光电探测复习资料

1、光电导效应：半导体的导电性能与其中的自由载流子浓度有关，某一温度下存在自由载流子（热平衡载流子），受到光照，材料吸收光辐射而产生新的载流子（光生载流子），使半导体的电导率发生变化的现象。本征光电导效应截止波长：光伏效应：P区N区结区本征激发产生电子空穴对，破坏原有的平衡，产生的少数载流子在内建电场的作用下扩散。P区电子-N区-N区获得附加负电荷；N区空穴-P区-P区获得附加正电荷，结果P区电势上升，N区电势下降，导致PN结两端形成了光生电动势，此即为光伏效应。光电发射效应：某些金属或半导体吸收光辐射而激发出自由电子，当其能力足以克服表面势垒时，可逸出金属或半导体表面而向真空发射光电子的现象。光

2、电子发射的三个过程：吸收光子，激发高能电子；向界面运动损失能量；电子越过表面势垒逸出。响应率R：光电探测器将入射光信号转换成电信号的能力。灵敏度：在可见光段响应率叫做灵敏度。量子效率：每秒产生的光电子数/每秒入射波长为的光子数。NEP：信号功率/噪声功率为1时，入射到探测器上的信号功率。NEP(500，400，1)： 500为测量标准源为黑体，温度为500K；400为调制频率为400HZ；1为测量带宽为1HZ。光谱响应： 折线：光子探测器 曲线线性上升的原因：波长越长，每瓦功率的光子数越多，探测器对光子的吸收速率越快 R 直线：热探测器 曲线突然下降的原因：存在红限波长 响应时间：描述探测器对

3、入射辐射响应快慢的特性参量。时间常数, 探测器的上限调制频率噪声：任何叠加在信号上不希望的随机扰动或干扰，均称为噪声。来自系统外部；采取适当措施可减小或消除，多具有规律性来自系统内部的材料，器件固有物理过程的自然扰动；一般是随机的无规律，只是遵循统计规律白噪声：噪声功率与频率f无光1/f噪声：噪声功率与频率f成反比蓝噪声：噪声功率与频率f的平方成正比热噪声：电子的热运动所引起的，通过截面的电子数存在均方偏差，即有电子涨落，因此导致了热噪声。热噪声功率： 热噪声电流：减少热噪声的手段：1）降温；2）尽量缩短工作频带散粒噪声：（白噪声）探测器在光辐射作用或者热激发下，光电子或载流子随机产生所造成的

4、。产生-复合噪声：（与散粒噪声本质是相同的）半导体中由于载流子产生-复合的随机性引起。电流噪声（1/f噪声）:又叫低频噪声闪烁噪声过剩噪声。半导体光电子发射效应的优点： 1)对入射光有较小反射系数 2）阴极层导电性适中，光电子向表面运动损失能量比金属小 3）半导体内存在大量的发射中心 4）有较小的逸出功，在光谱响应区内具有较高的量子数半导体光电发射的三个步骤：光子的吸收；光电子向表面运动，损耗部分能量；光电子克服表面势垒逸出。光电阴极应具备的三个条件： 1）光吸收系数大 2）光电子在体内传输过程中能量损耗小（使逸出深度大） 3）电子亲和势低（使表面逸出概率高）常规光电阴极（PEA）：电子亲和势

5、是正的，代表材料：Ag-O-Cs合金PEA分类：单碱锑化物：锑铯阴极（CsSb） 多碱锑化物：Sb-Na-K-Cs材料产生负电子亲和势（NEA）的原因： 1）半导体表面能带的弯曲；2）P型半导体体内电子亲和势的减小NEA的特点： 1）量子效率高，有效逸出深度大； 2）光谱响应率均匀，且光谱响应延伸到红外3）热电子发射小； 4）光电子的能量集中，对提高光电成像器件的 光电倍增管（PMT）工作原理：利用光电发射和二次电子发射相结合，把微弱的光信号转换为较大的电信号。光电倍增管（PMT）组成（5大结构）：光窗，光电阴极，电子光学系统，倍增系统，阳极二次电子发射原理：二次电子发射过程与光电子发射颇为相

6、似，所不同的是二次电子发射是由初始电子而不是光子激发体内电子产生的。阴极灵敏度（Sk）（积分灵敏度）：阳极灵敏度SA: 电流增益Gm： Gm的近似公式：与倍增极材料，倍增极间的电压VD有关 3. 并联电容的确定 最后几级倍增极瞬间电流很大，使最后几级分压电阻的压降产生突变，导致阳极电流饱和，PMT灵敏度下降。因此并联上电容，使电阻上分压基本不变CsSb倍增极： AgMgO倍增极：阳极接地： 优势：便于跟后面的放大器连接 缺陷：阴极处于负高压，与接地的玻壳支架存在较高的电势差，增加噪声阴极接地： 优势：屏蔽效果好，噪声电平低 缺陷：阳极正高压导致寄生电容增大，匹配复杂，与放大器无法直接连接光电导

7、结果公式： M=载流子平均寿命/载流子渡越时间光电导探测器响应率：电流响应率： 电压响应率： 可见，VA上升，Ri也随之上升，但VA升高将增加器件产生的焦耳热，必须不能超过器件的额定功耗；i还与探测器光敏面积有关：入射功率一定时，光敏面越大，单位体积内光吸收越小，光生载流子产生率越小，响应率会下降。温度特性： T上升，热噪声随之上升，光生载流子寿命下降，器件灵敏度下降 光谱响应峰值向短波移动HgCdTe碲镉汞（CMT）：CMT通常在77K条件下工作，要保持在真空杜瓦瓶中冷却。光伏探测器的工作模式：在光伏情况下一个光生电子空穴对对外回路所贡献的总电荷量为：光伏探测器的内电流增益等于1；光伏探测器

8、光电转换关系为：一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联，如图所示。IpIdRdCdRsRLVs它的工作模式则由外偏压回路决定 等效电路：光伏探测器：利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。光伏探测器的响应率： 电压响应率 弱光时近似为频率特性：主要由三个因素决定： n：载流子扩散至结区的扩散时间 d：光生载流子在电场作用下通过结区的漂移时间 c：结电容Cd与负载电阻RL所决定的时间常数一般限制器件频率特性的主要是 c，而 n比d大两个数量级，因此光敏面一般做得比较薄。 ，Cd与结面积成正比，与耗尽层厚度成反比，而耗尽层厚度与反向偏置电

9、压成正比。因此，要使 c减小，需减小Cd即结面积，增大反向偏压，不过反向偏压增大导致耗尽层厚度增大，又会使 d增大 ，对高频不利；RL减小， c也有减小，但此时输出电压会降低，需视具体情况而定。硅光电池结构：国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。 PIN光电

10、二极管（2DUL）：快速光电二极管结构特点：在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。1）I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。2）增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。3）反向偏压主要集中在I区，I区内形成高电场区，载流子渡越时间非常短，响应速度得以提升 4）引入I层加大了光电转换的有效工作区域，灵敏度得以提升5）增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内 ，此组件的优点为噪声小，供电电压低，工作

11、稳定雪崩光电二极管APD：利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作 这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞产生新的电子-空穴对，如此反复，形成电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。由于这时出现的散粒噪声可增大到放大器的噪声水平，以至器件无法使用。 APD应用的特点：1）具有内增益，降低了对前置放大器的要求2）工作电压比较高，影响了使用范围3）APD性能与光功率有关 入射光功率低时（1纳瓦几微瓦），倍增电流与入射光有

12、较好的线性 入射光功率过大时，倍增系数反而会降低 广泛用于光纤通信，弱信号检测，激光测距等2LXAI0I2I1光电三极管3DU的工作原理：正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic（1）Ip，为电流增益系数。PSD的工作原理：根据上式就能确定光斑能量中心对于器件中心的位置XAPSD的分类： 一维：感光面多做成细长矩形 二维：a）两面分离型 PSD两个面都是均匀电阻层，两对互相垂直的电极位于上下两个表面 b）表面分离型光电开关，光电耦合用途：光电开关多用于光电

13、计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控制等方面。光电耦合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面热电偶热电堆基本原理：温差电效应测辐射热计工作原理：热敏效应，基于某些导体材料吸收入射辐射，温度发生变化而使其阻值发生变化，引起负载两端电压变化而输出电信。热释电响应率提升方式： ：取决于材料本身特性dT/dt： 1.吸收率越大2热容越小 3满足贷款要求的条件下，尽量取高放大器输入阻抗RA温度变化速率越大，响应率越大探测方法：外差探测光电成像器件的类型：1.扫描型 真空电子束扫描型；光电型：光电导式和光电发射式；热电型：热释电摄像管

14、固体自扫描型：电荷耦合摄像器件2.非扫描型：直视型电真空像管 变相管：红外变像管；紫外变像管；X射线变像管像增强管：串联式像增强管；级联式像增强管；微通道板式像增强管；负电子亲和势阴极摄像管真空摄像管：电视制式1电视图像的宽高比：观测试验得，W:H = 4:32帧频与场频：电影画面重复频率不得低于每秒48次。电影采用每秒投影24幅画面，两幅之间用遮光伐挡一次。电视场采用隔行扫描，奇数场/偶数场，两场合为一帧。即场频50Hz，帧频25Hz。PAL制式，每帧画面625行，行正程52us，行逆程12us。NTSC制式60Hz。真空摄像管的光电特性：IP=kEr ,r=1,IP与E成比例，电视信号的灰

15、度等级均匀。R1，电视性号有均匀的灰度畸变，但此时在低照度下的灵敏度有相对的增加，高照度下的光电特性呈一定的饱和状态。R=1有利于提高暗场时的信噪比，r1有利于扩展动态范围，r1是不适用的光电导摄像管的三个基本功能：光电转换、光电信号存储、扫描输出CCD固体摄像器件：Charge-Coupled Devices 1970年由贝尔实验室首先研制出来。特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功耗低、动态范围大。主要应用领域：摄像、信号处理、存储、方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别、传真、扫描仪、自动精密测量（高分辨率、高可靠性、高准确度）CCD的结构及工作原理：MOS管的结构：沟道反型层栅电压

16、VG 阈值电压Vth栅极电压VG上升，表面势也变大，势阱存储的少子也越多（将电极下的沟道看作一少子势阱时）CCD要存储有用的信号电荷，必须工作在非热平衡条件下，即信息电荷的存储时间小于热驰豫时间CCD的传输原理：二相结构的电荷传输原理；三相结构的电荷传输原理CCD分类：表面N型沟道CCD；表面P型沟道CCD（SCCD）；体沟道（埋沟道）CCD（BCCD）CCD的主要参量：1）电荷转移效率和转移损失率Q0:电荷包的原电量Q1：转移到下一个势阱时电荷包的电量N个电极时，有电荷包转移不完全的原因：表面态对电子的俘获；时钟频率过高减少损耗，采用偏置电荷技术（“胖零”技术）注入一定数量的背景电荷使界面态

17、经常处于被填满的状态，从而减少界面态对信号电荷的俘获作用 ；BCCD避免表面态俘获2）时钟频率的上下限（CCD必须工作在非热平衡态）频率过低：信息电荷存储时间热驰豫时间；热生载流子会混入到信息电荷包中引起失真频率过高：电荷包来不及转移完全，势阱就改变了大致估计：下限FT：t t：电荷包在相邻两电极之间的转移时间 ：非平衡载流子的平均寿命三相CCD： 二相CCD：上限f上：取决于电荷包转移的损失率 三相CCD： 二相CCD： 0：要求的损失率 D：CCD势阱中电量因扩散作用衰减的时间常量3）光谱特性受光方式正面受光：由于电极多次反射散射，响应率降低，其干涉效应使光谱响应曲线出现起伏，峰值的锐利度

18、下降背面受光：光谱响应曲线与光电二极管类似4）光电特性CCD最小照度受噪声限制，最大照度受电荷处理容量的限制低照度下，输出与照度有良好的线性关系，照度增大，输出逐渐趋于饱和5）暗电流和噪声散粒噪声：光注入电注入热产生的信号电荷包电子数总有起伏转移噪声：由转移损失及界面态俘获所引起，具有两个特点： a）积累性：噪声在转移过程中逐次积累起来 b）相关性：相邻电荷包的转移噪声是相关的热噪声：信号电荷注入输出时引起的噪声，相当于电阻热噪声和电容的总宽带噪声之和6）分辨率和调制传递函数分辨率：电视线表示方式TVL/H，用1/像元间距表示CCD的不足之处： a 驱动电路与信号电路难与成像单元集成，系统为多

19、芯片系统 b 为获得信号完整性，需要像元间近似完美的转移 c 时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压，不能与VLSI技术兼容 d 图像信息不能随机读取CMOS与CCD的优缺点对比：早期CMOS：采用被动像元（PPS），成像质量差，像敏单元尺寸小，填充率低，响应速度慢现期CMOS：1989年后，采用主动像元（APS），提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围。一些性能与CCD相接近。功能功耗尺寸价格方面优于CCD结构上的区别：最大区别- -ADC的位置和数量不同CCD：曝光之后，进行像素转移处理，像素中的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端线路引导输出至CCD旁的放大器进行放大，再串联ADC输出

20、CMOS：每个像素旁就直接连接着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号性能上的主要差异： 1）ISO感光度差异 2）成本差异 3）解析度差异 4）噪点差异 5）耗电量差异像敏单元结构 a）无源像素结构（PPS）（被动单元）b）有源像素结构（APS）（主动单元）图像增强器工作原理：又称微光管像管，将微弱光通过光电阴极的光电转换电子倍增器增强荧光屏电-光转换，再现为可见图像内无扫描机构无视频信号输出. 图像增强器三个基本组成部分：光电阴极电子光学系统荧光屏光束调制原理：应用某种物理方法改变光波的振幅频率相位强度偏振等参量，使其按照调制信号的规律变化。光束调制分类：内调制：

21、加载信号在激光振荡过程中进行，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激 光器输出特性以实现调制外调制：激光形成之后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制1）振幅调制 2）频率调制和相位调制 3）强度调制 4）脉冲调制：脉冲编码调制 脉冲幅度调制 脉冲宽度调制 脉冲频率调制 脉冲位置调制强度调制 3. 电光调制 4. 声光调制 5. 磁光调制 6. 直接调制电光调制的原理：基于电光效应，电光效应某些介质的折射率在外加电场的作用下，由于极化现象而出现光学性能的改变，影响到光波在晶体中传播特性的一种现象。噪声：1）光子噪声：所辐

22、射的光子数按能量分布遵循波色-爱因斯坦分布（全同粒子，自旋为整数），此分布为统计分布，辐射的光子速率或光功率存在起伏，由此会在探测器输出信号中带来起伏即噪声2）温度噪声：光辐射功率的涨落，在热探测器中引起探测器探测温度的涨落放大器的En-In模型放大器内部的噪声用一个在放大器外部连接的噪声电压源En和一个噪声电流源In来代替，则放大器被等效为VsEnsRsZi有噪声VsEnsRsZi无噪声InEnVs：信号源 Rs：信号源内阻 Ens：Rs的噪声 Zi：放大器的输入阻抗 En：放大器内部噪声的等效噪声电压源 In：放大器内部噪声的等效噪声电流源 若考虑En与In之间的相关性，r为相关系数，则

23、在公式中，等式右边En2项与Rs无关，EnsInRs都与Rs有关，因此Rs很小时，Eni2中主要是En2，此时Eni2En2Rs很大时，Eni2中主要是Ens2In2Rs2，且Ens2Rs，In2Rs2 Rs2，所以主要是In2起作用，此时Eni2In2Rs2据此，得到测量En，In的方法：1）放大器输入端短路，Rs=0，此时输出端测得的噪声电压均方根值为AvEn，用Av除之得到En2）取一高阻作为Rs，测出输出端噪声电压均方根值为KvInRs，除以KvRs，得到In放大器的噪声系数： 除了用等效输入噪声外，还使用噪声系数F来衡量放大器的噪声指标 Eno2：放大器输出的总噪声Kp：系统的功率增益EnA2：放大器内部的噪声源在放大器输出端产生的噪声噪声匹配：噪声系数F改写为 Rs=En/In（放大器的最佳源电阻（Rs）opt）时，F取最小噪声的测量 噪声均方根值 表示： 理论上要求V(t) 都具有无穷大的范围“真均方根电压表”：具有动态范围和积分时间两项性能指标起伏量的峰值因子 白噪声幅值分布用高斯分布精确的描述，其概率密度函数为 通常取 =3，即3法则信号噪声分析：偏置电流增大，输出电压（取出的信号）随之增大，噪声输出随之