第六章 光电探测器分解

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光电探测器：基于光电效应把光能直接转换成电信息的
器件。
分类：根据工作效应的不同可以分为：
（1）光电子发射器件：光电管和光电倍增管 （2）光电导器件：单晶型、多晶型、合金型的光敏电阻 （3）光生伏特器件：光电池、光电二极管和光电三极管 （4）光磁电器件 按排列结构光电探测器也可分为单元器件、阵列器件或成像 器件等
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充气光电管 在光电管中充进低压惰性气体，在光照下光电阴极发射出的光电
子受电场作用加速向阳极运动，途中与气体原子相碰撞，气体原子发
生电离而形成电子与正离子。电离出来的电子在电场的作用下与光电 子一起再次使气体原子电离。如此繁衍下去，使充气光电管的有效电
流增加，同时正离子也在同一电场作用下向阴极运动，构成离子电流，
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（1）光电管
光电管分为真空光电管和充气光电管两大类。 真空光电管：管内保持真空，只存在电子运动 充气光电管：管内充有低压惰性气体，工作时电子碰撞气体，利用气体电离放电 获得光电流放大作用的光电管。
真空光电管
工作原理： 当入射光线透过光窗照射到电阴极面上时，光电子从阴极发射到真空中，在 极间电场作用下，光电子加速运动到阳极被阳极吸收，光电流数值可在阳极 电路
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6.2 光电探测器原理和种类
6.2.1 光电子发射效应
原理：材料表面的电子吸收光子能量，吸收的光能能够满足途中由于
与晶格或其它电子碰撞而损失的能量外，尚有一定能量足以克服固体
表面的势垒（或叫逸出功）则电子就可以穿出材料表面。这些逸出表 面的电子称为光电子。这种现像叫光电子发射或外光电效应。
Ek hv
特点：光电子动能与照射光强度无关； 光谱响应表现出选择性； 光电子发射效应的低频限； 优点：灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪音小 缺点：结构复杂，工作电压高，体积较大
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光电子发射器件
• 光电管、光电倍增管:典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件. • 由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种电流放大器件。 • 光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测
线性度：探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成比例的
程度和范围。通常，弱光照时探测器输出光电流都能在较 大范围内与输入光功率（或辐照度）成线性关系。在强光 照时趋于平方根关系。
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响应时间和频率响应
当照射探测器的光功率由零增加到某一值时，光电探测器的瞬时输出电流 总不能完全跟随输入变化。 同样，在光照突然停止时也是这样，这就是探 测器的惰性。
响应度 ：入射的单位光辐射功率所引起的反应
电流灵敏度： 电压响应度：
Sd
Ru
Is P
Us P
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6.1 光电探测器的特性参数
光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性 。 光谱响应：
峰值响应波长：响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长 截止波长：当响应度下降到其峰值的50%时所对应的波长。
其数值与电子电流相当。因此，在阳极电路内就形成了数倍于真空光 电管的光电流。
R0为调制频率f ＝0时的响应度。
R( f c ) R0 / 2 时的调制频率 响应频率：
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噪声等效功率（NEP）：使探测器输出电压正好等于输出噪声
电压时的入射光功率 。 在探测极其微弱的信号时，限制光电探测器对极微弱光辐射探测能力 的不是响应度的大小。
NEP
NEP
Un P Ru U s / U n
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6.1 光电探测器的特性参数
量子效率: 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。
描述光电器件 光电转换能力
I＝P＝
＝
Ihv ep
e P h
单位时间入射到探测器表面的光子 单位时间内被光子激励的光电子数。
特定波长下，单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入射到探测器 表面的光子数之比
is t i 1 e t /


is (t ) 上升到稳态值的0.63倍时的时间 响应时间：阶跃输入时，
由于探测器存在惰性，当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，若调制 频率低，则响应度与调制频率无关；若频率高，响应度就随频率升高而降 低。
R( f ) R0 1 ( 2f ) 2
In P Sd I s / I n
噪声等效功率的概念表征探测器的最小可探测功率。

探测度D及归一化探测度D*：
D 1/ Af
D* D Af
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光电探测器的噪声
噪声来自系统外部干扰噪声和内部噪声。系统内部噪声主要是由于元器 件中带电粒子的不连续性以及局部不均匀造成的
1．热噪声：凡有功耗电阻的元件都有热噪声，来源于电阻内部自由电子或电荷 载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度成正比，与测量仪器的电子带宽成 正比，与频率无关。 2．暗电流噪声：当探测器接入电路后，由于热电子发射，场致发射或半导体中 晶格热振动激发出载流子，而产生的输出电流。 I n (2eI d f )1/ 2 3．散粒噪声： 由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。每一瞬时通过PN 结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引 起散粒噪声。散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。
第六章 光电探测器
概述
光电器件：探测载波光信息，利用光电效应把光信息转换成电信息的
器件。按器件的机理不同，分为热电和光电探测器两大类。

热电探测器：
基于光辐射引起探测器温度上升，从而使与温度有关的电物理量发生变化， 反映的是入射光的能量或功率和输出电量的函数关系。如热敏电阻、热电偶 和热电堆、气动管（高莱管）、热释电探测器等。 热电探测器对光谱响应没有选择性，从可见光到红外波段均可响应。
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真空光电管的结构
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主要特性
灵敏度：在一定光谱和阳极电压下，光电管阳极电流与阴极面上光
通量之比，反应了光电管的光照特性。 伏安特性：一定光照条件下，阳极电流会随其电压增加而增加 。
不同电极结构有不同的饱和电压 。
光谱响应：各种真空光电管的光谱响应不同，影响光谱特性的主要 因素是光阴极的结构、材料、厚度及光窗材料等 。 暗电流：在低照度下，暗电流大小和噪声决定了测量光通量的低限， 并影响对弱光的测量精度 。