光电探测器光学测试技术一种将辐射能转换成电信号的器件，其作用是发现信号、测量信号，为随后的应用提供信息。
主要内容一,光电探测器的分类二,光电探测器的性能参数三,光电探测器的噪声四,各类光电探测器介绍一、光电探测器的分类光电探测器的分类
1,光子探测器 (光子效应 )：入射光子将能量直接转移给电子的光电子效应 (光电子发射效应、
光电导效应、光生伏特效应、光电磁效应等 )。
具有光谱选择性，主要为半导体器件。
2,热探测器 (光热效应 )：材料吸收了光辐射能量后晶格振动加剧、温度升高，导致材料与温度有关的某些物理性质产生变化 (如温差电效应、
电阻率变化、极化强度变化、压强变化、体积变化等 )。光电信号取决于入射的辐射功率，
而与入射辐射的光谱成分无关。
外光电效应与内光电效应
外光电效应器件：基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量后器件材料中的电子逸出材料表面；
内光电效应器件：基于光电导、光伏特、光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量后器件材料中出现光生自由电子和空穴。
光子探测器：
A,光电子发射效应；
B,光电导效应；
C,光生伏特效应；
D,光电磁效应。
A 光电子发射探测器
1,红限：光子能量大于电子逸出能；
2,分类：真空光电管 (响应较快 )、充气光电管、
光电倍增管 (带有电子倍增系统的真空光电管 )。
3,应用波段：主要在可见光区域，最长波长 1.25
微米。
B 光电导探测器
1,机制：入射光子与半导体中的束缚电子作用，
产生电子空穴对 (本征光电导 )、自由电子 (非本征光电导 n型 )或空穴 (非本征光电导 p型 ),从而使电导增大。
2,红限：光子能量大于禁带宽度。
3,特点：主要用作光敏电阻，响应慢，适用于直流和低频光探测。本征半导体的禁带宽度较大，
掺杂半导体的禁带宽度较小。
4,应用波段：主要在可见光和红外区域。
本征半导体的禁带宽度与红限半导体 工作温度 T(K) 禁带宽度 Eg(eV) 红限 λ0(μm)
CdS 295 2.4 0.52
CdSe 295 1.8 0.62
CdTe 295 1.50 0.83
GaP 295 2.24 0.56
GaAs 295 1.35 0.92
Si 295 1.12 1.1
Ge 295 0.67 1.8
PbS 295 0.42 2.9
PbSe 295 0.23 5.4
InAs 295 0.39 3.2
InSb 295 0.23 5.4
Pn0.2 Sn0.3 Te 77 0.1 12
Hg0.2 Cd0.3 Te 77 0.1 12
光电导探测器的应用电路
+
-
R
f
R
1
R
L
R
d
V
0
受辐射热敏电阻 Rd阻值发生变化，由此产生电流变化，
反映在取样电阻 RL上的电压，经信号放大器或者跟随器输出。
C 光伏特探测器
1,机制：属于内光电效应，入射光子引起正、负载流子在空间分离，产生内部势垒 (电动势 )。
2,特点：几乎所有的光伏效应采用本征半导体。
可工作在电压型和电流型二种方式。
光激发
n区
p区空穴电子 导带价带光伏特探测器的工作方式
1,电压型：在不加偏置电压、正向工作情况下，
输出与光信号有关的电压信号。
2,电流型：在加上反向偏置电压、工作在反向区时，输出与入射辐射有关的反向电流。
暗电流饱和电流光电流电流 I 无光照电压 V
开路光电压短路光电流照度 1照度 2
光伏特探测器的伏安特性暗电流饱和电流光电流电流 I 无光照电压 V
开路光电压短路光电流照度 1
照度 2
光电压和光电流与照度的关系
0 2000 4000 6000 8000 10000
0
1
2
3
4
5
6
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
U
SC
(
V
)
I
SC
(
mA
/cm
2
)
L ( lx )
0 1000 2000 3000 4000 5000
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
U
SC
(
V
)
I
SC
(
mA
/cm
2
)
L ( lx )
硅管 硒管硅光电二极管的光谱响应与光照特性
A
K
( a ) ( b )
300 400 500 600 700 800 900 1000
紫外紫 青蓝绿 橙黄红 红外波长 / n m
相对响应
1
0,5
光电流 /? A
20
15
10
5
0
50 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0
照度 / l x
( c )
0
典型应用电路
D 光电磁探测器
1,机制：入射光子产生电子空穴对，由于光强进入材料后衰减，材料内部电子空穴对的浓度存在一个梯度，导致它们作扩散运动。当外置一个磁场时，电子空穴对受到磁场力作用向二侧集聚形成电场 (产生电势差 )。
2,特点：需要外加磁场，使用很不方便。
热探测器
A,测辐射温差热电偶、热电堆,Seebeck效应、
Peltier效应,Tomson效应，在导体或半导体内部出现温度差时，会产生电动势。
B,电阻测辐射热器 (热敏电阻 )：吸收光辐射后，
材料的温度会升高，金属的电阻随温度升高而增大、半导体材料的电阻降低。
C,热释电探测器：热释电晶体具有自发电极化的本领，自发电极化强度 (会产生微小的电压信号 )随温度升高而减小。
二、光电探测器的性能参数性能参数分类
1,工作条件 (辐射源光谱分布、电路通频带和带宽、工作温度、光敏面尺寸、偏置情况、
湿度 )；
2,响应方面的性能参数 (响应率或响应度、单色灵敏度、积分响应度、响应时间、频率响应 )
3,噪声方面的性能参数 (信噪比、等效噪声输入、噪声等效功率、探测率或比探测率、暗电流 )；
4,其它参数 (量子效率、线性度 )。
1 工作条件
辐射源光谱分布：光子探测器的响应是辐射波长的函数；
电路通频带和带宽：与噪声有关；
工作温度：很多探测器 (如半导体器件 )的信号和噪声都与温度有关；
光敏面尺寸：信号和噪声都与光敏面积有关，参考面积 1cm2；
偏置情况：如光电导、光电阻、光伏特器件；
湿度：非密封型探测器。
2 响应方面的性能参数
响应率或响应度：探测器的灵敏度，输出信号与光功率之比；
单色灵敏度：光谱响应度，输出信号与单色辐射通量之比
SS
VI
VIRR
PP
SSVI
VIRR
响应方面的性能参数
积分响应度：
22
11
2
1
0
dd
d
d
S
I
S S I
I
I
R
I I R
R
R
响应方面的性能参数
响应时间：上升时间、下降时间
频率响应：入射辐射的调制频率
3 噪声方面的性能参数
信噪比 S/N：负载上的信号功率与噪声功率之比；
2
dB
20 l g
SS
NN
S
N
PIS
N P I
IS
NI
噪声方面的性能参数
等效噪声输入 ENI：在特定带宽 (1Hz)内产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流时对应的辐射输入通量，表示光电探测器的探测极限；
噪声等效功率 NEP：最小可探测功率，信号功率与噪声功率之比为 1时入射到探测器上的辐射通量；
eN E P
SN
噪声方面的性能参数
探测率 D或比探测率 D *,光电探测器在噪声电平之上产生一个可观测信号的本领。比探测率 (归一化的探测率，考虑到噪声信号与光敏面积和信号带宽的开根号成正比 )
暗电流：在没有光信号辐射和光背景辐射情况下的输出电流。
1
* 1 2 1
1
W
c m H z W
e
D
SN
D
NEP
Af
D
NEP
4 其他参数
量子效率,某波长上每秒内产生的光电子数与入射光量子数之比，与单色灵敏度有关。
线性度：输入辐射信号与输出光电信号时间的线性关系。在低段与噪声、暗电流有关，在高端与饱和、过载有关。
1IR h cq
三、光电探测器的噪声特性
1,噪声的来源；
2,噪声的统计特性；
3,光电探测器的噪声。
1 噪声来源
光电变换中的光电子随机起伏；
光辐射场在传输过程中受到通道影响与背景光干扰；
放大器引入的干扰等。
2 噪声的统计特性
噪声的概率分布：噪声是一种随机现象，概率分布 (如高斯分布 )、二阶中心矩、平均值；
噪声的功率谱密度：白噪声、色噪声 (红噪声
1/f、蓝噪声 f 2) ；
噪声的相关函数：噪声的自相关函数、多个噪声源之间的互相关函数；
常见的噪声的统计特性：随机正弦信号、白噪声、限带白噪声、窄带噪声等。
3 光电探测器的噪声
散粒噪声：光电子或载流子随机产生导致了散粒噪声，也称作电子计数噪声。具有白噪声的频谱特征，噪声功率与工作频率带宽、电流成正比；
热噪声：耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起。热噪声功率谱密度具有平坦性，属白噪声频谱。热噪声电流 (电压 )均方根与温度和带宽的开根号成正比；
12 22N p pi e I f
1
12
22 24 4
N J N J
k T fi u k T R f
R
光电探测器的噪声
产生 -复合噪声 (Generation-Recombination Noise)：载流子产生和复合过程引起载流子浓度随机起伏，导致 g-r噪声。与平均电流、工作带宽、载流子平均寿命、渡越时间有关；
1
12
2 0 244
N g r
d
i e I f e I G f
光电探测器的噪声
温度噪声：由热探测器的温度起伏导致。温度噪声功率与热导、工作温度平方、带宽成正比；
电流噪声 (1/f 噪声、低频噪声、闪烁噪声、
过剩噪声 ),存在于 1KHz以下的频段。
1
22
1Nf
Ifik
f
224TW G k T f
四、各类光电探测器
1,光电子发射器件与 光电倍增管 ；
2,光电导探测器；
3,光伏探测器 (光敏二极管、光敏三极管 )；
4,热探测器 (热敏电阻 )；
5,电荷耦合器件 CCD。
主要内容一,光电探测器的分类二,光电探测器的性能参数三,光电探测器的噪声四,各类光电探测器介绍一、光电探测器的分类光电探测器的分类
1,光子探测器 (光子效应 )：入射光子将能量直接转移给电子的光电子效应 (光电子发射效应、
光电导效应、光生伏特效应、光电磁效应等 )。
具有光谱选择性，主要为半导体器件。
2,热探测器 (光热效应 )：材料吸收了光辐射能量后晶格振动加剧、温度升高，导致材料与温度有关的某些物理性质产生变化 (如温差电效应、
电阻率变化、极化强度变化、压强变化、体积变化等 )。光电信号取决于入射的辐射功率，
而与入射辐射的光谱成分无关。
外光电效应与内光电效应
外光电效应器件：基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量后器件材料中的电子逸出材料表面；
内光电效应器件：基于光电导、光伏特、光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量后器件材料中出现光生自由电子和空穴。
光子探测器：
A,光电子发射效应；
B,光电导效应；
C,光生伏特效应；
D,光电磁效应。
A 光电子发射探测器
1,红限：光子能量大于电子逸出能；
2,分类：真空光电管 (响应较快 )、充气光电管、
光电倍增管 (带有电子倍增系统的真空光电管 )。
3,应用波段：主要在可见光区域，最长波长 1.25
微米。
B 光电导探测器
1,机制：入射光子与半导体中的束缚电子作用，
产生电子空穴对 (本征光电导 )、自由电子 (非本征光电导 n型 )或空穴 (非本征光电导 p型 ),从而使电导增大。
2,红限：光子能量大于禁带宽度。
3,特点：主要用作光敏电阻，响应慢，适用于直流和低频光探测。本征半导体的禁带宽度较大，
掺杂半导体的禁带宽度较小。
4,应用波段：主要在可见光和红外区域。
本征半导体的禁带宽度与红限半导体 工作温度 T(K) 禁带宽度 Eg(eV) 红限 λ0(μm)
CdS 295 2.4 0.52
CdSe 295 1.8 0.62
CdTe 295 1.50 0.83
GaP 295 2.24 0.56
GaAs 295 1.35 0.92
Si 295 1.12 1.1
Ge 295 0.67 1.8
PbS 295 0.42 2.9
PbSe 295 0.23 5.4
InAs 295 0.39 3.2
InSb 295 0.23 5.4
Pn0.2 Sn0.3 Te 77 0.1 12
Hg0.2 Cd0.3 Te 77 0.1 12
光电导探测器的应用电路
+
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受辐射热敏电阻 Rd阻值发生变化，由此产生电流变化，
反映在取样电阻 RL上的电压，经信号放大器或者跟随器输出。
C 光伏特探测器
1,机制：属于内光电效应，入射光子引起正、负载流子在空间分离，产生内部势垒 (电动势 )。
2,特点：几乎所有的光伏效应采用本征半导体。
可工作在电压型和电流型二种方式。
光激发
n区
p区空穴电子 导带价带光伏特探测器的工作方式
1,电压型：在不加偏置电压、正向工作情况下，
输出与光信号有关的电压信号。
2,电流型：在加上反向偏置电压、工作在反向区时，输出与入射辐射有关的反向电流。
暗电流饱和电流光电流电流 I 无光照电压 V
开路光电压短路光电流照度 1照度 2
光伏特探测器的伏安特性暗电流饱和电流光电流电流 I 无光照电压 V
开路光电压短路光电流照度 1
照度 2
光电压和光电流与照度的关系
0 2000 4000 6000 8000 10000
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SC
(
V
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I
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(
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L ( lx )
0 1000 2000 3000 4000 5000
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0,1
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U
SC
(
V
)
I
SC
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/cm
2
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L ( lx )
硅管 硒管硅光电二极管的光谱响应与光照特性
A
K
( a ) ( b )
300 400 500 600 700 800 900 1000
紫外紫 青蓝绿 橙黄红 红外波长 / n m
相对响应
1
0,5
光电流 /? A
20
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5
0
50 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0
照度 / l x
( c )
0
典型应用电路
D 光电磁探测器
1,机制：入射光子产生电子空穴对，由于光强进入材料后衰减，材料内部电子空穴对的浓度存在一个梯度，导致它们作扩散运动。当外置一个磁场时，电子空穴对受到磁场力作用向二侧集聚形成电场 (产生电势差 )。
2,特点：需要外加磁场，使用很不方便。
热探测器
A,测辐射温差热电偶、热电堆,Seebeck效应、
Peltier效应,Tomson效应，在导体或半导体内部出现温度差时，会产生电动势。
B,电阻测辐射热器 (热敏电阻 )：吸收光辐射后，
材料的温度会升高，金属的电阻随温度升高而增大、半导体材料的电阻降低。
C,热释电探测器：热释电晶体具有自发电极化的本领，自发电极化强度 (会产生微小的电压信号 )随温度升高而减小。
二、光电探测器的性能参数性能参数分类
1,工作条件 (辐射源光谱分布、电路通频带和带宽、工作温度、光敏面尺寸、偏置情况、
湿度 )；
2,响应方面的性能参数 (响应率或响应度、单色灵敏度、积分响应度、响应时间、频率响应 )
3,噪声方面的性能参数 (信噪比、等效噪声输入、噪声等效功率、探测率或比探测率、暗电流 )；
4,其它参数 (量子效率、线性度 )。
1 工作条件
辐射源光谱分布：光子探测器的响应是辐射波长的函数；
电路通频带和带宽：与噪声有关；
工作温度：很多探测器 (如半导体器件 )的信号和噪声都与温度有关；
光敏面尺寸：信号和噪声都与光敏面积有关，参考面积 1cm2；
偏置情况：如光电导、光电阻、光伏特器件；
湿度：非密封型探测器。
2 响应方面的性能参数
响应率或响应度：探测器的灵敏度，输出信号与光功率之比；
单色灵敏度：光谱响应度，输出信号与单色辐射通量之比
SS
VI
VIRR
PP
SSVI
VIRR
响应方面的性能参数
积分响应度：
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I
S S I
I
I
R
I I R
R
R
响应方面的性能参数
响应时间：上升时间、下降时间
频率响应：入射辐射的调制频率
3 噪声方面的性能参数
信噪比 S/N：负载上的信号功率与噪声功率之比；
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SS
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噪声方面的性能参数
等效噪声输入 ENI：在特定带宽 (1Hz)内产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流时对应的辐射输入通量，表示光电探测器的探测极限；
噪声等效功率 NEP：最小可探测功率，信号功率与噪声功率之比为 1时入射到探测器上的辐射通量；
eN E P
SN
噪声方面的性能参数
探测率 D或比探测率 D *,光电探测器在噪声电平之上产生一个可观测信号的本领。比探测率 (归一化的探测率，考虑到噪声信号与光敏面积和信号带宽的开根号成正比 )
暗电流：在没有光信号辐射和光背景辐射情况下的输出电流。
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D
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Af
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4 其他参数
量子效率,某波长上每秒内产生的光电子数与入射光量子数之比，与单色灵敏度有关。
线性度：输入辐射信号与输出光电信号时间的线性关系。在低段与噪声、暗电流有关，在高端与饱和、过载有关。
1IR h cq
三、光电探测器的噪声特性
1,噪声的来源；
2,噪声的统计特性；
3,光电探测器的噪声。
1 噪声来源
光电变换中的光电子随机起伏；
光辐射场在传输过程中受到通道影响与背景光干扰；
放大器引入的干扰等。
2 噪声的统计特性
噪声的概率分布：噪声是一种随机现象，概率分布 (如高斯分布 )、二阶中心矩、平均值；
噪声的功率谱密度：白噪声、色噪声 (红噪声
1/f、蓝噪声 f 2) ；
噪声的相关函数：噪声的自相关函数、多个噪声源之间的互相关函数；
常见的噪声的统计特性：随机正弦信号、白噪声、限带白噪声、窄带噪声等。
3 光电探测器的噪声
散粒噪声：光电子或载流子随机产生导致了散粒噪声，也称作电子计数噪声。具有白噪声的频谱特征，噪声功率与工作频率带宽、电流成正比；
热噪声：耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起。热噪声功率谱密度具有平坦性，属白噪声频谱。热噪声电流 (电压 )均方根与温度和带宽的开根号成正比；
12 22N p pi e I f
1
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N J N J
k T fi u k T R f
R
光电探测器的噪声
产生 -复合噪声 (Generation-Recombination Noise)：载流子产生和复合过程引起载流子浓度随机起伏，导致 g-r噪声。与平均电流、工作带宽、载流子平均寿命、渡越时间有关；
1
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N g r
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光电探测器的噪声
温度噪声：由热探测器的温度起伏导致。温度噪声功率与热导、工作温度平方、带宽成正比；
电流噪声 (1/f 噪声、低频噪声、闪烁噪声、
过剩噪声 ),存在于 1KHz以下的频段。
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1Nf
Ifik
f
224TW G k T f
四、各类光电探测器
1,光电子发射器件与 光电倍增管 ；
2,光电导探测器；
3,光伏探测器 (光敏二极管、光敏三极管 )；
4,热探测器 (热敏电阻 )；
5,电荷耦合器件 CCD。
