时，在薄片极化方向产生电荷变化为ΔQ＝pTAΔT，式中ΔQ 为电荷变化量，pT为温度T时的热释电系数, A为吸收辐射的表面的面积，ΔT为晶体的温升值。
当用调制的辐射照射时晶体的温度不断变化, 电荷也随之变化,从而产生电流，它的数值与调制的辐射量有关。
热电探测器所用的材料主要有钛酸钡、硫酸三甘肽(TGS)、掺镧的锆钛酸铅(PLZT)、铌酸锂和铌酸锶钡。
近年来也采用多晶、陶瓷和塑料，可按需要制成各种形状的探测器。
1）温差电偶
温差电偶（热电偶）是利用温差电现象制成的一种器件，由两种能产生显著温差电的金属丝（如铜和康铜）或P型和N型半导体构成。
把两种材料的一结点涂金黑（或铂黑）或覆盖上镀黑的薄片，以吸收辐射并引起温升，这一结点称为热端；而未加热的一端称为冷端。
在热端和冷端有温差时，回路中会产生温差电动势，其数值与辐射量有关：ε＝p(T)ΔT，式中ε为温差电动势值,p(T)为温度T时的温差电动势率，ΔT为吸收光产生的温差，温差电堆（热电堆）是把若干个温差电偶串接而成，目的是显著地提高其响应率。
2) 测辐射热计
测辐射热计是利用热敏电阻构成的探测器。
当热敏电阻吸收光（在红外区常称辐射）出现温升后会引起阻值的变化，如果用
一负载电阻与热敏电阻串联并施加偏压，那么从负载电阻或热敏电阻上取出的输出电压的变化量与入射的光量有关。
常常把一对参量相同的热敏电阻密封在一起其中一个接受光照，然后利用桥式电路取出与光量相关的电信号。
优点是减小了外界温度变化造成的影响。
3）高莱管
高莱管是主要利用小容量的气体受热膨胀使柔镜变形的原理探测辐射的器件。
当辐射被薄膜吸收产生温升，气体受热膨胀，使镀银的柔镜弯曲。
光源发出的光经光栅聚焦到柔镜上，经此镜反射回的光栅像再经过光栅投射到光电管上。
当柔镜受压弯曲光栅像相对于光栅位移，使投射到光电管的光通量发生变化，光电管的输出信号的变化量反映出辐射量的大小。
这种探测器时间响应慢，但能探测弱光，主要应用于光谱仪器中。