光谱用光电探测器介绍
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
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。
光电探测器原理
光电探测器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、光测量、光学成像等领域有着广泛的应用。
光电探测器的原理是基于光电效应和半导体器件的特性，通过光的照射使半导体器件产生电荷载流子，从而实现光信号到电信号的转换。
本文将介绍光电探测器的工作原理、结构特点及应用领域。
光电探测器的工作原理主要基于光电效应，即当光线照射到半导体材料表面时，光子能量被半导体吸收，激发出电子和空穴对。
在外加电场的作用下，电子和空穴被分离，从而产生电流。
这种光电效应是光电探测器能够将光信号转换为电信号的基础。
另外，光电探测器还利用了半导体器件的PN结构，通过光的照射改变PN结的导电特性，从而实现对光信号的探测和转换。
光电探测器的结构特点主要包括光电转换元件、信号放大电路和输出接口。
光电转换元件是光电探测器的核心部件，它通常采用硅、锗、InGaAs等半导体材料制成，具有高灵敏度和快速响应的特点。
信号放大电路用于放大光电转换元件产生的微弱电信号，以提高信噪比和传输距离。
输出接口将放大后的电信号转换为可用的电压或电流信号，以便接入到其他电子设备中进行信号处理和传输。
光电探测器在光通信、光测量、光学成像等领域有着广泛的应用。
在光通信系统中，光电探测器用于接收光信号并转换为电信号，实现光信号的调制和解调。
在光测量领域，光电探测器可以用于测量光强、光功率和光谱等参数，实现对光信号的精确测量和分析。
在光学成像系统中，光电探测器可以将光信号转换为图像信号，实现对光学图像的采集和处理。
总之，光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的重要器件，它的工作原理基于光电效应和半导体器件的特性，具有灵敏度高、响应速度快的特点。
光电探测器在光通信、光测量、光学成像等领域有着广泛的应用前景，将在未来发挥越来越重要的作用。
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。
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光谱用光电探测器介绍
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光探测器按照工作原理和结构，通常分为光电探测器和热电探测器，其中光电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）。
● 光电倍增管（PHOTOMULTIPLIER TUBES，PMT）
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。
典型的光电倍增管，在其真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。
当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。
这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大；放大后的电子被阳极收集作为信号输出（模拟信号输出）。
因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。
从接受入射光方式上来分，光电倍增管有侧窗型（Side-on）和端窗型（Head-on）两种结构。
侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。
通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。
大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。
端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。
端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从更大面积的光敏面（几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极）。
端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。
由于外加电压的变化会引起光电倍增管增益的变化，对输出的影响很大，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。
卓立汉光的HVC系列高压稳压电源，其稳定性能达到±0.03%/h，非常适合作为光电倍增管高压电源。
同时需要注意的是，由于光电倍增管增益很大，一般情况不允许加高压时暴露在日光下测量可见光，以免造成损坏，作为光探测器使用时，需要将光电倍增管进行密封。
卓立汉光所提供的光电倍增管封装严格按照要求进行封装，保证客户的正常安全使用。
另外，光电倍增管受温度影响很大，降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射，从而降低暗电流。
特别是在使用长波（近红外波段，俗称红敏）光电倍增管时，应当严格控制光电倍增管的环境温度。
此外，大多数的光电倍增管会受到磁场的影响。
磁场会使电子脱离预定轨道而造成增益的减少。
因而影响到光电倍增管的工作效率。
因此，光电倍增管的封装要特别注意进行电磁屏蔽；卓立汉光提供的光电倍增管均进行了有效地电磁屏蔽。
● 光电二极管（Photodiode）
光电二极管的工作原理主要基于光生伏特效应。
光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。
● 光电导探测器（Photoconductive Detector）
光电导探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。
所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。
通常，凡禁带宽度合适的半导体材料都具有光电效应。
但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。
常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8μm 波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。
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。
故卓立汉光采用的可见光波段的光探测器通常为PMT和光电二极管。
红外波段的光电导探测器PbS、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在1～3μm、3～5μm、8～14μm三个大气透过窗口。
由于它们的禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。
响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3μm波段的探测器可以在室温工作（灵敏度略有下降）。
3～5μm波段的探测器分三种情况：1、‘在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有1～7×108cm·Hz/W；2、热电致冷温度下工作(约-60℃)，探测度约为109 cm·Hz/W；3、77K或更
低温度下工作,探测度可达1010 cm·Hz/W以上。
8～14μm波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导器件通常需要在制冷条件下使用。
红外探测器的时间常数。
PbS探测器时间常数一般为50～500μs，HgCdTe探测器的时间常数在10-6～10-8s量级。
红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号，例如10-14 W；输出的电信号也非常小，因此要有专门的前置放大器。
● 热释电探测器（Pyroelectric Detector）
热释电型红外探测器是由具有极化现象的热释电晶体（铁电体）制作而成的。
其所探测的辐射必须是变化的；对于恒定的红外辐射，必须进行调制（斩光），使恒定辐射变成交变辐射，借以不断引起探测器的温度变化才能导致热释电产生，并输出相应的电信号。
热释电探测器与之前的光电器件相比具有如下特点：1、无选择性：响应率与波长无关；2、响应慢。
● 光探测器的主要性能参数
◆光谱响应度
光谱响应度是指某一波长下探测器输出的电压或电流与入射光功率之比。
光谱响应度随波长的变化关系曲线即是探测器的光谱响应曲线（绝对响应曲线）。
若将光谱响应曲线的最大值做归一化处理，则得到相对光谱响应曲线。
◆等效噪声功率（NEP）
等效噪声功率是信噪比为1时探测器能探测到的最小辐射功率，即最小可探测功率。
◆探测率（D）/比探测率（D*）
探测率D是NEP的倒数，D越大，表明探测器的探测性能越好。
比探测率D*即是归一化的探测率，也叫探测灵敏度。
其单位为：cm·Hz1/2·W-1.
◆时间常数
时间常数表示探测器输出信号随入射光信号变化额速率，τ=1/(2πf)。
● 如何选择合适的光探测器？
在光电测试系统中，需要根据实际需要来选择各种探测器，特别要关注如下几个方面的问题：
1、实际光谱测量范围，这是选择光探测器首先要注意的问题；
2、光电倍增管是高灵敏的探测器，使用波长范围受限（通常到900nm，部分型号可得到1000nm以上，但价格通常很贵），而且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；
4、光导型探测器响应较慢，使用时要求信号光必须调制，并且需要搭配锁相放大器进行信号检出，同时要注意调制频率的选择；
5、探测器选择时尤其需要注意选择配套的前置放大器，才能更大限度的发挥探测器的探测效率；
6、选择TE制冷型探测器时，还要注意对应的温控器选择，探测器、温控器及前置放大器均需根据需要单独选择；
7、红外探测器通常需要制冷和配合锁相放大器使用。