第十二章 光电探测器 -...
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引言光电探测器的性能参数光电探测器的噪声半导体光电探测器光电导探测器光伏探测器
光电池光电二极管光电三级管
半导体器件的选择CCD探测器
引言
光电子系统中，因为光波具有容量大、速度快、保密性好和抗干扰能力强等优点，常用光波调制使光载波携带信息。对于光辐射的探测也显得尤为重要。探测器把光辐射的能量变成其它能量形式（如电、热等）的信息，再通过对这些信息的测量，实现对光辐射的探测。
从近代测量技术来看，电量测量不仅是最方便，而且是最精确的，所以大部分光探测器都是直接或间接把光辐射能量转化为电量，这种探测器称为光电探测器
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引言
光电探测的物理效应主要分为三类，其中光电效应应用得最为广泛光电效应：入射光的光子与物质中的电子直接作用，改变电子的运动状态，产生载流子。光热效应：光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变。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，包括非线性光学效应和超导量子效应。
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引言
光电效应：根据效应发生的部位和性质，分为：外光电效应：指发生在物质表面上的光电转化现象，主要包括光阴极直接向外部发射电子的现象。典型的例子是物质表面的光电发射。这种效应多发生于金属和金属物。内光电效应：指发生在物质内部的光电转化现象，特别是半导体内部载流子光生效应。主要包括光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光磁电效应等。这种效应多发生于半导体内。
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引言
光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态改变，即光子能量的大小直接影响内部电子状态改变的大小，因而这类探测器受波长限制，存在“红限”截至波长E在外光电效应中为表面逸出功，在内光电效应中为半导体禁带宽度。
光热效应类探测器对光波波长没有选择性，但是由于材料在红外波段的热效应更强，因而广泛用于对红外辐射，特别是长波长的红外线的测量，由于温度的升高需要热积累，所以探测器的速度较慢，而且容易受环境的影响。
chcE
λ =
#
引言
光电探测器的性能参数光电探测器的噪声
半导体光电探测器
光电导探测器
光伏探测器
光电池
光电二极管
光电三级管
半导体器件的选择
CCD探测器
光电探测器的性能参数
响应度/灵敏度
或
单位入射功率下探测器的输出信号（电压或电流）
sv
s
VRP
=si
i
s
RP
=
#
光电探测器的性能参数
光谱响应度
或单位光功率单色光照射下探测器的输出信号（电压或电流）光谱响应光谱相应度随波长 的变化关系称为光谱响应
相对光谱响应光谱响应宽度
λ
λλ
s
sv P
VR =λ
λλ
s
sv P
VR =
λ
#
信号噪声比s n
s n v
P VNEPV / V
= =ℜ
光电探测器的性能参数
噪声等效功率 NEP
入射光功率通常按某一频率变化，当探测器输出信号电压的有效值等于噪声均方根电压值时所对应的入射光功率
探测度D
探测器探测能力的指标，D越大，噪声等效功率越小，探测器性能越好
v
n
1D= =NEP V
ℜ
#
光电探测器的性能参数
光电流与入射光功率成正比
量子效率
代表入射到探测器的单个光子所能产生的光电子数目
p i ieI P P
hηαυ
= =光电转换因子
能量为hv的一个光子在探测器中能产生的具有电量为e的光电子数量
p
i
I / eP / h
ηυ
=单位时间内光子所激励的光电子数
单位时间内入射到探测器表面的光子数
η#
光电探测器的性能参数
时间常数探测器的惰性：当入射光功率发生突然变化时（如开始或停止照射），光电探测器的输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数 来衡量在阶跃输入光功率条件下，光电探测器输出电流 为
当 时，称为时间常数
τ
si
)]/exp(1[)( τtitis −−= ∞
( ) 0.63si t i∞= t τ=τ
#
频率响应——探测器的响应度随入射光调制频率的变化特征
多数探测器的响应度与调制频率的关系为
当 时，
光电探测器的性能参数
0
(f ) 0.707ℜ=
ℜ
01
2 2 2 2
( f )(1 + 4 f )π τ
ℜℜ = 调制频率ｆ＝０时的响应度
调制频率
探测器的截止频率
探测器时间常数决定了频率响应的宽度
*1/ 2 fτ π=
#
光电探测器的性能参数
线形度探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成线形变化的程度和范围。
一般来说，弱光
强光
ss pi ∝
ss pi ∝
#
引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声半导体光电探测器
光电导探测器
光伏探测器
光电池
光电二极管
光电三级管
半导体器件的选择
CCD探测器
光电探测器的噪声
探测器在完成光电转化过程中，不仅给出表征被测对象的电压、电流信号，同时也伴随着无用噪声的电压、电流信号，这是一种起伏信号，其大小决定了探测器的探测能力
计量起伏噪声（以起伏噪声电压 为例，噪声电流 类似）噪声电压的瞬间振幅和相位随时间呈无规则变化
完全确定，表示单位电阻上所消耗的噪声平均功率
—计量噪声电压大小 —起伏噪声电压有效值记为 记为
n (t)μ
n (t) 0μ =___
2nμ
___2nμ
__ _2nμ
2nV nVT T____________
2 2_ _2 2 2 2n n
1 1V =[ (t)- ] = [ (t)- ] dt (t)dtT T
μ μ μ μ μ=∫ ∫
ni (t)
#T T- -2 2
光电探测器的噪声
总起伏噪声产生起伏噪声的电压因素很多，且彼此之间相互独立。
_____ _____ _____2 2 2
n n1 n2 ...μ μ μ= + +
_____ _____ _____2 2 2
n n1 n2 ...μ μ μ= + +
热噪声暗电流噪声散粒噪声低频噪声
等
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光电探测器的噪声
热噪声来源于电阻内部自由电子或电荷载流子的不规则热运动计算公式：热噪声电压、电流均方值
R—探测器内阻或等效电阻 T—探测温度（K）—波尔兹曼常数 —电子带宽
额定噪声功率
2nTV 4 TR f κ= Δ
2nTI 4 T f/Rκ= Δ
fΔ
热噪声与T成正比，可通过降低探测器温度来减少热噪声
热噪声与电子带宽成正比，而与频率无关，频谱无限宽，噪声功率密度（4kTR）为常数,为白噪声
热噪声与电阻中是否有电流无关
nP T fκ= Δ电阻所能输出的最大噪声功率与电阻无关
κ
#
光电探测器的噪声
暗电流噪声来源：
探测器接入电路后由于热电子发射、场致发射或半导体中晶格热振动所激发出来的载流子产生的电流，与外来光照射无关。
定义：暗电流噪声均方值
—暗电流平均值 ｅ—电子电荷R—探测器等效电阻 —电子带宽
2 2n dV 2eI R f= Δ2
n dI 2eI f = Δ
f ΔdI
暗电流噪声与暗电流平均值成正比，可通过减少暗电流来减少噪声
暗电流噪声与电子带宽成正比，也为白噪声
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光电探测器的噪声
散粒噪声来源：电子或光生载流子的粒子性例如：光电子发射探测器中，即使入射光平均辐射强度不变，
发射的光电子数也总是围绕一个统计平均值做无规则伏。内光电探测器中，光生载流子的产生和复合的随机性，
通过PN结的载流数总有微小的不规则起伏。定义：
散粒噪声的均方值
—通过探测器的平均电流 Ｇ—探测器的电流内增益
2 2n 0I 2eG I f = Δ2 2 2
n 0V 2eG I R f = Δ0I
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光电探测器的噪声
低频噪声来源：目前尚不清楚。
主要表现在大约１千赫以下的低频区域，且与调制频率成反比，故称为低频噪声。
半导体表面有缺陷或不均匀时影响很大，故亦称表面噪声。
定义
Ａ—比例系数 Ｉ—流过探测器的电流
2nI AI f/f α β= Δ
0.8~1.5β ≈2 α ≈
可以限制低频端调制频率来防止低频噪声
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引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器光电导探测器
光伏探测器
光电池
光电二极管
光电三级管
半导体器件的选择
CCD探测器
半导体光电探测器
半导体光电探测器是利用半导体的内光电效应制成的光电转换器件
分类1）根据器件工作的物理过程
光电导型、光伏型、光子牵引型、光磁电型。2）根据器件的构造
均质型、结型
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引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器
光电导探测器光伏探测器
光电池
光电二极管
光电三级管
半导体器件的选择
CCD探测器
光电导探测器
光电导效应光电导效应是多数载流子导电的光电效应。均匀半导体材料吸收入射光辐射中的光子，使材料中产生附加的自由电子和自由空穴，即产生了光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化。
光电导探测器利用光电导效应可以制成各种用途的光电元件，如光敏电阻（光电导探测器）、光电管等。其中光敏电阻具有体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽等优点，广泛用于微弱辐射信号的探测领域。
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光电导探测器
光电导效应
本征半导体：
光电导
分别是电子和空穴浓度的增量，即光生载流子浓度分别是电子和空穴的迁移率
截止波长
n pe( n p )σ μ μΔ = Δ + Δ
n pΔ Δ和n pμ μ和
cg
1.24 ( m)E (eV)
λ μ=入射光子的能量须不低于本征半导体的禁带宽度，既存在“红限”
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光电导探测器
光电导效应杂质半导体
光电导（N型）（P型）
截止波长
为杂质电离能，通常杂质电离能远小于禁带宽度，所以非本征光电导的长波限远大于本征半导体的长波限。
n n
p p
e ne n
σ μσ μ
Δ = ΔΔ = Δ
ci
1.24 ( m)E (eV)
λ μ=
iE
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光电导探测器
光电导探测器在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极，便构成光电导探测器。当光电导探测器的两端加上适当的偏置电压后，便有电流流过，用检流计可以检测到该电流。改变照射到光电导探测器上的光度量（如照度），发现流过的电流将发生改变，说明光电导探测器的阻值随照度变化。
光电导探测器简单模型
d
WL
P
LRAV
x
#
光电导探测器的性能参数
光电导探测器结构设计基本原则光电导探测器的响应度与其两电极间的距离的平方成反比，为提高光电导探测器的响应度，要尽可能缩短其两电极间的距离。
光电导探测器基本结构图示
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光电导探测器
光电导探测器分类根据半导体材料分类，有本征型半导体光电导探测器与杂质型半导体光电导探测器。本征型半导体光电导探测器的长波长要短于杂质型半导体光电导探测器的长波长，因此，前者常用于可见光波段的探测，后者常用于红外波段甚至于远红外波段的探测。
#
光电导探测器
光电导探测器（弱辐射下）设模型为N型材料（P型同此分析）若光功率P沿x方向均匀入射，光电导材料的吸收系数为则入射光功率在材料内部沿x方向的变化为
（P为x=0处入射功率）x处光生载流子的浓度设为n(x)外加电场下，光电子的漂移电流密度为
光电流平均值为
α
P(x) P exp( x)α= −
J(x) en(x)μ=
d
p A0
i J(x)dA We n(x)dxμ= =∫ ∫=
d0
0
P e exp( x)dxh L
α τ μ αυ
−∫
稳态条件下光生载流子的产生率和复合率相等
得 0 0P(x) Pn(x) exp( x)WLh WLhα τ α τ α
υ υ= = −
0
P ( x ) n ( x )W L hα
υ τ=
#
光电导探测器
光电导探测器若入射光功率P全部被吸收探测器内平均光生载流子浓度为光电流平均值为
量子效率为光电流为
为载流子在电极间的渡越时间为光电导探测器的内增益，等于载流子平均寿命与渡
越时间之比，表示一个光电载流子对探测器外回路电流的有效贡献。
00
PnWLdh
τυ
=
0p 0i eP /h Lτ μ υ=
0
d
p p0
i /i exp( x)dxη α α= = −∫0 0
pd
e P e P ei =G Ph L h h
μτ τη η ηυ υ τ υ
= =
dLτμ
=
0
d
G ττ
=
#
光电导探测器的基本特性
光照特性
#
光电导探测器的基本特性
光电特性
#
光电导探测器的基本特性
伏安特性
#
光电导探测器的基本特性
频率特性
#
光电导探测器的基本特性
温度特性
#
光电导探测器的性能参数
响应度
其中光电导增益为
i v de eG GRh hη ηυ υ
ℜ = ℜ =或
0 0 0 A n 0An 2
d
VVGL L L L
τ τ τ μ τμ μτ
= = = =
响应度与偏压和载流子平均寿命有关，可通过加大偏压来提高响应度，但是要受器件所能承受的最大功耗的限制，此外响应度与光敏面积有关
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光电导探测器的性能参数
光谱特性光电导探测器属于选择性探测器。峰值响应一般位于中波段，而无论向长波（光子能量不够，量子效率不高）或短波（光子能量太大，多数在表面被吸收，而易被复合，寿命降低）方向，响应度都会降低。
#
光电导探测器的性能参数
光谱特性
#
光电导探测器的性能参数
噪声特性光电导探测器主要有三种噪声源（热噪声，产生-复合噪声，1/f噪声）。总的均方噪声为
__ ____ _____ ____2 2 2 2 sn nT ng-r nf s
I4 T fi i i i 4eGI f A fR f
α
β
κ Δ= + + = + Δ + Δ
#
光电导探测器的性能参数
噪声特性
#
光电导探测器的性能参数
比探测度D*红外光电导探测器中，最常用的性能参数为比探测度
S为探测器的表面积； 为带宽；NEP为噪声等效功率单色源黑体辐射
NEPfs 2
1
)(D* Δ=
fΔD*( ,f, f) λ Δ
D*(T,f, f)Δ
#
光电导探测器的性能参数
响应时间和频率响应在忽略外电路时间常数的影响时，响应时间 等于光生载流子的平均寿命,可由 求出光电导探测器的频率响应截止频率
0τc 0f 1/ 2πτ=
cf
#
#
光电导探测器的应用实例
照明灯的光电控制电路
当自然光较暗需要点灯时，Cds的电阻较大，因此继电器的电流较小不能维持常闭开关的断开，常闭触
头使得照明灯点亮；当自然光增强到一定值时，Cds的电阻降低，继电器工作，常闭触头断开，照明灯熄灭。
第一部分：恒流电源第二部分：由限流电阻R、Cds光敏电阻、继电器绕组构成的测光和控制电路第三部分：继电器的常闭触头构成的执行电路
#
光电导探测器的应用实例
火焰探测报警器右图为采用Pbs光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路图。Pbs的峰值响应波长为2.2um，恰好为火焰的峰值辐射光谱。
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引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器
光电导探测器
光伏探测器光电池
光电二极管
光电三级管
半导体器件的选择
CCD探测器
光伏探测器
光生伏特效应光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应。光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换为电能的效应。当入射光作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流。
光伏探测器利用光生伏特效应制作的光电敏感器件称为光伏探测器。与光电导探测器相比，具有暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性的线性好、受温度影响小等优点，但是在微弱辐射的探测能力和光谱响应范围上不及光电导探测器。
#
光伏探测器的工作原理
光生伏特效应入射光照射非均匀半导体，若光子能量大于禁带宽度，则
由本征吸收而在结的两边产生电子-空穴对，多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度变化很大，因此主要研究少数载流子的运动。
由此可以看出光伏效应是一种少数载流子过程，而少数载流子的寿命通常短于多数载流子的寿命，当少数载流子复合掉时，光伏信号终止，光伏探测器的响应快。
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光生伏特效应内建电场、扩散电流、漂移电流：
光生电场、光生电流：（只考虑少数载流子运动）
NP 由于载流子的浓度梯度，导致扩散运动，运动后的N型和P型半导体在接触面附近产生空间电荷区，即内建电场，产生漂移电流
光伏探测器的工作原理
NP
N型中电子多而空穴少，P型相反，但是，单独的N型和P型半导体是电中性的，电离成份和载流子平衡
+++
E
e
O
#
E
NP ++
+++
+
入射光照射下，产生非平衡载流子（少数载子），在内建电场下运动，Ｐ端电势升高，Ｎ端电势降低，产生光生电流(从n到p)和光生电场(从p到n)
PE
++
+
Oe
pI
光伏探测器的工作原理
光生伏特效应光照在ｐ－ｎ结两端产生光生电动势，相当于在ｐ－ｎ结两端加上正向电压Ｖ，使得势垒降低为 产生正向注入电流（从Ｐ到Ｎ）
光照前 光照后
gEFE
vE
cEDeV
P N
gE
vE
cED PeV eV−
P N
PeV
D peV eV−
s pI I [exp(eV / T) 1]κ+ = − ＰＮ结反向饱和电流
#
光伏探测器的工作原理
光生伏特效应光伏探测器在光照下的总电流(从n到p)为
其中，在没有电流内增益时，P + P s pI I -I I -I [exp(eV / T) 1]κ= = −
PI (e / h )pη υ=
#
光伏探测器的工作原理
光伏探测器的工作模式一个PN结光伏探测器(a)等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联，如图(b)所示。它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压时(图 (c))，称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时(图 (d))，即外加P端为负n端为正的电压时，称为光导工作模式。
V
RL
RL
u
i
id
(a) (b) (c) (d)
ιp
#
光伏探测器的工作原理
光导模式下，光电二极管加反偏压，大大提高了器件的频率特性，并增加了长波段灵敏度及扩展线性区上限。但是反偏压产生的暗电流引起较大的散粒噪声，而且在频率低于1kHz时还具有低频噪声，因而限制了探测能力的下限。此外暗电流受温度影响较大，这也是不利的。光伏模式下，光电二极管在无偏压下工作，故暗电流造成的散粒噪声小，且无低频噪声。在无光照下只有热噪声电流，因而有高得多的信噪比。只要工作频率低于截至频率，有效面积相同的光伏器件要比光导式器件有高的信噪比，特别是频率低于1kHz时 ，优越性更为突出。但是其截至频率较低，长波灵敏度略小一点。光伏式主要用于超低噪声、低频及仪器方面；光导式主要用于探测高速脉冲和高频调制光。
#
光伏探测器的工作原理光照下理想ＰＮ结的伏安特性
i
u
#
第一象限，ＰＮ结加正偏压，此时暗电流远大于光生电流，无法作为光探测器工作；第三象限，ＰＮ结为反偏压状态，暗电流等于反向饱和电流远小于光电流，光伏探测器多工作于这一区域，为光电导工作模式，多做为光电二极管；第四象限，外加偏压为０，伏安关系为非线性，为光伏工作模式，多
做为光电池
光伏探测器的工作原理
光照下理想ＰＮ结的伏安特性光伏器件的输出电压为
ＰＮ结开路时（ ，Ｉ＝０， ）开路电压为
ＰＮ结短路时（ ）短路电流为
pp
s
I ITV ln( 1)e Iκ −
= +
dR →∞ P +I I=
poc
s
ITV ln( 1)e Iκ
= +
pV 0, I 0+= =
sc peI = I phηυ
=
#
光电导探测器和光伏探测器区别
光电导 光电伏
作用粒子 多数载流子 少数载流子
响应 复合时间长
响应快
复合寿命短
响应慢
决定探测阈值因素 复合噪声和热噪声共同决定
光电流>热噪声电
流
波长范围 0.3~14um 0.4~1.6um
#
光伏探测器
光伏探测器的种类
1）按构成的“结”不同PN结型、PIN结型、金属-半导体结型（肖特基势垒型）
2）按使用要求不同作为能源的光电池作为光信号变换的光伏探测器（Si,Ge光电二极管，PIN光电二极管，雪崩光电二极管、光电三极管）
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引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器
光电导探测器
光伏探测器
光电池光电二极管
光电三级管
半导体器件的选择
CCD探测器
光电池
光电池光电池是将光能转换为电能的器件，可作为光电信号的探测。应用最广泛的是硅光电池，具有高效率、宽光谱响应、高稳定性和耐高能辐射等优点。其次硒光电池在和人视觉有关的光学仪器中应用的也较多，因为硒光电池的光谱响应曲线和人眼的光谱效率曲线很相近。硅光电池结构
#
光电池
硅光电池的伏安特性和负载特性
#
光电池
硅光电池的伏安特性和负载特性当光电池用作探测器时，要求输出特性具有线性关系，这时器件应工作于伏安特性转弯处的左端，此时输出电流与光强成线性关系。当光电池作为赋能元件时，对线性要求不高，而要求输出的功率尽可能大。对于不同光强，伏安特性弯曲点位置各不相同，故要求获得最大输出功率所需要的最佳负载也不相同。为了获得较大的输出功率，也往往采用多个光电池的串、并联组合运用。
#
光电池
硅电池的光谱特性
硅电池的灵敏度
相对灵敏度
#
#
引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器
光电导探测器
光伏探测器
光电池
光电二极管光电三级管
半导体器件的选择
CCD探测器
光电二极管
光电二极管同样基于ＰＮ结的光伏效应，与光电池相比，主要特点是结区面积小，通常工作与反偏置状态。其内建电场很强，结区较宽，结电容小，所以频率特性比光电池好，但光电流比光电池的小，一般多在微安级。这类器件可用硅，锗，砷化铟，碲镉汞等材料制作，目前应用最多的是硅光电二极管。
种类1）PN结光电二极管２）PIN结光电二极管3）雪崩光电二极管（APD）
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光电二极管
PN结光电二极管按光敏面和衬底材料所用的材料不同，分为2CU和2DU两种系列。2DU系列光敏面为N型硅，衬底为P型硅，2CU系列相反。2DU系列有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极（减少暗电流和噪声，提高探测能力）。2CU系列两个引出线。
硅光电二极管结构示意图
#
几种国产2CU型PN结光电二极管特性参数
#
几种国产2DU型PN结光电二极管特性参数
#
光电二极管
PIN型光电二极管PN结型光电二极管响应时间只能达到 ，满足不了光纤系统的响应时间要求（ ），PIN结型光电二激光就是为满足这一要求而研制。PIN光电二极管（快速光电二极管），与PN结光电二极管相比，具有更快的响应时间，并使光谱响应范围向长波方向移动，其峰值波长可移至1.04~1.06 ，与YAG激光器的发射波长相对应。
结构示意图
710 s−
810 s−
mμ
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光电二极管
PIN结光电二极管特点（1）I层较厚，PN结内电场基本上集中于I层上，强场对少数载流
子起加速作用，其渡越时间相对变短了，因此响应速度提高。（2）随着反向偏压增加，光生载流子加速，结电容更小，从而提
高了PIN频率响应。（3）耗尽层宽度即I层宽度，因此耗尽层变宽，扩宽了光电转换
的有效工作范围；即增加了吸收层厚度，增加对长波的吸收，同时也提高了量子效率。
PIN管的上述优点，使它在光通信、光雷达以及其他要求快速光电控制系统中得到非常广泛的应用。
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光电二极管
雪崩二极管(APD:Avalanche Photodiode)由于普通光电二极管产生的电流微弱，进行放大和处理时会引入放大器噪声，雪崩光电二极管就是为解决这一问题而产生。
雪崩光电二极管（APD）是利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电增益，产生较大的输出电流，具有灵敏高，响应快等优点。在光纤通信、激光测距及光纤传感等系统中得到了广泛应用。
APD的性能与入射光功率有关，在实际探测系统中，当入射光功率较小时，多采用APD，此时雪崩增益引起的噪声贡不大。当入射光功率较大时，雪崩增益引起的噪声贡献占主要优势，并可能带来光电流失真，采用PIN管更为恰当。
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光电二极管
雪崩倍增过程当光电二极管的PN结加上相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很强的电场，足以使强电场区漂移的光生载流子获得充分的动能，并于晶格原子碰撞产生新的载流子，如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。
内增益通常用光电倍增系数 表示
为倍增光电流 为不发生倍增效应时的光电流V 为反向击穿电压 为外加反向电压 n为调整参数
phM
0
phph n
ph B
I 1MI 1 (V / V )
= =−
phI0phI
BV#
下图以Ge和InAs/InP为例，表示了ADP的基本结构：
ADP元件结构图
与pin光电二极管不同，APD是在强电场下工作，因此，为防止边缘部分被击穿，并把电场均匀施加于受射面，设置护圈和信道抑制器。Ge-
APD受射层由InGaAs、倍增层则由InP构成。其原因在于InGaAs在强电场下产生很大的隧道电流。因量子效率与受射层材料有关，所以其波长依赖
型与pin光电二极管一样。
光电二极管的性能
伏安特性光电二极管一般在反向偏压下工作。在低反偏压下，光电流随电压变化非常敏感，曲线有弯曲。这是因为反偏压增加使耗尽层加宽，结电场增强，这对于结区光的吸收率及光生载流子的收集效率影响很大。当反偏压进一步增加，光生载流子的收集已达到极限，光电流趋于饱和，特性曲线近似于平直。这部分主要利用于线性测量。
3P
1P2P
4PP
pI
V
#
光电二极管的性能
暗电流光电二极管的暗电流为反向饱和电流、复合电流、表面漏电流和热电流之和。暗电流小的管子性能稳定、噪声低、检测弱信号能力强。通常，PN结型光电二级管在50Ｖ反向偏压下，暗电流小于100nA；PIN型和雪崩型光电二极管在15V反向偏压下，按电流小于10nA。
光电流光电流主要受光照度影响，基本上是线形增加关系。一般来说，光电二极管的光电流越大越好，商品化硅光电二极
管的光电流为二十几微安。E为光照度，
pI Eυ∝ 1 0.05υ = ±#
光电二极管的性能
光谱响应特性光谱响应存在长波限（只有能量大于半导体材料禁带宽度的光子才能激发出光生载流子）和短波限（短波长的吸收系数很大，光辐射产生的载流子在表面就被复合，因此光电流很小）
光电灵敏度在给定波长的入射光照射下，输入单位功率时，光电二极管输出的光电流值称为光电灵敏度。
eShcη λ
=#
光电二极管的性能
噪声特性PN结型和PIN结型光电二极管的主要噪声是暗电流引起的散粒噪声，一般PIN结型硅光电二极管的暗电流比PN结型光电二极管的暗电流低1~2个数量级。APD的主要噪声源是光电流引起的散粒噪声，它的噪声一般比较大。
表征光电二极管噪声水平的主要参数是信噪比（S/N）和噪声等效功率（NEP）。
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引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器
光电导探测器
光伏探测器
光电池
光电二极管
光电三级管半导体器件的选择
CCD探测器
光电三级管的工作原理
利用一般晶体管电流放大原理，可得到具有电流内增益的光伏探测器光电三级管。以硅光电三级管为例，有3DU(NPN结构)和3CU(PNP结构)。多用于线形转换器件，开关器件。结构和原理（以3DU为例）
原理：光敏二极管（bc结）+ 三极管入射光照下，承受反偏压的集电极产生光电流，相当于外界向基极注入一个控制电流 。发射结为正偏置，发射极有大量电子经基极流向集电极。总电流为
为电流增益系数
b pI I=
c p pI I Iβ= +
β#
光电三级管的特性
特性光照特性---灵敏度高于光敏二极管，线性好光谱特性---单峰性动态特性---响应速度低于光敏二极管
光谱特性 动态特性 #
几种国产3DU型光电三极管的特性
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引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器
光电导探测器
光伏探测器
光电池
光电二极管
光电三级管
半导体器件的选择CCD探测器
半导体光电器件的选择
选择标准半导体光电器件的种类很多，功能各异。掌握各
种半导体光电器件的特性及其参数是实际应用中正确地选用半导体光电器件的关键。在实际应用中，也不是对所有的特性都有严格的要求，常常是对光电器件的某些特性有要求而对另外的特性要求不严。
例如，用光电器件进行火灾探测与报警时，对器件的光谱响应和灵敏度要求很严，必须在发“火”点又很强的响应，而对响应速度则要求很低。
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半导体光电器件的选择
特性参数比较光电变换的线性光电二极管(包括PIN与雪崩管)的线性最好，其次依次为零伏反向偏置状态的光电池、光电三级管等。光敏电阻的线性最差。动态范围动态范围分为线性和非线性动态范围。线性动态范围上，反向偏置状态的光电二极管动态范围最好，光电池、光电二极管较好，光敏电阻最差。光敏电阻的非线性动态范围要比其他光电器件宽灵敏度光敏电阻的灵敏度最高，其他依次为雪崩光电二极管、光电三极管，光电二极管的灵敏度最低。
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半导体光电器件的选择
特性参数的比较时间响应PIN与雪崩光电二极管的时间响应最快，其他依次为光电三极管和光电池，最慢的是光敏电阻。光谱响应光谱响应主要与器件的具体材料有关，一般来说光敏电阻族的光谱响应要比光生伏特器件的光谱响应范围宽。尤其在红外波段光敏电阻的光谱响应更为突出
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半导体光电器件的选择
特性参数的比较暗电流与噪声光电二极管的暗电流最低，光敏电阻、光电三极管和光电池的暗电流较大，尤其是放大倍率大的多极复合光电三极管及大面积的光电池的暗电流更大。供电电源与应用的灵活性光敏电阻没有极性，可用于交、直流电源。光电池不须外加电源就能进行光电变换，但线性很差，而其他的光生伏特器件必须在直流偏置电源下工作。因此，光电池的应用灵活性较高，光敏电阻与其他光生伏特器件的应用灵活性较差，但它们都适用于低压下工作。
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半导体光电器件的选择
选择原则１）光电器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上实现匹
配。２）光电器件的光电转换特性或动态范围必须与光信号的入射辐
射能量相匹配。３）光电器件的时间响应特性必须与光信号的调制形式、信号频
率及波形相匹配，以确保变换后的信号不产生频率失真引起的输出波形失真。
４）光电器件与变换电路必须与后面的应用电路的输入阻抗良好地匹配，以保证具有足够的变换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。
５）为保证期间长期工作时的可靠性，必须注意选择器件的参数和使用环境。
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引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器
光电导探测器
光伏探测器
光电池
光电二极管
光电三级管
半导体器件的选择
CCD探测器
CCD探测器阵列
产品图示
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CCD阵列探测器
CCD(Charge Coupled Device)—电荷耦合器件应用于信号处理、数字存贮、图像传感等领域的滤波、存贮器、成像系统的光敏器件。其中图像传感是其应用较为成功的应用领域，这取决于它与传统的真空成像器件相比具有光谱响应宽（从x射线到红外线）、灵敏度高、线性好、动态范围大、体积小、重量轻、功耗低等优点。按照其光敏单元的排列方式不同可分为线阵列和面阵列两类。
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CCD结构
CCD的基本单元是MOS电容器。
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图4.3.1 MOS电容的结构1．金属 2．绝缘层SiO2
CCD结构
CCD基本结构包括转移电极结构转移沟道结构信号输入结构信号输出结构信号检测结构
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CCD结构
转移电极结构CCD的转移电极相数有二相、三相和四相等。二相CCD驱动脉冲比较简单，信号电荷转移时间比较短，芯片面积也较小，但容纳的信号电荷量小。三相CCD较适用于单层金属化电极结构，以保证电荷的定向转移。四相CCD驱动电路较为复杂，一般适合于时钟频率很高的场合。
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CCD结构
转移沟道转移沟道分为表面沟道和体内沟道。表面沟道的优点是信号电荷离界面较近，在相同栅压下势阱能容纳的电荷较多；但由于信号电荷只能贴近界面的极薄衬底层内运动，而界面处存在陷阱，从而降低了转移速度和转移效率。体内沟道形式可以克服这一缺点，但其制造困难，成品率低，造价高，目前还较少应用。
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CCD结构
信号输入结构CCD电荷注入的方式有电注入和光注入两种。电注入CCD在用作信号处理或存储器件时，信号电荷输入采用电注入。 CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。光注入CCD在用作图像传感时，信号电荷输入采用光注入 。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。
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CCD结构
信号输出系统CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压信号输出。
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CCD结构
信号检测结构信号检测结构分为电流输出、选通电荷积分器、相关双取样和浮置栅放大器等几种。电流输出方法的最大缺点是前置放大器在芯片外面，因而有较大的寄生电容。选通电荷积分器将前置放大器集成在CCD芯片上，克服了寄生电容，但复位噪声较大。相关双取样方法利用相邻两次复位脉冲在输出端引起的噪声相关原理设计具体电路，减低了复位噪声。浮置栅放大器适用于电荷转移过程中需要多次检测的系统，在实用CCD中，常采用这种检测方法。
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CCD工作原理
电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。
ＣＣＤ的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。电荷产生原理电荷存贮原理电荷转移原理电荷输出原理
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CCD工作原理
电荷产生原理在光纤系统中，CCD采用的是光注入。当光照射到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对。在栅极电压作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，形成信号电荷存贮起来。这样，能量高于半导体禁带宽度的那些光子，可用来建立正比于光强的存贮电荷。光注入方式有三种，实际中常采用正面照射方式和背面照射方式。
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CCD工作原理
电荷存贮原理
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CCD工作原理
电荷转移原理
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CCD工作原理
电荷输出原理
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CCD工作原理
电荷输出原理
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CCD的特性参数
转移效率
Q(0)为t=0时刻注入到某电极下的电荷Q(t)为t时刻由于某些原因没有被转移的电荷
转移损失率
由于电荷在转移过程中总有损失，CCD是一种无增益器件
η
ε
Q(0) Q(t)Q(0)
η −=
Q(t)Q(0)
ε =
1η ε= −
影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获，形成陷阱俘获损失。采用偏置电荷（或称胖零）预先填充陷阱，陷阱将与信号电荷处于动态平衡，而不会造成转移损失。
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CCD的特性参数
转移效率
在同一波长下转移效率值越高CCD品质越好CCD对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同背照式CCD比前照式CCD有更好的转移效率多数衡量转移高低是在425nm波长
η
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CCD的特性参数
存贮时间和暗电流CCD的深耗尽状态并非一稳态，即使没有信号电流自外部注入，深耗尽势阱也会被内部产生的电荷逐渐填满，表面也就从深耗尽状态过渡到反型状态。因此CCD不能长久贮存电荷。
定义CCD中的MOS电容器在没有外部信号注入情况下，由耗尽层反型状态过渡的时间称为存贮时间。
CCD存贮时间主要有产生暗电流的几个主要因素决定，例如体内复合中心的热、表面态的热、本征跃迁过程的热以及耗尽区边界的热蔽电流等。
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CCD的特性参数
工作频率CCD的工作频率与时钟脉冲频率、转移损失和暗电流有关。CCD工作频率上限主要取决于时钟脉冲频率。CCD工作频率下限由暗电流决定对于三相CCD，工作频率范围为
其中 为时钟脉冲时间， 为少数载流子寿命
#
1
1 1< f3 3 tτ
≤
τ1t
CCD的特性参数
噪声CCD中存在的噪声源主要是转移噪声、输入噪声、输出噪声和暗电流噪声。转移噪声主要是由于信号电荷沿CCD中沟道转移时，有电荷残留，而电荷转移和损失的过程是一种随机过程，于是转移中的电荷包具有随机涨落，造成噪声。输入噪声主要取决于信号电荷注入方式。对于光注入，主要由光子流的散粒噪声决定。输出噪声主要取决于不同的检测方式。采用浮置栅放大器输出时噪声较低。暗电流噪声主要是在载流子热运动产生的白噪声和暗电流尖峰。可以通过降低温度来减少噪声。
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CCD阵列探测器
CCD阵列探测器（CCD摄像器件）是CCD的实用产品。它将二维光学图像信号转变为一维的视频信号输出。
光学成像系统将景物图像成像在CCD的光敏面上，每一光敏单元上的图像光强信号被转变为少数载流子的密度信号存贮与光敏单元（MOS电容）中，然后再转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。
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线型CCD阵列
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线型CCD阵列
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面型CCD阵列
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CCD的性能和特点
CCD具有很高的灵敏度，同时可以达到极低的噪声。CCD的波长适应范围十分开阔，可以从紫外波段延伸到红外波段。CCD具有很高的线性度，而且这种线性度是在很宽的动态响应范围及很宽的频率范围内都可以实现的。CCD具有非常宽的动态响应范围。CCD几何尺寸稳定、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高、耐过度曝光和分辨力高。
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CCD的应用
一维尺寸的测量
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CCD的应用
光学文字识别
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THE END2006.4