第八章光电探测器共40页文档
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。
光电探测器原理
光电探测器原理光电探测器原理及应用光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。
现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的，是变光信号为电信号的元件。
光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。
他们的区别在于，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的光电子从低能态激发到高能态。
于是在低能态留下一个空位——空穴，而高能态产生一个自由移动的电子，如图二所示。
硅光电探测器是利用内光电效应的。
由入射光子所激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能，如果设法检测出这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。
无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取决于入射光波的波长λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关：E=hν（1）式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波长越短，频率越高，每个光子所具有的能量hν也就越大。
光强只反映了光子数量的多少，并不反映每个光子的能量大小。
目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半导体材料制作的。
半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和P—N结型。
但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。
而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。
一、耗尽层光电二极管在半导体中，电子并不处于单个的分裂能级中，而是处于能带中，一个能带有许多个能级。
如图三所示。
能带与能带间的能量间隙称为禁带，禁带中没有电子，电子从下往上填，被电子全部填满的能带称为满带，最高的满带称为价带，紧靠在价带上面的能带称为导带，导带只有部分被电子填充，或是全部空着。
光电探测器的性能参数PPT课件
●实验测量和理论分析表明，对于许多类型的光电探
测器来说，其噪声电压VN与光电探测器光敏面积Ad 的平方根成正比，与测量带宽的平方根成正比。
●因此将VN除以 Adf ，则D就与Ad和带宽无关了。
即： Rv＝Vs／P (V／W)
RI＝Is／P (A／w) Rv和RI称为光电探测器的电压响应率和电流响应率。 测量响应率的辐射源一般是500K的黑体。
使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色响应率Rλ ●在可见光波段，光电探测器的响应率又称为光电探测
器的灵敏度，并分为单色灵敏度和积分灵敏度。
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2．单色灵敏度
（最小可探测功率Pmin）
●定义为信号功率与噪声功率之比为1，
即S／N＝1时，入射到探测器上的辐射通量 (单位为瓦)。即： NEP e
S/N
NEP在ENI单位为瓦时与之等效。
●一个良好的探测器件的NEP约为10–11W。
NEP越小，噪声越小．器件的性能越好。
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4．探测率D与比探测率D*
●只用NEP无法比较两个不同来源的光探测器的
Is ()d
0 1
R
(
)d
可得积分响应度为：
R
0 1
R ( )d
0 ( )d
1Leabharlann 式中，0 、1 、分别为光电探测器的长波限和短波 限。由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温 的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同， 因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。
优劣。为此．引入两个新的性能参数——探测 率D和比探测率D*
●探测率D定义为NEP的倒数，即：
D 1 Vs /VN NEP P
（W-1）
显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。
光电探测器概况课件
噪声干扰
灵敏度
光电探测器在工作中容易受到环境噪 声的干扰，如热噪声、散粒噪声等， 这些噪声会影响探测器的性能和精度 。
光电探测器的灵敏度也是一大挑战， 尤其是在低光强度或弱光信号的探测 中，需要提高探测器的灵敏度和信噪 比。
响应速度
光电探测器的响应速度是另一个挑战 ，尤其在高速或瞬态光信号的探测中 ，需要提高探测器的响应速度和带宽 。
光电探测器技术的起源
19世纪末
物理学家发现光电效应，为光电 探测器技术奠定理论基础。
20世纪初
科学家开始研究光电材料，探索 光电转换原理。
光电探测器技术的发展阶段
20世纪中叶
半导体材料的发展推动了光电探测器 技术的进步，硅基光电探测器逐渐成 为主流。
20世纪末至今
新型光电材料和器件不断涌现，光电 探测器技术应用领域不断拓展。
光电探测器可以检测空气中的污染物，如烟雾、灰尘等。
光电探测器在医疗领域的应用
医学影像
光电探测器用于医学影像设备，如CT、 MRI等，将X射线或磁共振信号转换为图像 。
激光治疗
在激光治疗中，光电探测器用于检测激光光 束的强度和位置，确保治疗的准确性和安全
性。
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光电探测器的挑战与 展望
光电探测器面临的主要挑战
• 噪声等效功率：描述光电探测器在特定信噪比下所能探测到的 最小光功率。它反映了探测器在低光功率条件下的探测能力， 是衡量光电探测器性能的重要指标。
探测率与探测极限
探测率
描述光电探测器在单位时间、单位面积内探测到的光子数。它是衡量光电探测器探测能力的关键参数 。
探测极限
指光电探测器在特定噪声等效功率下的最小可探测光功率。它反映了探测器在高信噪比下的探测能力 。
光 电 探 测 器ppt课件
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
光电探测器
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而入射的瞬时光辐射能量为：
Q(t) t0t P(t)dt t0
式中，P(t)是光辐射的瞬时功率。 一般来说，它是一个随机量，如果P(t)在观察时间t内没
有明显的改变，则W(t)P(t) t。由此可得光电探测器输出
的平均光电流表达式：
IP
eK t
e h
P(t)
e h
P
式中P为入射光辐射的平均功率。此式描述了光－电转换的
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
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二、光电探测器原理
光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件
光辐射量
光电探测器
电量
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二、光电探测器原理
➢ 光电探测器利用材料的光电效应制成。 ➢ 在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光
段各类常用光电探测器工作原理和结构又可分类如下：
光电管
光电倍增管
真空光电器件 真空摄象管
变象管
象增强器
光敏电阻
光电探测器
光电池
光电二极管
光电三极管
光电耦合器
固体光电器件 光中断器
位置传感器PSD
电荷耦合器件CCD
自扫描光电二极管
列阵SSPD 5
光检测器件的特点
光电器件
热电器件
响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见
基本定律。
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从光电转换定律可知： ①光电探测器输出的光电流与入射平均光功率成正比，
因此，一个光子探测器可视为一个电流源。 ②由于平均光功率与光电场强度的平方成正比，所以
光电探测器概述分析
光电探测器（1）
♠ 光电子发射探测器（光电子发射效应或外光电效应）
光子能量大于 逸出功
材料内束缚能级的 电子逸出表面
光辐射
金属氧化物或 半导体表面
自由电子
♠ 光电导探测器（光电导效应或内光电效应）
光子能量大于 禁带宽度 材料内不导电束缚 状态的电子空穴
光辐射
半导体材料
自由电子空穴
电导率变化
光电探测器（2）
在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐 渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后扩散运动 和漂移运动达到动态平衡，交界面形成稳定的空间电荷区，即 PN结处于动态平衡。
ＰＮ结的单向导电性
（1） 外加正向电压 （正偏）
PN结上加正向电压，外电场与 内电场方向相反，扩散与漂移运动 平衡被破坏。外电场驱使P区空穴 进入空间电荷区抵消一部分负电荷， 同时N区自由电子进入空间电荷区 抵消一部分正电荷，则空间电荷区 变窄，内电场被削弱，多子的扩散 运动增强，形成较大的扩散电流 （由P区流向N区的正向电流）。在 一定范围内，外电场愈强，正向电 流愈大，这时PN结呈现的电阻很低， 即PN结处于导通状态。
光电子 发射效应
光电导 效应
光生伏特 效应
光电磁 效应
外光电效应
内光电效应
2.2.1 光电探测器的工作条件
1. 辐射源的光谱分布 （如单色、黑体、调制） 2. 电路的通频带和带宽 （噪声的影响） 3. 工作温度： 295K、195K、77K、20.4K 、 4.2K 4. 光敏面尺寸：1cm2 5. 偏置情况
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。
光电探测器原理
光电探测器原理及应用光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。
现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的,是变光信号为电信号的元件。
光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。
他们的区别在于，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的光电子从低能态激发到高能态。
于是在低能态留下一个空位——空穴，而高能态产生一个自由移动的电子,如图二所示。
硅光电探测器是利用内光电效应的。
由入射光子所激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能,如果设法检测出这种性能的改变,就可以探测出光信号的变化。
无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强,而取决于入射光波的波长λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关：E=hν（1）式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波长越短,频率越高，每个光子所具有的能量hν也就越大。
光强只反映了光子数量的多少,并不反映每个光子的能量大小。
目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半导体材料制作的。
半导体光电探测器是很好的固体元件,主要有光导型，热电型和P—N结型。
但在许多应用中,特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。
而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。
一、耗尽层光电二极管在半导体中，电子并不处于单个的分裂能级中，而是处于能带中,一个能带有许多个能级。
如图三所示。
能带与能带间的能量间隙称为禁带，禁带中没有电子，电子从下往上填，被电子全部填满的能带称为满带，最高的满带称为价带,紧靠在价带上面的能带称为导带,导带只有部分被电子填充，或是全部空着.内光电效应发生在导带与价带之间。
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体 中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很 多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味 着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且， 在晶体中掺杂可以是光谱特性曲线象长波方向扩展或移动。
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8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
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8.2光敏电阻
2 光敏电阻结构 光敏电阻结构：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。
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 光敏元件对于各种光的响应灵敏度是随入射光的波长变化而变化
的。因此，常常利用光谱响应特性曲线来评价光敏元件。光谱响应 特性表示光敏元件对各种单色光的敏感程度。对应于一定敏感程度 的波长区间，称为光谱响应范围。对光谱响应最敏感的波长数值， 称为光谱响应峰值波长，峰值波长取决于制造光敏元件所用半导体 材料的禁带宽度。
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
设无光照射半导体的电导率（暗电导率）为：
σ0＝n0qun+p0qup 式中n0和p0分别时电子和空穴的热平衡浓度，un和up分别时电子和空穴的 迁移率。在适当波长的光照射下，半导体中出现光生电子和光生空穴，设 它们的浓度分别时Δn和Δp，则半导体的电导率将增为： σ＝（n0+Δn）qun＋（p0＋Δp）qup
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性
a.暗电阻和亮电阻 暗电阻:是指全暗的条件下所测的电阻。其值大于1MΩ，在给定
的条件下，所通过的电流为暗电流。 亮电阻:受到光照时所测的电阻，其值几千Ω，在给定的条件下
，所通过的电流为亮电流。暗电阻与亮电阻之间之比为在102---106 之间
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8.2光敏电阻
σ＝（n0+Δn）qun n型半导体的光电导效应： 当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，施主能级中的电子也可 能被激发到导带而成为自由电子，使电子浓度增加，结果电导率增加。
σ＝（n0+Δn）qun
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
结论： •故同一材料的本征光电导比杂质光电导大。 •杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小。 •通过改变半导体内部的杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小 ，来测量不同波长的光。
4 探测率（探测灵敏度）:
1
1
D*
A2gVf 2 NEP
1
cmHz2
/W
A为探测器面积，Δf为放大器宽度。 5 响应时间：描述探测器接收入射辐射的响应速度。
8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃 升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电， 因此电阻显著减小，光敏电阻常用的制作材料为硫化镉，另外 还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有 在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
半导体光电探测器是利用半导体材料的内光电效应来接收和探测光信号的 器件。
半导体光电探测器只能探测具有足够能量的光子，即该材料长波限以下的 光子，其数学关系为
max1.24Eg (um)
为能被探测的光波长， max 为半导体材料之长波限，E g 为材料带隙，
用[ev]作单位。
3
82光敏电阻
3、光敏电阻工作原理 光敏电阻是根据光电导效应实现光电转换。
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光=hc1240Eg
1240 Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
本章内容
• 1.半导体光电探测器概述 • 2.光敏电阻 • 3.光敏二极管
1
8.1 半导体光电探测器概述
光电探测器是对各种光辐射进行接收和探测的器件。
光电探测器
光电发射器件：真空光电二极管，光电倍增管等
半导体光电探测器
光导型（PC）:各种光敏电阻
光伏型（PV）:有光伏结构的光 敏电阻（PD）等
2
8.1 半导体光电探测器概述
半导体光电探测器有三个基本过程：
1 光子入射到半导体中激励产生载流子 2 载流子输运及倍增 3 电流经外电路作用后输出信号，从而完成对光子探测的过程
8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
1 光谱响应特性：在某一波长 λ 间隔 dλ 内的光子，在探测器中产生的输出电流与 输出光功率之比为光谱响应 R(λ) 。 2 噪声：探测器的噪声电平或信噪比是限制探测器使用范围的最重要参数。
＝σ0＋Δσpn 式中Δσpn＝Δnqun+Δpqup 称为光电导。
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理 p型半导体的光电导效应： 当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，光子可能把价带中的电
子激发到受主能级，结果该电子就成为捕获电子，而在价带中留下空 穴（自由空穴）。 使空穴浓度增加，结果电导率增加。
噪声来源
热噪声： 载流子热运动的起伏引起的噪声 散粒噪声：载流子在越过pn结之类的耗尽区时，单位时间内通过 的载流子数在其平均值附近的一定起伏所引起的噪声。 1/f噪声： 它与测量频率呈倒数关系。
8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
3 噪声等效功率（NEP）：为产生与探测器噪声输出大小相等的信号所需要入射 辐射功率。
由于光敏元件的波长短的光的吸收系数大，几乎在进入表面层附 近波长短的光就被吸收，故表面载流子浓度高。因而，自由载流子 在表层附近复合的速度快，从而是光敏元件对波长比光谱响应峰值 波长短的光响应灵敏度降低。
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8.2光敏电阻