光电探测器

一`光电探测器

第一节 光辐射探测器的主要指标

光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应，分成光热探测器、光电探测器和光压探测器，光压探测器使用得很少。本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。 光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。

光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器。它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子，引起半导体的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应，所对应的器件称为光导器件；又如半导体PN 结在光辐照下，产生光生电动势，称为光生伏特效应，利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件。

外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律，探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。

P k E h E -=ν ---------------------------------- (2.1-1)

上式中 νh 是入射光子的能量，E p 是探测器材料的功函数，即光电子的逸出功，E k 是光电子离开探测器表面的动能。这种探测器有一个截止频率和截止波长C ν和C λ： h

p E c =

ν , ()

()nm eV

E E hC p p

C 1240=

=

λ --------(2.1-2)

频率低于C ν 或波长长于C λ 的光波不能被探测到，因为这样的光子能量不足以使电子克服材料的逸出功。由于电子的发射必须在真空中进行，所以外光电效应器件都属于电真空器件。

光探测器的一些主要特性和参数

1，灵敏度（或称响应度）（sensitivity 或 responsibility ）

灵敏度R V (或R I ) 的定义为：探测器输出电压V S （或输出电流I S ）与输入光功率P 之比。 P

V R S V =

（单位为V/W ）或 P

I R S I =

（单位为A/W ）---------- (2.1-3)

由于灵敏度与入射光波长有密切的关系，入射波长不同，探测器的灵敏度也不同，所以一般还须给出灵敏度的光谱响应 (spectral response) 特性，如图2.1所示。 在光谱响应特性曲线中，峰值灵敏度下降一半时的波长范围（图2.1中的从S λ到L λ的范围）为探测器的光谱响应范围（注：对具体器件的光谱响应范围的定义可能不同，例如对光电倍增管的定义为下降到峰值灵敏度的1% 或 0.1%的波长范围）。

量子效率(Quantum Efficiency ， QE)是从光的量子特性出发来定义灵敏度，表示单位时间内流出探测器件的电子流与入射光子流之比：

ν

ηh P

e I

=

----------------------------------- (2.1-4)

上式中 I 为光生电流，e 为电荷，P 为光辐射功率。量子效率与灵敏度之间的关系为：

λS λL

λP R

1

图2.1 探测器灵敏度的光谱响应

%1001240

??=

λ

ηI R -------------------------- (2.1-5)

R I 为给定波长时的灵敏度，单位为 (A/W), 波长的单位取为 (nm) 。 2，噪声等效功率 (Noise Equivalent Power ，NEP)

NEP 定义为：探测信噪比S/N ＝1时（信噪比是指信号的峰峰值和噪声的有效值之比），入射到探测器上的信号光功率。它表征探测器的噪声电平和探测器对微弱光信号的探测能力。由于噪声电平与测量带宽的根号成正比，所以NEP 规定在1Hz 带宽条件下的测量结果。NEP 越小，则探测器的探测灵敏度越高。 1

==N S P NEP （单位为W/Hz 1/2）----- (2.1-6)

或者写为：

I

noise R I NEP =

------------------------------- (2.1-7)

I noise 为在1Hz 测量带宽内的噪声电流（单位为A/Hz 1/2），R I 为在峰值响应波长P λ上的灵敏度，单位为A/W 。

3, 噪声等效辐射照度 (Noise Equivalent Irradiance ，NEI)

NEI 定义为：信噪比为1时的信号光辐射照度（单位面积上的辐射功率），即噪声等效功率 (NEP) 再除以探测器的靶面积A d 。 d

A NEP NEI =

（单位为W/Hz 1/2cm -2）--------------- (2.1-8)

4，探测率D (detectivity)

探测率D 定义为NEP 的倒数，这样D 越大表明探测器的灵敏度越高。 P N

S N E P

D 1

1==

=

（单位为Hz 1/2W -1）------- (2.1-9)

5，比探测率D * (D —star 或称品质因数 figure of merit)

由于探测器靶面积A d 不同，以及测量电路带宽Δf 不同，D 值也会不同。一般来说噪声电压正比于

f A d ??，因此把噪声除以

f A d ??，相当于把探测率D 值归一为

A d =1cm 2和 Δf ＝1Hz 时的值，这时的探测率称为比探测率D *，以便对不同探测器之间的比较。D *越大，探测器探测弱信号的能力越强。

()N E P

f d A D

2

1

*

?=

（单位为1

2

1

-??W

Hz

cm ）----- (2.1-10)

6，探测器的时间常数τ（time constant ，TC ） 和截止频率(cut-off frequency, f C ) 探测器的时间常数是表征它对入射光功率随时间变化的响应，用τ来表示。从时域的角度看，时间常数τ定义为上升时间t r 和下降时间t f 之和，t r 和t f 反映了探测器对阶跃信号的时间响应。如图2.2所示，表示输入理想的方波脉冲信号时探测器的输出，时间常数为输出波形前沿的上升时间（从0.1到0.9）和后沿的下降时间 (从0.9到0.1) 之和：τ=+t r t f 。注意τ与入射光波长和探测器负载阻抗有关。

从频域的角度看，1/τ即为探测器的高频截止园频率，即τ

ω1=C 。探测器工作在 f

频率（注意：这里的频率 f 是指光强度的变化频率，例如对光强的调制频率）下的灵敏度响应特性与τ的关系可以用下式表示：

t

t

P 1

0.9 0.1 图2.2 探测器的时间响应

()

2

021)(τπf R f R +=

-------------------------- (2.1-11)

R 0 为探测直流光强时的灵敏度，当光强信号的园频率为τπω12 ==f 时，灵敏度下

降为 R 0 的0.707倍，πτ

21

=C f ，称为截止频率。

除此之外，还有一些重要的指标，如反映探测器噪声电平的暗电流I d ，探测器的接收截面A d （会影响灵敏度和时间响应），探测器随温度的变化特性，半导体光电探测器的结电容（决定了时间响应），以及最大反偏电压、光照功率允许范围等，在使用时都必须注意的。

光探测器的噪声

任何一个探测器都有噪声的随机输出，通常采用统计的方法来讨论，并用噪声功率（或电平）的有效值（即均方根值）给出。 1，热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)

探测器有一个等效电阻R ，电阻中自由电子的热运动引起电阻两端电压的随机起伏而产生的噪声，称为热噪声。理论和实验都表明热噪声与频率无关，因此属于白噪声。任何一个电子学器件都会有热噪声，热噪声均方振幅电压值可以表示为： n n f kTR V ?=42

-------------------------- (2.1-12)

R(f)

1

0.707 C 图2.3 探测器的频率响应

式中 k 为玻尔兹曼常数 (1.38×10-23J/K)，T 为绝对温度（K ），R 为电阻阻值（Ω），Δf n 为测试系统等效噪声带宽。这个噪声源等效于与电阻相串联的电压源，或者看成与电阻相并联的电流噪声源，它的噪声电流均方值为： R

f kT i n

n ?=

42

----------------------------- (2.1-13)

热噪声的功率谱密度（定义为单位频率范围的噪声功率）为： kTR f S 4)(= ---------------------- (2.1-14)

严格说，热噪声还不是真正的白噪声，热噪声功率谱密度更精确的公式应写为： 1e x p 4)(--

=

???

?

??

kT

hf hfR f S --------------- (2.1-15)

只有当hf kT >>时，才近似为式(2.1-14)，但在大部分情况下这个关系都可以满足，因此我们总是把热噪声作为白噪声来处理。

2，散粒噪声(shot noise)

散粒噪声（或称散弹噪声）最早是在电子管电路中发现的，由阴极热电子随机性发射而引起。在半导体器件中，当电荷载流子通过PN 结时也有类似的随机产生和流动，这类由于粒状电流引起的起伏称为散粒噪声。在散粒噪声极限下探测到的信号，称为量子极限探测。散粒噪声也属于白噪声类，其功率谱密度为： d i eI f S 2)(= ------------------------- (2.1-16)

上式中 e 为电子电荷 (1.59×10-19库伦)，I d 为流过的电流（无光照射时即为暗电流）。散粒噪声的电流有效值可以写为： n d S f eI I ?=

2 ------------------------ (2.1-17)

相应的噪声电压有效值为： n d S f R eI V ?=

2

2 -------------------- （2.1-18）

上式中R 为探测器的电阻，如果探测器具有内增益M ，在上二式中还要乘以M 因子，例如光电倍增管和半导体雪崩二极管光探测器具有M 增益因子。

3，闪烁噪声 (flicker noise)

闪烁噪声属于器件内部的低频噪声，大约在1KHz 以下的频域范围。如光电阴极表面局部不均匀性，引起发射电子的缓慢随机起伏，半导体器件也有类似的情况，其噪声电流的有效值可以用经验公式表述：

21

)/(β

αf

f AI I

n f

?= ------------ (2.1-19)

A 为与探测器有关的系数，I 为流过探测器的总直流电流，2≈α，1≈β。于是，上式可以近似为： f f AI I

n f

/2

?=

----------------- (2.1-20)

闪烁噪声的功率谱密度f

f S 1

)(?，因此经常被称为1/f 噪声。为了克服这种噪声，

在测量系统中尽可能采用比较高的调制频率来工作。 4，产生-复合噪声

在光电导探测器中的激发载流子是电子-空穴对，它们的产生和复合都是按照散粒噪声的规律随机起伏的，只是考虑了产生和复合的共同作用，起伏要加倍。噪声电流和电压的有效值为：

n

d r g n d r g f R M eI V f M eI I ?=

?=--22

2

44 ---------- （2.1-21）

I d 为探测器的暗电流，M 为探测器的内增益。产生-复合噪声的本质是散粒噪声，但为了强调产生和复合二个因素，取名为产生-复合散粒噪声，或简称产生-复合噪声。

第二节 真空管光电探测器

真空管光电探测器是指利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应（即爱因斯坦光电效应）而制成的一类探测器。主要有真空管光电二极管、真空管光电倍增管、微通道板式的光电倍增管，它们是光谱测量中最常用的探测器。 对光电阴极材料的要求有以下几点： （1）对光的吸收系数要大。

（2）光电子在发射体内传输过程中能量损失要小，即逸出深度大。

（3）阴极材料对电子的亲和势低，使光电子在材料表面的逸出几率大。 常用的阴极材料是采用碱金属的化合物制成，见下表。

日盲型的光电阴极是指对紫外或真空紫外的辐射有响应，而对可见光没有响应。 被探测光的长波极限由阴极材料所决定，即(2.1-2)式，而短波极限一般是由探测器窗口材料所决定。可见光波段的探测器采用硬质硼硅玻璃作窗口，短波极限约为300nm 。紫外光探测器可以采用石英玻璃作窗口，短波极限约为180nm 。更短波长的光探测器可采用氟化锂、氟化钙、氟化镁等材料作窗口，短波极限约为100nm ，图2.4给出某些窗口材料的透射光谱。

图2.4 窗口材料 的透过率光谱

一，真空管光电二极管

真空管光电二极管由真空泡中的光阴极（K ）和阳极（A ）组成，工作时在二极间加上适当电压，阳极接正压，阴极接负压，如图2.5所示。

灵敏度主要由光电阴极的量子效率所决定，在给定的波长上，量子效率为： λλη/)(1240I R = ---------------------- ( 2.2-1)

其中)(λI R 为在给定波长上的阴极光谱灵敏度，用（A/W ）作单位；λ为入射光波长，单位为（nm ）。例如，Sb-Cs 管的η＝24％，Sb-K-Cs 管的η＝30％，)(λI R 的数量级大

致为10-2

A/W （注：在可见光区经常用A/Lm 单位，即：安培/流明）。最大可测量的光功率约为毫瓦数量级，最小可测量的光功率受暗电流限制，约为10-10

W ，暗电流大致为10-10至10-11

A 。充气型（充有惰性气体，如Ar 气）的真空管光电二极管由于光电子

与所充气体原子的碰撞产生新的电子和离子，因而它的光电流要比真空型的大。目前，由于光电倍增管制作工艺的成熟以及半导体光电探测器的发展，真空管光电二极管已被这些器件所替代。

二，光电倍增管 (photomultiplier tube 或简称：PMT)

在真空管光电二极管中插入电子倍增系统，当光照射光阴极发出光电子，经聚焦极进入倍增级（或称打拿级 dynode ）产生二次电子发射，使到达阳极的光电流信号大大地增强。阳极电流 I a 为：n k a I I δ=， I k 为光电阴极发射的光电流，δ为二次电子发射系数，定义为二次电流与一次电流之比δ=i s /i f ，n 为PMT 中倍增级的级数。光电倍增管具有高灵敏度和低噪声、快速响应、低成本和大的探测面积的特点。图2.6

图2.5 真空管光电二极管

光电阴极K 在受光照后产生光电子发射，在电场作用下回路中产生光电流，通过R L 负载电阻转变为电压信号。真空管光电二极管的结构简单，灵敏度较低，可以检测较强的光辐射信号；它的极间电容小，频率响应特性较快。

给出光电倍增管的结构，图2.7为光电倍增管的外型图，(a)为侧窗型的PMT ，(b)为顶窗型的PMT ，可以根据实验的具体情况进行选择 。 光电倍增管的主要指标为：

（1） 阴极灵敏度：阴极电流与照射到阴极上的光通量之比，或者用量子效率来表示，二者都与波长有关。图2.8 给出典型的PMT 的阴极灵敏度和量子效率的光谱响应。 （2） 阳极灵敏度：阳极输出电流与照射到阴极上的光通量之比，单位用A/lm (安/流明)表示，阳极灵敏度与工作波长和所加的电压有关，图2.9 给出阳极灵敏度和工作电压的关系。

（3）电流放大倍数（增益）：n

G δ=，G 与 PMT 的倍增级数目 n 和材料有关，一般的光电倍增管倍增极数目为 n=9~12，δ是倍增极的平均二次电子发射率，α

δAE

=，A 为常数，E 为极间电压。

图2.6 光电倍增管（PMT ）的结构图

图2.7 光电倍增管的外型图 (a)侧窗型 (b)顶窗型

(a) (b)

（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，

为了降低光电倍增管的暗

图 2.8 典型光电倍增管的阴极灵敏度和量子效率

图2.9 光电倍增管的阳极灵敏度、阳极暗电流与工作电压的关系图

电流，可以降低工作温度。例如，从25C o降为0C o可以使暗电流降低一个数量级，如降到－160C o，则可降低约4个数量级。图2.9给出暗电流与工作电压之间的关系。（5）噪声等效功率：定义为与阳极暗电流相等的阳极输出电流所需要的光功率，即前面提到的NEP，它决定了最小可探测功率。

S

f G

eI NEP d ?

=2

-------------------------- (2.2-2)

上式中e为电子电量，I d、S、G 分别是光电倍增管的暗电流（安培）、阳极辐射灵敏度（安培/瓦）和放大倍数，f?为测量系统的带宽（一般取1赫兹）。通常NEP可达10-15—10-16瓦，经过冷却的光电倍增管甚至可达10-18—10-19瓦，相当于每秒钟几个光子的弱光辐射，即可以达到单光子探测的本领。

（6）探测功率范围：最大可探测功率由阴极材料和倍增级的输出能力所决定，一般控制阳极电流为10-6A 左右，相应的安全入射光功率为10-9—10-10W。

（7）时间常数τ：与光电倍增管的结构有关，通常为1－20ns，最好的可达0.5ns。

光电倍增管典型的连接原理图如图2.10所示。

(a)

(b)

图2.10 光电倍增管的连接原理图(a) 用于脉冲光强测量

(b) 用于直流光强测量

光电倍增管的工作电压通常采用负高压连接，如图2.10所示。这样在负载输出端电压不至于过高，且一端接地，便于与其它设备相连接，使用比较安全。R1至R11为分压电阻，可取100KΩ至500KΩ。在脉冲工作方式时，加入C1和C2，这是因为最后几级的瞬间电流较大，容易引起阳极电流的过早饱和，导致灵敏度的下降，并入电容可以使R9—R11上的压降更稳定。

光电倍增管输出一个电流信号，可以采用一个负载电阻R L 来完成电流—电压的转换，输出线路如图2.11所示。信号大小为光电流与负载电阻R L 的乘积L P R I ?，R L 选取得大一些（例如为100KΩ以上），可以获得较大的电压信号，但会影响光电倍增管的输出时间常数τ，S L C R =τ，其中C S 为输出端分布电容，正确选取负载阻抗是时间谱测量过程中至关重要的一点，经常容易被忽略。图2.12 显示了负载阻抗对响应时间的影响，对短脉冲光信号测量时特别需要注意，R L 过大，使时间常数变长，无法响应短的光脉冲信号；另外，R L 过大，造成阳极和末倍增极之间的电压降低，影响输出的线性度（即输出电流与入射光强之间的线性关系）。在测量短脉冲信号时，R L 可取50Ω，以便获得对快脉冲信号的响应，同时又与50Ω输出电缆相匹配，可以参考图2.13的接法。这时从光电倍增管来看，阻抗与电缆的长度无关，就是电缆的特性阻抗，因此，传输波形不会失真。综合上述，请注意以下几点：1）在重视频率特性或短脉冲测量情况时，务必使用小的负载电阻；2）在要求输出幅度线性的场合，使用输出电压低于几伏水平的负载电阻；3）负载电阻值等于或小于后接放大器的输入阻抗。

光电倍增管的增益与工作电压之间有如下关系： n

n

KV

G αδ

==

-------------------------- (2.2-3)

图2.11 光电倍增管的输出电路

上式中 K 是与光电倍增管结构有关的常数，V 为工作电压，α约为0.7-0.8。当工作电压增加时，增益也要增加，增益受工作电压影响很大，因此用于光电倍增管的电压源稳定度至少要优于0.1%。此外，电源电压加高，可以降低时间常数τ（见图2.14）。

10

20 30

t(ns)

图2.12 负

载阻抗对时间响应的影响，时间常数为τ

=R L C S 。

图 2.13 光电倍增管的快速输出电路

图2.14 光电倍增管的时间常数与工作电压的关系图

在使用中还要考虑有无外磁场的干扰，因为外磁场会改变电子运动轨迹，因此可以用高导磁率的合金材料对管子作磁屏蔽。

下面给出Hamamatsu （日本滨松公司）R955型光电倍增管的主要指标： 波长范围：160 — 930 nm 峰值波长： 400 nm 阴极材料： 多碱材料 窗口材料： 熔石英 阴阳极间最大电压：1250V 正常电压：1000V 阴极灵敏度：200μA/lm 阴极辐照度：68mA/W 阳极灵敏度：2000A/lm 阴极辐照度：5108.6?mA/W 电流放大系数：7100.1? 暗电流：10nA 上升时间：2.2nS 渡越时间：22nS

渡越时间是指从输入一个脉冲光开始到光电倍增管达到最大输出的时间间隔，反映了从阴极接收光子到阳极电子倍增过程所需要的时间，如图2.15，渡越时间的离散程度大致为2ns 。

由于光电倍增管对光照非常敏感，一般不让管子直接曝光，在受过强光照射后，阴极容易疲劳而使灵敏度降低，暗电流增加。在不加高压时曝过强光，通常需要在暗处静置24小时以上，暗电流才能恢复正常状态；加电压时曝过强光，则恢复时间需要更长，甚至无法恢复。

图2.15 光电倍增管的渡越时间特性

光电倍增管是光谱测量中常用的一种探测器，经常用于微弱荧光的探测，尤其应用于可见光、近红外和紫外波段的探测，具有很高的灵敏度和快速的时间响应，灵敏度之高可以达到单光子检测，在某些使用场合是不可替代的。它的缺点是体积较大，使用时须加高压。

三，微通道光电倍增管

普通的光电倍增管有十多个倍增级，因此电子渡越时间较长，可达几十个ns ，又有一定的离散度，限制了对快速光变化的测量。60年代出现了连续的电子倍增器，称为通道式电子倍增器(Channel Electron Multiplier ＝CEM)，它的渡越时间很短(2ns)。通道内壁表面为109Ω量级的高阻导电层，且二次电子发射系数δ>3，二端加1―3KV 电压，在管内建立均匀的电场。电子倍增后，在高电位端输出增益可达108。增益系数可由下式决定：

V a V V a AV G 2

0402??

?

?

?

?=

--------- (2.2-4)

其中a=L/d 为管长与管径之比，A 为决定二次发射系数的物质常数，约为0.2－0.25之间，V 0为垂直管壁方向的二次电子平均发射电位，约为1－2伏，V 为所加的工作电压。

把大量CEM 并联起来，构成微通道板(Microchannel Plate=MCP)。它是将1mm 长的玻璃毛细管熔结在一起，形成一块薄板，每根毛细管都是一个CEM ，内径为25m μ，内壁涂有二次电子发射材料(如Fe-Cr 材料)。这样，在几个平方厘米上可以有106个单元，二端加1－1.6KV 电压，总的渡越时间约为2ns ，渡越离散时间小于100ps ，可适应

3KV

内壁导电层

图2.16 微通道倍增管

于快速测量。将光阴极材料结合MCP ，就可构成多通道式光电倍增管，这种器件最大的特点是体积小，响应时间快，通过分别收集各微通道管的信号还可以实现二维图象的记录。图2.17是一种用两块MCP 串联作为电子倍增器的微通道光电倍增管的结构示意图，多级串联可以提高增益，目前已有三级串联的商品器件，它的上升时间为0.32ns ，增益可达6

105 。

第三节 半导体光电探测器

半导体光探测器是利用内光电效应进行工作，即由于光照射引起半导体材料内部性能的变化，如电导率的变化（称为光导型）或产生光电压（称为光伏型）。 光导型半导体器件相当于一个光敏电阻，工作时两端须加上一定的偏置电压，受光照射后导电率发生变化。在电场的作用下，形成与入射光功率成正比的光电流，流经负载电阻R L ，转变为相应的输出电压V S 。 目前作为光电导探测器的材料主要有硅和锗，长波极限分别为1.1微米和1.7微米，可以在室温下使用。此外还有二元化合物的半导体材料，如硫化镉(CdS 0.3-0.52μm)、硒化镉(CdSe 0.67μm)、硫化铅(PbS 1-3.5μm)、硒化铅(PbSe 4.5-5.2μm)、碲化铟 (InSb 6μm 左右)等，以及三元系化合物合金材料，如碲镉汞(HgCdTe 1-14μm)，可以通过对各组份的百分比和运行温度的调节，改变对不同波长的探测灵敏度，有些探测器需要在液氮温度(77K)下运行。这类探测器在红外遥感、红外成像和夜视探测等方面有重要的作用。

光电池是典型的光伏型器件，在不加偏置情况下，P －N 结受光照射时产生与入射光强成正比的光电压。比较成熟的是硅单晶PN 结光电池，它的开路电压为0.45—0.6V 之间，短路电流约为150-300A/m 2

，应用时可以根据具体情况作串并联，转换效率在

微通道电子倍增器

阳极

光阴极

图2.17 微通道光电倍增管示意图

理论上可达24%，目前的水平在10-20%的范围。为了克服大面积硅单晶材料制作上的困难，多晶硅光电池、砷化镓光电池和异质结晶体光电池也在发展中。光电池在解决太阳能的利用方面起作重要的作用。

各种半导体光电二极管是在光探测过程中使用最广泛的器件，它们体积小、灵敏度高、响应速度快，且易于集成化。以下我们将对光电二极管作一介绍。 1， 半导体光电二极管

光伏型的光电二极管的工作原理是基于P －N 结的光伏效应，P-N 结在光照时其中电子被激发，产生光生载流子，即光生电子空穴对，在结电场作用下，电子被拉向N 区，空穴被拉向P 区，形成与入射光功率成正比的光电流。目前用得较多的还是硅光电二极管，如国产的2CU 和2DU 型。在使用时必须加上反向偏置电压，由于结区面积小，内建电场很强，结区较厚，结电容小，频率特性也较好。 图2.18 给出半导体光电二极管使用线路图以及等效电路图。

半导体光电二极管的光谱响应特性取决于半导体材料的禁带宽度，只有满足以下关系式的波长才能够被探测到： λ≥

=?hc E g

E g

12395103

. －－－－－－－ (2.3-1)

上式中λ是入射光波长，单位为(nm)；E g 为禁带宽度，单位为电子伏特(ev)。硅材料的禁带宽度为1.15ev ，所以极限波长为1.1μm 。

在图2.18 的硅光电管等效电路图中，i S 是并联在光电管上的等效电流发生器，硅光电管接受光辐射后，产生光电流 i P ，暗电流 i d 和噪声电流 i n ， P n d P S i i i i i ?++= ----------------------- (2.3-2)

i C L

图2.18 半导体光电二极管原理图和等效电路

R S 为串联电阻，由接触电阻和未耗尽的体电阻组成，R S 与管子尺寸、所加的偏压有关，面积大、偏压高，则R S 小，通常为十几至几十欧姆。 C d 为光电管的结电容，与光电管尺寸、结构和偏压有关，通常为几个至几千个微微法（Pf ）。R d 为光电管的并联电阻，由耗尽层电阻和污染引起的漏电阻构成，与管子的截面积有关，从几十千欧姆至上百兆欧姆。D 为PN 结的等效电路，R L 和 C L 为负载电阻和负载电容。 由光电管的V-A 特性（图2.19）可知，通过二极管的电流为：

??

???

?-????

?

?=?

?????-???

??=1exp 1exp t D

S D S D AV

V i AkT eV i i -------- (2.3-3) i S 为二极管的反向饱和电流，A 为常数，对硅光电二极管可以取为 A=2，k 为Boltzmann 常数，T 为绝对温度，e 为电子电荷量，D V 是二极管二端的电压，e kT V t /=为热电压。流过负载R L 上的电流为：

()()

d L

S L t L S L S P

Rd D P L R R R i AV R R i i i i i i i +-

??

?????

?

??-??????+-=--=1exp

---- (2.3-4)

由上式可知光生电流i P 与负载电流i L 并非线性关系，如果R L =0，既输出短路，且R S <

?

?????-???

???-=1exp t S L S P L AV R i i i i ----------- (2.3-5)

在反向电流很小时，即i S 很小，输出电流不大的情况下，即t S L AV R i <<，则有

P L i i ≈。此时负载电流与光生电流呈线性关系。实际使用时，可以选R d 大、R S 小以

及i S 小的管子，并尽量在输出近短路情况下工作，以获得最佳的线性关系。

典型的光电二极管参数如下：

是国产的普通型产品。

2，PIN 型光电二极管（光伏型器件）

一般的光电二极管时间响应比较慢，受到载流子漂移速度和结电容的限制。在PN 结间加一层本征半导体层（I-intrinsic ），即构成PIN 型二极管，本征层中的均匀电场增

图 2.19 光电二极管的伏安特性曲线

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

InGaAs PIN 光电探测器

SHINE-YOU TECHNOLOGY CO., LTD Addr: 3F,Bld.5,Shangsha Innovative Science & Tech Park,Futian,Shenzhen,China,518048 Tel: +86-755-29812573 Email: info@https://www.wendangku.net/doc/3c6895325.html, https://www.wendangku.net/doc/3c6895325.html, 微型封装（MINI CAN ）InGaAs PIN 光电探测器 特点： 微型封装，封装尺寸≤2.41 mm 高响应 工作电压 5V 超低暗电流 单针脚密封 工作温度 -40～+85℃ 应用： 光纤通信 数据/图像传输 光纤传感 光测量仪器仪表 最大额定值： 工作温度（℃） -40～+125 存储温度（℃） -50～+125 正向电流（mA ） 4/8 反向电压（V ） ≥20 光电特性（T = 25℃，Vr = 5 V ） 参数 指标 测 试 条 件 光敏面直径（μm ） 75/300 带宽（GHz ） 1.5/0.5 RL = 50 Ω λ= 1310 nm 0.85/0.80 响应度（A/W ） λ= 1550 nm 0.90/0.85 暗电流（nA ） 0.3 / 1 总电容（pF ） 0.6/6.0 f = 1 MHz 响应度一致性（dB ） ±0.2 λ = 1530～1620 nm, T = -10～+85℃ 注意事项 （1）静电对器件有极大伤害，使用中要保证人体、测试仪表、检验装置及工作台接地良好。 （2）电源需有稳压装置，且不可在开关电源过程中产生冲击电压损害器件。 （3）焊接时烙铁应接地良好，温度控制在260℃±5℃，时间不超过5 秒。 （4）测试正向电压时要监控正向电流，不超过100 μA ，否则会击穿器件而失效。

光电探测器

一`光电探测器 第一节 光辐射探测器的主要指标 光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应，分成光热探测器、光电探测器和光压探测器，光压探测器使用得很少。本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。 光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。 光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器。它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子，引起半导体的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应，所对应的器件称为光导器件；又如半导体PN 结在光辐照下，产生光生电动势，称为光生伏特效应，利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件。 外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律，探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。 P k E h E -=ν ---------------------------------- (2.1-1) 上式中 νh 是入射光子的能量，E p 是探测器材料的功函数，即光电子的逸出功，E k 是光电子离开探测器表面的动能。这种探测器有一个截止频率和截止波长C ν和C λ： h p E c = ν , () ()nm eV E E hC p p C 1240= = λ --------(2.1-2)

光电探测器及应用

要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。 1.光电探测器 光电二极管和普通二极管一样，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。 普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。 2.红外探测器 光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。 红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。近红外指波长为0.75—3微米的光波，中红是指3—20微米的光波，远红外是指20—1000微米的波段。但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即1—3,3—5和8—14可以让红外辐射通过。因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。 红外探测器的分类： 按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器，激光红外探测器，超声波红外探测器，磁控开关红外探测器，开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。 按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。 被动红外探测器是感应人体自身或外界发出的红外线的。主动式红外探测器一般为对射，红外栅栏等，是探测器本身发射红外线。 按照探测范围可以分为：点控红外探测器，线控红外探测器，面控红外探测器，空间防范红外探测器。 点源是探测元是一个点。用于测试温度，气体分析和光谱分析等 线阵是几个点排成一条线。用于光谱分析等 面阵是把很多个点源放在仪器上形成一个面。主要用于成像。 四象限是把一个点源分成四个象限。用于定位和跟踪。

光电探测器综述(PD)分解

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 ,CMOS Abstrac 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, high performance, low power consumption and low cost of photoelectric detector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) has become a major new challenge. Especially high response speed ，high quantum 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 the very high research value.This paper reviews the development of different characteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses the photodetector development direction in the next few years,the study of high performance photoelectric detector, the structure, and related technology, manufacturing, has very important practical significance. Key Word: photodetector, Si ,CMOS 一、光电探测器 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。（光电导效应是指在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化的象。即当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大

各类光电探测器

各类光电探测器的工作原理、性能特点及主要应用 1、光敏电阻：工作原理：在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极 便构成光敏电阻。性能特点:具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。主要应用：照明灯的光电控制电路，火焰探测报警器，照相机电子快门。 2、真空型光电管：工作原理：当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴 极面上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高电位的阳极收集。 3、充气型光电管:工作原理：光照生电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体 原子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一起都被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流。 4、光电倍增管：工作原理:是在光电管基础上研制的一种光电发射器件。 特点：光电倍增管具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流 和低噪声，还能够在很大范围内调整内增益。应用:在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。 5、硅光电二极管：(b) 7、雪崩光电二极管：它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益。特点：具有内增益的探测器，噪声比一般光电二极管要大些。应用：有助于微弱光信号的探测。 8、硅光电池:工作原理:如图3-10所示，当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生输出电

流I L，且负载电阻R L上产生电压降为U。 9、光电三极管：光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流 放大。 ?10、色敏光生伏特器件 ?11、光电位置敏感器件（PSD）：当光入射到PSD光敏层上距中心距离为x A时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电 阻p型层分别由电极1与2输出。 12、热敏电阻：工作原理:依据某些材料吸收入射辐射产生升温而引起电阻改变。 特点：①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高；②结构简单，体积小。③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。④阻值与温度的变化关系呈非线性。⑤稳定性好。 13、测辐射热电偶：是利用物质温差产生电动势的效应探测入射辐射的。 14、热释电器件：工作原理:热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。 特点:光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有平坦的响应，而且响应度都很高，但响应速度较低。

光电探测器

光电探测器 作者：小白你可以的 摘要 本文研究了近期崛起的高科技新秀：光电探测器。本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器，使大家对光电探测器有一个初步的理解。了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料，而且对研发新的光电探测器有所帮助 一、简单介绍引入 光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时，性质会发生各种变化的材料。光电探测器能把辐射信号转换为电信号。辐射信号所携带的信息有：光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等，其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示，从而进行探测。 光电探测器的发展历史： 1826年，热电偶探测器→1880，金属薄膜测辐射计→1946，热敏电阻→20世纪50年代，热释电探测器→20世纪60年代，三元合金光探测器→20世纪70年代，光子牵引探测器→20世纪80年代，量子阱探测器→近年来，阵列光电探测器、电荷耦合器件（CCD） 这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面，都有着不可或缺的作用。 二、光电探测材料的分类。 由于器件对辐射响应的方式不一样，以此可将光电探测器分为两大类，分别是光子探测器和热探测器。 光子探测器 光电子发射探测器光电导探测 器 光伏探测器 热探测器 热敏电阻热电偶 热释电探测 器

○1光子探测器：光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。 ○2利用光热效应制作的元件叫做热探测器，同时也叫热电探测器。（光热效应指的是当材料受光照射后，光子能量会同晶格相互作用，振动变得剧烈，温度逐渐升高，由于温度的变化，而逐渐造成物质的电学特性变化）。 若将光电探测器按其他种类分类，则 按应用分类：金属探测器，非成像探测器（多为四成像探测器），成像探测器（摄像管等）。 按波段分类：红外光探测器（硫化铅光电探测器），可见光探测器（硫化镉、硒化镉光敏电阻），紫外光探测器。