第十二章 光电探测器(Beta2)[可修改版ppt]

Id为探测器的暗电流，M为探测器的内增益
种类
• • • • 真空管光电探测器（PMT等） 半导体光电探测器 热电探测器 多通道探测器、成像器件
1.真空管光电探测器
• 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应
光电阴极材料 • 光吸收系数大 • 传输能量损失小 • 光电子逸出功低
探测器窗口 • 透过率大
G n
AE

1.2光电倍增管
主要指标：
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
1.2光电倍增管
主要指标：
5.噪声等效功率 • 与阳极暗电流相等 的阳极输出电流所 需要的光功率决定 了光电倍增管可探 测的最小光功率 • ～10-15—10-16瓦， • ～10-18—10-19瓦（冷 却后），单光子探 测水平
单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比
如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率 为多少(光波长为1um)？
光探测器－参数
2.噪声等效功率（NEP） • 信噪比: SNR 信号的峰值和噪声的有效值(√带宽)之比
• NEP
NEP P S / N 1/ Hz
单位为W/Hz1/2
R1
C
R2
Vs
fC
图2.3 探测器的频率响应
f
Vmax
1 = c
T
i t dt
0
光探测器－参数
响应光谱 频谱响应 噪声
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
白噪声
热噪声均方振幅电压值：

常见热释电红外传感器的外形 第27页/共29页
• 可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。 这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。
• 因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等。
❖ 热释电红外传感器 ❖ 热释电红外自动节能灯 ❖ ……
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当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常 被称为“居里温度”或“居里点”。 在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。
第26页/共29页
• 热释电探测器的特点是它只在由于外界的辐 射而引起它本身的温度变化时，才会给出一 个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后， 就再没有信号输出，即热释电信号与它本身 的温度的变化率成正比。因此，热释电传感 器只对运动的人体或物体敏感。
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若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间 接上负载RL，则负载上就有电流通过。由于温度变化在 负载上产生的电流可以表示为
is
dQ dt
A
dT dt
• 2. 基本电路
热释电器件为电容性元 件，输出阻抗特别高 （>1010 ）。
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热释电器件为电容性元件，输出阻抗特别高（>1010 ）。因此，必须配高阻抗的负载。常用JFET(junction field effect transistor 结晶型场效应晶体管 )器件作热释电探测器的前置 放大器。
第17页/共29页
大部分半导体热敏电阻由各种 氧化物按一定比例混合，经高 温烧结而成。多数热敏电阻具 有负的温度系数，即当温度升 高时，其电阻值下降，同时灵 敏度也下降。由于这个原因， 限制了它在高温情况下的使用。

显然，光敏电阻在弱辐射作用下的 上升时间常数τ r与下降时间常数τ f 近似相等。
2. 强辐射作用情况下的时间响应
0 t=0




0
t≥0
光电导率和光电流变化的规律为
0tanht I I0tanht
停止辐射时，入射辐射通量为



0
0
t=0 t≥0
光电导率和光电流随时间变化的规律为
MnVL2A0
0 d
如何提高M
光电导内增益
选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料； 减少电极间距离； 加大偏压
参数选择合适时，M值可达102量级
本 入射光子的能量大于或等于
征 半导体的禁带宽度时能激发
Ec
型 电子－空穴对
Eg
光 敏
0

hc124(0nm) Eg Eg
Ev
电
常用于可见光波段测试
硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线
1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后
亮态前历效应
指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与 工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现 象，其效应曲线如下图所示。一般，亮电阻由高照度 状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由 低照度状态变为高照度状态时短。
1 23
4 5 6 7
1--光导层;
2--玻璃窗口;
3--金属外壳;
R
4--电极; 5--陶瓷基座;
G 6-- 黑 色 绝 缘 玻 璃 ;
7--电阻引线。
(a)结构
(b)电极
(c)符号
CdS光敏电阻的结构和符号
光敏面作成蛇形，电极是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或 铟等金属形成的。这种梳状电极可以保证有较大的受光表面，也可 以减小电极之间距离，从而减小极间电子渡越时间，提高灵敏度。

3. 为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变 化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。
C1
Ι ΑΜ τ LV DD
C1δC2δ2C3
C1 C2 C3
光电倍增管供电. 电路图
32
32
§2-2 真空光电探测器件
光电倍增管 光电倍增管的供电电路
4. 接地方式：倍增管的接地方式有两种，即阴极接地或 阳极接地.
.
29
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§2-2 真空光电探测器件
光电倍增管 光电倍增管的供电电路
1. 倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级 的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来 供电。一般情况下，各级电压均相等，约80～100V， 总电压约1000～1300V。
C1 C2 C3
光电倍增管供电. 电路图
30
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§2-2 真空光电探测器件
3.阳极伏安特性曲线是指阳极电流与阳极和最 末一级倍增极之间电压的关系。
4.在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来 进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。
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24
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阳极伏安特性曲线
.
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§2-2 真空光电探测器件
光电倍增管
光电特性
光电倍增管的的主要参量与特性
1. 阳极光电流与入射
于光电阴极的光通量之 间的函数关系。
2.噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪
声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率
（通量）的有效值。即
IA/InA=1时， NEP=InA/SA
它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。
.
28
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§2-2 真空光电探测器件

2、工作原理
光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料。当光线照 射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位 的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路 就产生电流。若在外电路串入一定阻值的电阻，则在该 电阻上的电压降或电路中的电流大小都与光强成函数关 系，从而实现光电转换。
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。
良好的光电发射材料应具备下述条件：
⑴光吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发； ⑵光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其溢 出深度大； ⑶材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较 容易地溢出； ⑷另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率， 以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。
S



VO

或S



IO


⑵积分响应度
光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为 积分响应度。积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应 程度。
S IO
0 1
S

d


0 d
2．响应时间
当入射辐射到光电探测器 后或入射辐射遮断后，光电探 测器的输出上升到稳定值或下 降到照射前的值所需时间称为 响应时间。
子数之比。
一般η(λ)反映的是入射辐射与最初的光敏面的相互作 用。若η(λ)＝1（理论上），则入射一个光量子就能发射一 个电子或产生一对电子孔穴对。实际上η(λ)<1。
对于有增益的光电器件，η(λ) 远大于1，此时我们一 般用增益或放大倍数。
2、线性度： 描述探测器的光电特性或光照特性曲线，输出信号与输入

V
Pmax Rg
RL Rg
光敏电阻
时间响应特性
光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增 大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上 升时间和衰减时间表示。
光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负 载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间） 等因素有关。
光敏电阻
稳定特性
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
▪ 第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，
称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是 流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的
光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分
几种国产硅光电池的特性
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
短路电流和开路电压
短路电流——RL=0 开路电压——RL=∞
光电池等效电路
Cj：结电容 ish：pn结漏电流，很小 Rsh：等效泄露电阻，很大 Rs：引出电极－管芯接触电阻
HgxCd1-xTe探测器：化合物本征型光电导探测器，由 HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度 随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8~14μm， 工作温度77K，用液氮致冷；内电流增益约为500，低 内阻，广泛用于10.6μm的CO2激光探测。
光敏电阻

6. 光学视场
7. 背景温度（红外）
二、有关响应方面的性能参数
1．响应率（响应度)Rv或RI
• 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测 器输出信号与输入辐射之间关系的参数。
• 定义为光电探测器的输出均方根电压VS或电流IS 与入射到光电探测器上的平均光功率之比，并分 别用RV 和RI 表示，即
hc w (逸出功)

hc/ w
低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电 阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 • 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的 是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电 流增益，能检测极微弱的光辐射信号。 • 波段：可见光和近红外（<1.25μm） • 特点：响应快、灵敏度高
热探测器的特点： 无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制
§2－2 光电探测器的性能参数
一、 光电探测器工作条件
• 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关，所以在给出性能参数时，要注明有关的 工作条件。只有这样，光电探测器才能互换 使用。
1．辐射源的光谱分布
• 很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应是辐射波长的 函数，仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。 • 所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所 用辐射源的光谱分布。
随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个 光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动 了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。 目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化， 即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片 上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、 提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要 方面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测 器阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输。

二、光电倍增管及其基本特性
1. 结构和工作原理
➢ 光照很弱时，光电管产生 的电流很小，为提高灵敏度 常常使用光电倍增管。如核 仪器中闪烁探测器都使用的 是光电倍增管做光电转换元 件。 ➢ 光电倍增管是利用二次电 子释放效应，高速电子撞击 固体表面，发出二次电子， 将光电流在管内进行放大。
效应和光生伏特效应两类。 （1） 光电导效应
在光线作用，电子吸收 光子能量从键合状态过 渡到自由状态，而引起 材料电导率的变化，这 种现象被称为光电导效 应。基于这种效应的光 电器件有光敏电阻。
hhc1.24Eg
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
（2） 光电管的光照特性
通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一
定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特
性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电
1、外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外 发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光 电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍 增管等。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
ν的单位为Hz，λ的单位为cm。
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多

光电二极管
01
响应速度快、灵敏度高、噪声低，适用于高速和低照度条件下
的光信号检测。
光电晶体管
02
具有较高的灵敏度和响应速度，适用于需要高精度和高速度的
光信号检测。
光电开关
03
具有快速响应和较高开关频率的特点，适用于需要快速切换和
高可靠性的光信号检测。
光探测器性能的优缺点分析
灵敏度高
光探测器能够检测微弱的光信 号，具有较高的探测下限。
金属化与欧姆接 触
为了使光探测器能够与外部 电路连接，需要对其进行金 属化处理，形成欧姆接触。 金属化处理的方法有蒸发、 溅射和化学镀等。
封装
光探测器的封装是制造过程 的最后一步，通过将光探测 器封装在适当的壳体中，保 护其免受环境的影响，同时 方便使用。封装的工艺包括 芯片粘接、引线焊接、壳体 密封等。
新技术
新兴技术如异质集成技术、光子晶体技术、表面等离子体共振技术等，为光探测器的发展提供了新的 途径，有助于实现高性能、多功能和低成本的光探测器。
高性能与多功能化的发展趋势
高性能
随着光探测器材料和工艺的进步，光探 测器的性能不断提高，如响应速度更快 、灵敏度更高、噪声更低等，能够满足 各种应用场景的需求。
用于探测敌方目标和导弹，进行精确制导和打击 。
红外传感器在医疗领域的应用
用于检测人体温度和病变，辅助医生诊断和治疗 。
3
红外传感器在环保领域的应用
用于检测大气污染和环境温度，进行环境监测和 治理。
06
光探测器的发展趋势与展 望
新材料与新技术的应用
新材料
新型光探测器材料如硅基材料、III-V族化合物、二维材料等，具有优异的光电性能和可调谐性，能够 提高光探测器的响应速度、灵敏度和光谱范围。

材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材
料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照 射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光
电导体的电导率增加。
（2）光生伏特效应
某些半导体或电介质材料，在光线作用下，能够使物体产 生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。当光线照 射于半导体PN结时，在PN结两端就会产生一定的电位差， 并将在外回路中产生电流。基于这种效应的光电器件有光 电池和光敏二极管、光敏三极管。
外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射 到金属释放电子所需时间不超过10-9s。
根据能量守恒定理，可以得到爱因斯坦光电效应方程：
h
1 2
mv02
A0
式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物 体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功， 即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红线频率或 波长限。光束频率低于红线频率时，光子能量不足以使物 体内的电子逸出，因而小于红线频率的入射光，光强再大 也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红线频率， 即使光线微弱，也会有光电子射出。
光电器件的基本特性参数
（1）响应度k 光电器件输出电压VO与入射光功率PI之比称为响应度
k，即： k= VO/ PI = VO /(H·Ad)
式中， VO是器件的输出电压， PI为入射光敏面的辐射功 率，Ad是器件受光面积，H为光敏面的辐射照度。k的单 位是(V/W)。
响应度k是表征光电器件输出信号能力的特征量。
光电倍增管：
二，光电倍增管(photomultiplier ,PMT)
当入射光很微弱时，普通光电管的产生的光电流很小， 不容易探测，这时常用光电倍增管对电流进行放大。