1 0 1
0
0 、 1 分别为光电探测器长波限和短波限。 式中，
35
2.量子效率η（λ）
量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它是在 某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子 数之比。 hc h 单个光量子的能量为 e 单位波长的辐射通量为 d 内的辐射通量为 e d 波长增量 在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率N为:

2.2光电探测器的特性参数
2.3光电探测器的噪声



2.4光电探测器
2.5光电探测器的偏置与放大
§2.1
光电探测器的物理基础
一、光电效应
定义：当光辐射入射到光电材料上时，材料发射 电子，或其电导率发生变化，或产生光电动势等。

发射电子：外光电效应 电导率发生变化、产生光电动势：内光电效应。

内光电效应
光生伏特效应
光生伏特效应：光照在半导体P-N结、P-i-N结、金 属-半导体接触上时，会在PN结、P-i-N结、金属半导体接触的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN 结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电 子拉向N区，光生空穴拉向P区，相当于PN结上加一 个正电压。
v c/ 1.24 hc / Eg ( m) Eg 1.24 0 hc / Eg Eg 本征吸收的长波限
•非本征光电导效应
光电导效应：
•本征光电导效应
h Eg
Eg / h
v c/ 1.24 hc / Eg ( m) Eg 1.24 0 hc / Eg Eg 本征吸收的长波限
光电发射效应 ：在光照下，物体向表面以外空间发 射电子(即光电子)的现象——多发生于金属和金属氧 化物，光电管中的光阴极。 光电发射体的功函 爱因斯坦方程：Ek h E
数 物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子能量大于发射体的 功函数的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。
光电发射效应发生波长表示：
• 材料的电阻与温度的关系可用材料的电阻温度系数α 来表征。
T
温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在
两结点间产生电动势，回路中产生电流。
当两种不同的配偶材料(金属或半导体)两端并联熔接时，如果
两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电 动势。
特

点
所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同
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。对一定的波长范围内的辐射有信 号输出，称为光谱响应，它决定了探测器探测特定 目标的有效程度。

如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。假如
辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度。

当辐射经过调制时，则要说明调制频率。
多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 度，称为多数载流子，简称多子。 少子：空穴为少数载流子，简称少子。
施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
结
论：
N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入
的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电
性能也就越强。
P型半导体
♠
第二章 光电探测器
光电探测器件
光子器件
真空器件
光电管 光电倍增管
热电器件
固体器件
光敏电阻
光电池 光电二极管 热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电 阻
真空摄像管
变像管 像增强管
热释电探测器
光电三极管
雪崩光电管 电荷耦合器件 CCD

2.1光电探测器的物理基础
两个外表面之间出现微小变化的信号电压，可测定所吸收
的光辐射功率
辐射热计效应（电阻温度效应）：入射光的照射
使材料由于受热而造成电阻率变化的现象
• 当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而 半导体材料的电阻会降低 • 从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率。利用材
料的电阻变化制成的热探测器就是电阻测辐射热计
杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体中 掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。
N型半导体
♠
N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），
使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
♠
N型半导体：由于杂质原子的最 外层有5个价电子，所以除了与周 围硅原子形成共价键外，还多出一 个电子。在常温下，由于热激发， 就可使它们成为自由电子，显负电 性。这N是从“Negative（负）” 中取的第一个字母。
多子：P型半导体中，多子为空穴。 少子：为电子。 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
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。
2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发形 成的，与温度有关。
e d e d N h hc
量子流速率N即为每秒入射的光量子数。
36

若IS为信号电流，e为电子电荷，

IS R e d 每秒产生的光电子数为： e e
量子效率为： ( ) I S / e R hc N e 讨论 ( ) 1 入射一个光量子就能发射一个电子或产生一 对电子—空穴对；

内光电效应：光电材料受到光照后所产生的光
电子只在材料内部而不会逸出材料外部—多发生 在半导体材料。

内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生
载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减
少的现象称为光电导效应。
光电导效应：
•本征光电导效应
h Eg
Eg / h
和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展到1．25μm，只适 用于近红外的探测，因此在红外系统中应用不多。
二、光热效应
光热效应：材料受光照射，光子能量与晶格相互作
用，振动加剧，温度升高，材料性质发生变化。
热释电效应：介质受光照射温度升高，在晶体特定方向
上由于自发极化强度随温度变化而引起表面电荷的变化。 光辐射强度变化→晶体温度变化→自发极化强度变化 当强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发 电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体
1.24 c ( m) E (eV )
截止波长
光电子发射探测器
真空光电管:真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响应 要求极快的场合 光电倍增管：应用最广，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。
光电子发射探测器主要是可见光探测器，因为对红外辐射响
应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲
的情况。
30
二、特性参数

1.响应度 2.量子效率 3.噪声等效功率 4.探测率D和比探测率D 5.光谱响应 6.响应速度
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1. 响应度Rv或RI
响应度是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输
出信号与输入光信号间关系的参数，又称为光电探测
器的灵敏度。
设光电探测器输出电压为 Vs 或电流为 Is ，入射到光电
探测器上的光功率P Rv＝Vs／P 单色灵敏度和积分灵敏度
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RI＝is／P
分别称为光电探测器的电压响应度和电流响应度。
单色灵敏度
使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色灵敏度，又叫光谱 响应度，用Rλ表示， 定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上 单色辐射通量(光通量)之比。
RV Vs ( )



实际上， ( ) 1 。
对于有增益的光电探测器(如光电倍增管等)，会远 大于1，此时一般使用增益或放大倍数这个参数。
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3.噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
从响应度来看，好象只要有光辐射存在，不管它的
功率如何小，都可探测出来。
当入射功率很低时，输出只是杂乱无章的信号，无
26
2. 电路的通频带和带宽
因噪声限制了探测器的极限性能。

噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，有些噪声 还是频率的函数。

描述探测器性能时，必须明确通频带和带宽。
27
3. 工作温度

许多探测器，特别是半导体材料的探测器，无论 是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系，必 须明确工作温度。 通用的工作温度是： 室温(295K) 干冰温度(195K) 液氮温度(77K)
法肯定是否有辐射入射在探测器上。这它固有的“噪 声”引起的。
随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等
于零。但其均方根不等于零，这个均方根电压(流)称 为探测器的噪声电压(流)。
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信噪比(S／N)
1）作用：判定噪声大小。 2）表示：在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比：
S Ps I s2 RL I s2 2 2 N PN I N RL I N
P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混入 了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，使之 取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。
空穴的产生：由于杂质原子的最外
层有3个价电子，当它们与周围的硅 原子形成共价键时，就产生了一个“ 空位”（空位电中性），当硅原子外 层电子由于热运动填补此空位时，杂 质原子成为不可移动的负离子，同时 ，在硅原子的共价键中产生一个空穴 ，由于少一电子，所以带正电。P型 取“Positve（正）”一词的第一个字 母。
的响应，因而是非选择性探测器。这和光子探测