光电检测器件(一般原理与种类)
4.1 光电检测
MA
2
B MB 8 7
S
半透半反膜 2 G1
1
A
M
M2 M1 G2 1 2 1 E M1
3
4
5
6
1激光器，2干涉仪，3光电倍增管，4计数器，5打印机 （或显示器），6光电显微镜，7待测物体，8可移动平台
L＝v t＝vkN＝KN
k是时间当量（代表单位高频脉冲所代表的时间），K是长 度当量（代表单位高频脉冲所代表的长度）。
2．相位法测距 带有测距功能的望远镜是发射一束调制的脉冲激光，再接 收来自于被测物体的发射光。发射信号和接收信号的相位差反 映了被测物的距离。 问题：测量光波相位差的方法？ RS触发器
图4.1.1-10 频率法测速原理框图
§4.1.2 几何量检测
一、光电测距
1．脉冲激光测距 脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集
中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时间极短，能量在时 间上相对集中的特点。因此瞬时功率很大，一般可达兆瓦级。 由于上述两点，脉冲激光测距在有反射器的情况下（见图 4.1.2-1，在2处装有反射器），可以达到极远的测程；进行 近距离（几公里）测量时，不必使用反射器，利用被测目标 对脉冲激光的反射取得反射信号，也可以进行测距。
美国bushwell 单目军用 范围：1000m 分辨力：1m
德国俫卡手持式： 范围：0.2 ~ 200m 分辨力：0.2mm
32
图4.1.2-5 用“光尺”测量距离
如果设光波从A到B点的传播过程中相位变化（又称为相位 移）为φ，则由图4.1.2-5看出，φ可由2π的倍数来表示：
φ＝M·2π +Δφ=(M +Δm)2π
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南理工光电检测技术课程光电检测器件
优点：灵敏度高，工作电流大（达数毫安） ， 光谱响应范围宽，所测光强范围宽，，无极性之分。
缺点：响应时间长，频率特性差，强光线性差， 受温度影响大。
主要用于红外的弱光探测与开关控制。
路灯自动点熄原理图如图所示，分析它的工作原理。
二、光电池
★它是利用光生伏特效应制成的将光能转换成电能的 器件。它是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电 能P-N结光电器件。
3、优缺点
优点：光电阴极面积大，灵敏度较高；暗电流小，最低 可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百 伏到数百伏、玻壳容易破碎等。目前已基本被固体光电器 件所代替。
建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上 的，把微弱入射光转换成光电子，并获倍增的器件。
金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★金属吸收效率很低 ； ★金属中光电子逸出深度很浅，只有几纳米； ★金属逸出功大多为大于3eV，对λ>410nm的可见光来说，很难 产生光电发射，量子效率低；
半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★光吸收系数比金属大； ★体内自由电子少，散射能量变小——故量子效率比金
光电检测光电池具有光敏面积大，频率响应高，光电流随 照度线性变化。
太阳能光电池耐辐射，转换效率高，成本低，体积小，结 构简单、重量轻、可靠性高、寿命长，在空间能直接利用太 阳能转换成电能的特点。
I
U RL
Ip Ij
I
U RL
符号 连接电路
等效电路
三、光敏二极管
与普通二极管相比:
共同点：一个PN结，单向导电性 不同点：
第二章、光电检测器件
光电二极管的工作原理、参数解析与检测方法
光电二极管的工作原理、参数解析与检测方法光电二极管的工作原理光电二极管是一种特殊的二极管，它将光信号转化为电流或电压信号，其结构与传统二极管基本相同，都有一个PN结，但是光电二极管在设计和制造时，尽量使PN结的面积较大，以便于接收入射光。
它的基本原理是：当光线照射到光电二极管时，吸收的光能转化为电能。
光电二极管工作在反向电压下，只经过很弱的电流(一般小于0.1微安)，称为暗电流，有光照时，带能量的光子进入PN结后，将能量传递给共价键上的电子，使某些电子脱离共价键，产生电子-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数量有限，而光照前多子的数量远大于光生载流子的数量，所以光生载流子对多子的影响很小，但少子的数量较少，有较大的影响，这就是为什么光电二极管工作在反向电压下，而非正向电压下。
在光生电子在反向电压下，在光生载流子的作用下，为促使少子参与漂流运动，在P区内，光生电子在PN区内扩散，若P区厚度小于电子扩散长度，则光生电子将能穿过P区到达PN结。
光电二极管的工作是一种吸收过程，它将光的变化转化为反向电流的变化，光电流和暗电流的合成是光电流，所以光电二极管的暗电流使器件对光的灵敏度降到最低，光的强度与光电流成正比，从而能将光信号转化为电信号。
图片来源于网络光电二极管选型中的参数解析实际上，光电二极管的“响应速度”和“探测下限”是研究中经常提到的两个参数，该参数会对光电二极管选型产生何种影响呢？今天我们主要来了解一下这两个参数。
一、响应速度通常用上升时间和截止频率来描述响应速度。
响应速度主要受以下三个主要因素影响：1、由终端电容(Ct)和负载电阻(RL)决定的电路特性；2、耗尽层外载流子的扩散时间；3、载流子在耗尽的层渡越时间。
与短波长光相比，长波长光往往激发出耗尽层外的载流子，因而扩散时间延长，响应速度变慢。
除此之外，以下三种提高光电二极管响应速度的方法更为普遍：1、选用较低端电容(Ct)的光电二极管；2、降低电路中负载电阻(RL)；3、通过增加反向电压(VR)，还可以降低终端电容值(Ct)，最终获得更快的响应速度。
新型光电器件研究及应用
新型光电器件研究及应用1. 引言新型光电器件作为新一代信息技术的关键部件，已经成为研究热点。
它具有独特的光、电性能，可以在无源元件中实现电光、光电转换，极大地拓展了信息传输的方式和应用领域。
本文将综述当前新型光电器件的研究进展和应用现状，着重介绍了光电元件的种类、性能特点及其在通信、能源、医疗、传感等领域的应用。
2. 光电器件的种类和性能特点光电器件主要包括光电二极管、光电晶体管、光敏三极管、光电势计、光子晶体及光子晶体管、光传感器等，这些器件基本上可以实现光电转换，完成信息的传输和处理。
（1）光电二极管光电二极管是一种单一的光电转换器件，由于其体积小、成本低、响应时间快等特点，被广泛应用于电子、光纤通信、家用电器、汽车电子、航空航天等领域，同时也是目前应用最为广泛的一种光电器件之一。
光电二极管的结构一般由PN结、机械结构、光电转换模块三部分组成。
（2）光电晶体管光电晶体管是一种基于晶体管原理的光电转换器件，它的结构与晶体管相近，具有电流放大功能，同时通过光输入实现电流控制。
由于光电晶体管集成了传输和处理的功能，可以用于数字时钟、光通信等应用。
（3）光敏三极管光敏三极管是一种具有放大功能的光电转换器件，由三个PN结组成，内部光敏材料为硅或锗。
光敏三极管适用于信号放大器、稳定电源等领域。
（4）光电势计光电势计是一种测量光强度的器件，常用于光度计和光谱仪等精密仪器中。
其光电效应可以将光输入转化为电势输出，具有较高的灵敏度和精度。
（5）光子晶体及光子晶体管光子晶体及光子晶体管是一种基于光子晶体技术的高精度光电转换器件，主要应用于微波和毫米波领域的低噪声、高速收发器等器件中，具有较高的性能优势。
（6）光传感器光传感器是一种基于光电转换技术的高灵敏度传感器，常见应用于温度、压力、流量、湿度等生产制造领域，可以实现数据的采集和处理。
3. 新型光电器件的应用新型光电器件的应用已经涵盖了很多领域，这里着重介绍其在通信、能源、医疗、传感等领域的应用。
光电检测郭培源课件
激光器的特性参数
功率（平均／峰值），能量 波长，频率，线宽 脉冲宽度，重复频率 光斑直径，发散角，Ｍ－平方因子 模式，波长可调谐性 稳定性（波长／频率／功率／能量／方向
等）Hale Waihona Puke 寿命，光电效率光电检测郭培源
激光器的类型
气体、固体、半导体激光器 紫外、可见和红外激光器 连续、准连续和脉冲激光器 单频、单模激光器 可调谐激光器 超短脉冲激光器
光电检测郭培源
气体激光器
光束质量好，线宽窄， 相干性好，谱线丰富。
效率低，能耗高，寿 命较短，体积大。
原子（氦－氖）激光 器，离子（氩，氪， 金属蒸汽）激光器， 分子（CO2,CO,准分子) 激光器。
He-Ne激光器的基本结构形式
光电检测郭培源
氦氖激光器
氦氖激光器是一种原子气体激光器，工作物质 由氦气和氖气组成。
光电检测郭培源
红宝石激光器工作原理
5. 单色、单相柱状光线通过半反射镜射出红宝石棒，形成激光！
光电检测郭培源
固体激光实验装置 光电检测郭培源
微 型 固 体 激 光光电检测器郭培源（学生研发）
半导体激光器
工作物质是半导体材料，PN结就是激活物质。 体积小，质量轻、效率高，能耗低，寿命长，
稳定可靠； 线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直
在工业检测、电信号的传送处理和计算机系统 中，常用继电器、脉冲变压器或复杂的电路来 实现输入端、输出端装置于主机之间的隔离、 开关、匹配、抗干扰等功能。 继电器动作慢、有触点工作不可靠；变压器体 积大、频率窄，所以它们都不是理想的部件。 随着光电技术的发展，70年代以后出现了一种 新的功能器件——光电耦合器。
4、相干性 由于激光器的发光过程是受激辐射，单色性好，发射较
光电传感器
光电传感器光电传感器是一种可以将光信号转化为电信号的装置。
它具有灵敏度高、响应速度快、可靠性强等特点，广泛应用于工业控制、环境监测、医疗设备、安防系统等领域。
本文将介绍光电传感器的工作原理、分类、应用领域以及未来发展方向。
一、工作原理光电传感器的工作原理基于光电效应。
简单来说，当光照射到光电传感器的光敏元件上时，光子的能量将导致光电子的产生。
光敏元件一般由半导体材料制成，如硅、镓化合物等。
当光电子被产生出来后，它们会在半导体材料内部发生电子迁移，并将导致电荷分布的变化。
这个变化可被传感器中的电路所检测到，并转换为相应的电信号输出。
二、分类根据工作原理的不同，光电传感器可以分为多种类型。
常见的光电传感器有光电开关、光电二极管、光电三极管、光电二极管阵列等。
1. 光电开关光电开关是一种能够检测物体存在与否的传感器。
它通常由光源、发射器、接收器和电路组成。
光源将光照射到被检测物体上，然后由接收器接收反射回来的光信号。
当有物体遮挡光线时，反射光信号会变弱或消失，接收器中的电路会产生相应的响应信号，从而实现对物体存在与否的检测。
2. 光电二极管光电二极管又称为光敏二极管，是利用半导体材料的光电效应工作的传感器。
它具有响应速度快、结构简单、体积小等优点，在光电传感领域中得到广泛应用。
光电二极管可以将光信号转换为电信号输出，并且根据光信号的强弱可以实现对光强度的测量。
3. 光电三极管光电三极管是一种具有放大作用的光电器件。
它除了具有光电二极管的特点外，还可以放大光电信号。
这种传感器通常由光电二极管和共射放大电路组成。
光电信号通过光电二极管产生后，经过共射放大电路放大，最终输出一个相应的电信号。
4. 光电二极管阵列光电二极管阵列是一种由多个光电二极管组成的传感器。
它可以实现对多个光源的检测，广泛应用于图像识别、光学测量等领域。
光电二极管阵列的每个光电二极管相互之间独立工作，可以同时对多个光源进行测量，提高了测量效率和准确性。
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。
光电检测技术常用器件及应用
3、数字、文字以及图像显示
七段式数码管 14划字码管 文字显示器的内部接线
4、显示器
彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示
LCD
LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称， LCD 的构造是在 两片平行的玻璃 当中放置液态的 晶体，两片玻璃 中间有许多垂直 和水平的细小电 线，透过通电与 否来控制杆状水 晶分子改变方向， 将光线折射出来 产生画面。
发光二极管的发光机理
发光二极管 （即LED）是一种 注入电致发光器件， 它由P型和 N型半 导体组合而成。其 发光机理常分为PN 结注入发光与异质 结注入发光两种。
1. PN结注入发光
1、制作半导体发光二极管的材料是掺杂的，热平 衡状态下的N区很多自由电子，P区有很多多空穴。 2、当加以正向电压时，N区导带中的电子可越过PN 结的势垒进入P区。P区的空穴也向N区扩散 3、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于 空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在 p区。 光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强 弱与电流有关
4. 寿命
发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮 度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很 长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h， 最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降 的现象叫老化。电流密度大，老化快。
LED特点
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角较大。 2、 LED的发光颜色丰富，通过选用不同的材料，可以实 现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED 等。 3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即 使在日光下，由LED发出的光也能视认。 4、LED的单元体积小。再加上低电压、低电流驱动的特 点，可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的 使用。 5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场 地面的信号光源，是一个新的应用领域。
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这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生 载流子。
显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量 G， 我们称之为光电导。相应和杂质半导体就分别称为本征光电 导和杂质光电导。
四、光伏效应
光伏现象——半导体材料的“结”效应 例如：雪崩二极管
id is0 eeu/ kBT 1
m
1.24
光电导过程
半导体
光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件：
( m)
c
1.24 Eg (eV )
(本征)
1.24
(杂质)
Ei (eV )
Eg 是禁带宽度
Ei 是杂质能带宽度
光敏电阻
光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就 使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量
n
p
这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的 。
如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性 能均不受影响。 膜中2也CU含管有子少，量因的为正是离以子N，-S而i为它衬的底静，电虽感然应受不光会面使的NS-iSOi表2防面反产射 生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表 面漏电流，所以不需要加环极。
还设了一个环极。 ❖ 硅光电二极管结构示意图 ❖ 2DU管加环极的目的是为了减少暗电
流和噪声。
光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中 又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。
SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是 它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。
这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击 穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到 极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此， 这种管子有很高的内增益，可达到几百。
当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生 所谓的自持雪崩。
这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响 应速度最快的一种光电二极管。
特点
原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。
在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈， 所以广泛用于对红外线辐射的探测。
二、光电发射效应
光电发射效应
在光照下，物体向表面以外的空间发 射电子（即光电子）的现象。
光电发射体
能产生光电发射效应的物体，在光电管 中又称为光阴极。
爱因斯坦方程
Ek h E
❖ 由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使 耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度 变宽。
❖ 所不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为 零点几微安至数微安。
❖ 目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封 装于一个管壳内的商品出售。
雪崩光电二极管
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩 效应来工作的一种二极管。
第三章 光电检测器件（1）
本节内容
光辐射探测的一般原理与分类 光子探测器
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
热探测器 光子探测器
光电倍增管
探测器件
热电探测元件 光子探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管
光电导探测器
像增强器 摄像管 变像管
Ei eV
光照零偏pn结产生开路电压的效应
光伏效应
光电池
光照反偏
光电信号是光电流
结型光电探测 器的工作原理
光电二极管
光电二极管
光变化－电流变化
外形
光电转换器
光敏特性
光输入
+
或
U
R 输出
-
（a）
（b）
光电二极管的符号与光电特性的测量电路
（a）符号 （b）光电特性的测量电路
硅光电二极管
光电二极管的伏安特性
PIN管
PIN管是光电二极管中的一种。是在P型半导体和N型半 导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。
这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使 PN结双电层的间距加宽，结电容变小。
由式τ = CfRL与f = 1/2πτ知，Cf小，τ则小，频带将变宽。 因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个 特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电 压，线性输出范围宽。
本征型 光敏电阻
掺杂型
非放大
红外探测器 光电池
光电二极管
光生伏特探测器
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
一、光子效应和光热效应
光子效应(photonic effect )
指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光 电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电 子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改 变。
无光 暗电流 有光 光电接收二极管 反偏状态 光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ流（恒流） 光电流与照度线性关系
❖ 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和 2DU两种系列。
❖ 2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底 ❖ 2CU系列光电二极管只有两个引出线， ❖ 而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，
这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与N－ Si连通起来。
当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN 结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电 子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。
为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包 围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前 极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即 可达到电源的通路。
E ：光电发射体的功函数
Ek
1 2
m v2
电子离开发射体表面时的动能
截止频率
E h
c
截止波长
h 6.6 1034 J s 4.131015eV s
c 31014 m / s 31017 nm / s
c (m)
1.24 E (eV )
三、光电导效应
光电导现象——半导体材料的“体”效应
本征
例如:光子效应在光电池等中体现
特点
对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。
光热效应(photothermal effect )
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态 的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探 测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质 或其他物理性质发生变化。