光电探测器讲稿.ppt

光电探测器第一页，讲稿共五十八页哦光电探测器件光电探测器件光子器件热电器件真空器件固体器件l光电管l光电倍增管l真空摄像管l变像管l像增强管l光敏电阻l光电池l光电二极管l光电三极管l雪崩光电管l电荷耦合器件CCDl热电偶/热电堆l热辐射计/热敏电阻l热释电探测器第二页，讲稿共五十八页哦l2.1光电探测器的物理基础l2.2光电探测器的特性参数l2.3光电探测器的噪声l2.4光电探测器l2.5光电探测器的偏置与放大第三页，讲稿共五十八页哦2.1 光电探测器的物理基础光电探测器的物理基础 定义：当光辐射入射到定义：当光辐射入射到光电材料光电材料上时，材料上时，材料发射电子发射电子，或其或其电导率发生变化，电导率发生变化，或或产生光电动势产生光电动势等等。u发射电子：发射电子：外光电效应外光电效应u电导率发生变化、产生光电动势电导率发生变化、产生光电动势：内光电效应。：内光电效应。一、光电效应第四页，讲稿共五十八页哦l内光电效应内光电效应：光电材料光电材料受到受到光照后所产生的光电子只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在材料内部而不会逸出材料外部多发生在半导体材料。多发生在半导体材料。l内光电效应内光电效应又分为又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应和光生伏特效应l光电导效应光电导效应：半导体受光照后，内部半导体受光照后，内部产生光生载流产生光生载流子子，使半导体中，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少载流子数显著增加而电阻减少的现象称的现象称为为光电导效应光电导效应。l 内光电效应内光电效应第五页，讲稿共五十八页哦光电导效应：光电导效应：l本征光电导效应本征光电导效应l非本征非本征光电导效应光电导效应第六页，讲稿共五十八页哦光电导效应：光电导效应：l本征光电导效应本征光电导效应l非本征非本征光电导效应光电导效应N型半导体，光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子型半导体，光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子P型半导体，光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价型半导体，光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电带中留有空穴，作为主要载流子参加导电第七页，讲稿共五十八页哦l 半导体可分为半导体可分为本征半导体、本征半导体、P P型半导体、型半导体、N N型半导体型半导体。l 本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体称本征半本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体称本征半导体。硅和锗为导体。硅和锗为4 4价元素，其晶体结构稳定。价元素，其晶体结构稳定。半导体类型半导体类型杂质半导体的形成：杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入通过扩散工艺，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。少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。第八页，讲稿共五十八页哦l N N型半导体：型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代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，就形成了晶格中硅原子的位置，就形成了N N型半导体。型半导体。N型半导体型半导体l N N型半导体：型半导体：由于杂质原子的最外层由于杂质原子的最外层有有5 5个价电子，所以除了与周围硅原子形个价电子，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，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，由于热激发，就可使它们成为自由电子，显负电性。这显负电性。这N N是从是从“NegativeNegative（负）（负）”中取的第一个字母。中取的第一个字母。第九页，讲稿共五十八页哦结结 论：论：l N N型半导体的导电特性：型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入的杂是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。越强。l多子：多子：N N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，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。称为多数载流子，简称多子。l少子：少子：空穴为少数载流子，简称少子。空穴为少数载流子，简称少子。l施主原子：施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。杂质原子可以提供电子，称施子原子。第十页，讲稿共五十八页哦l P P型半导体：型半导体：在纯净的在纯净的4 4价本征半导体（如硅晶体）中混入了价本征半导体（如硅晶体）中混入了3 3价原价原子，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，形成硅原子的位置，形成P P型半导体。型半导体。l空穴的产生：空穴的产生：由于杂质原子的最外层有由于杂质原子的最外层有3 3个价电子，当它们与周围的硅原子形成共个价电子，当它们与周围的硅原子形成共价键时，就产生了一个价键时，就产生了一个“空位空位”（空位电（空位电中性），当硅原子外层电子由于热运动填中性），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离子，同时，在硅原子的共价键中产生一个个空穴空穴，由于少一电子，所以带正电。，由于少一电子，所以带正电。P型型取取“Positve（正）（正）”一词的第一个字母。一词的第一个字母。P型半导体型半导体第十一页，讲稿共五十八页哦结论：结论：1 1、多子的浓度决定于杂质浓度。、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：原因：掺入的杂质使多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。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，少子的浓度就因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高，少子的浓度就愈低。愈低。2 2、少子的浓度决定于温度。、少子的浓度决定于温度。原因：原因：少子是本征激发形成的，少子是本征激发形成的，与温度有关。与温度有关。l多子：多子：P P型半导体中，多子为空穴。型半导体中，多子为空穴。l少子：少子：为电子。为电子。l受主原子：受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。第十二页，讲稿共五十八页哦l光生伏特效应光生伏特效应：光照在半导体光照在半导体P-NP-N结、结、P-i-NP-i-N结、金属结、金属-半导体接触上时，会在半导体接触上时，会在PNPN结、结、P-i-NP-i-N结、金属结、金属-半导体半导体接触的两侧产生接触的两侧产生光生电动势光生电动势。l PNPN结的光生伏特效应：结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射当用适当波长的光照射PNPN结时，结时，由于内建场的作用（不加外电场），由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向光生电子拉向N N区，区，光生空穴拉向光生空穴拉向P P区区，相当于，相当于PNPN结上加一个正电压。结上加一个正电压。l半导体内部产生电动势（光生电压）半导体内部产生电动势（光生电压）；如将；如将PNPN结短路，则结短路，则会出现电流（会出现电流（光生电流光生电流）。）。l光生伏特效应光生伏特效应第十三页，讲稿共五十八页哦l 光生伏特效应光生伏特效应光照光照零偏零偏PN结结产生开路电压的效应产生开路电压的效应光电池光电池。光光照照反反偏偏光光电电信信号号是是光光电电流流结结型型光光电电探探测测器器的的工工作原理作原理光电二极管光电二极管。第十四页，讲稿共五十八页哦光电池 光电池：光电池：是指利用光生是指利用光生伏特效应直接把光能转伏特效应直接把光能转化成电能的器件，也叫化成电能的器件，也叫太阳能电池太阳能电池第十五页，讲稿共五十八页哦第十六页，讲稿共五十八页哦第十七页，讲稿共五十八页哦l外光电效应外光电效应光电发射效应：光电发射效应：爱因斯坦方程：爱因斯坦方程：光电发射效应光电发射效应：在光照下，物体：在光照下，物体向表面以外空间发向表面以外空间发射电子射电子(即光电子即光电子)的现象的现象多发生于多发生于金属和金属氧金属和金属氧化物，化物，光电管中的光阴极。光电管中的光阴极。截止波长光电发射效应发生光电发射效应发生波长表示：波长表示：光电发射体的功函数物理意义：如果发射体内的电子所物理意义：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吸收的光子能量大于发射体的功函数的值数的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。第十八页，讲稿共五十八页哦光电子发射探测器光电子发射探测器真空光电管真空光电管:真空光电管由光电阴极和阳极构成，真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响应要求极快用于响应要求极快的场合的场合光电倍增管：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应用最广，内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，益，能检测极微弱的光辐射信号能检测极微弱的光辐射信号。光电子发射探测器光电子发射探测器主要是可见光探测器主要是可见光探测器，因为对红外辐射响应的光，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和势光电阴极，它电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展到们的响应波长也只扩展到125m，只适用于近红外的探测，因此在，只适用于近红外的探测，因此在红外系统中应用不多。红外系统中应用不多。第十九页，讲稿共五十八页哦二、光热效应 光热效应：光热效应：材料受光照射，材料受光照射，光子能量与晶格相互作用，振光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料性质发生变化动加剧，温度升高，材料性质发生变化。u热释电效应：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。发极化强度随温度变化而引起表面电荷的变化。光辐射强度变化光辐射强度变化晶体温度变化晶体温度变化自发极化强度变化自发极化强度变化 当当强度调制过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两个外表面之间强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体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出现微小变化的信号电压，可测定所吸收的光辐射功率第二十页，讲稿共五十八页哦u辐射热计效应（电阻温度效应）：辐射热计效应（电阻温度效应）：入射光的照射使材料入射光的照射使材料由于由于受热而造成电阻率变化的现象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，当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导体金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低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化制成的热探测器就是电阻测辐射热计电阻测辐射热计材料的电阻与温度的关系可用材料的材料的电阻与温度的关系可用材料的电阻温度系数电阻温度系数T T来表征。来表征。第二十一页，讲稿共五十八页哦温差电效应：温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在两由两种材料制成的结点出现温差而在两结点间产生结点间产生电动势电动势，回路中产生电流。，回路中产生电流。当两种不同的当两种不同的配偶材料配偶材料(金属或半导体金属或半导体)两端并联熔接时，如果两个接头两端并联熔接时，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。的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。第二十二页，讲稿共五十八页哦特特 点点l所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同的所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同的响应，因而响应，因而是非选择性探测器是非选择性探测器。这和光子探测器在光。这和光子探测器在光谱响应上的主要区别。谱响应上的主要区别。l热探测器除低温测辐射热器外热探测器除低温测辐射热器外一般无需致冷一般无需致冷。l热探测器的热探测器的响应时间比光子探测器长响应时间比光子探测器长，（取决于热探，（取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢）测器热容量的大小和散热的快慢）第二十三页，讲稿共五十八页哦2.2 光电探测光电探测器的特性参数器的特性参数光光电电系系统统一一般般都都是是围围绕绕光光电电探探测测器器的的性性能能进进行行设设计计的的，而探测器的性能由而探测器的性能由特定工作条件特定工作条件下的一些参数来表征。下的一些参数来表征。实际参量实际参量参考参量参考参量测量条件测量条件第二十四页，讲稿共五十八页哦一、光电探测器的工作条件一、光电探测器的工作条件光光电电探探测测器器的的性性能能参参数数与与其其工工作作条条件件密密切切相相关关，在在给给出出性性能能参参数数时时，要要注注明明有有关关的的工工作作条条件件。因因为为只只有有这这样样，光光电电探测器才能探测器才能互换使用互换使用。主要工作条件有：主要工作条件有：1 1辐射源的辐射源的光谱分布光谱分布 2 2电路的电路的通频带和带宽通频带和带宽3 3工作温度工作温度4 4光敏面尺寸光敏面尺寸5 5偏置情况偏置情况第二十五页，讲稿共五十八页哦1.1.辐射源的光谱分布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，称为的函数。对一定的波长范围内的辐射有信号输出，称为光谱光谱响应响应，它决定了探测器探测特定目标的有效程度。，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，则需给出如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长辐射波长。假如辐射源。假如辐射源是黑体，那么要指明是黑体，那么要指明黑体的温度黑体的温度。当辐射经过调制时，则要说明当辐射经过调制时，则要说明调制频率调制频率。第二十六页，讲稿共五十八页哦2.2.电路的通频带和带宽电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能。因噪声限制了探测器的极限性能。噪噪声声电电压压或或电电流流均均正正比比于于带带宽宽的的平平方方根根，有有些些噪噪声声还还是是频频率的函数。率的函数。描述探测器性能时，必须明确描述探测器性能时，必须明确通频带和带宽通频带和带宽。第二十七页，讲稿共五十八页哦3.3.工作温度工作温度l许多探测器，特别是半导体材料的探测器，无论是信号还许多探测器，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，必须是噪声，都和工作温度有密切关系，必须明确工作温度明确工作温度。l通用的工作温度通用的工作温度是：是：室温室温(295K)(295K)干冰温度干冰温度(195K)(195K)液氮温度液氮温度(77K)(77K)液氢温度液氢温度(20.4K)(20.4K)液氦温度液氦温度(4.2K)(4.2K)第二十八页，讲稿共五十八页哦4.光敏面尺寸l探测器的探测器的信号信号和和噪声噪声都和光敏面积有关，大部分探测都和光敏面积有关，大部分探测器的信噪比与器的信噪比与光敏面积的平方根成比例光敏面积的平方根成比例l参考面积一般为参考面积一般为1cm1cm2 2。第二十九页，讲稿共五十八页哦5.偏置情况l大多数探测器需要某种形式的偏置大多数探测器需要某种形式的偏置例例如如：光光电电导导探探测测器器和和电电阻阻测测辐辐射射热热器器需需要要直直流流偏偏置置电电源源l信信号号和和噪噪声声往往往往与与偏偏置置情情况况有有关关，因因此此要要说说明明偏偏置置的的情况情况。第三十页，讲稿共五十八页哦二、特性参数二、特性参数 n1.1.响应度响应度n2.2.量子效率量子效率n3.3.噪声等效功率噪声等效功率n4.4.探测率探测率D D和比探测率和比探测率D Dn5.5.光谱响应光谱响应n6.6.响应速度响应速度第三十一页，讲稿共五十八页哦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。设设光光电电探探测测器器输输出出电电压压为为Vs或或电电流流为为Is，入入射射到到光光电电探探测测器器上的光功率上的光功率PRvVsP RIisP 分别称为光电探测器的电压响应度和电流响应度。单色灵敏度和积分灵敏度第三十二页，讲稿共五十八页哦单色灵敏度单色灵敏度使用波长为使用波长为的单色辐射源，则称为的单色辐射源，则称为单色灵敏度单色灵敏度，又叫，又叫光谱响应度光谱响应度，用用R R表示，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量(光通量光通量)之比。之比。(V/W)(A/W)式式中中，()为为入入射射的的单单色色辐辐射射通通量量或或光光通通量量。如如果果()为为光光通通量量，则则Rv的单位为的单位为Vlm。第三十三页，讲稿共五十八页哦积分灵敏度积分灵敏度l积积分分灵灵敏敏度度表表示示探探测测器器对对各各种种波波长长辐辐射射光光连连续续辐辐射射通通量量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为：的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为：l光光电电探探测测器器输输出出的的电电流流或或电电压压与与入入射射总总光光通通量量之之比比称称为为积积分灵敏度分灵敏度。第三十四页，讲稿共五十八页哦由由于于光光电电探探测测器器输输出出的的光光电电流流是是由由不不同同波波长长的的光光辐辐射射引引起的，所以输出光电流为：起的，所以输出光电流为：得到积分灵敏度为：得到积分灵敏度为：式中，式中，、分别为光电探测器分别为光电探测器长波限长波限和和短波限。短波限。第三十五页，讲稿共五十八页哦2.2.量子效率量子效率（）量量子子效效率率是是评评价价光光电电器器件件性性能能的的一一个个重重要要参参数数，它它是是在在某某一一特特定定波长波长上上每秒钟内产生的光电子数每秒钟内产生的光电子数与与入射光量子数之比入射光量子数之比。单个光量子的能量为单个光量子的能量为 单位波长的辐射通量为单位波长的辐射通量为波长增量波长增量 内的辐射通量为内的辐射通量为 在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率N N为为:量子流速率量子流速率N N即为每秒入射的光量子数即为每秒入射的光量子数。第三十六页，讲稿共五十八页哦l若若I IS S为信号电流，为信号电流，e e为电子电荷，为电子电荷，l每秒产生的光电子数为：每秒产生的光电子数为：l量子效率为：量子效率为：讨论讨论l 入射入射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子子空穴对空穴对；l实际上，实际上，。l对于对于有增益的光电探测器有增益的光电探测器(如光电倍增管等如光电倍增管等)，会远大于，会远大于1 1，此时一般使用，此时一般使用增益增益或或放大倍数放大倍数这个参数。这个参数。第三十七页，讲稿共五十八页哦l从响应度来看，好象只要有光辐射存在，不管它的功从响应度来看，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。率如何小，都可探测出来。l当当入射功率很低入射功率很低时，输出只是杂乱无章的信号，无法时，输出只是杂乱无章的信号，无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这它肯定是否有辐射入射在探测器上。这它固有的固有的“噪声噪声”引起的。引起的。l随时间起伏的随时间起伏的电压电压(流流)按时间取平均值，则按时间取平均值，则平均值等于零平均值等于零。但其但其均方根不等于零均方根不等于零，这个均方根电压，这个均方根电压(流流)称为称为探测器的探测器的噪声电压噪声电压(流流)。3.3.噪声等效功率噪声等效功率(NEP)(NEP)（最小可探测功率（最小可探测功率P Pminmin）第三十八页，讲稿共五十八页哦信噪比信噪比(S(SN)N)1 1）作用：判定噪声大小。）作用：判定噪声大小。2 2）表示：在负载电阻）表示：在负载电阻R RL L上产生的上产生的信号功率与噪声功率之比信号功率与噪声功率之比：分贝分贝(dB)(dB)表示：表示：3 3）注意）注意利用利用SN评价两种光电探测器性能时，评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率相同的情必须在信号辐射功率相同的情况下况下才能比较。才能比较。对单个光电探测器，其对单个光电探测器，其S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关关。如果入射辐射强，接收面积大，。如果入射辐射强，接收面积大，S/N就大，但性能不一定就好。就大，但性能不一定就好。因此用因此用S/N评价器件有一定的评价器件有一定的局限性局限性。第三十九页，讲稿共五十八页哦噪声等效功率噪声等效功率(NEP)(NEP)定定义义：信信号号功功率率与与噪噪声声功功率率之之比比为为1(即即SN1)时时，入入射射到探测器上的到探测器上的辐射通量辐射通量(单位为瓦单位为瓦)：一个良好的探测器件的一个良好的探测器件的NEPNEP约为约为1010-11-11W W。NEPNEP越小，噪声越小，越小，噪声越小，器件的性能越好器件的性能越好 应指明测量条件，如应指明测量条件，如光谱分布光谱分布、频率、温度等。频率、温度等。第四十页，讲稿共五十八页哦4 4探测率探测率D D与比探测率与比探测率D D*lNEPNEP愈愈小小，探探测测性性能能愈愈好好，但但只只用用NEPNEP无无法法比比较较两两个个不不同同来源的光探测器来源的光探测器的优劣。的优劣。l两个新性能参数：两个新性能参数：探测率探测率D D和比探测率和比探测率D*D*探测率探测率D D定义为定义为NEPNEP的倒数：的倒数：l它它描描述述的的是是：光光电电探探测测器器在在它它的的噪噪声声电电平平之之上上产产生生一一个个可可观观测测电电信信号号的的本本领领，即即光光电电探探测测器器能能响响应应的的入入射射光光功功率率越越小小，则其探测率越高。则其探测率越高。l探测率探测率D D与与光敏面积光敏面积A Ad d、测量带宽测量带宽有关。有关。第四十一页，讲稿共五十八页哦2 2）比探测率比探测率D*D*探探测测器器的的噪噪声声电电压压与与探探测测器器的的光光敏敏面面积积的的平平方方根根成成正正比，与测量带宽的平方根成正比比，与测量带宽的平方根成正比。为为了了能能方方便便地地对对不不同同来来源源的的光光电电探探测测器器进进行行比比较较，将将V Vn n除除以以 ，则则D D就就与与A Ad d和和带带宽宽无无关关了了，也也就就是是归归一一化化到到测测量量带带宽宽为为1Hz1Hz、光光探探测测器器光光敏敏面面积积为为1cm1cm2 2。这这种种归归一一化化的的探测率一般称为比探测率，通常用探测率一般称为比探测率，通常用D D*表示表示:第四十二页，讲稿共五十八页哦5.5.光谱响应光谱响应n定义：定义：不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的响应率响应率和和比探测率比探测率等特性参量等特性参量随随光辐射波长光辐射波长变化变化。n单色灵敏度（响应率）和单色探测率单色灵敏度（响应率）和单色探测率峰值波长。峰值波长。n光子探测器光子探测器的光谱响应与波长有关的光谱响应与波长有关截止波长。截止波长。n热探测器热探测器光谱响应与光谱响应与波长无关波长无关，与辐射功率有关。，与辐射功率有关。第四十三页，讲稿共五十八页哦 6 6.响应速度响应速度 n响应时间是描述光电探测器对入射响应时间是描述光电探测器对入射辐射辐射响应快慢响应快慢的一个参数。的一个参数。n光电探测器光电探测器输出上升到稳定值输出上升到稳定值或或下降下降到照射前的值到照射前的值所需时间称为响应时间，所需时间称为响应时间，用用时间常数时间常数 来表示。来表示。把从把从1010上升到上升到9090峰值峰值处所需的时间处所需的时间称为探测器的称为探测器的上升时间上升时间，而把从，而把从9090下降下降到到1010处所需的时间称为处所需的时间称为下降时间下降时间。44第四十四页，讲稿共五十八页哦频率响应频率响应l入入射射光光辐辐射射的的频频率率对对光光电电探探测测器器的的响响应应将将会会有有较较大大的的影影响响。光光电电探探测测器器的的响响应应随随入入射射辐辐射射的的调调制制频频率率而而变变化化的的特特性性称称为为频频率率响响应应。对对光光子子探探测器，其频率响应特性相当于低通滤波器，探测器响应率：测器，其频率响应特性相当于低通滤波器，探测器响应率：l 为频率是为频率是 时的响应度；时的响应度；lR0为频率是零时的响应度；为频率是零时的响应度；l为探测器响应时间。为探测器响应时间。l当当 时，可得放大器时，可得放大器的的上限截止频率上限截止频率 l时间常数时间常数决定了光电探测器频率响应决定了光电探测器频率响应的带宽。的带宽。45第四十五页，讲稿共五十八页哦例例：已已知知某某探探测测器器的的面面积积为为34cm34cm2 2，D*=10D*=101111cmHzcmHz1/21/2w w-1-1，光光电电仪仪器器的的带带宽宽为为300Hz300Hz，该该仪仪器器所所能能探探测测的的光光辐辐射射的的最最小小辐辐射射功功率率？解：由解：由D*D*的定义：的定义：当当Vs/VVs/VN N=1=1时，得到最小探测功率，时，得到最小探测功率，所以：所以：其中：其中：A Ad d=34cm=34cm2 2，D*=10D*=101111cmHzcmHz1/21/2w w-1-1，=300Hz=300Hz代代入入，得得该该仪仪器器所所能能探探测测的的光光辐辐射射的的最最小小辐辐射射功功率率minmin=610=610-1010W W第四十六页，讲稿共五十八页哦2.3 光电探测器的噪声光电探测器的噪声噪声问题噪声问题光电探测系统是光信号变换、传输及处理的系统。系统光电探测系统是光信号变换、传输及处理的系统。系统在工作时，总会受到一些无用信号的干扰，这些非信号在工作时，总会受到一些无用信号的干扰，这些非信号的成分统称为的成分统称为噪声噪声。例如例如 1 1）光电变换）光电变换器件器件中光电子随机起伏的干扰；中光电子随机起伏的干扰；2 2）辐射光场在传输过程中受到）辐射光场在传输过程中受到通道通道的影响的影响 3 3）背景光背景光的干扰；的干扰；4 4）放大器放大器引入的噪声干扰等。引入的噪声干扰等。第四十七页，讲稿共五十八页哦一、光电系统中的噪声一、光电系统中的噪声任何叠加在信号上的不希望的随机扰动或干扰统称为任何叠加在信号上的不希望的随机扰动或干扰统称为噪声。这些干扰及扰动主要来自两方面：噪声。这些干扰及扰动主要来自两方面：n被研究系统的被研究系统的外部外部n被研究系统被研究系统内部内部探测器探测器噪噪 声声光子噪声光子噪声电路噪声电路噪声48第四十八页，讲稿共五十八页哦n 噪声影响对信号特别是噪声影响对信号特别是微弱信号微弱信号的正确探测。的正确探测。n一个光电探测系统的一个光电探测系统的极限探测能力极限探测能力往往由探测系统的噪往往由探测系统的噪声所限制。声所限制。所以在光电检测系统中，如何减小和消除噪声是十分所以在光电检测系统中，如何减小和消除噪声是十分重要的问题。重要的问题。第四十九页，讲稿共五十八页哦噪声的度量噪声的度量n噪噪声声是是一一种种随随机机信信号号，它它实实质质上上就就是是物物理理量量围围绕绕其其平平均均值值的的涨涨落落现现象象。任任何何一一个个宏宏观观测测量量的的物物理理量量都都是是微微观观过过程程的的统统计计平平均均值值。研研究究噪噪声声一一般般采采用用长长周周期期测测定定其其均均方方值值(即即噪噪声声功功率率)的的方方法法，在在数数学学上上即即用用随随机量的起伏方差来计算。机量的起伏方差来计算。对对于于平平稳稳随随机机过过程程，采采用用先先计计算算噪噪声声电电压压(电电流流)的的平平方方值值，然然后后将将其其对时间作平均，来求噪声电压对时间作平均，来求噪声电压(电流电流)的均方值，即：的均方值，即：上式表示噪声电压上式表示噪声电压(电流电流)消耗在消耗在11电阻电阻上的平均功率通称为噪声功率。上的平均功率通称为噪声功率。第五十页，讲稿共五十八页哦三、光电探测器噪声三、光电探测器噪声在光电探测器中在光电探测器中固有噪声固有噪声主要有：主要有：n热噪声热噪声n散粒噪声散粒噪声n产生复合噪声产生复合噪声(g(gr r噪声噪声)n温度噪声温度噪声n 噪声。噪声。第五十一页，讲稿共五十八页哦1.1.热噪声热噪声1 1）产生原因产生原因热热噪噪声声是是由由耗耗散散元元件件中中电电荷荷载载流流子子的的随随机机热热运运动动引引起起的的。任任何何一一个个处处于于热热平平衡衡条条件件下下的的电电阻阻，即即使使没没有有外外加加电电压，也都有一定量的噪声。压，也都有一定量的噪声。ABAB两两极极间间的的电电阻阻为为R R，在在绝绝对对温温度度T T时时，体体内内的的电电子子处处于于不不断断的的热热运运动动中中，是是一一团团毫毫无无秩秩序序可可言言的的电电子运动。子运动。ABS第五十二页，讲稿共五十八页哦2 2）度量度量n这一电压涨落直到这一电压涨落直到19281928年才为琼斯年才为琼斯(Johnson)(Johnson)的实验所的实验所证实。同时奈奎斯持证实。同时奈奎斯持(Nyquist)(Nyquist)推导出推导出热噪声功率热噪声功率为：为：式中式中k为玻尔兹曼常量，为玻尔兹曼常量，为测量带宽。为测量带宽。n如用如用噪声电流噪声电流表示则为表示则为第五十三页，讲稿共五十八页哦n通常也用通常也用热噪声电流热噪声电流(电压电压)均方根均方根值来进行计算：值来进行计算：n热热噪噪声声属属于于白白噪噪声声频频谱谱，一一般般说说来来，高高端端极极限限频频率率为：为：fH015kT1013Hz在室温下在室温下(T290k)，fH61012Hz，一般电子学系一般电子学系统工作频率远低于该值，故热噪声为白噪声频谱。统工作频率远低于该值，故热噪声为白噪声频谱。第五十四页，讲稿共五十八页哦n例例如如：室室温温条条件件下下R R1k1k的的电电阻阻，在在 1Hz1Hz带带宽宽内内的的均均方根热噪声电压值约为方根热噪声电压值约为4nV4nV；n若若工工作作带带宽宽为为500kHz500kHz的的系系统统，放放大大器器增增益益为为10104 4，则则在在放放大大器输出端的热噪声均方根电压约器输出端的热噪声均方根电压约28mV28mV。n在在微弱信号探测微弱信号探测中，是一个不可忽视的量。中，是一个不可忽视的量。？如何减小热噪声如何减小热噪声光电探测系统的一个重要问题光电探测系统的一个重要问题1 1）热噪声功率与探测器工作温度）热噪声功率与探测器工作温度T T的有关的有关制冷制冷。特别是。特别是对一些红外探测器，为了降低噪声，往往将探测器放置于对一些红外探测器，为了降低噪声，往往将探测器放置于液氦（液氦（4K4K）、液氮（）、液氮（77K77K）的深冷状态。）的深冷状态。2 2）在满足信号不失真的条件下，尽量）在满足信号不失真的条件下，尽量缩短工作频带缩短工作频带。第五十五页，讲稿共五十八页哦2 2散粒噪声散粒噪声1 1）产生原因）产生原因探探测测器器的的散散粒粒噪噪声声是是由由于于探探测测器器在在光光辐辐射射作作用用或或热热激激发发下下，光光电电子子或或光光生生载载流流子子的的随随机机产产生生所所造造成成的的。由由于于随随机机起起伏伏是一个一个的带电粒子或电子引起的，所以称为散粒噪声。是一个一个的带电粒子或电子引起的，所以称为散粒噪声。存在于存在于光电子发射器件光电子发射器件、光生伏特器件光生伏特器件。第五十六页，讲稿共五十八页哦2 2）度量度量以以电电子子管管为为例例，电电子子管管阴阴极极任任一一短短时时间间内内发发射射出出来来的的电电子子绝绝不不会会总总是是等等于于平平均均数数，而而是是围围绕绕这这一一平平均均数数有有一一涨涨落落。从从涨涨落落的的均均方方偏偏差差可可求求出出散散粒噪声功率为：粒噪声功率为：式中式中e e为电子电荷，为电子电荷，为探测器工作带宽。为探测器工作带宽。在无光照时的暗电流噪声功率为：在无光照时的暗电流噪声功率为：对于由光场作用的光辐射散粒噪声：对于由光场作用的光辐射散粒噪声：式中式中I IP P为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。3 3）特性特性l散粒噪声也是散粒噪声也是白噪声白噪声，与频率无关与频率无关，l热噪声起源于热噪声起源于热平衡条件下电子的粒子性热平衡条件下电子的粒子性，因而依赖于，因而依赖于kTkT，而散粒，而散粒噪声噪声直接起源于电子的粒子性直接起源于电子的粒子性，因而与，因而与e e直接有关。直接有关。第五十七页，讲稿共五十八页哦3 3产生产生复合噪声复合噪声1 1）产生原因产生原因 n半半导导体体中中由由于于载载流流子子产产生生与与复复合合的的随随机机性性而而引引起起的的平平均均载载流流子子浓浓度度的的起起伏伏所所产产生生的的噪噪声声称称为为产产生生复复合合噪噪声声，亦亦称称g-r噪声噪声(generationrecombination noise)。n g-r噪声主要存在于光电导探测器中。噪声主要存在于光电导探测器中。n g-r噪噪声声与与前前面面介介绍绍的的散散粒粒噪噪声声本本质质是是相相同同的的，都都是是由由于于载载流流子子数数随随机机变变化化所所致致，所所以以有有时时把把这这种种载载流流子子产产生生和和复复合的随机起伏引起的噪声归并合的随机起伏引起的噪声归并为散粒噪声。为散粒噪声。第五十八页，讲稿共五十八页哦