第四章 光辐射探测优秀课件.ppt

第四章 光辐射探测第1页，本讲稿共36页一、积分灵敏度一、积分灵敏度R灵灵敏敏度度也也常常称称作作响响应应度度，它它是是光光电电探探测测器光电转换特性的量度。器光电转换特性的量度。光光电电流流 （或或光光电电压压u）和和入入射射光光功功率率P之之间间的的关关系系 称称为为探探测测器器的的光光电电特性。特性。第2页，本讲稿共36页灵敏度灵敏度R定义为这个曲线的斜率：定义为这个曲线的斜率：Ri电流灵敏度（积分电流灵敏度）Ru电压灵敏度（积分电压灵敏度）第3页，本讲稿共36页二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R 相对光谱灵敏度：光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要。光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要。参见教材114面图4-6。如果是 常数，则相应的探测器为无选择性探测器，如：光热探测器；反之，则为选择性探测器，如光子探测器。是指 的最大值，对应的波长称为峰值波长。第4页，本讲稿共36页三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf（响应频率fc和响应时间 ）如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流 将随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf。探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。第5页，本讲稿共36页四、量子效率四、量子效率 光谱量子效率：量子效率表示探测器吸收的光子数和激发的电子书之比。第6页，本讲稿共36页五、通量阈五、通量阈Pth和噪声等效功率和噪声等效功率NEP 通量阈探测器所能探测的最小光信号功率第7页，本讲稿共36页噪声等效功率NEP单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为：第8页，本讲稿共36页六、归一化探测度六、归一化探测度D*(读作读作D星星)探测度D：探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响大。探测器的噪声功率 探测器的噪声功率 第9页，本讲稿共36页定义归一化探测度：给出D*值时注明响应波长、光辐射调制频率f及测量带宽f,即D*(,f,f)。第10页，本讲稿共36页七、其它参量七、其它参量 光电探测器还有其它一些参量，在使用时必须注意到。主要的有：光敏面积、探测器电阻、电容、工作电压、工作电流、温度、光照功率范围等。第11页，本讲稿共36页4.3 光电探测器的噪声 第12页，本讲稿共36页主要分为主要分为:有形噪声和无规噪声有形噪声和无规噪声 前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种无半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种无规则起伏施加给有用信号。规则起伏施加给有用信号。起伏噪声对有用信号的影响。起伏噪声对有用信号的影响。假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变放大假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变放大量的理想放大器。量的理想放大器。一、噪声的概念一、噪声的概念 第13页，本讲稿共36页 当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形弦变化的信号电压波形。降低入射光功率时，增大放大率，发现正弦电降低入射光功率时，增大放大率，发现正弦电压信号上出现许多无规起伏，使正弦信号变得模糊压信号上出现许多无规起伏，使正弦信号变得模糊不清不清(图图(b)。再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小，再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小，而杂乱无章的变化愈来愈大。最后只剩下了无规则而杂乱无章的变化愈来愈大。最后只剩下了无规则的起伏，完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完的起伏，完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完全埋没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光全埋没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。信号的能力。探探测测器器放放大大器器示波器示波器(a)(b)(c)光光第14页，本讲稿共36页从上面讨论中，我们应该建立这样的观念：从上面讨论中，我们应该建立这样的观念：上述现象并不是探测器不好所致。上述现象并不是探测器不好所致。它是探测器所固有的不可避免的现象它是探测器所固有的不可避免的现象。任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端总存任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。的反映。从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。第15页，本讲稿共36页 二、噪声的描述二、噪声的描述 噪声电压随时间无规则起伏情况。噪声电压随时间无规则起伏情况。显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。然而，然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述噪声本身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述。长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。)(tun)0(g)(tgtt00(a)(b)第16页，本讲稿共36页但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时间的平均但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时间的平均值，再开方，就得到所谓值，再开方，就得到所谓方均根噪声电压方均根噪声电压un，即，即这正是这正是我们用电压表所测量到的那种有效电压我们用电压表所测量到的那种有效电压。虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，但其方均根电压却具有但其方均根电压却具有确定值。确定值。这就是噪声电压这就是噪声电压(噪声电流也一样噪声电流也一样)服从统计规律的反映。服从统计规律的反映。由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这些因素又彼此独立，由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这些因素又彼此独立，所以所以总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和，即，即 第17页，本讲稿共36页为此，为此，把探测器输出的方均根噪声电压把探测器输出的方均根噪声电压(电流电流)称为探测器的噪声电压称为探测器的噪声电压(电流电流)。显然，探测噪声的存在，就使得探测器对光信号的探测本领受到一个限显然，探测噪声的存在，就使得探测器对光信号的探测本领受到一个限制。制。所以定量估计探测器的噪声大小就显得很重要了。所以定量估计探测器的噪声大小就显得很重要了。由于许多时域问题往往在频域中讨论可能更为方便，方法是由于许多时域问题往往在频域中讨论可能更为方便，方法是付里叶付里叶变换变换。若噪声电压为若噪声电压为un(t)，则其付里叶变换对为，则其付里叶变换对为第18页，本讲稿共36页成立的条件是成立的条件是un(t)绝对可积，即绝对可积，即显然，无限延续的噪声电压并不能满足上式。显然，无限延续的噪声电压并不能满足上式。因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。为了克服这个困难，但还要使用付里叶变换的方法，办法是引入噪声为了克服这个困难，但还要使用付里叶变换的方法，办法是引入噪声电压的自相关和功率谱。电压的自相关和功率谱。第19页，本讲稿共36页自相关定义为：自相关定义为：意思是对噪声电压进行相关运算并求时间平均值。意思是对噪声电压进行相关运算并求时间平均值。显然它满足绝对可积条件，因而它的变换谱存在，即显然它满足绝对可积条件，因而它的变换谱存在，即在自相关定义中，令在自相关定义中，令t0，则，则)0(g)(tgt0第20页，本讲稿共36页式中式中 表示噪声电压平方的平均值，表示噪声电压平方的平均值，它的物理意义：它的物理意义：噪声电压消耗在噪声电压消耗在1电阻上的平均功率电阻上的平均功率。同样，在同样，在(3)式中令式中令t0，则有：，则有：式中使用了式中使用了 的关系。的关系。为了表述得更清楚一些，还可以从为了表述得更清楚一些，还可以从(4)式出发，并令式出发，并令再应用付里叶变换对，可以证明：再应用付里叶变换对，可以证明：第21页，本讲稿共36页比较比较(5)和和(6)式，就有式，就有 或或它们是单位频带噪声电压消耗在它们是单位频带噪声电压消耗在1电阻上的平均功率，称为电阻上的平均功率，称为噪声电压噪声电压的功率谱的功率谱。实际上，探测器的测量带宽是有限的，用实际上，探测器的测量带宽是有限的，用f表示，那么当表示，那么当g(f)常数常数(这种噪声又称为白噪声这种噪声又称为白噪声)时时:于是，于是，求噪声求噪声 或或Vn的问题就转化为求解噪声功率谱的问题就转化为求解噪声功率谱g(f)的问题了的问题了.第22页，本讲稿共36页三、光电探测器的噪声源三、光电探测器的噪声源 依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散散粒噪声、产生粒噪声、产生复合噪声、热噪声复合噪声、热噪声和和低频噪声低频噪声。是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在免地与信号同时出现。尤其在信号较弱信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。影响信号探测的准确性。第23页，本讲稿共36页 按噪声产生的原因，可分为以下几类按噪声产生的原因，可分为以下几类 噪声噪声 外部原因外部原因 内部原因内部原因 人为噪声人为噪声 自然噪声自然噪声散粒噪声散粒噪声 产生复合噪声产生复合噪声 光子噪声光子噪声 热噪声热噪声 低频噪声低频噪声 温度噪声温度噪声 放大器噪声放大器噪声 第24页，本讲稿共36页1.散粒噪声：散粒噪声：无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏（以光无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏（以光电子发射为例）。电子发射为例）。由于由于起伏单元是电子电荷量起伏单元是电子电荷量e，故称为，故称为散粒噪声散粒噪声，这种噪声存在于，这种噪声存在于所所有有光电探测器中。光电探测器中。热激发散粒方均噪声电流为热激发散粒方均噪声电流为其有效值为其有效值为相应的噪声电压为相应的噪声电压为如果探测器具有内增益如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以，则上式还应乘以M。光电探测器是依靠内场把电子光电探测器是依靠内场把电子空穴对分开，空穴对电流贡献不大，空穴对分开，空穴对电流贡献不大，主要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器主要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器 第25页，本讲稿共36页2.产生复合噪声产生复合噪声 对光电导探测器，载流子热激发是电子对光电导探测器，载流子热激发是电子空穴对。电子和空穴在空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。程本身也是随机的。因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生和复合两个因素，取名为产生复合散粒噪声，简称为产生复合散粒噪声，简称为产生复复合噪声，记为合噪声，记为Ig-r和和Vg-r即即M是光电导的内增益。是光电导的内增益。第26页，本讲稿共36页3.光子噪声光子噪声 以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为热激发直流电流热激发直流电流Id为零。为零。由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随际上是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。机的。因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光子起伏，故称为即散粒噪声。因为这里强调光子起伏，故称为光子噪声光子噪声。它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大。于是我们只要把子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大。于是我们只要把id用用ib和和is代替，即可得到光子噪声的表达式。代替，即可得到光子噪声的表达式。第27页，本讲稿共36页即光子散粒噪声电流即光子散粒噪声电流这适用于光电发射和光伏情况，如果有内增益，则再乘以这适用于光电发射和光伏情况，如果有内增益，则再乘以M。而光电子产生而光电子产生复合噪声复合噪声 这里这里ib和和is又可用光功率又可用光功率Pb和和Ps表示出来表示出来 考虑到考虑到id、ib和和is的共同作用，光电探测器的总散粒噪声可统一表示的共同作用，光电探测器的总散粒噪声可统一表示为为第28页，本讲稿共36页总散粒噪声可统一表示为总散粒噪声可统一表示为S=2 (光电发射和光伏光电发射和光伏)或或S=4 (光电导光电导)M内增益系数内增益系数(无内增益无内增益=1)B (测量带宽测量带宽)第29页，本讲稿共36页4.热噪声热噪声 电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动势。势。这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声热噪声，或，或称为称为约翰逊（约翰逊（Johnson）噪声）噪声。热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。可以证明，单个电子的噪声贡献为可以证明，单个电子的噪声贡献为 第30页，本讲稿共36页 K是波尔兹曼常数，是波尔兹曼常数，T为绝对温度，为绝对温度，m是电子质量，是电子质量，0为电子的平均碰撞时间为电子的平均碰撞时间。浓度为浓度为n，体积，体积VAd的电阻样品中共有的电阻样品中共有nV个电子，个电子，它们产生电流脉冲的个数等于电子平均碰撞的个数，它们产生电流脉冲的个数等于电子平均碰撞的个数，由固体物理得知由固体物理得知，电阻样品的电阻值，电阻样品的电阻值 为为于是噪声功率谱为于是噪声功率谱为第31页，本讲稿共36页由由电阻电阻R的热噪声电流为的热噪声电流为 相应的热噪声电压为相应的热噪声电压为有效噪声电压和电流分别为有效噪声电压和电流分别为一个电阻一个电阻R在其噪声等效电路中，可以等效为电阻在其噪声等效电路中，可以等效为电阻R与一个电压源与一个电压源Un的的串联，也可以等效为电阻串联，也可以等效为电阻R与一个电流源与一个电流源In相并联，如图所示。相并联，如图所示。VnRInRAdx第32页，本讲稿共36页5.1/f 噪声噪声 1/f 噪声又称为噪声又称为闪烁或低频噪声闪烁或低频噪声。这种噪声是由于这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀光敏层的微粒不均匀或或不必要的微量杂质的存在不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称成反比，故称为低频噪声或为低频噪声或1/f 噪声。噪声。实验发现，探测器表面的工艺状态实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等缺陷或不均匀等)对这种噪对这种噪声的影响很大，所以有时也称为声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声表面噪声或过剩噪声。第33页，本讲稿共36页1/f 噪声的经验规律为噪声的经验规律为：式中，式中，Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数；系数；为系数，它与流过元件的电流有关，其值通常取为系数，它与流过元件的电流有关，其值通常取2；为与元件材料性质有关的系数，其值在为与元件材料性质有关的系数，其值在0.81.3之间，大部分之间，大部分材料的材料的值取；值取；与元件阻值有关，一般在与元件阻值有关，一般在1.41.7之间。之间。一般说，只要限制低频端的调制频率不低于一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1千赫兹，这种噪声就可以千赫兹，这种噪声就可以防止。防止。第34页，本讲稿共36页.温度噪声温度噪声 它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在热探测器件中必须考虑温它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在热探测器件中必须考虑温度噪声的影响。度噪声的影响。当材料的温度发生变化时，由于有温差当材料的温度发生变化时，由于有温差T的存在，因而引起材的存在，因而引起材料有热流量的变化料有热流量的变化，这种热流量的变化导致产生物体的，这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。温度噪声。温度为温度为T的物体的热流量噪声方均值为的物体的热流量噪声方均值为A为为传热面积传热面积；h为为传热系数传热系数，其单位为，其单位为W/(m2K)；k为玻耳兹曼常为玻耳兹曼常数；数；T为材料温度；为材料温度；f为为通带宽度通带宽度。第35页，本讲稿共36页 温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上有一定的差别，主要温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上有一定的差别，主要区别在于：区别在于：对于热噪声，材料的温度对于热噪声，材料的温度T一定，引起粒子随机性波动，从而产生了一定，引起粒子随机性波动，从而产生了随机性电流随机性电流 ；对于温度噪声，材料温度有变化对于温度噪声，材料温度有变化T，从而导致热流量的变化，从而导致热流量的变化，此变化就表示了温度噪声的大小。，此变化就表示了温度噪声的大小。第36页，本讲稿共36页