光电探测器概述

1、概述概述 光电探测器光电探测器放大和处理放大和处理 用户终端用户终端 光接收系统组成光接收系统组成 光信号光信号 光辐射探测系统由信息源、传输介质和接收光辐射探测系统由信息源、传输介质和接收 系统组成。接收光学系统把信息源光辐射和背景系统组成。接收光学系统把信息源光辐射和背景 及其它杂散光经传输介质一起会聚在光探测器上。及其它杂散光经传输介质一起会聚在光探测器上。 光辐射所携带的信息，如：光谱能量分布、辐光辐射所携带的信息，如：光谱能量分布、辐 射通量、光强分布、温度分布等由光探测器转变成射通量、光强分布、温度分布等由光探测器转变成 电信号测量出来，经电子线路处理后，可供分析、电信号测量出来，

2、经电子线路处理后，可供分析、 记录、存储或直接显示，从而识别被测目标。记录、存储或直接显示，从而识别被测目标。 因此，光探测器是实现光电转换的关键部件，它因此，光探测器是实现光电转换的关键部件，它 的性能好坏对整个光辐射探测的质量起着至关重要的性能好坏对整个光辐射探测的质量起着至关重要 的作用。的作用。 2-1 发展简况与分类发展简况与分类 1826-热电偶探测器热电偶探测器 1880-金属薄膜测辐射计金属薄膜测辐射计 1946-热敏电阻热敏电阻 五十年代五十年代-热释电探测器热释电探测器 六十年代六十年代-三元合金光探测器（三元合金光探测器（HgCdTe） 七十年代七十年代-光子牵引探测器光

3、子牵引探测器 八十年代八十年代-量子阱探测器量子阱探测器 近年来的发展方向：近年来的发展方向： 阵列光电探测器、阵列光电探测器、 光电探测器集成化光电探测器集成化 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD, charged coupled device） 2.1.1 发展简况发展简况 热电偶温度计热电偶温度计 热释电探测器热释电探测器 光电二极管、三极管光电二极管、三极管 光电池光电池 光电二极管阵列光电二极管阵列 Si /PIN光电二极管光电二极管 热电阻、热电偶热电阻、热电偶 热敏电阻热敏电阻 热释电探测器热释电探测器 耦合式耦合式GaAs/AlGaAs 多量子阱红外探测器结构多量子阱红外探测器

4、结构 (CCD) Charged coupled device 2.1.2 光辐射探测器分类光辐射探测器分类 光辐射探测器件是利用各种光电效应，或光热效应使光辐射探测器件是利用各种光电效应，或光热效应使 入射光辐射强度转换成电学信息或电能的仪器。入射光辐射强度转换成电学信息或电能的仪器。 按用途分：按用途分：成像、非成像探测器；成像、非成像探测器； 按光谱响应分：按光谱响应分：紫外光、可见光、近红外、紫外光、可见光、近红外、 中红外、远红外探测器；中红外、远红外探测器； 按结构分：按结构分：单元、多元、阵列光探测器；单元、多元、阵列光探测器； 按工作转换机理分：按工作转换机理分：光子（光电）、

5、热探测器光子（光电）、热探测器 M光电探测器件的工作原理是基于光电效应，光电探测器件的工作原理是基于光电效应， 而热探测器需要经过加热物体的中间过程，而热探测器需要经过加热物体的中间过程， 因此，前者反应速度快。因此，前者反应速度快。 光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物 质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。 当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时， 会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能

6、量足够 大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料 表面，这种电子称为表面，这种电子称为光电子光电子，这种现象称为，这种现象称为光电子发光电子发 射射，又称为，又称为外光电效应。外光电效应。 有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但 电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现 象称为象称为内光电效应。内光电效应。 半导体的特点：半导体的特点：由于原子间的相互作用而使能级分由于原子间的相互作用而使能级分 裂，离散的能级形成裂，离散的能级形成能带能带。

7、分为。分为价带价带、导带导带和和禁带禁带。 半导体的能带结构半导体的能带结构 价带：价带：晶体中原子的内晶体中原子的内 层电子能级相对应的能带被层电子能级相对应的能带被 电子所填满，这种能带称为电子所填满，这种能带称为 价带；价带； 导带：导带：价带以上未被电价带以上未被电 子填满或者是空的能带称为子填满或者是空的能带称为 导带；导带； 禁带：禁带：导带和价带之间导带和价带之间 的能隙称为禁带。导带底和的能隙称为禁带。导带底和 价带顶的能级间隙就是价带顶的能级间隙就是禁带禁带 宽度宽度Eg 。 Eg 价带价带 导带导带 禁带禁带 费米能级费米能级EF 纯净（本征）半导体在绝对零度的理想状态下有

8、纯净（本征）半导体在绝对零度的理想状态下有 一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的 导带，二者之间是禁带。这是半导体是一个不导电导带，二者之间是禁带。这是半导体是一个不导电 的绝缘体。的绝缘体。 但是本征半导体的禁带宽度但是本征半导体的禁带宽度Eg较小，在热运动活较小，在热运动活 其它外界激发的作用下，价带的电子激发跃迁至导其它外界激发的作用下，价带的电子激发跃迁至导 带，这时导带有了电子，价带有了空穴，使本征半带，这时导带有了电子，价带有了空穴，使本征半 导体形成导电特性。电子和空穴都是电流的载流者导体形成导电特性。电子和空穴都是电流的载流者

9、 ，统称为，统称为“载流子载流子” 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。 本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体 称本征半导体。硅和锗为称本征半导体。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。中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 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），在纯净的硅晶

10、体中掺入五价元素（如磷）， 使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了使之取代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 N N型半导体：型半导体：由于杂质原子的最由于杂质原子的最 外层有外层有5 5个价电子，所以除了与周围个价电子，所以除了与周围 硅原子形成共价键外，还多出一个硅原子形成共价键外，还多出一个 电子。在常温下，由于热激发，就电子。在常温下，由于热激发，就 可使它们成为自由电子，显负电性。可使它们成为自由电子，显负电性。 这这N N是从是从“NegativeNegative（负）（负）”中取中取 的第一个字母。的第一个字母。 结论：结论： N N型半导体

11、的导电特性：型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入是靠自由电子导电，掺入 的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电 性能也就越强。性能也就越强。 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。度，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。 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

12、体）中混价本征半导体（如硅晶体）中混 入了入了3 3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体， 使之取代晶格中硅原子的位置，形成使之取代晶格中硅原子的位置，形成P P型半导体。型半导体。 u空穴的产生：空穴的产生：由于杂质原子的由于杂质原子的 最外层有最外层有3 3个价电子，当它们与周个价电子，当它们与周 围的硅原子形成共价键时，就产生围的硅原子形成共价键时，就产生 了一个了一个“空位空位”（空位电中性），（空位电中性）， 当硅原子外层电子由于热运动填补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此空位时，杂质原子成为不可移动

13、 的负离子，同时，在硅原子的共价的负离子，同时，在硅原子的共价 键中产生一个键中产生一个空穴空穴 ，由于少一电，由于少一电 子，所以带正电。子，所以带正电。P型取型取“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 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。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高，大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高， 少子的浓度就愈低。少子的浓度就愈低。 2 2、

14、少子的浓度决定于温度。、少子的浓度决定于温度。原因：原因：少子是本征激发少子是本征激发 形成的，与温度有关。形成的，与温度有关。 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。 少子：少子：为电子。为电子。 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。 P型型半导体半导体杂质浓度越高杂质浓度越高，费米能级费米能级越低，越低，N N型半导型半导 体体杂质浓度越高杂质浓度越高，费米能级费米能级越高。越高。 PN结的能带结构结的能带结构 价带价带 导带导带 能隙能隙 EF 结区结区P区区 N区区 PN结的形成结的形成 n 当型半

15、导体和型半导体结合在一起时，由于交界当型半导体和型半导体结合在一起时，由于交界 面处存在载流子浓度的差异，电子和空穴都要从浓度高的面处存在载流子浓度的差异，电子和空穴都要从浓度高的 地方向浓度低的地方地方向浓度低的地方扩散扩散。 n 电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使区和电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使区和 区中原来的电中性条件破坏了。区一侧因失去空穴而区中原来的电中性条件破坏了。区一侧因失去空穴而 留下不能移动的负离子，区一侧因失去电子而留下不能留下不能移动的负离子，区一侧因失去电子而留下不能 移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常

16、称为空间电空间电 荷荷，它们集中在区和区交界面附近形成了一个很薄的，它们集中在区和区交界面附近形成了一个很薄的 空间电荷区空间电荷区，即，即PNPN的结。的结。 n 这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了， 或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层耗尽层。 n 区一侧呈现负电荷，区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区一侧呈现负电荷，区一侧呈现正电荷，因此空间电荷 区出现了方向由区指向区的电场，由于这个电场是载流子扩区出现了方向由区指向区的电场，由于这个电场是载流子扩 散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称

17、为散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场内电场。它对多。它对多 数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。阻挡层。 n 内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带 来来两种影响两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P P区和区和N N区的区的 少数载流子（少数载流子（P P区的自由电子和区的自由电子和N N区的空穴）一旦靠近区的空穴）一旦靠近PNPN结，便结，便 在内电场的作用下漂移到对方，这种少数载流子在内电场作用在内电场

18、的作用下漂移到对方，这种少数载流子在内电场作用 下有规则的运动称为下有规则的运动称为漂移运动漂移运动，结果使空间电荷区变窄。，结果使空间电荷区变窄。 n 因此，因此，扩散运动扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少 子的漂移而不利于多子的扩散；而子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动漂移运动使空间电荷区变窄，使空间电荷区变窄， 内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 n 在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐 渐减弱，而少数载流

19、子的漂移运动则逐渐增强，最后扩散运动渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后扩散运动 和漂移运动达到和漂移运动达到动态平衡动态平衡，交界面形成稳定的，交界面形成稳定的空间电荷区空间电荷区，即，即 PNPN结处于动态平衡。结处于动态平衡。 结的单向导电性结的单向导电性 （1） 外加正向电压外加正向电压 （正偏）（正偏） PNPN结上加正向电压，外电场与结上加正向电压，外电场与 内电场方向相反，内电场方向相反，扩散与漂移运动扩散与漂移运动 平衡被破坏。外电场驱使平衡被破坏。外电场驱使P P区空穴进区空穴进 入空间电荷区抵消一部分负电荷，入空间电荷区抵消一部分负电荷， 同时同时N N区自由电子

20、进入空间电荷区抵区自由电子进入空间电荷区抵 消一部分正电荷，则空间电荷区变消一部分正电荷，则空间电荷区变 窄，内电场被削弱，多子的扩散运窄，内电场被削弱，多子的扩散运 动增强，形成较大的动增强，形成较大的扩散电流扩散电流（由由P P 区流向区流向N N区的正向电流区的正向电流）。在一定范）。在一定范 围内，外电场愈强，正向电流愈大，围内，外电场愈强，正向电流愈大， 这时这时PNPN结呈现的电阻很低，即结呈现的电阻很低，即PNPN结结 处于处于导通状态。导通状态。 发光二极管发光二极管 （2） 外加反向电压外加反向电压 （反偏）（反偏） 在在PNPN结上加反向电压，外电场结上加反向电压，外电场

21、与内电场的方向一致，与内电场的方向一致，扩散与漂扩散与漂 移运动的平衡同样被破坏。外电移运动的平衡同样被破坏。外电 场驱使空间电荷区两侧的空穴和场驱使空间电荷区两侧的空穴和 自由电子移走，于是空间电荷区自由电子移走，于是空间电荷区 变宽，内电场增强，使多数载流变宽，内电场增强，使多数载流 子的扩散运动难于进行，同时加子的扩散运动难于进行，同时加 强了少数载流子的漂移运动，形强了少数载流子的漂移运动，形 成由成由N N区流向区流向P P区的反向电流区的反向电流。由。由 于少数载流子数量很少，因此反于少数载流子数量很少，因此反 向电流不大，向电流不大，PNPN结的反向电阻很结的反向电阻很 高，即高

22、，即PNPN结处于结处于截止状态截止状态。 光电二极管光电二极管 外加反偏电压于结内电场方向一致，没有光照时，反向电流很小（一般小外加反偏电压于结内电场方向一致，没有光照时，反向电流很小（一般小 于于0.10.1微安），称为微安），称为暗电流暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入。当有光照时，携带能量的光子进入PNPN结后，把能量结后，把能量 传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子电子-空穴对空穴对， 称为光称为光生载流子。生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，电子被拉向它们在反向电压作用下参加漂移运动，电子被拉向

23、n n区，空穴区，空穴 被拉向被拉向p p区而形成光电流，使反向电流明显变大。同时势垒区一侧一个扩散长度区而形成光电流，使反向电流明显变大。同时势垒区一侧一个扩散长度 内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。光内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。光 的强度越大，反向电流也越大。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的强度越大，反向电流也越大。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生 的电流叫的电流叫光电流光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这 个电信号随着光的变

24、化而相应变化。个电信号随着光的变化而相应变化。 光电探测器（光电探测器（1） 光电子发射探测器光电子发射探测器（光电子发射效应或外光电效应）（光电子发射效应或外光电效应） 金属氧化物或金属氧化物或 半导体表面半导体表面 光子能量大于光子能量大于 逸出功逸出功 材料内束缚能级的材料内束缚能级的 电子逸出表面电子逸出表面 自由电子自由电子 光辐射光辐射 光电导探测器光电导探测器（光电导效应或内光电效应）（光电导效应或内光电效应） 半导体材料半导体材料 光子能量大于光子能量大于 禁带宽度禁带宽度 材料内不导电束缚材料内不导电束缚 状态的电子空穴状态的电子空穴 自由电子空穴自由电子空穴光辐射光辐射 电

25、导率变化电导率变化 光电探测器（光电探测器（2） 光伏探测器光伏探测器（光生伏特效应或内光电效应）（光生伏特效应或内光电效应） 金属氧化物或金属氧化物或 半导体表面半导体表面 光子能量光子能量 足够大足够大 材料内束缚能级的材料内束缚能级的 电子逸出表面电子逸出表面 电子电子空穴对空穴对光辐射光辐射 光电磁探测器光电磁探测器（光电磁效应或内光电效应）（光电磁效应或内光电效应） 垂直磁场中的垂直磁场中的 半导体材料半导体材料 光子能量光子能量 足够大足够大 本征吸收产生本征吸收产生 电子空穴对电子空穴对载流子载流子 浓度梯度浓度梯度光辐射光辐射 光磁电动势光磁电动势 M 光电池、光电二极管、雪崩

26、光电二极管、光电池、光电二极管、雪崩光电二极管、PIN管及光电晶体管管及光电晶体管 光生电动势光生电动势 光电探测器特点光电探测器特点 选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长 于长波限的入射辐射不能产生所需的光子于长波限的入射辐射不能产生所需的光子 效应，因此无法被探测。效应，因此无法被探测。 波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波 长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论 响应率应正比于波长。响应率应正比于波长。 热探测器（光热效应）热探测器（光热效应） 热探测器热探测

27、器 材料产生温升材料产生温升 物理性质变化物理性质变化 光辐射光辐射 温差电动温差电动 （温差电效应）（温差电效应） 电阻率变化电阻率变化 （测辐射热计（测辐射热计 效应）效应） 自发极化强度变化自发极化强度变化 （热释电效应）（热释电效应） 气体体积和气体体积和 压强变化压强变化 热电偶热电偶 热敏电阻、电阻测辐射热计热敏电阻、电阻测辐射热计 高莱管高莱管 热释电探测器热释电探测器 热探测器特点热探测器特点 非选择性探测器，光热效应与入射光子的性质无关，非选择性探测器，光热效应与入射光子的性质无关， 即光电信号取决于入射辐射功率与入射辐射的光谱即光电信号取决于入射辐射功率与入射辐射的光谱 成

28、份无关。成份无关。 不需制冷可在室温下工作比光子探测器有更不需制冷可在室温下工作比光子探测器有更 宽的光宽的光 谱响应范围，可在谱响应范围，可在X射线和毫米波段使用。但响应射线和毫米波段使用。但响应 时间比光子探测器长。且取决于热探测器热容量的时间比光子探测器长。且取决于热探测器热容量的 大小和散热的快慢。大小和散热的快慢。 2-2 光电探测器的响应性能参数光电探测器的响应性能参数 光电探测器的定义光电探测器的定义 定义：光子探测器是指入射在光探测器上的光辐射定义：光子探测器是指入射在光探测器上的光辐射 能，它以光子的形式与光子探测器材料内受束缚的能，它以光子的形式与光子探测器材料内受束缚的

29、电子相互作用（电子相互作用（光电子效应光电子效应），从而逸出表面或释），从而逸出表面或释 放出自由电子和自由空穴来参与导电的器件。放出自由电子和自由空穴来参与导电的器件。 光电磁光电磁 效应效应 光电子光电子 发射效应发射效应 光电导光电导 效应效应 光生伏特光生伏特 效应效应 内光电效应内光电效应 外光电效应外光电效应 2.2.1 光电探测器的工作条件光电探测器的工作条件 1. 辐射源的光谱分布辐射源的光谱分布 （如单色、黑体、调制）（如单色、黑体、调制） 2. 电路的通频带和带宽电路的通频带和带宽 （噪声的影响）（噪声的影响） 3. 工作温度：工作温度： 295K、195K、77K、20.

30、4K 、 4.2K 4. 光敏面尺寸：光敏面尺寸：1cm2 5. 偏置情况偏置情况 光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要 而制定的特性参数。而制定的特性参数。 它是在不断总结各种光电探测器的共同基础上而给它是在不断总结各种光电探测器的共同基础上而给 以科学定义的，所以这一套性能参数科学地反映了以科学定义的，所以这一套性能参数科学地反映了 各种探测器的共同因素。各种探测器的共同因素。 依据这套参数，可以评价探测器性能的优劣，比较依据这套参数，可以评价探测器性能的优劣，比较 不同探测器之间的差异，从而达到根据需要合理选不同探测器之间的差异，从而达

31、到根据需要合理选 择和正确使用光电探测器的目的。择和正确使用光电探测器的目的。 显然，了解各种性能参数的物理意义十分重要。显然，了解各种性能参数的物理意义十分重要。 2.2.2 响应性能参数响应性能参数 1. 响应率（度）响应率（度）RV 、RI u 单位入射光功率作用下探测器的输出电压（流），单位入射光功率作用下探测器的输出电压（流）， 即灵敏度。即灵敏度。 器件对器件对全色全色入射辐射的响应能力，入射辐射的响应能力， 定义为器件的输出信号与输入辐射功率之比，用定义为器件的输出信号与输入辐射功率之比，用 R来表示。来表示。 1 s I A W I R P 1 s V V W V R P 输出

32、信号用电压表示：输出信号用电压表示： 输出信号用电流表示：输出信号用电流表示： 2. 单色灵敏度（光谱响应度）单色灵敏度（光谱响应度） 1 ( ) s V V W V R 1 ( ) s I A W I R u 光电探测器在光电探测器在单位单色辐射通量（光通量）单位单色辐射通量（光通量）照射照射 下得到下得到输出电压（流）输出电压（流）；即探测器的输出电压（流）；即探测器的输出电压（流） 与入射到探测器上单色辐射通量（光通量）之比。与入射到探测器上单色辐射通量（光通量）之比。 器件对器件对单色单色入射辐射的响应能力。入射辐射的响应能力。 V I R R max 光谱响应宽度光谱响应宽度 峰值响

33、应度 PS NN R e hc 实用表示法实用表示法 用光谱量子效率用光谱量子效率 来表示光谱响应率，定义： 来表示光谱响应率，定义： NP：入：入射辐射辐 射量子数射量子数 NS：由：由NP 产生的产生的 信号量子数信号量子数 E 由于光谱量子效率由于光谱量子效率 和光谱响应率 和光谱响应率R R 表示的是同一事 表示的是同一事 件，所以它们之间必有联系：件，所以它们之间必有联系： e e：电：电子电量子电量 c c：真空光速：真空光速 h：普朗：普朗 克常数克常数 注意：光谱响应率和光谱量子效率仅由器件的响应注意：光谱响应率和光谱量子效率仅由器件的响应 特性所决定，而与光源无关。特性所决定

34、，而与光源无关。 由上式可绘出由上式可绘出R曲线，称为等量子效率曲线。曲线，称为等量子效率曲线。 R关系曲线即光谱响应随波长的变化关系，因关系曲线即光谱响应随波长的变化关系，因 此，此，R曲线也称为光谱响应特性曲线。曲线也称为光谱响应特性曲线。 k hc e R 由上式可得由上式可得 3. 积分响应度积分响应度 R 0 1 0 1 ( ) ( ) ss IId Rd 0 ( ) e d s I I R 探测器对探测器对连续辐射通量（光通量）连续辐射通量（光通量）的响应程度；的响应程度； 即探测器的输出电压（流）与入射到探测器上总即探测器的输出电压（流）与入射到探测器上总 辐射通量（光通量）之比

35、。辐射通量（光通量）之比。 0 1 0 ( ) ( ) Rd R d 4. 时间响应特性时间响应特性 探测器对变化信号响应快慢的能力。探测器对变化信号响应快慢的能力。 理想器件的响应脉冲与辐射脉冲是一致的理想器件的响应脉冲与辐射脉冲是一致的。 t )(tI)(th t （b b）响应脉冲）响应脉冲（a a）辐射脉冲）辐射脉冲 实际器件的响应都具有滞后现象（惰性）：实际器件的响应都具有滞后现象（惰性）： t )(tI t )(th t )(th t )(tI （a a）辐射脉冲）辐射脉冲 （a a）辐射脉冲辐射脉冲 （b b）响应脉冲）响应脉冲 （b b）响应脉冲）响应脉冲 描述时间响应特性的参

36、数：描述时间响应特性的参数：弛豫时间弛豫时间和和幅频特性幅频特性。 1 t 2 t 9 . 0 1 . 0 0 1 )(th 弛豫时间弛豫时间：响应落后于作用信号的现象称为弛豫。：响应落后于作用信号的现象称为弛豫。 弛豫时间也称为时间常数。弛豫时间也称为时间常数。 弛豫时间的定义弛豫时间的定义1 1： （1 1）起始弛豫起始弛豫（上升时间常数）（上升时间常数） 器件的响应从零上升至稳定器件的响应从零上升至稳定 值的值的90%90%时所需的时间时所需的时间t t1 1； （2 2）衰减弛豫衰减弛豫（下降时间常数）（下降时间常数） 当信号撤去后，器件的响应当信号撤去后，器件的响应 从稳定值下降至稳

37、定值的从稳定值下降至稳定值的10%10%时所时所 需的时间需的时间t t2 2 。 （1 1）起始弛豫起始弛豫定义为响应值上升至稳定值的时所需的时定义为响应值上升至稳定值的时所需的时 间间 ，约为，约为63%63%； （2 2）衰减弛豫衰减弛豫定义为响应值下降至稳定值的定义为响应值下降至稳定值的 时所需的时时所需的时 间，约为间，约为37%37%。 ) e ( 1 1 e 1 弛豫时间的定义弛豫时间的定义2 2： 这些上升或下降的时间就表示了器件惰性的大小。这些上升或下降的时间就表示了器件惰性的大小。 响应时间响应时间 上升时间上升时间 ： 10%-90%10%-90%； 下降时间下降时间 ：

38、 90%-10% 90%-10% ； 表示探测器对入射辐射响应快慢的参数；用时间表示探测器对入射辐射响应快慢的参数；用时间 常数常数 表示表示 1 0.9 0.1 t t 入射光 f tt I光 t f t f tt 响应时间：响应时间： 5. 频率响应频率响应 R（f） 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变 化的特性；化的特性； 0 1 2 2 ( ) 12 R R f f ( )R f 0 R 频率是频率是 f 时的响应度；时的响应度； 频率是零时的响应度；频率是零时的响应度； 时间常数（时间常数（ ）。）。RC 0 ( )0.707R fR 1

39、1 22 f RC 上 上限截止频率：上限截止频率： 0 R f上 R f f 0 0.707R 2.2.3 其它参数其它参数 定义：在某一特定波长上每秒钟内产生的光定义：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之比电子数与入射光量子数之比 S IeR hc Ne 1. 量子效率量子效率() 表达式：表达式： 反映了入射辐射与最初的光敏元的相互作用反映了入射辐射与最初的光敏元的相互作用 1 max 21 II 2. 线性度线性度 I1 I2 I max t l探测器的输出光电压（流）与输入光功率成线探测器的输出光电压（流）与输入光功率成线 性变化的程度和范围。用非线性误差性变化的

40、程度和范围。用非线性误差 描述。描述。 l一般，在弱光照射下探测器输出光电流都能在较一般，在弱光照射下探测器输出光电流都能在较 大范围内与输入光功率成线性关系；强光照射下大范围内与输入光功率成线性关系；强光照射下 一般趋于平方根关系。一般趋于平方根关系。 光电效应发生的条件：光电效应发生的条件：E=h Eg (半导体禁带宽度半导体禁带宽度) 截止波长：截止波长： 截止波长截止波长 1.24 () c gg hc EEev 本征半导体本征半导体 的长波限的长波限 2-3 光电探测器的噪声参数光电探测器的噪声参数 E显然，噪声显然，噪声un(t)表示了表示了u(t)偏离偏离us(t)的程度。的程度

41、。 ( )( )( ) sn u tu tu t 信号在传输和处理过程中总会受到一些无用信号的信号在传输和处理过程中总会受到一些无用信号的 干扰，人们常称这些干扰信号为干扰，人们常称这些干扰信号为噪声噪声。 光电探测器在进行光电转换过程中，同样要引入噪光电探测器在进行光电转换过程中，同样要引入噪 声，称为声，称为光电探测器的噪声。光电探测器的噪声。 若若us(t)表示信号，经过传输或变换后输出表示信号，经过传输或变换后输出u(t)，则：，则： un(t)表示噪声表示噪声 一、噪声概念一、噪声概念 前两种又称为前两种又称为有形噪声有形噪声，一般可以预知，因而总可，一般可以预知，因而总可 以设法减

42、少和消除。最后一种噪声来自物理系统内以设法减少和消除。最后一种噪声来自物理系统内 部，表现为一种无规则起伏，称为部，表现为一种无规则起伏，称为无规噪声无规噪声。 根据噪声产生的原因，大体上可以把噪声分为根据噪声产生的原因，大体上可以把噪声分为人为人为 噪声噪声、自然干扰自然干扰和和物理系统内部的起伏干扰物理系统内部的起伏干扰三类。三类。 例如，电阻中自由电子的热运动，真空管中电子的例如，电阻中自由电子的热运动，真空管中电子的 随机发射，半导体中载流子随机的产生和复合等，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规则起伏施加给有用信号。这些随机因素把一种无规则起伏施加给有

43、用信号。 二、噪声分类二、噪声分类 探探 测测 器器 放放 大大 器器 示波器示波器 (a)(a) (b)(b) (c)(c) 光光 起伏噪声对有用信号的影响，如图所示。假定入射起伏噪声对有用信号的影响，如图所示。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。放大量的理想放大器。 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 。 降低入射光功率时，增大放大率，则正弦电压信号上出现许多无规起伏降低入射光功率时，增大放大率，则正弦电压信号上出现许多无

44、规起伏 ，使信号变得模糊不清。，使信号变得模糊不清。 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的起伏，完全看不出什么正弦变化，此时噪声完大。最后只剩下了无规则的起伏，完全看不出什么正弦变化，此时噪声完 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。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。 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，它是探测器所固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

45、避免的现象。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，事先无法预知的电输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电 压起伏。压起伏。 这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微这种无规起伏，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。观世界服从统计规律的反映。 从这个意义上说，实现光信号的探测，就是从噪声从这个意义上说，实现光信号的探测，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。究的中心课题之一。 噪声噪

46、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 产生产生复合噪声复合噪声 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 光电系统噪声分类光电系统噪声分类 主要来源：主要来源： 系统外部，通常由电、磁、机械等因素引起。系统外部，通常由电、磁、机械等因素引起。 如电源如电源50Hz干扰、工业设备电火花干扰等，具有干扰、工业设备电火花干扰等，具有 一定规律性，采取适当措施（如屏蔽、滤波、远一定规律性，采取适当措施（如屏蔽、滤波、远 离噪声源等）可将其减小或消除；离噪声源等）可将其减小或消除； 系统内部材料、器件

47、或固有的物理过程的自然系统内部材料、器件或固有的物理过程的自然 扰动。如：任何导体中带电粒子无规则运动引起扰动。如：任何导体中带电粒子无规则运动引起 的热噪声、光探测过程中光子计数统计引起的散的热噪声、光探测过程中光子计数统计引起的散 粒噪声等。粒噪声等。 光辐射探测系统是光电信息的变换、传输及处理光辐射探测系统是光电信息的变换、传输及处理 的系统，除光探测器外，还有各种光学、机械和的系统，除光探测器外，还有各种光学、机械和 电子系统，整个系统在工作时总会受到无用信号电子系统，整个系统在工作时总会受到无用信号 的干扰。的干扰。 如：光电变换中光电子随即起伏的干扰、背景光如：光电变换中光电子随即

48、起伏的干扰、背景光 的干扰及放大器引入的干扰等。的干扰及放大器引入的干扰等。 E 光电器件中的噪声是物理过程中固光电器件中的噪声是物理过程中固 有的，为了提高信噪比，可增大信号有的，为了提高信噪比，可增大信号 值或减小噪声大小。一般应尽可能减值或减小噪声大小。一般应尽可能减 小噪声以提高信噪比小噪声以提高信噪比。 实际情况实际情况是，当是，当P0时，光电探测器的输出电流时，光电探测器的输出电流 并不为零并不为零。这个。这个电流称为电流称为暗电流或噪声电流暗电流或噪声电流，它，它 是瞬时噪声电流的有效值是瞬时噪声电流的有效值。记为：记为： 2/ 1 2 )( nn ii 1 s I A W I

49、R P 从灵敏度从灵敏度R的定义式：的定义式： 可见，如果可见，如果P P0 0，应有应有IsIs=0=0 u考虑到噪声因素后，一个光电探测器完成光电转考虑到噪声因素后，一个光电探测器完成光电转 换过程的模型如图所示：换过程的模型如图所示： 图中的光功率图中的光功率Ps和和Pb分别为信号和背景光功率。分别为信号和背景光功率。 可见，即使可见，即使Ps和和Pb都为零，也会有噪声输出。都为零，也会有噪声输出。 噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。 通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电等于噪声电 流流i

50、n，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。 2.3.1 噪声的基本概念噪声的基本概念 概率分布密度（时域）概率分布密度（时域） 功率谱密度（频域）功率谱密度（频域） 白噪声白噪声 色噪声色噪声 白噪声在整个频谱内每个频点的能量为常数白噪声在整个频谱内每个频点的能量为常数 且基本恒定，不管对信号进行低通还是高通且基本恒定，不管对信号进行低通还是高通 处理，均不能有效地滤除白噪声，因为它存处理，均不能有效地滤除白噪声，因为它存 在于整个频带范围内。在于整个频带范围内。 白色包含了所有的颜色，因此白噪声的特点就是包含各种噪声。白噪声白色包含了所有的颜色，因此白噪声的特

51、点就是包含各种噪声。白噪声 定义为在无限频率范围内功率密度为常数的信号，这就意味着还存在其定义为在无限频率范围内功率密度为常数的信号，这就意味着还存在其 它它“颜色颜色”的噪声，下面是常见的色噪声：的噪声，下面是常见的色噪声：粉红噪声、红噪声、橙色噪粉红噪声、红噪声、橙色噪 声、蓝噪声、紫噪声、棕色噪声、灰色噪声、黑噪声。声、蓝噪声、紫噪声、棕色噪声、灰色噪声、黑噪声。 噪声的描述噪声的描述 噪声电压随时间无规则起伏情况重画如下。噪声电压随时间无规则起伏情况重画如下。 )(tun )0(g )(g t 0 0 (a)(b) 无法用预先确知的时间函数来描述它。然而，噪声本无法用预先确知的时间函数

52、来描述它。然而，噪声本 身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述。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。法描述噪声大小。 2. 光电系统噪声的分类光电系统噪声的分类 电学噪声电学噪声 探测器噪声探测器噪声 光光 学学 噪噪 声声 介介 质质 光光 学学 系系 统统 光光 调调 制制 器器 光光 电电 探探 测测 器器 电电 子子 电电 路路 目目 标标 或或 光光 源源 4. 噪声的影响

53、噪声的影响 & 弱信号的探测弱信号的探测 & 系统的极限探测能力系统的极限探测能力 2.3.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声 原因：载流子随机涨落原因：载流子随机涨落 特点：白噪声特点：白噪声 电子的粒子性电子的粒子性 表达式：表达式： 2 2 Npp ieIf 1. 散粒噪声散粒噪声 随机事件有：物体辐射的或接收的随机事件有：物体辐射的或接收的 光子数；阴极发射的电子数；半导光子数；阴极发射的电子数；半导 体中的载流子数；光电倍增器的倍体中的载流子数；光电倍增器的倍 增系数等。增系数等。 2. 热噪声热噪声 原因：载流子随机性出现原因：载流子随机性出现 特点：白噪声特点：白噪声 载流子的

54、运动性载流子的运动性 表达式：表达式： 2 4 Nj kf i R 注意注意 ：热噪声虽然是温度热噪声虽然是温度T T的函数，但并不的函数，但并不 是温度变化引起的温度噪声。是温度变化引起的温度噪声。 fkTRun 4 2 注意：注意：散粒噪声和热噪声都是与频率无关的散粒噪声和热噪声都是与频率无关的 “白噪白噪”声。即：散粒噪声和热噪声的大小声。即：散粒噪声和热噪声的大小 与频率的高低无关。与频率的高低无关。 3.温度噪声温度噪声 22 4G T WkTf 原因：原因：它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。 当材料的温度发生变化时，由于有温差的存在，当材料的温度发生变化时，由于有温差的存在， 因而引起材料有热流量的变化，这种热流量的变因而引起材料有热流量的变化，这种热流量的变 化导致产生物体的化导致产生物体的温度噪声。温度噪声。 表达式：表达式： 温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式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：上有一定的差别，主要区别在于： 2 n i 对于对于热噪声热噪声，材料的温度，材料的温度T一