光电子学6第六章

1、电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1 1 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院2 2 p光电探测技术光电探测技术就是把被调制的光就是把被调制的光 信号转换成电信号并将信息提取出信号转换成电信号并将信息提取出 来的技术。来的技术。 p光探测器光探测器指就是将光辐射能量转指就是将光辐射能量转 换为一种便于测量的物理量的器件。换为一种便于测量的物理量的器件。 它是光电探测技术的核心器件。它是光电探测技术的核心器件。 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程

2、学院3 3 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 1873年，英国的年，英国的smith和和may发现，当光照发现，当光照 射到用作电阻的硒（射到用作电阻的硒（se）棒后，其电阻值）棒后，其电阻值 约改变约改变30。 同年同年simens将铂金绕在这种硒棒上，制成将铂金绕在这种硒棒上，制成 了第一个光电池。了第一个光电池。 1887年，德国的赫兹在证明电磁波的实验年，德国的赫兹在证明电磁波的实验 时，发现两个锌质小球之一用紫外线照射，时，发现两个锌质小球之一用紫外线照射， 则两个小球之间就非常容易产生电火花。则两个小球之间就非常容易产生电火花。 1888年，德国的霍耳瓦克斯证明光照射到年，德

3、国的霍耳瓦克斯证明光照射到 金属表面上会引起电子发射；金属表面上会引起电子发射； p光探测器的发展简介光探测器的发展简介 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院4 4 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 1909年，年，richtmeyer发现，封入真空中发现，封入真空中 的的na光电阴极所发射的电子总数与照射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；的光子数成正比，奠定了光电管的基础； 接着美国的接着美国的zworkyn研制出各种光电阴研制出各种光电阴 极材料，并制造出了光电倍增管，并于极材料，并制造出了光电倍增管，并于 1933年发明了光

4、电摄像管；年发明了光电摄像管； 1950年，美国的年，美国的weimer等人研制出光导等人研制出光导 摄像管；摄像管； 1970年，年，boyle等人发明了等人发明了ccd（电荷（电荷 耦合器件）。耦合器件）。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院5 5 一一.光电探测的物理机理光电探测的物理机理 二二.光电探测器光电探测器 三三.光探测器性能参数光探测器性能参数 四四.光电探测方式光电探测方式 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院6 6 一一.光电探测的物理机理光电探测的物理机理 【主要内容【主要内容】外

5、光电效应，内光外光电效应，内光 电效应，光热效应电效应，光热效应 6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院7 7 根据电磁波对材料的影响根据电磁波对材料的影响 光电效应：光子与电子的直接相互作用。光电效应：光子与电子的直接相互作用。 分为：分为： a)a)内光电效应：发生在物质内部内光电效应：发生在物质内部 b)b)外光电效应：发生于物质表面外光电效应：发生于物质表面 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大

6、学通信与信息工程学院8 8 根据电磁波对材料的影响根据电磁波对材料的影响 光电效应：光子与电子的直接相互作用。光电效应：光子与电子的直接相互作用。 分为：分为： a)内光电效应：发生在物质内部内光电效应：发生在物质内部 b)外光电效应：发生于物质表面外光电效应：发生于物质表面 光热效应：物质吸收光，引起温度升高光热效应：物质吸收光，引起温度升高 的一种效应。广泛用于红外辐射的测量的一种效应。广泛用于红外辐射的测量 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9 9 根据电磁波对材料的影响根据电磁

7、波对材料的影响 光电效应：光子与电子的直接相互作用。光电效应：光子与电子的直接相互作用。 分为：分为： a)内光电效应：发生在物质内部内光电效应：发生在物质内部 b)外光电效应：发生于物质表面外光电效应：发生于物质表面 光热效应：物质吸收光，引起温度升高光热效应：物质吸收光，引起温度升高 的一种效应。广泛用于红外辐射的测量。的一种效应。广泛用于红外辐射的测量。 波相互作用效应：激光与某些敏感材料波相互作用效应：激光与某些敏感材料 相互作用过程中产生的一些参量效应。相互作用过程中产生的一些参量效应。 包括非线性光学效应与超导量子效应等包括非线性光学效应与超导量子效应等。 第六章第六章 光电探测技

8、术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1010 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 【预备知识】半导体的光吸收【预备知识】半导体的光吸收 半导体的光吸收可分为半导体的光吸收可分为本征吸收本征吸收与与非本征吸非本征吸 收收。本征吸收指电子由带与带之间的跃迁所。本征吸收指电子由带与带之间的跃迁所 形成的吸收过程。发生本征吸收的条件是入形成的吸收过程。发生本征吸收的条件是入 射光子能量必须等于或大于禁带宽度射光子能量必须等于或大于禁带宽度 ，即，即 g e g ehh 0

9、 (6-1) 图图6-1 本征吸本征吸 收示意图收示意图 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1111 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 【预备知识】半导体的光吸收【预备知识】半导体的光吸收 式中式中 是能够引起本征吸收的最低限度光是能够引起本征吸收的最低限度光 子能量。利用关系式子能量。利用关系式 可得出本征吸可得出本征吸 收长波限公式收长波限公式 0 h c )( )( 24. 1 0 m eveg 除本征吸收外，半导体中还存在其它的光吸除本征吸收外，半导体中还存在其它的光吸 收过程，如激子吸收、自由载流子吸收、杂收

10、过程，如激子吸收、自由载流子吸收、杂 质吸收等，它们统称为非本征吸收。质吸收等，它们统称为非本征吸收。 (6-2) 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1212 p光照射到物体上使物体发射电子，或电导率光照射到物体上使物体发射电子，或电导率 发生变化，或产生电动势，这些因光照引起发生变化，或产生电动势，这些因光照引起 物体电学特性改变的现象，统称为物体电学特性改变的现象，统称为光电效应光电效应。 p根据发生的部位与性质，光电效应分为内光根据发生的部位与性质，光电效应分为内光 电效应与外光电效应。电效应与外光电效应。 a)内光电效应：发生在材料内光电效应：发生在材料内部，

11、内部，且光子激且光子激 发的载流子将保留在材料内部。发的载流子将保留在材料内部。 b)外光电效应：发生在材料外光电效应：发生在材料表面表面，且光子激，且光子激 发的电子离开材料表面，外光电效应器件发的电子离开材料表面，外光电效应器件 通常有多个阴极，以获得倍增效果。通常有多个阴极，以获得倍增效果。 光电效应光电效应 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1313 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 当光

12、照射到金属或金属氧化物的光电材料当光照射到金属或金属氧化物的光电材料 上时，光子的能量传给光电材料表面的电上时，光子的能量传给光电材料表面的电 子，如果入射的光能使表面的电子获得足子，如果入射的光能使表面的电子获得足 够的能量，电子就会克服正离子对它的吸够的能量，电子就会克服正离子对它的吸 引力，脱离金属表面而进入外界空间，这引力，脱离金属表面而进入外界空间，这 种现象称为种现象称为外光电效应外光电效应。外光电效应可用。外光电效应可用 两条基本定律来描述两条基本定律来描述 ： 斯托列托夫定律斯托列托夫定律 爱因斯坦定律爱因斯坦定律 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 第六章第六章

13、光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1414 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和 光电流（单位时间内发射的光电子数目）光电流（单位时间内发射的光电子数目） 与入射光的强度成与入射光的强度成正比正比。 斯托列托夫定律斯托列托夫定律 psic 式中，式中， 是光电流，是光电流， 是入射到探测器的光功是入射到探测器的光功 率，率， 是阴极对入射光线的灵敏度。是阴极对入射光线的灵敏度。 c i s p (6-3

14、) 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1515 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 斯托列托夫定律斯托列托夫定律 斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检 测基础。测基础。 斯托列托夫定律也可表示为斯托列托夫定律也可表示为 )()(tp h e tic (6-4) 式中，式中， p(t) 是时刻是时刻t入射到探测器上的光功率，入射到探测器上的光功率， 是探测器的量子效率。上式也常称为是探测器的量子效率。上式也常称为光电光电

15、转换定律转换定律。 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1616 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 爱因斯坦定律爱因斯坦定律 如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射 体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发 射体表面发射，光电子离开发射体表面时的射体表面发射，光电子离开发射体表面时的 初动能随入射光的频率线性增长，与入射光初动能随入射光的频率线性增长，与入射光 的强度无关。的强度无关。

16、(6-5) ehhhmve 0 2 max2 1 max 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1717 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 爱因斯坦定律爱因斯坦定律 如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射 体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发 射体表面发射，光电子离开发射体表面时的射体表面发射，光电子离开发射体表面时的 初动能随入射光的频率线性增长，与入射光初动能随入射光的频率线性增长

17、，与入射光 的强度无关。的强度无关。 (6-5) ehhhmve 0 2 max2 1 max 入射光入射光 子能量子能量 逸出功逸出功 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1818 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 6-5式表明，入射光子必须具有足够的能量，式表明，入射光子必须具有足够的能量， 也就是说也就是说至少要等于逸出功至少要等于逸出功，才能发生光电，才能发生光电 发射。发射。 为产生光电发射的最低频率，即该频为产生光电发射的最低频率，即该频 率与材料

18、的属性有关，与入射光强无关。率与材料的属性有关，与入射光强无关。 0 ehhhmve 0 2 max2 1 max (6-5) g ehmve-) 2 1 ( max 2 max h eg 据据6-5式，可导出外光电效应发生的条件为：式，可导出外光电效应发生的条件为： 截止波长：截止波长： )( 24. 1 m ee hc gg c (6-6) (6-7) 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院1919 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 p入射光波长入射光波长大

19、于大于截止波长时，无论光强有多大、截止波长时，无论光强有多大、 照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发 射大致可分为三个过程：射大致可分为三个过程： 光入射物体后，物体中的电子吸收光子能光入射物体后，物体中的电子吸收光子能 量，从基态跃迁到激发态；量，从基态跃迁到激发态； 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院2020 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 p入射光波长入射光波长大于大于截止波长时，无论光强有多大、截止波长时

20、，无论光强有多大、 照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发 射大致可分为三个过程：射大致可分为三个过程： 光入射物体后，物体中的电子吸收光子能光入射物体后，物体中的电子吸收光子能 量，从基态跃迁到激发态；量，从基态跃迁到激发态； 受激电子从受激处出发，向表面运动，其受激电子从受激处出发，向表面运动，其 间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去 部分能量；部分能量； 到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚， 逸出形成光电子。逸出形成光电子。 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.

21、1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院2121 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 p入射光波长入射光波长大于大于截止波长时，无论光强有多大、截止波长时，无论光强有多大、 照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发 射大致可分为三个过程：射大致可分为三个过程： 光入射物体后，物体中的电子吸收光子能光入射物体后，物体中的电子吸收光子能 量，从基态跃迁到激发态；量，从基态跃迁到激发态； 受激电子从受激处出发，向表面运动，其受激电子从受激处出发，向表面运动，其 间必然要同其

22、他电子或晶格发生碰撞而失去间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去 部分能量；部分能量； 到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚， 逸出形成光电子逸出形成光电子。 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院2222 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 p由此得到光电发射对阴极材料的要求由此得到光电发射对阴极材料的要求： 对光的对光的吸收大吸收大，以便体内有较多的电子受，以便体内有较多的电子受 激发射；激发射； 电子受电子受激发生在表面

23、附近激发生在表面附近，以使碰撞损失，以使碰撞损失 尽量小；尽量小； 材料材料逸出功小逸出功小，以使到达表面的电子容易，以使到达表面的电子容易 逸出；逸出； 电导率好电导率好，以便能够通过外电源来补充光，以便能够通过外电源来补充光 电发射失去的电子。电发射失去的电子。 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院2323 6-1-1. 外光电效应外光电效应-光电发射效应光电发射效应 金属的光电发射金属的光电发射 1.金属反射绝大部分入射的可见光（反射系数金属反射绝大部分入射的可见光（反射系数 大于

24、大于90%），吸收效率低。），吸收效率低。 2.进入金属的电子与金属中大量自由电子碰撞，进入金属的电子与金属中大量自由电子碰撞， 能量损失大，因此仅表面附近（几纳米范围能量损失大，因此仅表面附近（几纳米范围 内）的光电子才有可能克服逸出功（大都大内）的光电子才有可能克服逸出功（大都大 于于3 ev）。对于能量小于）。对于能量小于3 ev的可见光（波的可见光（波 长长413 nm）很难产生光电发射。）很难产生光电发射。 3.铯（逸出功铯（逸出功2 ev）对可见光灵敏，可用于可）对可见光灵敏，可用于可 见光电极，但其量子效率很低（见光电极，但其量子效率很低（ 表面溢出功表面溢出功 p应用：足够的光

25、强，高速应用：足够的光强，高速-光电开关光电开关 主要器件：主要器件： 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 像增强管像增强管 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院7575 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光电管光电管 p原理：光原理：光 阴极阴极 光电子光电子 阳极阳极 空间电子流空间电子流外接电阻外接电阻 压降压降u=f(i) p特点：简单，灵敏度低特点：简单，灵敏度低 图图6- 13 光电管基本结构光电管基本结构 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院7676 6.

26、2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光电倍增管光电倍增管 图图6- 14 光电倍增管的基本结构光电倍增管的基本结构 p原理原理:光光阴极阴极 光电倍增极光电倍增极阳阳 极极 电流电流 p特点特点:光电流大，光电流大， 灵敏度高。灵敏度高。 倍增率倍增率= n， -单极倍增率单极倍增率 n-倍增极数倍增极数 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院7777 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 像增强管（微光管）像增强管（微光管）

27、图图6- 15 静电聚焦倒像式像增强管静电聚焦倒像式像增强管 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院7878 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 p像增强管原理像增强管原理: 红外光红外光阴极阴极-(光电效应光电效应)光电流光电流电电 子像子像增强的电子像增强的电子像-(电子光学系统电子光学系统) 可见光图像可见光图像 p特点特点:图像转变效率高，无需红外光源，可图像转变效率高，无需红外光源，可 将可见与不可见光图像转变为可见光图像。将可见与不可见光图像转变为可见光图像。 p应用：应用： 科学研究

28、：生物光学研究科学研究：生物光学研究 医学应用：医学应用：x射线拍照、射线拍照、 国防军工、安全保卫：各种夜视仪国防军工、安全保卫：各种夜视仪 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院7979 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 2.基于内光电效应的光探测器基于内光电效应的光探测器 内光电效应内光电效应 p原理：原理：光光 半导体半导体电子吸收能量电子吸收能量 跃迁跃迁 电子电子-空穴对空穴对 p分类：分类： 光电导效应：光光电导效应：光电子电子-空穴对空穴对导电性导电性 电阻电阻 l 器件：光敏电

29、阻、光敏二极管、光敏三极管器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管 光伏效应：光伏效应：光光pn结结(无偏置无偏置)电子电子 n , 空穴空穴p电动势电动势 l 器件：光电池器件：光电池 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8080 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光电导型器件光电导型器件 利用光电导效应工作的光电探测器称为光电导利用光电导效应工作的光电探测器称为光电导 型探测器，这类探测器在光照下会改变自身的型探测器，这类探测器在光照下会改变自身的 电阻率，且电阻率，且光照越强，器件电阻越小

30、光照越强，器件电阻越小，因此常，因此常 称为光导管或光敏电阻。它们一般都为体结构，称为光导管或光敏电阻。它们一般都为体结构， 阻抗呈阻性，没有极性，灵敏度较高，阻抗呈阻性，没有极性，灵敏度较高，具有内具有内 电流增益电流增益。 光电导型器件主要有：光敏电阻、光敏（电）光电导型器件主要有：光敏电阻、光敏（电） 二极管、光敏（电）三极管，高速光电二极管二极管、光敏（电）三极管，高速光电二极管 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8181 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光敏电阻光敏电阻 图图6-

31、 16一种光敏电阻的结构一种光敏电阻的结构 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8282 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 图图6- 17 某种光敏电阻内部结构某种光敏电阻内部结构 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8383 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光敏电阻的原理光敏电阻的原理 电阻器件，加直流偏压，无极性电阻器件，加直流偏压，无极性 p无光照无光照:电子电子-空穴对很少空穴对很少

32、-电阻大电阻大(暗电阻暗电阻) p有光照有光照:电子电子-空穴对增多空穴对增多-导电性增强导电性增强 光敏电阻的封装结构光敏电阻的封装结构 结构：金属封装结构：金属封装-防潮防潮 光敏电阻的应用光敏电阻的应用 应用：工业自动化应用：工业自动化-开关元件，快速响应家开关元件，快速响应家 电电-(感应式节能灯：判断照度感应式节能灯：判断照度) 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8484 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光敏电阻的优点光敏电阻的优点 光谱响应相当宽光谱响应相当宽; 光敏电阻的灵敏

33、区域可在紫外光区，可见光光敏电阻的灵敏区域可在紫外光区，可见光 区，也可在红外区和远红外区。区，也可在红外区和远红外区。 所测的光强范围宽所测的光强范围宽; 使用方便，成本低，稳定性高，寿命长使用方便，成本低，稳定性高，寿命长; 灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。 光敏电阻的不足光敏电阻的不足 在强光照射下线性较差，频率特性也较差。在强光照射下线性较差，频率特性也较差。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8585 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 图图6-

34、18 某种光敏电阻某种光敏电阻 光敏电阻常用光敏电阻常用ii-vi族，族，iii-v族化合物半导体及族化合物半导体及 iv族半导体材料制作。族半导体材料制作。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8686 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管是利用硅结受光照后产生光电光敏二极管是利用硅结受光照后产生光电 流的一种光电器件。光敏二极管工作于反向偏流的一种光电器件。光敏二极管工作于反向偏 压，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺压，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺

35、 的杂质浓度决定。同一型号的光敏二极管在一的杂质浓度决定。同一型号的光敏二极管在一 定的反偏电压、相同强度和不同波长的入射光定的反偏电压、相同强度和不同波长的入射光 照射下，产生的光电流并不相同，但有一最大照射下，产生的光电流并不相同，但有一最大 值。不同型号的光敏二极管在同一反偏电压、值。不同型号的光敏二极管在同一反偏电压、 同一强度的入射光照射下，所产生的光电流最同一强度的入射光照射下，所产生的光电流最 大值也不相同，且光电流最大值所对应的入射大值也不相同，且光电流最大值所对应的入射 光的波长也不相同。光的波长也不相同。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8787

36、 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 图图6- 19 光敏二极管工作原理及其表示光敏二极管工作原理及其表示 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8888 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光敏二极管光敏二极管 p原理：原理： 半导体半导体pn结加上反偏压后，结区内结加上反偏压后，结区内 存在高电场，存在高电场， l 无光照无光照高阻特性高阻特性 微弱的暗电流微弱的暗电流( a) l 有光照有光照结区结区光生载流子光生载

37、流子高场作用高场作用 电子电子n，空穴，空穴p 光电流；光电流； (响应快响应快) l 有光照有光照半导体内部（半导体内部（p区与区与n区）区）光生光生 载流子载流子高场作用高场作用p区光生电子区光生电子结区结区 n，n区光生空穴区光生空穴结区结区p 光电流；光电流； (响应慢响应慢) 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院8989 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光敏二极管光敏二极管 p光照愈强光照愈强 - 光电流愈大光电流愈大 p为提高响应速度应尽量使光生载流子产生为提高响应速度应尽量使光

38、生载流子产生 于空间电荷层内。于空间电荷层内。 p特性：光照特性特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特灵敏度和线性好，光谱特 性性-单峰性单峰性 p应用：线性转换元件，开关元件应用：线性转换元件，开关元件 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9090 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光敏三极管光敏三极管 光敏三极管和普通三极管相似，也有电流光敏三极管和普通三极管相似，也有电流 放大作用，只是它的集电极电流不只是受放大作用，只是它的集电极电流不只是受 基极电路和电流控制，同时也受光辐射的基极电

39、路和电流控制，同时也受光辐射的 控制。控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极通常基极不引出，但一些光敏三极 管的基极有引出，用于温度补偿和附加控管的基极有引出，用于温度补偿和附加控 制等作用。制等作用。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9191 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光敏（电）三极管光敏（电）三极管 图图6- 20 光敏（电）三极管光敏（电）三极管 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9292 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探

40、测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光敏（电）三极管光敏（电）三极管 p原理：原理：具有具有光敏特性的光敏特性的pnpn结受到光辐射时，结受到光辐射时， 形成光电流，由此产生的光生电流由基极形成光电流，由此产生的光生电流由基极 进入发射极，从而在集电极回路中得到一进入发射极，从而在集电极回路中得到一 个放大了相当于个放大了相当于倍的信号电流。倍的信号电流。 p性能：性能：灵敏度比光敏二极管高，是光敏二灵敏度比光敏二极管高，是光敏二 极管的数十倍，故输出电流要比光敏二极极管的数十倍，故输出电流要比光敏二极 管大得多，一般为毫安级。但其它特性不管大得多，一般为毫安级。但其它特性不

41、如光敏二极管好，在较强的光照下，光电如光敏二极管好，在较强的光照下，光电 流与照度不成线性关系。频率特性和温度流与照度不成线性关系。频率特性和温度 特性也变差，故光敏三极管多用作光电开特性也变差，故光敏三极管多用作光电开 关或光电逻辑元件。关或光电逻辑元件。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9393 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 高速光电二极管高速光电二极管 普通的普通的pn结光敏二极管的缺点结光敏二极管的缺点 p受光照时，受光照时，p区的光生电子和区的光生电子和n区的光生空区的光生空

42、 穴要经过一段扩散长度，并在结区高场作穴要经过一段扩散长度，并在结区高场作 用下迁移过整过空间电荷层才能对外电流用下迁移过整过空间电荷层才能对外电流 有贡献，因而响应速度较慢；有贡献，因而响应速度较慢； p当光照停止后，在载流子平均寿命时间内当光照停止后，在载流子平均寿命时间内 仍然存在光生载流子，这些光生载流子同仍然存在光生载流子，这些光生载流子同 样可以渡越电极引起外电路电流，因此光样可以渡越电极引起外电路电流，因此光 照停止后，仍有一延迟光电流产生。照停止后，仍有一延迟光电流产生。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9494 6.2 光电探测器光电探测器第六章第

43、六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 高速光电二极管高速光电二极管-具体的讨论见后具体的讨论见后 p为克服普通光敏二极管的缺点，人们研究为克服普通光敏二极管的缺点，人们研究 出了两种主要的高速光敏二极管结构，为出了两种主要的高速光敏二极管结构，为 与普通光敏二极管区分，通常称其为光电与普通光敏二极管区分，通常称其为光电 二极管。二极管。 pin光电二极管光电二极管 apd（雪崩）光电二极管（雪崩）光电二极管 p应用：应用：光通讯，光测量光通讯，光测量 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9595 6.2 光电探测器光电探测器第六章第

44、六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 光电池光电池 图图6- 21 光电池工作原理光电池工作原理 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9696 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 原理：原理： 光光pn结结电子电子n, 空穴空穴p电动势电动势 光谱特性光谱特性 p硅电池：硅电池： 0.51.2m(红红-红外红外)，峰值，峰值0.8 m(近红外近红外) p锗电池：锗电池： 0.30.7m(紫紫-红红)，峰值，峰值0.5 m(绿绿) 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 电子科技大学

45、通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9797 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 光照特性光照特性: p开路电压输出：开路电压输出： 非线性非线性(电压电压-光强光强)，灵敏度高，灵敏度高 p短路电流输出：短路电流输出： 线性好线性好(电流电流-光强光强) ，灵敏度低，灵敏度低 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9898 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 图图6- 22 光电池输出特性光电池输出特性 6-2-1. 光

46、电探测器类型光电探测器类型 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院9999 第六章第六章 光电探测技术光电探测技术6.1 光电探测的物理机制光电探测的物理机制 光电池特点光电池特点 轻便、简单、无污染、可靠性好，体积小、轻便、简单、无污染、可靠性好，体积小、 寿命也较长；寿命也较长； 波长范围波长范围: 硅光电池为硅光电池为400 1100 nm， 峰值波长在峰值波长在 850 nm 附近；附近； 灵敏度：硅光电池为灵敏度：硅光电池为 6-8 毫安流明；毫安流明； 光电池应用光电池应用 宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算计算 器器)，开

47、关测量（开路电压输出），线性检，开关测量（开路电压输出），线性检 测（短路电流输出）测（短路电流输出） 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院100100 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 固态成像器件固态成像器件 固态成像器件主要有：固态成像器件主要有： 电荷耦合器件电荷耦合器件(charge coupled device，ccd) 电荷注入器件电荷注入器件(charge injection device, cid) 互补金属氧化物半导体互补金属氧化

48、物半导体(complementary metal-oxide semiconductor) p它们已经不是简单的光探测器，而是集光它们已经不是简单的光探测器，而是集光 电转换、电荷存储、扫描和读出功能为一电转换、电荷存储、扫描和读出功能为一 体的成像器件。体的成像器件。 p以下主要介绍以下主要介绍ccd 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院101101 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 电荷耦合器（电荷耦合器（ccd） p随着集成电路技术的发展随着集成电路技术的发展,二十年前贝尔实二十年前贝尔

49、实 验室的验室的w. s. doyle和和g. smith发明了电荷发明了电荷 耦合器件耦合器件(charge-coupled-devices),缩写缩写 或简称或简称ccd。 p由于它具有结构简单，制造工序少，功耗由于它具有结构简单，制造工序少，功耗 低，信噪比好等优点，因而日益受到人们低，信噪比好等优点，因而日益受到人们 的重视，它的用途广泛，包括工业检测，的重视，它的用途广泛，包括工业检测， 数码相机，电视摄像等。数码相机，电视摄像等。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院102102 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1

50、. 光电探测器类型光电探测器类型 图图6- 23 ccd结构示意图结构示意图 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院103103 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 pccd结构与成像原理结构与成像原理 ccd核心结构可分为三个部分：核心结构可分为三个部分： 信号输入部分：通过光电效应，将外部图信号输入部分：通过光电效应，将外部图 像的特征转化为光生载流子像的特征转化为光生载流子(电子电子)，而且这，而且这 些电子将被收集到势阱中成为信号电荷。些电子将被收集到势阱中成为信号电荷。 信号电荷转移部分

51、：经由外部加入电压，信号电荷转移部分：经由外部加入电压， 这些电子会被转移到不同极性的另一个硅这些电子会被转移到不同极性的另一个硅 层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光 点所接收的光量成正比。点所接收的光量成正比。 信号输出部分：将暂存的信号电荷引出，信号输出部分：将暂存的信号电荷引出， 并检测出电荷包所输出的信息。并检测出电荷包所输出的信息。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院104104 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 p具体以市面上常见的具体以市面

52、上常见的il型型ccd为例：曝光之为例：曝光之 后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位 暂存器中，并且逐次逐行的转换成信号流从暂存器中，并且逐次逐行的转换成信号流从 矩阵中读取出来。这些强弱不一的讯号，会矩阵中读取出来。这些强弱不一的讯号，会 被送入数位影像处理单元。在这个单元之中被送入数位影像处理单元。在这个单元之中 有一个有一个a/d 类比数位讯号转换器类比数位讯号转换器。这个转换。这个转换 器能将信号的连续范围配合色块马赛克的分器能将信号的连续范围配合色块马赛克的分 布，转换成一个布，转换成一个2d的平面表示系列，它让每的平面表示系列，它让每 个像素

53、都有一个色调值，应用这个方法，再个像素都有一个色调值，应用这个方法，再 由点组成网络，每一个点（像素）现在都有由点组成网络，每一个点（像素）现在都有 用以表示它所接受的光量的二进制数据，显用以表示它所接受的光量的二进制数据，显 示强弱大小，最终再整合成影像输出。示强弱大小，最终再整合成影像输出。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院105105 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 图图6- 24 ccd工作原理示意图工作原理示意图 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院10

54、6106 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 pccd和传统底片相比，和传统底片相比，ccd 更接近于人眼更接近于人眼 对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜 是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的 锥细胞，分工合作组成视觉感应。锥细胞，分工合作组成视觉感应。 pccd经过长达经过长达35年的发展，大致的形状和运年的发展，大致的形状和运 作方式都已经定型。作方式都已经定型。ccd 的组成主要是由的组成主要是由 一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及

55、垫于一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于 最底下的电子线路矩阵所组成。最底下的电子线路矩阵所组成。 p目前有能力生产目前有能力生产ccd的公司分别为：的公司分别为：sony、 phillips、kodak、matsushita、fuji、 sanyo和和sharp，多半是日本厂商。，多半是日本厂商。 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院107107 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-1. 光电探测器类型光电探测器类型 图图6- 25 ccd的应用的应用 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院108108

56、6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 6-2-2. 典型光电探测器典型光电探测器 1.光电倍增管光电倍增管 2.硅光电二极管硅光电二极管-pin型型 3.雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（apd） 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院109109 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 p光电倍增管（光电倍增管（pmt）是一种具有极高灵敏度）是一种具有极高灵敏度 和超快时间响应的光探测器件。典型的光电和超快时间响应的光探测器件。典型的光电 倍增管如图倍增管如图6-10所示，在真空管中，包括光所示，在真空管中，包括光

57、 电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍 增极和电子收集极（阳极）的器件。增极和电子收集极（阳极）的器件。 p当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光 电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系 统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。 放大后的电子被阳极收集作为信号输出放大后的电子被阳极收集作为信号输出 1.光电倍增管光电倍增管 6-2-2. 典型光电探测器典型光电探测器 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院110110 6.

58、2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 图图6- 26 光电倍增管的基本结构光电倍增管的基本结构 6-2-2. 典型光电探测器典型光电探测器 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院111111 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 若光电倍增管每一级平均二次发射放大倍数若光电倍增管每一级平均二次发射放大倍数 为为 ，倍增电极共有，倍增电极共有n个，则阴阳极间总电个，则阴阳极间总电 流倍增数流倍增数g为：为： g n gg (6-25) 典型值：典型值： ， 则则9,5 ng 6 102 g 值随倍增极设置的电压大小而改

59、变。值随倍增极设置的电压大小而改变。 普通光电倍增管工作范围为普通光电倍增管工作范围为0-1100 mhz区间。区间。 g 6-2-2. 典型光电探测器典型光电探测器 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院112112 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 p光电倍增管特点光电倍增管特点 灵敏度高，适宜弱光信号；灵敏度高，适宜弱光信号； 响应时间极短；响应时间极短； 稳定性好稳定性好 频率特性较好，频率可达频率特性较好，频率可达106 hz或更高；或更高； p光电倍增管缺点光电倍增管缺点 需高压直流电源、价贵体积大、经不起需高压直流电源、价贵

60、体积大、经不起 机械冲击等。机械冲击等。 6-2-2. 典型光电探测器典型光电探测器 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院113113 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 图图6- 27 光电倍增管实物图光电倍增管实物图 6-2-2. 典型光电探测器典型光电探测器 电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学通信与信息工程学院114114 6.2 光电探测器光电探测器第六章第六章 光电探测技术光电探测技术 ppin光电二极管的结构特点是在光电二极管的结构特点是在pn结之间夹结之间夹 有一层本征的、（相对）很厚的高电阻率的有一层本征的、（相对