光电探测器概述.ppt

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1、光电探测器概述现在学习的是第1页，共32页光辐射测量方法光辐射测量方法人眼人眼照片照片胶片胶片光电探测器光电探测器光探测器光探测器一、前言一、前言 光探测器定义光探测器定义把光辐射转换成另一种便于测量的物理量的器把光辐射转换成另一种便于测量的物理量的器件。件。现在学习的是第2页，共32页 由于电量是最便于测量和处理的量，将由于电量是最便于测量和处理的量，将光转换成电量便于提高精确度。光转换成电量便于提高精确度。转换转换产生了产生了光电探测器光电探测器D（detector）电量电量光辐射量光辐射量光电探测器定义光电探测器定义把把光辐射光辐射转换成转换成电量电量（I I或或V V）的光探测器）的光

2、探测器现在学习的是第3页，共32页 因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应 1905年爱因斯坦发表的相对论而闻名于世 1925年他获得诺贝尔奖是因发现光电效应现在学习的是第4页，共32页光热效应光热效应D光子效应光子效应D金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应料表面逸出的现象，也称为外光电效应 热释电热释电 温差电温差电 测辐射热测辐射热 当光照物体时，光电子不逸出体外的光当光照物体时，光电子不逸出体外的光电效应称为内光电效

3、应电效应称为内光电效应单个光子直接对产生光电子起作用的光电效应单个光子直接对产生光电子起作用的光电效应光照使材料产生产生光生电动势光照使材料产生产生光生电动势 光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而把吸收的光能转变为晶部电子状态的改变，而把吸收的光能转变为晶格热运动，引起探测元件温度上升；温升使探格热运动，引起探测元件温度上升；温升使探测元件的电学性质发生变化测元件的电学性质发生变化光光电电探探测测器器外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 光电发射效应光电发射效应 光电导光电导光敏电阻、光导

4、管光敏电阻、光导管 光生伏特光生伏特 光电池、光电二极管光电池、光电二极管 热敏电阻、测辐射热计热敏电阻、测辐射热计 热电偶，热电堆热电偶，热电堆 热释电探测器热释电探测器 当光照射到物体上使物体向真空当光照射到物体上使物体向真空中发射电子中发射电子 光照使材料的电导率发生变化光照使材料的电导率发生变化 光子效应光子效应D现在学习的是第5页，共32页光子效应光子效应 单个光子直接对产生光电子起作用的光电效应单个光子直接对产生光电子起作用的光电效应 光子光子h 光电子光电子e特点特点 光子与电子相互作用，对光波频率吸收有选择性光子与电子相互作用，对光波频率吸收有选择性 响应速度快响应速度快现在学

5、习的是第6页，共32页光热效应光热效应 探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而把吸收的光能转变为晶格热运动，引起探态的改变，而把吸收的光能转变为晶格热运动，引起探测元件温度上升；温升使探测元件的电学性质发生变化测元件温度上升；温升使探测元件的电学性质发生变化。 物理机理：热积累物理机理：热积累 温度温度 材料电学性质变材料电学性质变化化 特点特点 对光波频率的吸收无选择性对光波频率的吸收无选择性 响应速度慢（但热释电响应速度慢（但热释电D响应快）响应快）现在学习的是第7页，共32页 光电探测器实现光电转换过程。 （光辐射量转

6、换成光电流量）光电探测器光电探测器光辐射量光辐射量 输入输入 输出输出 光电流量光电流量 现在学习的是第8页，共32页 光通量光通量（t t） P(t)P(t) 光能量光能量 E E 光通量（功率）光通量（功率） dtdnhdtdEtPo)( 光生电荷量光生电荷量 Q 光电流光电流dtdnedtdQtie)(（1） （2） 输入的光子数输入的光子数输出的光电子数输出的光电子数现在学习的是第9页，共32页 （2）（1）得hvedtdndtdnhvetPtidtdndtdnoeoe)/()()(令)()(tPhveti光电转换定律光电转换定律量子效率量子效率令令: :光电转换因子光电转换因子D=D

7、=he现在学习的是第10页，共32页结论结论 光电探测器对入射光通量（功率）有光光电探测器对入射光通量（功率）有光电流输出，所以探测器可视为电流源。电流输出，所以探测器可视为电流源。 因为光通量因为光通量P(t)P(t)正比于光电场的平方，正比于光电场的平方，故称光电探测器为平方律探测器故称光电探测器为平方律探测器（非线性（非线性器件）器件）。现在学习的是第11页，共32页 设计光电探测系统时，应该选择什么光电探测器呢？依据之一是光电探测器的性能参量。 如在卫星上，要求探测器灵敏度高、功率低、重量轻。 在通信中,要求响应速度快、噪声低、可靠性高。现在学习的是第12页，共32页1光电特性光电特性

8、: I(t) 光电流F(P) 光通量2光谱特性光谱特性: :I(t) 光电流F()入射光波长4 4伏安特性伏安特性: : I(t)光电流F()电压3 3频率特性频率特性: : I(t) 光电流F(f)入射光调制频率2. 2. 电路的通频带和带宽电路的通频带和带宽: :描述探测器的性能时描述探测器的性能时, ,必须明确通频带和带宽必须明确通频带和带宽3 3偏置情况偏置情况: :大多数探测器需要偏置电压大多数探测器需要偏置电压, ,需要说明偏置情况需要说明偏置情况4. 4. 工作温度工作温度5. 5. 光敏面尺寸光敏面尺寸1 1辐射源的光谱分布辐射源的光谱分布: :说明探测器的性能时说明探测器的性

9、能时, ,需要给出所用辐射源的光谱分布需要给出所用辐射源的光谱分布现在学习的是第13页，共32页1. 响应率响应率(Responsivity)RV或或RI表征探测器将入射光信号转换成电信号的能力 电流的响应率RI探测器将入射光信号转换成电流信号Ie的能力。)/()()(WVtPtVdPdueeV线性区内)/()()(WAtPtidPdieeI线性区内电压响应率R RV：探测器将入射光信号转换成电压信号Ve的能力。现在学习的是第14页，共32页2.2.单色灵敏度单色灵敏度R - 波长为波长为 的单色辐射源的单色辐射源 单色灵敏度单色灵敏度: :输出的光电流输出的光电流i与波长为与波长为的入射到探

10、的入射到探测器的单色辐射光通量测器的单色辐射光通量P P（或照度）之比（或照度）之比)/()/(lmAorWAPi若若 为常数为常数无选择性探测器（光热探测器）无选择性探测器（光热探测器）若若 不为常数不为常数选择性探测器（光子探测器）选择性探测器（光子探测器）探测器理想光谱响应曲线图探测器理想光谱响应曲线图-光谱响应度（光谱响应度（描述光电器件对单色辐射的响应能力）描述光电器件对单色辐射的响应能力）现在学习的是第15页，共32页现在学习的是第16页，共32页表示探测器对连续入射光辐射的反应灵敏程度表示探测器对连续入射光辐射的反应灵敏程度3.3.积分灵敏度积分灵敏度 - 复色辐射源复色辐射源对

11、于包含有各种波长的辐射光源，总的光通量为对于包含有各种波长的辐射光源，总的光通量为光电器件输出的总的光电流（不同辐射源引起）光电器件输出的总的光电流（不同辐射源引起） 1- 短波限；短波限； 0- 长波限长波限现在学习的是第17页，共32页电流积分灵敏度电流积分灵敏度 - 输出的电流与入射的总的光辐射通量之比输出的电流与入射的总的光辐射通量之比- 相对光谱响应表示相对光谱响应表示 光谱光谱响应响应 - 光谱响应度光谱响应度R 随波长的变化关系随波长的变化关系以最大以最大光谱响应为基准光谱响应为基准来表示各波长的响应来表示各波长的响应 光谱响应光谱响应宽度宽度 - 以峰值以峰值响应的响应的50%

12、之间的波长之间的波长范围定义范围定义现在学习的是第18页，共32页- 描述光电器件对入射辐射响应快描述光电器件对入射辐射响应快慢的参数慢的参数 4. 4. 响应时间响应时间 - 当入射辐射当入射辐射到光探测器上或入射辐射遮断后，光到光探测器上或入射辐射遮断后，光探测器上的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所探测器上的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间需要的时间时间常数时间常数 - 衡量衡量响应从稳态值的响应从稳态值的10%上升到上升到90%所用所用的时间的时间 - 上升时间上升时间tr响应从稳态值的响应从稳态值的90%下降到下降到10%所用所用的时间的时间 - 下降时间下降时间tf

13、现在学习的是第19页，共32页光电探测器信号的产生和消失存在滞后过程光电探测器信号的产生和消失存在滞后过程 5. 5. 频率响应度频率响应度 - 入射光辐射的频率对入射光辐射的频率对光电探测器件的响应会有较大影响光电探测器件的响应会有较大影响光电器件光电器件的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性 - 频率响频率响应应R0 - 器件在零频时的响应度；器件在零频时的响应度； =2 f为信号的调制圆频率；为信号的调制圆频率； f为调为调制频率；制频率； 为响应时间为响应时间上限截止频率上限截止频率fc - 输出信号功输出信号功率降到零频时的一半（信号幅度率降到零

14、频时的一半（信号幅度下降到下降到0.707）R(f)/R0=0.707现在学习的是第20页，共32页1 1、 信噪比信噪比 信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，（SSignal NNoise）21222)(SSNSiiiiNS其中比较两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较。如果入射辐射强，接吸面积大，SN就大，但性能不一定好，所以SN评价器件有一定局限性。均方根值均方根值现在学习的是第21页，共32页- 最小可测功率（输出信号电流的均方根值等于噪声均最小可测功率（输出信号电流的均方根值等于噪声均方根电流值时的入射光功率）方

15、根电流值时的入射光功率）2. 2. 噪声等效功率（噪声等效功率（NEPNEP）inIIsRINEPnsIs/In-器件输出的信噪比的平方根；器件输出的信噪比的平方根； s-入射光功率；入射光功率；Ri-光电器件的电流灵敏度；光电器件的电流灵敏度；单位：单位：W归一化噪声等效功率归一化噪声等效功率光敏元面积光敏元面积A和测量系统带宽和测量系统带宽 f2121*fARIfAIINEPinnss现在学习的是第22页，共32页Snii 因为)/()()(WAtPtissI且1)(SNRintiNEP则且当WAI/10Ain01. 0WNEP001. 0则即小于0.001W的信号光功率不能被探测器探测现

16、在学习的是第23页，共32页3. 3. 探测率与比探测率探测率与比探测率探测率探测率 - NEP 的倒数的倒数nisnsIRIINEPD1NEP 小小 - 器件性能好（衡量光电器件探测能力的指标）器件性能好（衡量光电器件探测能力的指标）（W-1）D - 描述器件在单位输入光功率下输出的信号信噪比描述器件在单位输入光功率下输出的信号信噪比归一化探测率归一化探测率-比探测率比探测率Ad-光电器件的光敏面积（光电器件的光敏面积（cm2）; f-带宽（带宽（Hz）；）；In-噪声噪声电流（电流（A）;Ri-电流灵敏度（电流灵敏度（A/W）cm Hz1/2W测量条件测量条件 - D*(500K,900,

17、1)212121*1fAIRfAIINEPfANEPDdnidsnsd现在学习的是第24页，共32页四、其它参数四、其它参数1. 1. 量子效率量子效率- 描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数（某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子与入射光子数之比）（某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子与入射光子数之比）波长为波长为 的光辐射的单个光子能量为的光辐射的单个光子能量为 h =hc/ 设入射的波长为设入射的波长为 的的辐射通量为辐射通量为 ，则入射的光子数为，则入射的光子数为 /h 相应的光电流为相应的光电流为Is，每秒产生的光电子数为，每秒产

18、生的光电子数为Is/q（q-电子电荷）电子电荷）量子效率量子效率- 微观灵敏度（统计平均量）微观灵敏度（统计平均量） （ ）=1 - 入射一个光量子就能发射一个电子入射一个光量子就能发射一个电子/产生一对电子产生一对电子空穴对（理论上）空穴对（理论上）一般一般, （ ）1 增益增益/放大倍数（有增益的光电器件）放大倍数（有增益的光电器件）现在学习的是第25页，共32页 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。 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。 非线性误差：max / ( I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差； I2 和 I1：分别为

19、线性区中最小和最大响应值。现在学习的是第26页，共32页一、噪声概念一、噪声概念 1 1定义：光电探测器在光电转换时，要受到无用定义：光电探测器在光电转换时，要受到无用信号的干扰，称为光电探测器的噪声。信号的干扰，称为光电探测器的噪声。表示信号)(tuS号传输或变换后得到的信)(tu噪声信号噪声信号 )()()(tututusn现在学习的是第27页，共32页 2分类噪声噪声人为噪声人为噪声自然干扰噪声自然干扰噪声电阻中自由电子的热运动，电阻中自由电子的热运动，真空管中电子的随机发射，真空管中电子的随机发射，半导体中载流子的半导体中载流子的随机起伏随机起伏物理系统内部物理系统内部起伏干扰噪声起伏

20、干扰噪声 无规则噪声无规则噪声 有形噪声（可以预知，可设法减小和消除）有形噪声（可以预知，可设法减小和消除）产生一复合产生一复合现在学习的是第28页，共32页 散粒噪声散粒噪声：在光辐射或热激发作用下，：在光辐射或热激发作用下，光电探测器光电子或载流子随机起伏造光电探测器光电子或载流子随机起伏造成的。成的。 散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性，对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：散粒噪大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。声具有支配地位。 现在学习的是第29页，共32页 热噪声：热噪声： 探测

21、器有一个等效电阻探测器有一个等效电阻R R时，电阻中自由时，电阻中自由电子的随机热运动将在电阻两端产生随电子的随机热运动将在电阻两端产生随机起伏的电压机起伏的电压热噪声。热噪声。 热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声白噪声现在学习的是第30页，共32页 半导体受光照，载流子不断产生-复合。 在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的 但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。 载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。现在学习的是第31页，共32页 称闪烁噪声或低频噪声。 噪声的功率近似与频率成反比 多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不或计。现在学习的是第32页，共32页