第二章光电探测器1 (1)
光电检测原理
§1－1辐射量测量单位
§1－2辐射的基本定律
§1－3光源特性
§1－4检测中的照明
第二章光电探测器基础
§2－1光电探测器物理效应
§2－2光电探测器分类
§2－3光电探测器基本性能
第三章光电探测器件与热敏探测器件
§3－1半导体PN结
§3－2光电效应
§3－3光敏电阻
§3－4光电二级管
§5－3激光测距
§5－4温湿度测量
§5－5其它物理量检测
教材：
高稚允、光电探测技术，国防工业出版社，1991
主要参考书：
光电检测技术与应用,郭培源编著,北京航空航天大学出版社, 2006
注：每门课程都须填写此表。本表不够可加页
学分：2
先修课程要求：“普通物理”、“模拟电子技术”。
课程组教师姓名
职称
专业
年龄
学术专长
赵斌
教授
测试计量技术及仪器
49
光电技术及其应用
刘晓军Βιβλιοθήκη 教授测试计量技术及仪器44
光电技术及其应用
陈良洲
讲师
测试计量技术及仪器
35
光电技术及其应用
课程教学目标：
本课程主要面向从事测量研究课题的研究生，讲课内容旨在介绍光电发射、接收的一般规律，在学习各种器件的基本性能基础上，能作较简单的光电系统的规划设计，以解决工程测量的问题。
§3－5光电阴极和光电管
§3－6光电倍增管
§3－7摄像管
§3－8变像管、像增强器、微通道板
§3－9固态摄像器件CCD
§3－10红外摄像管
§3－11热敏探测器
第四章微弱光电信号检测方法
§4－1直接探测法
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，它在光通信、光电测量、光谱分析等领域有着广泛的应用。
光电探测器的原理主要基于光电效应和半导体材料的特性，下面将详细介绍光电探测器的原理。
首先，光电探测器的基本原理是光电效应。
光电效应是指当光线照射在金属或半导体表面时，光子能量被吸收，激发出电子从固体表面逸出的现象。
这些逸出的电子就构成了光电流，通过测量光电流的大小可以间接测量光的强度。
在光电探测器中，光电效应是将光信号转换为电信号的关键过程。
其次，光电探测器的原理还与半导体材料的特性密切相关。
常见的光电探测器主要有光电二极管（Photodiode）、光电导（Phototransistor）、光电二极管阵列（Photodiode Array）等。
这些光电探测器主要利用半导体材料的光电特性来实现光信号的转换。
当光线照射在半导体材料上时，会产生电子-空穴对，并在外加电场的作用下产生电流。
不同类型的光电探测器采用不同的半导体材料和工作原理，但它们都是利用半导体材料的光电特性来实现光信号的探测和转换。
除此之外，光电探测器的原理还涉及到光信号的增强和处理。
在实际应用中，光信号往往非常微弱，需要经过光电探测器的增强和处理才能得到有效的电信号。
因此，光电探测器通常会与放大器、滤波器、模数转换器等电路相结合，以实现对光信号的放大、滤波和数字化处理，最终得到精确的电信号输出。
总的来说，光电探测器的原理主要包括光电效应、半导体材料的光电特性以及光信号的增强和处理。
通过光电效应将光信号转换为电信号，利用半导体材料的特性实现光信号的探测和转换，再通过电路的增强和处理得到最终的电信号输出。
光电探测器在光通信、光电测量、光谱分析等领域有着广泛的应用，其原理的深入理解对于光电器件的设计和应用具有重要意义。
光电探测器综述(PD)讲解
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
南理工光电检测技术课程光电检测器件
优点：灵敏度高，工作电流大（达数毫安） ， 光谱响应范围宽，所测光强范围宽，，无极性之分。
缺点：响应时间长，频率特性差，强光线性差， 受温度影响大。
主要用于红外的弱光探测与开关控制。
路灯自动点熄原理图如图所示，分析它的工作原理。
二、光电池
★它是利用光生伏特效应制成的将光能转换成电能的 器件。它是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电 能P-N结光电器件。
3、优缺点
优点：光电阴极面积大，灵敏度较高；暗电流小，最低 可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百 伏到数百伏、玻壳容易破碎等。目前已基本被固体光电器 件所代替。
建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上 的，把微弱入射光转换成光电子，并获倍增的器件。
金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★金属吸收效率很低 ； ★金属中光电子逸出深度很浅，只有几纳米； ★金属逸出功大多为大于3eV，对λ>410nm的可见光来说，很难 产生光电发射，量子效率低；
半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★光吸收系数比金属大； ★体内自由电子少，散射能量变小——故量子效率比金
光电检测光电池具有光敏面积大，频率响应高，光电流随 照度线性变化。
太阳能光电池耐辐射，转换效率高，成本低，体积小，结 构简单、重量轻、可靠性高、寿命长，在空间能直接利用太 阳能转换成电能的特点。
I
U RL
Ip Ij
I
U RL
符号 连接电路
等效电路
三、光敏二极管
与普通二极管相比:
共同点：一个PN结，单向导电性 不同点：
第二章、光电检测器件
光电检测器的工作原理
光电检测器的工作原理
光电检测器是一种利用光电效应原理来检测光信号的装置。
它由光电发射器和光电接收器两部分组成。
光电发射器是一个发射光源，常见的有发光二极管（LED）或激光器。
当电流通过发光二极管时，其内部的半导体材料会发出特定波长的光。
光电接收器是一个接收光信号并产生电信号的元件，常见的有光敏二极管（LDR）或光电二极管（photodiode）。
光敏二极管或光电二极管的外围电路会对接收到的光信号进行放大和处理。
光电检测器的工作原理是当光电发射器发出的光照射到光电接收器上时，光能被光电接收器吸收并转化为电能。
这个转化过程是通过光电效应实现的。
光电效应的基本原理是当光束照射到半导体材料上时，光子会激发半导体材料中的电子跃迁到导带上，形成电子空穴对。
而这些电子空穴对可以导致半导体中的电流流动。
当光电接收器中的光电二极管或光敏二极管吸收到光子后，其内部会产生电流。
这个电流大小与光强度成正比。
通过对光电接收器产生的电流进行测量，我们可以间接地获得光的强度或光的存在与否。
光电检测器广泛应用于多个领域，如光通信、光电传感、光电测量等。
在各个领域中，光电检测器都起到了至关重要的作用。
光电探测器的性能参数
1 Vs / VN D NEP P
优劣。为此．引入两个新的性能参数 —— 探测 率D和比探测率D*
●显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。
它描述的特性是：光电探测器在它的噪声电平之上产生 一个可观测的电信号的本领，即光电探测器能响应的入 射光功率越小，则其探测率越高。
光电信号处理
光电探测器的性能参数
1.1.3 光电探测器的性能参数
光电系统一般都是围绕光电探测器的性能 进行设计的， 探测器的性能由特定工作条件下的一些 参数来表征。
光电探测器的工作条件
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关，所以在给出性能参数时，要注明有关的 工作条件。主要工作条件有： 1．辐射源的光谱分布 2．电路的通频带和带宽 3．工作温度 4．光敏面尺寸 5．偏置情况
S Ps I s2 RL I s2 即： 2 2 N PN I N RL I N
●利用S／N评价两种光电探测器性能时，必须在信号
辐射功率相同的情况下才能比较。
●对单个光电探测器，其S/N的大小与入射信号辐射
功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收面积 大．S/N就大，但性能不一定就好。 因此用S/N评价器件有一定的局限性。
2．等效噪声输入(ENI)功率
●定义：探测器在特定带宽内(1Hz)产生的均方
根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时辐射 源的输入通量， 此时，其他参数，如频率温度等应加以规定。
●这个参数是在确定光电探测器件的探测极限
(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。
3．噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
光电探测器的种类..
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如何选择合适的光探测器
1、实际光谱测量范围是选择光探测器的首要注意问题； 2、光电倍增管是高灵敏的探测器，使用时要求配套高稳
定性的高压电源；
3、光伏型探测器具有响应快、灵敏度高的特点，使用时 一般可不需要锁相放大器，探测微弱信号时可选用锁相 放大器以提高信噪比；
7、红外探测器通常需要制冷和配合锁相放大器使用。
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光电导探测器
常用光电导探测器材料有： （1）射线和可见光波段：CdS、CdSe、CdTe、Si、
Ge等； （2）在近红外波段：PbS、PbSe、InSb、HgCdTe
等 （3）在长于8μm波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-
1、光敏二极管在较小负 载电阻下，光电流与入射 光功率有较好的线性关系 。
2、光敏二极管的响应波 长与GaAs激光管和发光二 极管的波长一致，组合制 作光电耦合器件。
3、光电二极管结电容很 小，频率响应高，带宽可 达100kHz。
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CCD--电荷耦合器件
CCD主要功能： 信息处理和信息存 储 有体积小、重量轻 、分辨率高、灵敏度 高、动态范围宽、光 敏元的几何精度高、 光谱响应范围宽、工 作电压低、功耗小、 寿命长、抗震性和抗 冲击性好、不受电磁 场干扰和可靠性高等 一系列优点。
xTe、Si掺杂、Ge掺杂等；
可见光波段的光电导探测器极少用于光谱探测，通常 称为光敏电阻。可见光波段的光探测器通常为PMT 和光电二极管。
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光电倍增管
光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度的光探 测器件，同时还有快速响应、低噪声、大面积阴极 （光敏面）等特点。
光电探测器原理
光电探测器功能及应用表征光电探测器性能参数主要有：量子效率、响应度、频率响应、噪声和探测度等。
其中量子效率和响应度表征了光电探测器将入射光转换成光电流本领的大小，频率响应表征了光电探测器工作速度的快慢，噪声和探测度表征了光电探测器所能探测到最小的入射光能量。
一、有关响应方面的性能参数1. 响应率（Responsivity）RV或RI表征探测器将入射光信号转换成电信号的能力电流的响应率RI：探测器将入射光信号转换成电流信号Ie的能力。
电压响应率RV：探测器将入射光信号转换成电压信号Ve的能力。
2.单色灵敏度Rλ --- 波长为l的单色辐射源单色灵敏度：输出的光电流iλ与波长为λ的入射到探测器的单色辐射光通量Pλ（或照度）之比3.积分灵敏度--- 复色辐射源表示探测器对连续入射光辐射的反应灵敏程度4. 响应时间描述光电器件对入射辐射响应快慢的参数5. 频率响应度二、有关噪声方面的参数1、信噪比信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。
它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，（S――Signal N――Noise）2. 噪声等效功率（NEP）3. 探测率与比探测率三、其它参数1. 量子效率描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数2.线性度线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。
工作参数为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，就要使相互连接的各器件都处于最佳的工作状态，所以光电探测器要与被测信号、光学系统以及后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配。
1、灵敏度（或称响应度）灵敏度RV （或RI ）的定义为：探测器输出电压VS（或输出电流IS）与输入光功率P之比。
由于灵敏度与入射光波长关系密切。
入射波长不同，探测器的灵敏度也不同，所以一般还须给出灵敏度的光谱响应特性。
在光谱响应特性曲线中，探测器的光谱响应范围是峰值灵敏度下降一半时的波长范围。
但对具体器件的光谱响应范围的定义可能不同，例如对光电倍增管的定义为下降到峰值灵敏度的1% 或0.1%的波长范围。
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0
0 、 1 分别为光电探测器长波限和短波限。 式中，
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2.量子效率η（λ）
量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它是在 某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子 数之比。 hc h 单个光量子的能量为 e 单位波长的辐射通量为 d 内的辐射通量为 e d 波长增量 在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率N为:
2.2光电探测器的特性参数
2.3光电探测器的噪声
2.4光电探测器
2.5光电探测器的偏置与放大
§2.1
光电探测器的物理基础
一、光电效应
定义：当光辐射入射到光电材料上时，材料发射 电子，或其电导率发生变化，或产生光电动势等。
发射电子：外光电效应 电导率发生变化、产生光电动势：内光电效应。
内光电效应
光生伏特效应
光生伏特效应：光照在半导体P-N结、P-i-N结、金 属-半导体接触上时，会在PN结、P-i-N结、金属半导体接触的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN 结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电 子拉向N区，光生空穴拉向P区，相当于PN结上加一 个正电压。
v c/ 1.24 hc / Eg ( m) Eg 1.24 0 hc / Eg Eg 本征吸收的长波限
•非本征光电导效应
光电导效应：
•本征光电导效应
h Eg
Eg / h
v c/ 1.24 hc / Eg ( m) Eg 1.24 0 hc / Eg Eg 本征吸收的长波限
光电发射效应 ：在光照下，物体向表面以外空间发 射电子(即光电子)的现象——多发生于金属和金属氧 化物，光电管中的光阴极。 光电发射体的功函 爱因斯坦方程：Ek h E
数 物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子能量大于发射体的 功函数的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。
光电发射效应发生波长表示：
• 材料的电阻与温度的关系可用材料的电阻温度系数α 来表征。
T
温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在
两结点间产生电动势，回路中产生电流。
当两种不同的配偶材料(金属或半导体)两端并联熔接时，如果
两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电 动势。
特
点
所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同
1. 辐射源的光谱分布
很多光电探测器（特别是光子探测器），其响应是 辐射波长的函数。对一定的波长范围内的辐射有信 号输出，称为光谱响应，它决定了探测器探测特定 目标的有效程度。
如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。假如
辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度。
当辐射经过调制时，则要说明调制频率。
多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 度，称为多数载流子，简称多子。 少子：空穴为少数载流子，简称少子。
施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
结
论：
N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入
的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电
性能也就越强。
P型半导体
♠
第二章 光电探测器
光电探测器件
光子器件
真空器件
光电管 光电倍增管
热电器件
固体器件
光敏电阻
光电池 光电二极管 热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电 阻
真空摄像管
变像管 像增强管
热释电探测器
光电三极管
雪崩光电管 电荷耦合器件 CCD
2.1光电探测器的物理基础
两个外表面之间出现微小变化的信号电压，可测定所吸收
的光辐射功率
辐射热计效应（电阻温度效应）：入射光的照射
使材料由于受热而造成电阻率变化的现象
• 当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而 半导体材料的电阻会降低 • 从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率。利用材
料的电阻变化制成的热探测器就是电阻测辐射热计
杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体中 掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。
N型半导体
♠
N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），
使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
♠
N型半导体：由于杂质原子的最 外层有5个价电子，所以除了与周 围硅原子形成共价键外，还多出一 个电子。在常温下，由于热激发， 就可使它们成为自由电子，显负电 性。这N是从“Negative（负）” 中取的第一个字母。
多子：P型半导体中，多子为空穴。 少子：为电子。 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
结论：
1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质使 多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大大增 多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高，少子的 浓度就愈低。
2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发形 成的，与温度有关。
e d e d N h hc
量子流速率N即为每秒入射的光量子数。
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若IS为信号电流，e为电子电荷，
IS R e d 每秒产生的光电子数为： e e
量子效率为： ( ) I S / e R hc N e 讨论 ( ) 1 入射一个光量子就能发射一个电子或产生一 对电子—空穴对；
内光电效应：光电材料受到光照后所产生的光
电子只在材料内部而不会逸出材料外部—多发生 在半导体材料。
内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 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
少的现象称为光电导效应。
光电导效应：
•本征光电导效应
h Eg
Eg / h
和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展到1．25μm，只适 用于近红外的探测，因此在红外系统中应用不多。
二、光热效应
光热效应：材料受光照射，光子能量与晶格相互作
用，振动加剧，温度升高，材料性质发生变化。
热释电效应：介质受光照射温度升高，在晶体特定方向
上由于自发极化强度随温度变化而引起表面电荷的变化。 光辐射强度变化→晶体温度变化→自发极化强度变化 当强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发 电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体
1.24 c ( m) E (eV )
截止波长
光电子发射探测器
真空光电管:真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响应 要求极快的场合 光电倍增管：应用最广，内部有电子倍增系统，因而有很高
的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。
光电子发射探测器主要是可见光探测器，因为对红外辐射响
应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲
的情况。
30
二、特性参数
1.响应度 2.量子效率 3.噪声等效功率 4.探测率D和比探测率D 5.光谱响应 6.响应速度
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1. 响应度Rv或RI
响应度是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输
出信号与输入光信号间关系的参数，又称为光电探测
器的灵敏度。
设光电探测器输出电压为 Vs 或电流为 Is ，入射到光电
探测器上的光功率P Rv＝Vs／P 单色灵敏度和积分灵敏度
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RI＝is／P
分别称为光电探测器的电压响应度和电流响应度。
单色灵敏度
使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色灵敏度，又叫光谱 响应度，用Rλ表示， 定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上 单色辐射通量(光通量)之比。
RV Vs ( )
实际上， ( ) 1 。
对于有增益的光电探测器(如光电倍增管等)，会远 大于1，此时一般使用增益或放大倍数这个参数。
37
3.噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
从响应度来看，好象只要有光辐射存在，不管它的
功率如何小，都可探测出来。
当入射功率很低时，输出只是杂乱无章的信号，无
26
2. 电路的通频带和带宽
因噪声限制了探测器的极限性能。
噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，有些噪声 还是频率的函数。
描述探测器性能时，必须明确通频带和带宽。
27
3. 工作温度
许多探测器，特别是半导体材料的探测器，无论 是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系，必 须明确工作温度。 通用的工作温度是： 室温(295K) 干冰温度(195K) 液氮温度(77K)
法肯定是否有辐射入射在探测器上。这它固有的“噪 声”引起的。
随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等
于零。但其均方根不等于零，这个均方根电压(流)称 为探测器的噪声电压(流)。
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信噪比(S／N)
1）作用：判定噪声大小。 2）表示：在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比：
S Ps I s2 RL I s2 2 2 N PN I N RL I N
P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混入 了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，使之 取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。
空穴的产生：由于杂质原子的最外
层有3个价电子，当它们与周围的硅 原子形成共价键时，就产生了一个“ 空位”（空位电中性），当硅原子外 层电子由于热运动填补此空位时，杂 质原子成为不可移动的负离子，同时 ，在硅原子的共价键中产生一个空穴 ，由于少一电子，所以带正电。P型 取“Positve（正）”一词的第一个字 母。
的响应，因而是非选择性探测器。这和光子探测