光电探测器的物理基础
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第2章 光电探测器概述
光电探测器的工作条件
光谱匹配 电路的通频带和带宽 工作温度 光敏面尺寸 偏置情况
2.2 光电探测器的特性参数 1．光电特性 2. 灵敏度与光谱特性 3．等效噪声功率和比探测率 4．响应时间与频率特性
1．光电特性
光电特性是指电学参量与光辐射参量之间的函 数关系。
例如：I=f（Ф） I=f（E） 例1：P109 光电倍增管的 光电特性 线性度-重要性
k =1
SNR =
IS
2 IN
3．噪声等效功率和比探测率
辐射通量 信号电流 噪声电流
Φmin
NEP = Φmin
I=
2 IN
当探测器输出的信号电流I (或电压U)等于探测器 本身的噪声电流(或电压)均方根值时，入射到探 测器上的信号辐射通量称为噪声等效功率（简称 NEP）
3．噪声等效功率和比探测率
典Байду номын сангаас光电探测器的D*曲线
4. 响应时间与频率特性
矩形光脉冲，响应出 现上升沿和下降沿
通常光电器件输出的电信号都要在 时间上落后于作用在其上的光信号， 即光电器件电信号输出相对于输入 光信号要发生时间上的扩展，其扩 展特性可由响应时间来描述。光电 器件的这种相应落后于作用光信号 的特性称为惰性，将会使先后作用 的光信号产生交叠，从而降低了信 号的调制度。如果接收器件测试的 是随时间快速变化的物理量，则由 于惰性的影响会使输出产生严重畸 变。
2. 灵敏度与光谱特性
光谱灵敏度 ：
U (λ ) RU (λ ) = Φ (λ )
S
I (λ ) RI (λ ) = Φ (λ )
例1：人眼 光谱灵敏度
例2：硅光电器件 光谱灵敏度
2. 灵敏度与光谱特性 光谱特性（曲线）
光电探测器基本原理
光电管原理
光电倍增管
三、内光电效应器件
当光照射在物体上，使物体电阻率发生变化或产生光
生电动势的现象称为内光电效应，它多发生于半导体内。
内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应
在光线照射下，电子吸收光子能量，从键合状态过度
到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称
为光电导效应。基于光电导效应的光电器件是光敏电阻。
光敏电阻
工作原理：
金属电极 入射光
光电导材料 Ip Ubb Ip
光敏电阻符号
光敏电阻原理及符号
光敏电阻的结构： 在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、 云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线， 封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。 光敏电阻常做成梳状电极，光 敏面做成蛇形这样既可以保证有较大 的受光面，也可以减小电极之间的距
电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，
Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范 围内。
PbS光敏电阻 PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件， 因此，常用于火灾的探测等领域。 PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作 温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波 限将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。
离，从而既可以减小载流子的有效级
间的渡越时间，也有利于提高灵敏度。
本征型光敏电阻
一般在室温下工作 适用于可见光和近红外辐射探测
非本征型光敏电阻
通常在低温条件下工作 常用于中、远红外波长较长的辐射探测
典型光敏电阻
CdS光敏电阻 CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特 性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵 敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相 机的自动测光等。 CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏
《光电子技术基础》(第二版) 第6章 光电探测技术基础
出电流为： 其功率信噪比
ic
(t)
GPs e
hνs
2m c osωmt
SNR Pc
Pn
Pns
Pnb
Pc Pnd
PnT
2( GPse hνs )2 RL
in2s in2b in2d in2T RL
式Pn中d ，和GP为nT光分探别测是器光的电内倍部增增管益的，信ib号为光背噪景声光功电率流、，i背d 景为光光噪电声阴功极率暗、电暗流电。P流ns产，生P的nb 噪，
第6章 光电探测技术基础
主要内容
6.1 光探测器性能参数 6.2 光电探测方式 6.3 光电探测的物理效应 6.4 光电探测器
光电探测技术基础
光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光 探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测 量的物理量的器件。光探测器的发展可追溯到1873年，英国的Smith和 May在大西洋 横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的Se棒后，其电阻值约改 变30%，同年Simens将白金绕在这种Se棒上，制成了第一个光电池；1888年，德国的 Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射， 1909年，Richtmeyer发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子 数成正比，奠定了光电管的基础；接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制 造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管；1950年，美国的Weimer等人研制 出光导摄像管，1970年Boyle等人发明了CCD(电荷耦合器件)。如今，激光的发展进一 步促进和刺激了光电探测领域的发展，各种光电探测器件大都已工业化、商品化，摄 像机等已微型化。由于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量，因而光电探 测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义。
光电探测基础全面讲解
1m 1 cm 1 mm
1 m
1 nm
。
1A
1 X射 线 单 位
。
1 A
图 1.1-1 电磁波谱图
第1章 光电探测基础
表1.1-1 光波段单光子能量表
第1章 光电探测基础
1.1.1 光电系统的基本模型
与电子系统载波相比， 光电系统载波的频率提高了几个量级。
这种频率量值上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变， 在功能上
第1章 光电探测基础
第1章 光电探测基础
1.1 光电系统描述 1.2 光接收机视场 1.3 光电探测器的物理效应 1.4 光电转换定律和光电子计数统
计 1.5 光电探测器的性能参数 1.6 光电探测器的噪声
第1章 光电探测基础
1.7 辐度学与光度学 1.8 背景辐射 1.9 探测器主要性能参数测试 习题与思考题
第1章 光电探测基础
均匀光源当发光面积为As， 辐射角为Ωs时， 所辐射的总功率为
Ps=LAsΩs
(1.1-1)
对于辐射对称型光源， 立体角Ωs与平面辐射角θs的关系为(参见
图1.1-5)
Ωs=2π［1-cos(θs/2)］
(1.1-2)
第1章 光电探测基础
光束形 成系统
光源
dt
透 镜 直径
光束角
Gr
4 b
4d
t
2
(1.1-6)
第1章 光电探测基础
14 0
13 0
0.5 m
12 0
10 m
122 dB
11 0
光 束 /角rad 4
增 益 / dB 1 GHz
10 0
40
95 dB
90
80
1 m
1 nm
。
1A
1 X射 线 单 位
。
1 A
图 1.1-1 电磁波谱图
第1章 光电探测基础
表1.1-1 光波段单光子能量表
第1章 光电探测基础
1.1.1 光电系统的基本模型
与电子系统载波相比， 光电系统载波的频率提高了几个量级。
这种频率量值上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变， 在功能上
第1章 光电探测基础
第1章 光电探测基础
1.1 光电系统描述 1.2 光接收机视场 1.3 光电探测器的物理效应 1.4 光电转换定律和光电子计数统
计 1.5 光电探测器的性能参数 1.6 光电探测器的噪声
第1章 光电探测基础
1.7 辐度学与光度学 1.8 背景辐射 1.9 探测器主要性能参数测试 习题与思考题
第1章 光电探测基础
均匀光源当发光面积为As， 辐射角为Ωs时， 所辐射的总功率为
Ps=LAsΩs
(1.1-1)
对于辐射对称型光源， 立体角Ωs与平面辐射角θs的关系为(参见
图1.1-5)
Ωs=2π［1-cos(θs/2)］
(1.1-2)
第1章 光电探测基础
光束形 成系统
光源
dt
透 镜 直径
光束角
Gr
4 b
4d
t
2
(1.1-6)
第1章 光电探测基础
14 0
13 0
0.5 m
12 0
10 m
122 dB
11 0
光 束 /角rad 4
增 益 / dB 1 GHz
10 0
40
95 dB
90
80
光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理
光电探测器基本上是一种将光信号转换为电信号的装置。
它的工作原理主要包括光电效应、光电场效应、光电导效应和半导体效应等。
1. 光电效应：根据爱因斯坦的光电效应理论，当光照射到金属或半导体材料上时，光子的能量可以激发并释放束缚在材料中的电子，使其成为自由电子，从而形成光电流。
这个效应是光电探测器工作的基础。
2. 光电场效应：某些光电探测器中，光照射到探测器的光敏元件上会产生电场效应，这个电场效应可以影响电子的移动和集中，从而产生电流。
这种光电场效应可以用于增强光电流的效果。
3. 光电导效应：某些光电探测器中，光照射到探测器的光敏元件上，使其电导性能发生变化。
例如，在光敏电阻中，当光照射到电阻上时，光能激发电子，在晶格中移动，增加电阻的导电能力，从而产生电流。
4. 半导体效应：半导体材料具有光电效应和半导体材料本身的特性结合在一起，可以提高光电探测器的性能。
例如，光敏二极管就是利用P-N结的特性，通过电压和光照射控制二极管
的导通和截止状态，实现光电流的探测。
总的来说，光电探测器的工作原理是利用光和材料的相互作用，
将光信号转化为电信号。
不同类型的光电探测器采用不同的工作原理，但都是基于光电效应的基本理论。
光电检测器件工作原理及特性
若在某一规定范围内光电检测器件的响应度是常数，则这 一范围为线性区。
线性区的下限 光电器件的暗电流和噪声决定 线性区的上限 饱和效应或过载决定
四、工作温度
光电检测器件的工作温度：最佳工作状态时的温度
五、光电检测器件的合理选择
1. 根据待测光信号的大小，确定检测器的动态范围； 2. 检测器的光谱响应范围是否与待测光信号的光谱匹配； 3. 检测器的最小分辨率、信噪比； 4. 当待测光信号功率变化时，检测器的线性度； 5. 检测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素。
视觉的刺激强度，引入光通量 v 定义：
v CV e
其 中 ： C—— 比 例 系 数 ， 683 lm/W，V ——视见函数，描 述人眼对各种波长辐射能的相
对敏感度，e 即辐射通量.
对光通量：
v
dQv dt
3）辐射出(射)度和光出(射)度 辐射出射度：面辐射源单位面积上辐射的辐射通量，即
M
dr
光电导器件结构：
载流子的寿命 载流子在两极间的渡越时间
电极
引线
引线 光导电材料
绝缘衬低
2. 杂质光电导效应
截止波长
0
hc
Ed Ea
3. 光生伏特效应
光 生 伏 特 效 应 是 基 于 半 导 体 PN 结 基础上的一种将光能转换成电能的 效应。当入射辐射作用在半导体 PN 结 上 产 生 本 征 吸 收 时 ， 价 带 中 的光生空穴与导带中的光生电子在 PN结内建电场的作用下分开，并 分别向两个方向运动，形成光生伏 特电压或光生电流的现象。
描述光电检测器对入射光响应的快慢
入射光
I
1 0.9
0.1 0 上升时间τr
线性区的下限 光电器件的暗电流和噪声决定 线性区的上限 饱和效应或过载决定
四、工作温度
光电检测器件的工作温度：最佳工作状态时的温度
五、光电检测器件的合理选择
1. 根据待测光信号的大小，确定检测器的动态范围； 2. 检测器的光谱响应范围是否与待测光信号的光谱匹配； 3. 检测器的最小分辨率、信噪比； 4. 当待测光信号功率变化时，检测器的线性度； 5. 检测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素。
视觉的刺激强度，引入光通量 v 定义：
v CV e
其 中 ： C—— 比 例 系 数 ， 683 lm/W，V ——视见函数，描 述人眼对各种波长辐射能的相
对敏感度，e 即辐射通量.
对光通量：
v
dQv dt
3）辐射出(射)度和光出(射)度 辐射出射度：面辐射源单位面积上辐射的辐射通量，即
M
dr
光电导器件结构：
载流子的寿命 载流子在两极间的渡越时间
电极
引线
引线 光导电材料
绝缘衬低
2. 杂质光电导效应
截止波长
0
hc
Ed Ea
3. 光生伏特效应
光 生 伏 特 效 应 是 基 于 半 导 体 PN 结 基础上的一种将光能转换成电能的 效应。当入射辐射作用在半导体 PN 结 上 产 生 本 征 吸 收 时 ， 价 带 中 的光生空穴与导带中的光生电子在 PN结内建电场的作用下分开，并 分别向两个方向运动，形成光生伏 特电压或光生电流的现象。
描述光电检测器对入射光响应的快慢
入射光
I
1 0.9
0.1 0 上升时间τr
光电探测器的物理基础(性能指标噪声)
产生机制
暗噪声是由于电子的热运动引起的，在光电探测器的材料 中，电子会不断地随机运动，当这些电子撞击到光敏区域 时，会产生光电流。
影响
暗噪声是光电探测器中不可避免的一部分，对于低光强度 和高灵敏度的应用场景，暗噪声的影响尤为显著。
散粒噪声
定义
散粒噪声是由于光子到达光电探测器的随机性引起的，它与光子 到达的时刻和数量有关。
感谢您的观看
降低噪声
降低热噪声
通过优化材料和工艺， 降低光电探测器的热噪 声。
减小散粒噪声
通过增加光电流和减小 暗电流，减小散粒噪声。
抑制其他噪声源
如读出噪声、电路噪声 等，以提高信噪比。
高带宽和高速响应
优化材料和结构
采用具有高载流子迁移率和高响应速度的材料 和结构，提高光电探测器的带宽和响应速度。
采用先进的制程技术
在导弹制导、夜视装备和情报收集等 方面有重要应用。
05 光电探测器的发展趋势与 挑战
提高响应度和探测率
增强光电转换效率
通过优化材料和结构，提高光电探测器的光吸收率， 从而提高响应度。
降低暗电流
降低光电探测器在无光照条件下的电流输出，提高探 测率。
增加光敏面积
增大光敏面积可以增加探测器的接收光量，从而提高 响应度和探测率。
产生机制
1/f噪声的产生机制比较复杂，可能与光电探测器中的表面态和界 面态有关。
影响
1/f噪声在低频和高灵敏度的应用场景下影响较大，对于高频和低 光强度的应用场景影响较小。
04 光电探测器的应用
光学通信
01
利用光电探测器接收光信号，实 现高速、大容量信息传输。
02
在光纤网络、卫星通信和物联网 等领域有广泛应用。
暗噪声是由于电子的热运动引起的，在光电探测器的材料 中，电子会不断地随机运动，当这些电子撞击到光敏区域 时，会产生光电流。
影响
暗噪声是光电探测器中不可避免的一部分，对于低光强度 和高灵敏度的应用场景，暗噪声的影响尤为显著。
散粒噪声
定义
散粒噪声是由于光子到达光电探测器的随机性引起的，它与光子 到达的时刻和数量有关。
感谢您的观看
降低噪声
降低热噪声
通过优化材料和工艺， 降低光电探测器的热噪 声。
减小散粒噪声
通过增加光电流和减小 暗电流，减小散粒噪声。
抑制其他噪声源
如读出噪声、电路噪声 等，以提高信噪比。
高带宽和高速响应
优化材料和结构
采用具有高载流子迁移率和高响应速度的材料 和结构，提高光电探测器的带宽和响应速度。
采用先进的制程技术
在导弹制导、夜视装备和情报收集等 方面有重要应用。
05 光电探测器的发展趋势与 挑战
提高响应度和探测率
增强光电转换效率
通过优化材料和结构，提高光电探测器的光吸收率， 从而提高响应度。
降低暗电流
降低光电探测器在无光照条件下的电流输出，提高探 测率。
增加光敏面积
增大光敏面积可以增加探测器的接收光量，从而提高 响应度和探测率。
产生机制
1/f噪声的产生机制比较复杂，可能与光电探测器中的表面态和界 面态有关。
影响
1/f噪声在低频和高灵敏度的应用场景下影响较大，对于高频和低 光强度的应用场景影响较小。
04 光电探测器的应用
光学通信
01
利用光电探测器接收光信号，实 现高速、大容量信息传输。
02
在光纤网络、卫星通信和物联网 等领域有广泛应用。
第二章第3节 光电探测器
1．光窗 光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用的光窗材料有钠 钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。 2．光电阴极 它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是 化合物半导体。 3．电子光学系统 任务：（1）通过对电极结构的适当设计，使前一级发射出来的电子尽 可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1； （2）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时 间尽可能相同，使渡越时间零散最小。
主要参数
(1)倍增系数 倍增系数等于各倍增电极的二次电子发射系数δ 的乘积。 如果n个倍增电极的δ 都一样，则
M
n i
因此，阳极电流I为
I i
n i
式中 i——光电阴极的光电流。 M与所加电压有关，一般M在105 ~108之间，如果电压有波动， 倍增系数也要波动。因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和 阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位 差为50~100V,对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落， 从而减小测量误差。 I n （2）光电倍增管的电流放大倍数为
第三节光纤传感器的光探测器
在光纤传感器中，光探测器性能好坏既 影响被测物理量的变换准确度，又关系到 光探测接收系统的质量。它的线性度、灵 敏度、带宽等参数直接关系到传感器的总 体性能。 常用的光探测器有光敏二极管、光敏三 极管、光电倍增管、ＣＣＤ等。
定 义
光电式传感器是能将光能转换为电能的一种 器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。 由于光电元件响应快，结构简单．而且有较高的 可靠性等优点，在现代测量与控制系统中，应用 非常广泛。 • 大多数光电探测器都是把光辐射转换为电量来 实现探测，即便直接转换量是非电量（温度、体 积等）时，通常也总是把非电量再转换为电量来 测量。 • 光电探测器的物理效应通常分为两类：光子效应 和光热效应。