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1、信息探测材料信息探测材料(1)Information Detector Materials光电技术学院光电技术学院主要内容主要内容1 引言引言2 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应3 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数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1 引言引言探测器探测器:光电子系统中光电子系统中，因为光波具有容量大因为光波具有容量大、速度快速度快、保保密性好和抗干扰能力强等优点密性好和抗干扰能力强等优点，常用光波调制使光载波常用光波调制使光载波携带信息携带信息。对于光辐射的探测也显得尤为重要对于光辐射的探测也显得尤为重要。

2、把光辐把光辐射的能量变成其它能量形式射的能量变成其它能量形式（如电如电、热等热等）的信息的信息，再再通过对这些信息的测量通过对这些信息的测量，实现对光辐射的探测实现对光辐射的探测。从近代测量技术来看从近代测量技术来看，电量测量不仅是最电量测量不仅是最方便方便，而且是最精确的而且是最精确的，所以大部分光探测器所以大部分光探测器都是都是直接或间接把光辐射能量转化为电量直接或间接把光辐射能量转化为电量。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）的光探测器的光探测器2.2.光

3、电探测器的物理效应光电探测器的物理效应1 1）光电效应光电效应）光电效应光电效应指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测探测器吸收光子后器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变量的大小直接影响内部电子状态的改变。物质在光的作用下物质在光的作用下，不经升不经升温而直接引起物质温而直接引起物质 中电子运动状态发生变化中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导因而产生物质的光电导效应效应、光生伏特效应和光电子发射等现象光生伏特效

4、应和光电子发射等现象。特点特点：对光波频率表现出对光波频率表现出选择性选择性，响应速度一般比较快响应速度一般比较快。2 2）光热效应光热效应）光热效应光热效应探测元件吸收光辐射能量后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并不直接引起内部电子状态的改变，而而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升引起探测元件温度上升，温温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特特点点：原则上对光波频率没有选择性原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢响应速度一般比

5、较慢。在红外波在红外波段上段上，材料吸收率高材料吸收率高，光热效应也就更强烈光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线所以广泛用于对红外线辐射的探测辐射的探测。3 3）波相互作用效应波相互作用效应）波相互作用效应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非线性非线性光学效应光学效应，超导量子效应超导量子效应。光电效应光电效应?物质在光的作用下物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电因而产生物质的光电导效应导效应、光生伏特效应和光电子发射等现

6、象光生伏特效应和光电子发射等现象。?在理解上述定义时在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点必须掌握以下三个要点：?原因原因：是辐射是辐射，而不是升温而不是升温；?现象现象：电子运动状态发生变化电子运动状态发生变化；?结果结果：电导电导率变化率变化、光生伏特光生伏特、光电子发射光电子发射。?简单记为简单记为：辐射辐射电子运动状态发生变化电子运动状态发生变化光光电导效应电导效应、光生伏特效应光生伏特效应、光电子发射光电子发射。光对电子的直接作用是物质产生光电效应的光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因起因?光电效应的起因光电效应的起因：在光的作用下在光的作用下，当光敏物质中的当光敏物质中的电子

7、直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的脱离原子核的束缚束缚，在外电场作用下参与导电在外电场作用下参与导电，因而产生了光电因而产生了光电效应效应。?这里需要说明的是这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作如果光子不是直接与电子起作用用，而是能量被固体晶格振动吸收而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温引起固体的温度升高度升高，导致固体电学性质的改变导致固体电学性质的改变，这种情况就不这种情况就不是光电效应是光电效应，而是热电效应而是热电效应。光电效应分类光电效应分类光与物质的

8、作用实质是光子与电子的作用光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同由于物质的结构和物理性能不同，以及光和以及光和物质的作用条件不同物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应因而导致了不同的光电效应。外光电效应外光电效应光电子发射光电子发射光电效应光电效应光电导效应光电导效应内光电效应内光电效应光生伏特效应光生伏特效应丹倍效应丹倍效应光磁效应光磁效应?外光电效应外光电效应：是指物质受光照后而激发的电子逸是指物

9、质受光照后而激发的电子逸出物质的表面出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光在外电场作用下形成真空中的光电子流电子流。这种效应多发生于金属和金属氧化物这种效应多发生于金属和金属氧化物。?内光电效应内光电效应：是指受光照而激发的电子在物质内是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面电子并不逸出光敏物质表面。这种这种效应多发生于半导体内效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光内光电效应又可分为光电导效应电导效应、光生伏特效应光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效丹倍效应和光磁电效应等应等。?外光电效应和内光电效应的主要外光电效应和内光电效应的主要区别区别在于在于：受

10、光受光照而激发的电子照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子前者逸出物质表面形成光电子流流，而后者则在物质内部参与导电而后者则在物质内部参与导电。1.光电发射效应光电发射效应A光电发射原理光电发射原理?具有能量具有能量h的光子的光子，被物质被物质（金属或半导体金属或半导体）吸收吸收后激发出自由电子后激发出自由电子，当自由电子的能量足以克服物当自由电子的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质的表面时质表面势垒并逸出物质的表面时，就会产生光电子就会产生光电子发射发射，逸出电子在外电场作用下形成光电子流逸出电子在外电场作用下形成光电子流。这这就是物质的光电发射现象就是物质的光电发射现象。光电发射现象又

11、叫做外光电发射现象又叫做外光电效应光电效应。?可以发射电子的物质称为光电发射体可以发射电子的物质称为光电发射体。B 光电发射的基本定律光电发射的基本定律（1）爱因斯坦定律爱因斯坦定律（光电发射第二定律光电发射第二定律）发射体发射的光电子的最大动能发射体发射的光电子的最大动能，随入射光频率随入射光频率的增加而线性的增加的增加而线性的增加，而与入射光的强度无关而与入射光的强度无关。EhEk=E：光电发射体的功函数光电发射体的功函数221mvEk=电子离开发射体表面时的动能电子离开发射体表面时的动能（2）斯托列托夫定律斯托列托夫定律（光电发射第一定律光电发射第一定律）当入射辐射的光谱分布不变时当入射

12、辐射的光谱分布不变时，入射辐射通量越入射辐射通量越大大（携带的光子数越多携带的光子数越多），激发电子逸出光电发激发电子逸出光电发射体表面的数量也越多射体表面的数量也越多，因而发射的光电流就增因而发射的光电流就增加加，所以光电流正比于入射辐射通量所以光电流正比于入射辐射通量。：光功率P：灵敏度S)(tPheISic =：入射光强I：光电流ci：量子效率 C 光电发射长波限光电发射长波限根据爱因斯坦公式根据爱因斯坦公式式中式中 m为电子质量为电子质量；为电子逸出后的最为电子逸出后的最大速度大速度；为入射光的频率为入射光的频率；为普朗克常为普朗克常数数，其值为其值为；为光电发射体为光电发射体的逸出功

13、的逸出功。WWEhcEhmv=2max21maxv hSJ 341062.6WE截止频率截止频率截止波长截止波长chE snmsmcseVsJh/103/1031013.4106.617141534=)(24.1)(eVEmc =2.2.光电导效应光电导效应（1873年年）半导体材料受光照时半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大子浓度的增大，因而导致材料电导率增大因而导致材料电导率增大（电阻电阻减小减小）,这种现象称为这种现象称为光电导效应光电导效应。光子将在其中激发出新的载流子光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴电子和空穴)。这就使半导体中的载流

14、子浓度在原来平衡值上增加这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量了变化量n p 这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子子-光生载流子光生载流子。显然显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个这两个变化量将使半导体的电导增加一个量量，我们称之为我们称之为光电导光电导。相应和杂质半导体就分别相应和杂质半导体就分别称为称为本征光电导本征光电导和和杂质光电导杂质光电导。光电导现象光电导现象半导体材料的半导体材料的“体体”效应效应光电导过程光电导过程（1 1）光电导率光电导率：假设在辐射作用下假设在辐射作用下，由于由于吸收光子能量而产生的自由电

15、子及空穴的浓吸收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度增量分别为度增量分别为n及及p，则在光照稳定情况则在光照稳定情况下光电导体的电导率变为下光电导体的电导率变为 +=+=+=00000)()()()(pnpnpnpnepneppnne（2）本征半导体的本征半导体的光电导效应光电导效应?光照时光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光子能量大于禁带宽度时若光子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被价带中的电子被激发到导带成为自由电子激发到导带成为自由电子，同时在原来的价带中同时在原来的价带中留下空穴留下空穴，外电场作用时外电场作用时，光激发的电子空穴对光激发的

16、电子空穴对将同时参加导电将同时参加导电。从而使电导率增加从而使电导率增加。?光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是?能够激发电子的光辐射长波限为能够激发电子的光辐射长波限为gEh )(24.10mEEhcgg =是禁带宽度是禁带宽度gE（3）杂质半导体杂质半导体的的光电导效应光电导效应?N N型光电导体型光电导体，主要是光子激发施主能级中的电主要是光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去子跃迁到导带中去，电子为主要载流子电子为主要载流子，增加增加了自由电子的浓度了自由电子的浓度。?P P型光电导体型光电导体，主要是光子激发价带中的电子跃主要是光子激发

17、价带中的电子跃迁到受主能级迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合与受主能级中的空穴复合，而而在价带中留有空穴在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电作为主要载流子参加导电。增加了空穴的浓度增加了空穴的浓度。?只要光子能量满足只要光子能量满足就能激发出光生载就能激发出光生载流子流子。?相应的相应的杂质光电导体的长波限为杂质光电导体的长波限为iEh )(24.10mEEhcii =iE是杂质能带宽度是杂质能带宽度（4）光电导体的灵敏度光电导体的灵敏度?灵敏度指一定条件下灵敏度指一定条件下，单位照度引起的光电流单位照度引起的光电流。?光电导体的灵敏度指光电导体的灵敏度指 一定光强下光电导的强弱一定光强

18、下光电导的强弱。可用可用光电增益光电增益G 表示表示。（4）：量子产额量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴数即吸收一个光子所产生的电子空穴数。：光生载流子寿命光生载流子寿命，非平衡载流子复合快慢或平均存非平衡载流子复合快慢或平均存在时间在时间。（5）将将（5）代入代入（4）得得ltG =ULELtl2=2LUG =（5）光电导的弛豫光电导的弛豫?光电导是一种非平衡载流子效应光电导是一种非平衡载流子效应，因此有弛豫现因此有弛豫现象象。?光照到物体后光照到物体后，光电导逐渐增加光电导逐渐增加，最后达到定态最后达到定态。光照停止后光照停止后，光电导在一段时间内逐渐消失光电导在一段时间内逐渐消失，

19、这种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢这种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢，光电导上升或下降的时间就是弛豫时间光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为或称为响应时间响应时间（惰性惰性）。）。从实际应用将讲从实际应用将讲，其决定了其决定了在迅速变化光强下在迅速变化光强下，能否有效工作能否有效工作。从光电导的从光电导的机理看机理看，弛豫表现为在光强变化时弛豫表现为在光强变化时，光生载流子光生载流子的积累和消失过程的积累和消失过程。（6）光电导的光谱分布光电导的光谱分布?光谱分布首先是光生载流子的激发问题光谱分布首先是光生载流子的激发问题，即某种即某种波长的光能否激发非平衡载流子及其效率如何

20、的波长的光能否激发非平衡载流子及其效率如何的问题问题。?对于本征半导体对于本征半导体，当波长增加时当波长增加时，光电导随之增光电导随之增加加，经过一个最大值后经过一个最大值后，有陡峭的下降有陡峭的下降，由于不由于不存在一个明显的长波限存在一个明显的长波限，莫斯提出把光电导的数莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半处的波长定为长波限值降到最大值一半处的波长定为长波限。?对于杂质半导体对于杂质半导体，吸收光子要将杂质能级上的电吸收光子要将杂质能级上的电子或空穴子或空穴 激发为自由的光生载流子激发为自由的光生载流子，要求要求而而，所以所以，由由于于很小很小，很长很长。iEh giEE 本杂 iE杂 3

21、.3.光生伏特效应光生伏特效应?光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴中光生电子和空穴，并在空间分开而产生电位差的并在空间分开而产生电位差的现象现象。即将光能转化成电能即将光能转化成电能。?不均匀半导体不均匀半导体：由于半导体对光的吸收由于半导体对光的吸收，内建电场内建电场使载流子定向运动而产生电位差使载流子定向运动而产生电位差。（像像PN结结、异质异质结结、肖特基结肖特基结）?均匀半导体均匀半导体：无内建电场无内建电场，半导体对光的吸收后半导体对光的吸收后，由于载流子的扩散速度不同由于载流子的扩散速度不同，导致电荷分开导致电荷

22、分开，产生产生的光生电势的光生电势。如如丹倍效应丹倍效应和和光磁电效应光磁电效应。(1)PN结的光生伏特效应结的光生伏特效应?PNPN结受到光照时结受到光照时：光线足以透过光线足以透过P P型半导体入射到型半导体入射到PNPN结结，对于对于能量大于材料禁带宽度能量大于材料禁带宽度的光子的光子，由于由于本征吸收本征吸收，就就可激发出电子空穴对可激发出电子空穴对。内建电场内建电场把把N N区中的区中的空穴空穴拉拉向向P P区区，把把P P区区中的中的电子电子拉拉向向N N区区。大大量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差即形成一个光生电

23、势差。PN hPNLRGE表示电子表示空穴I?光照度越强光照度越强，光生电动势也就越大光生电动势也就越大。?当当PNPN结两端通过负载构成闭合回路时结两端通过负载构成闭合回路时，就会有电就会有电流沿着由经外电路到的方向流动流沿着由经外电路到的方向流动。只要辐射光不只要辐射光不停止停止，这个电流就不会消失这个电流就不会消失。这就是这就是PNPN结被光照结被光照射时产生光生电动势和光电流的机理射时产生光生电动势和光电流的机理。?注意注意：?PN结产生光生伏特的条件是结产生光生伏特的条件是，与照射光的强度无关与照射光的强度无关；?光生伏特的大小与照射光的强度成正比光生伏特的大小与照射光的强度成正比。

24、gEh (2)(2)异质结的光生伏特效应异质结的光生伏特效应?同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成的结同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成的结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶体上生长异质结是采用外延技术在一种半导体晶体上生长不同半导体材料形成的结不同半导体材料形成的结。?由于两种不同半导体材料具有不同的禁带宽度由于两种不同半导体材料具有不同的禁带宽度。只只有当入射有当入射光子光子到达结区时到达结区时，小于小于宽宽禁带宽度禁带宽度而而大于大于窄窄禁带宽度禁带宽度的光子被吸收的光子被吸收，而且吸收光子和激发光而且吸收光子和激发光生载流子的地方和结区相重合生载流子的地方和结区相重合，从而

25、从而排除了表面载排除了表面载流子的复合损失流子的复合损失，提高了光电转换效率提高了光电转换效率，得到快速得到快速响应的特性响应的特性。(3)肖特基结的光生伏特效应肖特基结的光生伏特效应?当在半导体基底上沉积一层金属形成的当在半导体基底上沉积一层金属形成的“金属金属半导半导体体”接触时接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势在接触区附近也会形成空间电荷区和势垒垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。?在肖特基结中在肖特基结中，载流子的激发有二种途径载流子的激发有二种途径：一种一种是是，光子被半导体吸收光子被半导体吸收，形成电子形成电子空穴对空穴对，在内建电场的作用

26、下在内建电场的作用下，电子向半导体漂移电子向半导体漂移，空穴向金属漂移空穴向金属漂移；?另一种是另一种是，光子被金属吸收光子被金属吸收，激发的激发的光电子向半导体移动光电子向半导体移动。gEh DeVh (4)丹倍效应丹倍效应?由于光生载流子的扩散在光的传播方向产生电位差的现由于光生载流子的扩散在光的传播方向产生电位差的现象称为光电扩散效应或丹倍效应象称为光电扩散效应或丹倍效应。?当当：用用光照射均匀半导体的表面时光照射均匀半导体的表面时，在在近表面层发生强烈地吸收近表面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子和空穴产生高浓度的电子和空穴。在半导体近表面层至体内形成载流子浓度的梯度分布在半导体近表面

27、层至体内形成载流子浓度的梯度分布，因而发生电子和空穴都从照射表面向半导体内部的扩散因而发生电子和空穴都从照射表面向半导体内部的扩散运动运动。?电子与空穴相比具有较大的迁移率和扩散系数电子与空穴相比具有较大的迁移率和扩散系数，因此电因此电子会扩散到半导体的更深处子会扩散到半导体的更深处。在短期内导致被光照表面在短期内导致被光照表面带正电带正电，另一面带负电另一面带负电，建立起光生电场建立起光生电场。即在照射表即在照射表面和未照射表面间产生一定电位差面和未照射表面间产生一定电位差。igEhEh 或(5)光磁电效应光磁电效应?放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时

28、时，如果磁场的方向垂直于如果磁场的方向垂直于xoy平面平面，洛伦洛伦兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，导致电子和空穴在垂直于光照方向和磁场导致电子和空穴在垂直于光照方向和磁场方向的半导体的两端面分别积累方向的半导体的两端面分别积累，产生光产生光磁电场磁电场，对应的电动势被称为光磁电电动对应的电动势被称为光磁电电动势势。4.温差电效应温差电效应当两种不同的配偶材料当两种不同的配偶材料（可以是可以是金属或半导体金属或半导体）两端并联熔接时两端并联熔接时，如如果两个接头的温度不同果两个接头的温度不同，并联回路中并联回路中就产生电动势就产生电动势，称为温差电动势称为

29、温差电动势。提高测量灵敏度提高测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用若干个热电偶串联起来使用热电堆热电堆5、热释电效应热释电效应极性晶体极性晶体：即使外加电场和应力都为零即使外加电场和应力都为零，晶体内正晶体内正、负负电中心并不重合电中心并不重合，而具有一定的电矩而具有一定的电矩。平衡态平衡态1()P T1()P T2()P T 外加电场外加电场铁电体铁电体：自发极化方向能用外加电场来改变的极性晶体自发极化方向能用外加电场来改变的极性晶体。极性晶体电极化强度随晶体温度的变化而变化极性晶体电极化强度随晶体温度的变化而变化：温度降低温度降低电极化强度电极化强度升高升高温度升高温度升高电极化强度电极化强

30、度降低降低居里温度居里温度：使电极化强度降低到零时的温度使电极化强度降低到零时的温度。T SP TSP有效有效工作区工作区居里温度居里温度热释电效应热释电效应：当晶体温度按一定频率变化时当晶体温度按一定频率变化时，自由电荷来自由电荷来不及中和变化的面束缚电荷不及中和变化的面束缚电荷，晶体表面就呈晶体表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化现出相应于温度变化的面电荷变化。热释电探测器只能工作于热释电探测器只能工作于交变交变的辐射功率之下的辐射功率之下。晶体自发极化的弛豫时间很短晶体自发极化的弛豫时间很短，约约，故热释电晶体可响应快速的温度变化故热释电晶体可响应快速的温度变化。1210S SP LR

31、3 3 光电探测器的光电探测器的光电探测器的光电探测器的性能参数性能参数性能参数性能参数3 3 光电探测器的光电探测器的光电探测器的光电探测器的性能参数性能参数性能参数性能参数1光电特性光电特性:I(t)光电流光电流F(P)光通量光通量2光谱特性光谱特性:I(t)光电流光电流 F()入射光波长入射光波长 4 4伏安特性伏安特性:I(t)光电流光电流 F F()电压电压 3 3频率特性频率特性:I(t)光电流光电流 F(f)F(f)入射光调制频率入射光调制频率 主要特性主要特性有关响应方面的性能参数有关响应方面的性能参数1.响应率响应率(Responsivity)RV或或RI表征探测器将入射光信

32、号转换成电信号的能力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电流的响应率RI:探测器将入射光信号转换成电流信号探测器将入射光信号转换成电流信号Ie的能力的能力。)/()()(WVtPtVdPdueeV线性区内=)/()()(WAtPtidPdieeI线性区内=电压响应率电压响应率R RV：探测器将入射光信号转换成电压信号探测器将入射光信号转换成电压信号Ve的的能力能力。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的入射到探测器的单色辐射光通量探测器的单色辐射光通量P P（或照度或照度）

33、之比之比)/()/(lmAorWAPi =若若为常数为常数无选择性探测器无选择性探测器（光热探测器光热探测器）若若不为常数不为常数选择性探测器选择性探测器（光子探测器光子探测器）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）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于包含有各种波长的辐射光源对于包含有各种波长的辐射光源，总的光通量为总的光通量为光电器件输出的总的光电流光电器件输出的总的光电流（不同辐射源引起不同辐

34、射源引起）1-短波限短波限；0-长波限长波限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输出的电流与入射的总的光辐射通量之比量之比-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 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%之间的波长之间的波长范围定义范围定义-描述光电器件对入射辐射响应描述光电器件对入射辐射响应快慢的参数快慢的参数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到光探测器上或入射辐射遮断后遮断

35、后，光探测器上的输出上升到稳定值光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或下降到照射前的值所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%10%上升到上升到90%90%所用所用的的时间时间-上升时间上升时间tr响应从稳态值的响应从稳态值的90%90%下降到下降到10%10%所用所用的的时间时间-下降时间下降时间tf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

36、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-频率响应频率响应R R0 0-器件在零频时的响应度器件在零频时的响应度；=2=2 f f为信号的调制圆频率为信号的调制圆频率；f为调制频率为调制频率；为响应时间为响应时间上限截止频率上限截止频率f fc c-输出信输出信号功率降到零频时的一半号功率降到零频时的一半（信号幅度下降到信号幅度下降到0.7070.707）R(f)/RR(f)/R0 0=0.707=0.707有关噪声方面的参数有关噪声方面的参数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信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是它是在负载电阻在负载电阻RL上产生的信号功率

37、与噪声功率之上产生的信号功率与噪声功率之比比，（，（SSignal NNoise）21222)(SSNSiiiiNS=其中比较两种光电探测器性能时比较两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较率相同的情况下才能比较。如果入射辐射强如果入射辐射强，接接吸面积大吸面积大，SN就大就大，但性能不一定好但性能不一定好，所以所以SN评价器件有一定局限性评价器件有一定局限性。均方根值均方根值-最小可测功率最小可测功率（输出信号电流的均方根值等于噪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声均方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（NEPN

38、EP）inIIsRINEPns=Is/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 f()()2121*fARIfAIINEPinnss=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nisnsIRIINEPD=1NEP 小小-器件性能好器件性能好（衡量光电器件探测能力的指标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

39、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-噪声电流噪声电流（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,900,1)()()()212121*1fAIRfAIINEPfANEPDdnidsnsd=其它参数其它参数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

40、 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-微观灵敏度微观灵敏度（统计平均量统计平均量）（）=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/产生一产生一对电子对电子空穴对空穴对（理论上理论上）一般一般,（）1增益增益/放大倍数放大倍数（有增益的光电器件有增益的光电器件）2.2.线性度线性度线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保线性度

41、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持线性关系的程度。在某一范围内探测器的响应度是常数在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范称这个范围为线性区围为线性区。非线性误差非线性误差：max/(I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差；I2和和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值分别为线性区中最小和最大响应值。光电探测器的噪声光电探测器的噪声噪声概念噪声概念1 1定义定义：光电探测器在光电转换时光电探测器在光电转换时，要受到要受到无用信号的干扰无用信号的干扰，称为光电探测器的噪声称为光电探测器的噪声。表示信号)(tuS号传输或变

42、换后得到的信)(tu噪声信号噪声信号)()()(tututusn=2 2分类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干扰噪声无规则噪声无规则噪声有形噪声有形噪声（可以预知可以预知，可设法减小和消除可设法减小和消除）产生一复合产生一复合散粒噪声散粒噪声：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散粒噪声也是白

43、噪声，与频率无关与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性散粒噪声是光电探测器的固有特性，对对大多数光电探测器的研究表明大多数光电探测器的研究表明：散粒噪散粒噪声具有支配地位声具有支配地位。光电探测器常见的噪声光电探测器常见的噪声热噪声热噪声：探测器有一个等效电阻探测器有一个等效电阻R R时时，电阻中自由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存在于任何电阻中，热噪声与温热噪声与温度成正比度成正比，与频率无关与频率无关，热噪声又称为热噪声又称为白噪声白噪声产生产生-复合噪声复合噪声半导体受光

44、照半导体受光照，载流子不断产生载流子不断产生-复合复合。在平衡状态时在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均在载流子产生和复合的平均数是一定的数是一定的但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。1/f1/f噪声噪声称闪烁噪声或低频噪声称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比噪声的功率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以上已衰减以上已衰减到可忽略不或计到可忽略不或计。探测器件所依据的物理效应的共同特性是探测器件所依据的物理效应的共同特性是：?（1）光电效应的有光电效应的有、无只与入射光的波长无只与入射光的波长、频率频率有关有关，与入射光的强度无关与入射光的强度无关；光电效应的产生光电效应的产生，唯一的取决于入射光的波唯一的取决于入射光的波长长、频率以及器件的能级结构频率以及器件的能级结构。?（2）光电效应的强弱既与入射光的强度有关光电效应的强弱既与入射光的强度有关，也也与入射光的波长与入射光的波长、频率有关频率有关。入射光的强弱反映入射光子数的多少入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射入射光的波长光的波长、频率不同频率不同，器件对其的响应度不同器件对其的响应度不同。Thanks!