基本特性参数(30分钟).ppt

第二部分第二部分 各类光电、电光器件各类光电、电光器件第二章第二章 光电检测器件光电检测器件第一节第一节 光电检测器件的基本参数光电检测器件的基本参数光电检测器件的类型光电检测器件的类型光电检测器件是利用物质的光电效应光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件把光信号转换成电信号的器件.光电检测器件分为两大类光电检测器件分为两大类:光子光子(光电子光电子)检测器件检测器件热电检测器件热电检测器件光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点光电效应光电效应：光光照射到物体表面上使物体的照射到物体表面上使物体的电电学学特性特性发生变化发生变化光电子发射光电子发射：物体受光照后物体受光照后向外发射向外发射电子电子多多发生于金属和金属氧化物发生于金属和金属氧化物光电导效应光电导效应：半导体受光照后，半导体受光照后，内部内部产生产生光生载光生载流子，流子，使半导体中载流子数显著增加而使半导体中载流子数显著增加而电阻减少电阻减少光生伏特效应光生伏特效应：光照在半导体光照在半导体PNPN结或金属结或金属半导半导体接触上时，会在体接触上时，会在PNPN结或金属结或金属半导体接触的两侧半导体接触的两侧产生产生光生电动势光生电动势。光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强管像增强管光敏电阻光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光纤传感器光纤传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 （即（即CCD CCD）热电偶热电偶/热电热电堆堆热辐射计热辐射计/热热敏电阻敏电阻热释电探测器热释电探测器光电检测器件光电检测器件光电检测器件的特点光电检测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应响应波长有选择性波长有选择性，一般，一般有截止波长，超过该波长，有截止波长，超过该波长，器件无响应。器件无响应。响应响应波长无选择性波长无选择性，对可，对可见光到远红外的各种波长见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感的辐射同样敏感响应快，响应快，吸收辐射产生信吸收辐射产生信号需要的时间短，号需要的时间短，一般一般为纳秒到几百微秒为纳秒到几百微秒响应慢，响应慢，一般为几毫秒一般为几毫秒光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数响应特性响应特性噪声特性噪声特性量子效率量子效率线性度线性度工作温度工作温度一、响应特性一、响应特性响应度（或称灵敏度）：响应度（或称灵敏度）：是光电探是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的度量。描述的是光电探测器件的光电转光电转换效率。换效率。响应度响应度：随入射：随入射光波长光波长变化而变化变化而变化响应度：响应度：电压电压响应率和响应率和电流电流响应率响应率电压响应率：光电探测器件输出电压与电压响应率：光电探测器件输出电压与入射光功率之比。入射光功率之比。电流响应率：光电探测器件输出电流与电流响应率：光电探测器件输出电流与入射光功率之比。入射光功率之比。光谱响应度光谱响应度：探测器在波长为探测器在波长为的单的单色光照射下，输出电压或电流与入射的色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比单色光功率之比。积分响应度积分响应度：检测器对各种波长光连：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度。续辐射量的反应程度。响应时间响应时间：响应时间：响应时间是描述光电探是描述光电探测器对入射光测器对入射光响应快慢响应快慢的一个参数。的一个参数。上升时间上升时间：入射光照射到光电探测：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出从稳定值的器后，光电探测器输出从稳定值的10%上升到上升到90%所需要的时间。所需要的时间。下降时间下降时间：入射光遮断后，光电探：入射光遮断后，光电探测器输出从稳定值的测器输出从稳定值的90%下降到稳定下降到稳定值的值的10%所需要的时间。所需要的时间。频率响应频率响应：光电探测器的响应随入射：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响光的调制频率而变化的特性称为频率响应。应。由于光电探测器信号产生和消失存在由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的着一个滞后过程，所以入射光的调制频调制频率率对光电探测器的对光电探测器的响应响应会有较大的影响。会有较大的影响。光电探测器响应率与入射调制频率的关光电探测器响应率与入射调制频率的关系系 为调制频率为为调制频率为f f 时的响应率时的响应率 为调制频率为零时的响应率为调制频率为零时的响应率 为时间常数（对于为时间常数（对于RCRC回路，回路，=RC=RC）上限截止频率上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽二、噪声特性二、噪声特性光辐射的探测过程：光辐射的探测过程：检测、转换、传输、检测、转换、传输、处理等。处理等。信号：信号：有用：一般按一定的规律变化有用：一般按一定的规律变化 无用：随时间无规律变化。无用：随时间无规律变化。噪声在实际的光电探测系统中是极其噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。确探测。一个光电探测系统的一个光电探测系统的极限探测极限探测能力往往受探能力往往受探测系统的测系统的噪声噪声所限制。所限制。所以在所以在精密测量、通信、自动控制精密测量、通信、自动控制等领域，等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。减小和消除噪声是十分重要的问题。噪声的主要特性噪声的主要特性噪声的概率分布噪声的概率分布（1）高斯分布（对于连续变量如电流、电压）高斯分布（对于连续变量如电流、电压）（2）泊松分布（对于离散变量如光子数、电子数）泊松分布（对于离散变量如光子数、电子数）在一定波长的光照下光电探测器在一定波长的光照下光电探测器输输出的电信号出的电信号并不是平直的，而是在平均并不是平直的，而是在平均值上下值上下随机地起伏随机地起伏，它实质上就是物理，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。量围绕其平均值的涨落现象。用用均方值均方值来表示噪声值大小来表示噪声值大小光电探测器常见的噪声光电探测器常见的噪声一、噪声的来源一、噪声的来源探测系统：探测器件；前置放大、主放大探测系统：探测器件；前置放大、主放大电路；后处理（显示、打印等）电路；后处理（显示、打印等）噪声源：与光信号检测有关的噪声噪声源：与光信号检测有关的噪声 与电路有关的电路噪声。与电路有关的电路噪声。与光信号检测有关的噪声包括：与光信号检测有关的噪声包括：热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声 产生产生-复合噪声复合噪声 1/f 1/f噪声噪声1.1.热噪声：热噪声：载流子无规则热运动载流子无规则热运动造成的噪声造成的噪声2.2.导体或半导体中每一电子都携带着电子电导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动量作随机运动(相当于微电脉冲相当于微电脉冲)，尽管其，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声电压。I2NT=4kT f/RL 热噪声存在于任何电阻中，热噪声存在于任何电阻中，热噪声与热噪声与温度成正比温度成正比，与与频率无关，热噪声又称为频率无关，热噪声又称为白噪声。白噪声。2.2.散粒噪声散粒噪声：入射到光探测器：入射到光探测器表面表面的光子是随的光子是随机的，光电子从光电阴极机的，光电子从光电阴极表面逸出表面逸出是随机的，是随机的，PNPN结中结中通过结区通过结区的载流子数也是随机的。的载流子数也是随机的。散粒噪声散粒噪声I2Nsh=2qIDKf 散粒噪声也是散粒噪声也是白噪声，与频率无关白噪声，与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。配地位。例如光伏器件的例如光伏器件的PNPN结势垒是产生散粒噪声结势垒是产生散粒噪声的主要原因。的主要原因。3.3.产生产生-复合噪声复合噪声半导体受半导体受光照光照，载流子不断产生，载流子不断产生-复合。复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的，但在数是一定的，但在某一瞬间某一瞬间载流子的产生数载流子的产生数和复合数是和复合数是有起伏有起伏的。的。载流子载流子浓度的起伏浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。引起半导体电导率的起伏。在很低频时是在很低频时是白噪声，白噪声，其余情况：其余情况：f-2-24.1/f4.1/f噪声噪声或称闪烁噪声或低频噪声。此噪声与或称闪烁噪声或低频噪声。此噪声与半导体同电极的接触情况、内部及表半导体同电极的接触情况、内部及表面的势垒有关。面的势垒有关。噪声的功率噪声的功率近似与频率成反比近似与频率成反比多数器件的多数器件的1/f1/f噪声在噪声在200300Hz以上以上已衰减到可忽略不计。已衰减到可忽略不计。衡量噪声的参数衡量噪声的参数1.信噪比信噪比是负载电阻上信号是负载电阻上信号功率功率与噪声与噪声功率功率之比。之比。若用分贝（若用分贝（dBdB）表示，为）表示，为2.2.噪声等效功率噪声等效功率(NEP)定义：信号功率与噪声功率比为定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射时，入射到探测器件上的辐射通量通量(单位为瓦单位为瓦)。这时，投射到探测器上的。这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流），即探测器本身的噪声电压（或电流），即一般一个良好的探测器件的一般一个良好的探测器件的NEPNEP约为约为10-11W。NEPNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。越小，噪声越小，器件的性能越好。3.3.探测率与归一化探测率探测率与归一化探测率探测率探测率D D：为噪声等效功率的倒数：为噪声等效功率的倒数经过分析，发现经过分析，发现NEP与检测元件的面积与检测元件的面积Ad和放大和放大器带宽器带宽f 乘积的平方根成正比乘积的平方根成正比归一化探测率归一化探测率D D*，即，即D D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。三、量子效率三、量子效率（）量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的量子效率：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光电子数与入射光量子数之比。之比。对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1实际上，实际上，1量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。量子效率与响应度的关系量子效率与响应度的关系I/q：每秒产生的光子数每秒产生的光子数P/h：每秒入射的光子数：每秒入射的光子数四、线性度四、线性度线性度是描述光电探测器输出信号与输入线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。信号保持线性关系的程度。在某一范围内探测器的响应度是常数，称在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。这个范围为线性区。线性度线性度:max/(Ymax Y0)max：实际实际响响应应曲曲线线与与拟拟合曲合曲线线之之间间的最大的最大偏差；偏差；Ymax和和 Y0：分：分别为线别为线性区中最小和性区中最小和最大响最大响应值应值。图29-4 传感器的线性度五、工作温度五、工作温度工作温度就是指光电探测器最佳工作状态工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。时的温度。光电探测器在不同温度下，性能有变化。光电探测器在不同温度下，性能有变化。例如，半导体光电器件的长波限和峰值波例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化等。热噪声会随温度而变化等。