常用光电探测器
光子探测器分类
描述bios的含义
光子探测器是一种能够探测光（光子）的探测器，通常用于高能物理、核医学、安全检查、环境监测等领域。
常见的光子探测器分类如下：
- 按照工作原理分类：
- 光电探测器：利用光电效应将光信号转换为电信号，如光电二极管、光电倍增管等。
- 热探测器：利用光热效应将光信号转换为热信号，如热敏电阻、热释电探测器等。
- 量子探测器：利用量子效应将光信号转换为电信号，如雪崩二极管、硅光电池等。
- 按照探测波长分类：
- 可见探测器：能够探测可见光谱范围内的光，如光电二极管、光敏电阻等。
- 红外探测器：能够探测红外光谱范围内的光，如热释电探测器、量子阱探测器等。
- 紫外探测器：能够探测紫外光谱范围内的光，如雪崩二极管、硅光电池等。
- 按照应用领域分类：
- 高能物理探测器：用于高能物理实验中探测光子，如闪烁计数器、切伦科夫计数器等。
- 核医学探测器：用于核医学成像中探测光子，如正电子发射
断层扫描（PET）探测器、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）探测器等。
- 安防探测器：用于安全检查和监控中探测光子，如X射线探测器、γ射线探测器等。
光电探测器的几种类型
光电探测器的几种类型红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子电子或空穴、，引起电学性能变化。
因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。
量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。
为了达到性能，一般都需要在低温下工作。
光电探测器可分为：1、光导型：又称光敏电阻。
入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。
从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。
截止波长由杂质电离能决定。
量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。
2、光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。
能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。
存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差。
外电路就有电压或电流信号。
与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。
这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。
3、光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。
充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模1024×1024甚至更大、焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。
有严格的低温要求。
用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。
PtSi/Si结构FPA是早制成的IRFPA。
4、量子阱探测器QWIP：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。
电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。
利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。
90年代以来发展很快，已有512×512、640×480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。
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
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：
光电探测器原理与应用
光电探测器原理与应用光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件，是现代光电技术中的重要组成部分，广泛应用于通信、医学、物理学等领域。
本文将从光电探测器的原理、种类以及应用进行探讨。
一、光电探测器的原理光电探测器的原理基于光电效应，即光能被物质吸收后，其中的光子能激发物质内部的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对，产生电流和电势差，将光信号转换为电信号并放大处理。
而光电探测器的基本结构，则由光敏材料、光电转换部件、电荷放大器等组成，具有宽频带、高响应速度等特点。
二、光电探测器的种类光电探测器主要分为以下几种：①硅光电二极管硅光电二极管是一种常见的光电探测器，其结构简单，大小小巧，响应速度快，但灵敏度较低。
硅光电二极管的光电转换部件为PN结，探测范围为红外线波段。
②掺铟镓光电二极管掺铟镓光电二极管响应范围为近红外至中红外波段，具有较高的灵敏度和响应速度，广泛应用于红外光谱分析、制导弹道等领域。
③掺铊锗光电二极管掺铊锗光电二极管响应范围为中红外波段，具有较高的探测率和灵敏度，广泛应用于红外光谱分析、空间测量等领域。
④光电倍增管光电倍增管响应范围涵盖紫外线至近红外波段，具有高灵敏度、高信噪比和低失真等特点，广泛应用于低光强度信号的检测和测量。
⑤光伏噪声探测器光伏噪声探测器是一种激光光源的光功率变化探测器，响应波长范围覆盖整个光谱，具有高信噪比、高稳定性等特点，广泛应用于光通信、激光测距、光谱分析等领域。
三、光电探测器的应用光电探测器具有广泛的应用领域，其中主要包括：①光通信光电探测器在光通信中起到重要作用，光电二极管和光电倍增管是常用的探测器。
光电探测器接收光信号并转换为电信号，再经过解调和放大处理后，完成光通信中数据的传输和接收。
②光谱分析光电探测器在光谱分析领域中广泛应用，通过对不同波长的光线进行探测和分析，完成对样品的化学成分、结构和性质的测量和研究。
掺铟镓光电二极管和光伏噪声探测器是常用的光谱探测器。
光电探测器列表
紫外探测器：碳化硅（SiC）材质，响应波段200-400nm。
应用：火焰探测和控制、紫外测量、控制杀菌灯光、医疗灯光的控制等。
————————————————————————————————————————————可见光探测器：硅（Si）材质，响应波段200-1100nm。
有室温、热电制冷两种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。
主要用在测温、激光测量、激光检测、光通信等领域。
————————————————————————————————————————————红外探测器（1）：锗（Ge）材质，响应波段0.8-1.8um，有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。
主要应用在光学仪表、光纤测温、激光二极管、光学通信、温度传感器等————————————————————————————————————————————红外探测器（2）：铟钾砷（InGaAs）材质，响应波段0.8-2.6um，波段内可以进行优化。
有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，可以配光纤输出，多种封装形式可选。
主要应用在光通信、测温、气体分析、光谱分析、水分分析、激光检测、激光测量、红外制导等领域。
————————————————————————————————————————————红外探测器（3）：砷化铟（InAs）材质，响应波段1-3.8um，有室温和热电制冷两种，可以配内置前放，多种封装形式可选。
主要用于激光测量、光谱分析、红外检测、激光检测等领域。
红外探测器（4）：锑化铟（InSb）材质，响应波段2-6um，液氮制冷，可以带内置前放，多种封装形式可选。
主要应用在光谱测量、气体分析、激光检测、激光测量、红外制导等领域。
————————————————————————————————————————————红外探测器（5）：硫化铅（PbS）材质，响应波段为1-3.5um，有室温和热电制冷两种，可以带内置前放，多种封装形式可选。
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。
光电探测器的制作及其在通信领域中的应用
光电探测器的制作及其在通信领域中的应用光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件，也是光通信中关键的组成部分之一。
目前，光电探测器已经广泛应用于通信、医学、军事、航空等领域。
本文将介绍光电探测器的制作及其在通信领域中的应用。
一、光电探测器的制作1.1 探测器的种类常见的光电探测器有光电二极管、光电倍增管、光电子倍增管、光耦合器等。
其中，光电二极管是最常用的一种，它具有易用、低成本、体积小等优点。
1.2 制作工艺光电二极管的制作采用半导体工艺，主要包括以下几个步骤：（1）材料生长：在晶体生长炉中制备出探测器所需的半导体材料，比如硅、锗等。
（2）制作P-N结：在半导体片上涂上金属掩膜，经过光刻、腐蚀等工艺将掩膜除去，然后用掩膜后的半导体材料进行扩散或外延生长，形成P-N结。
（3）包装：将制作好的探测器芯片封装到保护壳内。
二、光电探测器在通信领域中的应用2.1 光通信光通信是一种基于光传输进行信息传输的技术，它具有带宽大、传输距离远、抗干扰性强等优点。
而光电探测器则是将光信号转化为电信号的核心器件。
在光通信系统中，光电探测器扮演着重要的角色，它能够将光信号转化为电信号，并通过信号处理器处理后输出。
2.2 光纤通道检测光纤通道检测是指使用光电探测器检测光纤通道的损耗和信号衰减，在光纤通讯系统中具有非常重要的作用。
光电探测器能够将光信号转化为电信号，通过信号处理器分析电信号的强度，从而确定光纤信道的损耗和衰减程度。
2.3 光纤传感光纤传感是利用光纤作为传感器进行信号检测的一种技术。
光电探测器则是将光信号转化为电信号的核心器件。
在光纤传感系统中，光电探测器通常与光纤衰减器、光源等组成一个光衰减传感器，用于检测光纤信号的衰减程度，从而确定被测量的物理量。
2.4 医疗领域在医疗领域中，光电探测器常用于医学影像系统中的探测器和光源。
光电探测器能够将光信号转化为电信号，并通过信号处理器处理后输出，从而成为医学影像系统的关键组成部分，为医疗事业做出了重要的贡献。
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品种很多，包括各种光电池、光电二极管、光电晶体管、 光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、 阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器 （PSD）、光电耦合器件等。
和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一 些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏 探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测 器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。
PN结光伏探测器的工作模式
PN结光伏探测器的典型结构如图所示。为说明光功率转 换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用 一理想电流表记录光照下流过回路的电流，这个电流常
常称为短路光电流 i 。
光子
电极
SiO2 n
p+
耗尽层 电极
n+
PN结光伏探测器的工作模式
假定光生电子-空穴对在PN结的结区，即耗尽区内产生。 由于内电场作用，电子向n区、空穴向p区漂移运动，被内
应 特 别 注 意 ， 光 电 流 总 是 反 向
电流，而光电流在RL上的电压降， 对探测器产生正向偏置称为自偏
压，当然要产生正向电 RL1>RL2 流。最终
RL2
两个电流抵消，伏安曲线中止于
横轴上。
RL1
RL
i
+ －
V
-V P=0
光 功
P1
率
增
P2
大
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
对外回路所贡献的总电荷量： QQpQn e
光伏探测器的内电流增益等于M=1。
光伏探测器光电转换关系为
i
e h
P
这是和光电导探测器明显不同的地方。
PN结光伏探测器的工作模式
一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒
流源(光电流源)的并联，如图 (b)所示。它的工作模式则 由外偏压回路决定。在零偏压时(图 (c))，称为光伏工作 模式。当外回路采用反偏压V时(图 (d))，即外加P端为负 n端为正的电压时，称为光导工作模式。
光敏电阻
4.使用注意事项
（1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻 的光敏特性匹配；
（2）要防止光敏电阻受杂散光的影响； （3）要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超 过允许值；
（4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。
PN结光伏探测器的工作模式
利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏探测器， 也称结型光电器件。
）
A、光电发射效应 B、光电导效应
C、光生伏特效应 D、光磁效应
2）在光线作用下，半导体电导率增加的现象属于(
)
A、外光电效应
B、内光电效应
C、光电发射
D、光导效应
3）以下几种探测器属于热探测器的有：（
）
A、热电偶
B、热释电探测器
C、热敏电阻 D、超导远红外探测器
4）表征光电探测器探测微弱光信号能力的参数是（ ）
uViRLiRg
i
V Rg
2
RL Rg
arctan1
RL
arctan1
Rg
arctan1
Rd
光敏电阻
伏安特性 uViRL
u u V i iR L
i
i
iD
i
u
i
(a)
(b)
RL RL
V
(c) (d)
PN结光伏探测器的工作模式
普通二极管的伏安特性为 iDiS0(eeu /kBT1)
光伏探测器的总伏安特性应为 i D 和 i 之和，考虑到二
者的流动方向，我们有：
iiDiiS0(ee/u kBT1)i
式中i是流过探测器的总电流，e是电子电荷，u是探测器
实际光照特征呈非线性关系： i KuP
K : 与器件的材料、尺寸、形状以及载
流子寿命有关；
:电压指数，与接触电阻等因素有关，
其值一般为1~1.2；
: 照度指数，由杂质种类及数量决定，
其值一般为0.5~1.0。
在低偏压、弱光照条件下
1, 1
CdS的光照特性曲线
光敏电阻
伏安特性
非本征型光敏电阻：通常在低温条件下工作，常用于 中、远红外辐射探测
常用的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS以及TeCdHg等。其中CdS是工 业应用最多的，而PbS主要用于军事装备，
光敏电阻
1. 光敏电阻的结构和偏置电路
在绝缘基片上淀积半导体薄膜，然后在薄膜面上蒸镀金 或铟，形成梳状金属电极——间距很近的电极之间，具 有较大的光敏面积，从而获得很高的灵敏度。
常用光电探测器简介
知识巩固
光电探测器的物理效应
光子效应
光热效应
响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见
截止波长，超过该波长，器 件无响应
光到远红外的各种波长的辐
射同样敏感
响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒
需要的时间短，一般为纳秒
到几百微秒
知识巩固
1）以下属于内光电效应的有（
i e MP h
M Ln2un
M——光电导体的 光电流内增益
光敏电阻
2. 光敏电阻的工作特性
光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性、照 度伏安特性、频率响应、温度及噪声特性来判别； 在实际应用中，可根据这些特性合理选择相应的 器件。
光敏响应特性 光照特性和伏安特性 时间响应特性 稳定特性 噪声特性
电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流 i 。
p Ec EEvF
光生空穴
-
光子
o
+
电离受主 电离施主L
p+
---
++ ++
n
x 光生电子
-
n
Ei 耗尽层
PN结光伏探测器的工作模式
就光电流形成的过程而言，光伏探测器和光电导
探测器有十分类似的情况。
可以证明：在光伏情况下一个光生电子-空穴对
两端电压，kB是玻耳兹曼常数，T是器件的绝对温度。把 上式中i和u为纵横坐标作成曲线，就是光伏探测器的伏 安特性曲线。
第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起重
要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。
RL1>RL2
RL2 RL1
RL
i
+ －
V
-V P=0
光 功
P1
率
增 大
P2
光敏电阻
3.几种典型的光敏电阻
CdS和CdSe：可见光辐射探测器，低造价、高可靠和 长寿命；光电导增益比较高(103～104)，响应时间比 较长(大约50ms)。
PbS：近红外辐射探测器，波长响应范围在1～3.4μm， 峰值响应波长为2μm，内阻（暗阻）大约为1MΩ，响 应时间约200μs，室温工作能提供较大的电压输出； 广泛用于遥感技术和红外制导技术。
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，
称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是 流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的
光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分
相似。
RL1>RL2
RL2 RL1
RL
i
+ －
V
-V P=0
光 功
P1
率
增 大
P2
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着
光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻 RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式。通常 把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。
V Rg
2
RL Rg
uiRL
VRgRL
2
RL Rg
当 RL Rg 时， u 最大。称为匹配状态。
最大功率损耗限制:
i2Rg Pmax
1/2
偏置电压的选取原则：
V
Pmax Rg
RL Rg
光敏电阻
时间响应特性
光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增 大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上 升时间和衰减时间表示。
光敏电阻
光敏响应特性
对各种光的响应灵敏度随入射光的波长变化而变化
的特性。常用光谱响应曲线、光谱响应范围及峰值响应
波长来描述。
m(m)
1.24 Eg(eV)
或
m(nm)