第二章光电探测器1 (1)

1、第二章第二章 光电探测器光电探测器光电探测器件光电探测器件光子器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管雪崩光电管电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器l2.1光电探测器的物理基础l2.2光电探测器的特性参数l2.3光电探测器的噪声l2.4光电探测器l2.5光电探测器的偏置与放大2.1 2.1 光电探测器的物理基础光电探测器的物理基础 定义：当光辐射入射到定义：当光辐射入射到光电材料光电材料上时，材料上时，材料发射发射电子电子，或其，或其电导率发生变化，电导率发生变化，或或产生光电动势产生光电动势等等。u发射电

2、子：发射电子：外光电效应外光电效应u电导率发生变化、产生光电动势电导率发生变化、产生光电动势：内光电效应。：内光电效应。一、光电效应l内光电效应内光电效应：光电材料光电材料受到受到光照后所产生的光光照后所产生的光电子只在材料内部而不会逸出材料外部电子只在材料内部而不会逸出材料外部多发生多发生在半导体材料。在半导体材料。l内光电效应内光电效应又分为又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应和光生伏特效应l光电导效应光电导效应：半导体受光照后，内部半导体受光照后，内部产生光生产生光生载流子载流子，使半导体中，使半导体中载流子数显著增加而电阻减载流子数显著增加而电阻减少少的现象称为的现象称为光电导效应

3、光电导效应。 内光电效应内光电效应光电导效应：光电导效应：本征光电导效应本征光电导效应非本征非本征光电导效应光电导效应0/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的长波限光电导效应：光电导效应：本征光电导效应本征光电导效应非本征非本征光电导效应光电导效应0/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的长波限N型半导体，光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子型半导体，光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子P型半导体，光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，型半导体，光

4、子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电 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，在本征半导体中通过扩散工艺，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。掺入少量合适的杂

5、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“NegativeNega

6、tive（负）（负）”中取中取的第一个字母。的第一个字母。结结 论：论： N N型半导体的导电特性：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

7、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（如硅晶体）中混入价本征半导体（如硅晶体）中混入了了3 3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，使之价原子，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：由于杂质原子的最外由于杂质原子的最外层有层有3 3个价电子，当它们与周围的硅个价电子，当它们与周围的硅原子形成共价键时，就产生了一个原子形成共价键时，就产生了一个“空位空位”（空位电中性），当硅原子外（空位电中性），当硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂层电子由

8、于热运动填补此空位时，杂质原子成为不可移动的负离子，同时质原子成为不可移动的负离子，同时，在硅原子的共价键中产生一个，在硅原子的共价键中产生一个空穴空穴 ，由于少一电子，所以带正电。，由于少一电子，所以带正电。P型型取取“Positve（正）（正）”一词的第一个字一词的第一个字母。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：掺入的杂质使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大增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，少子的多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高，

9、少子的浓度就愈低。浓度就愈低。2 2、少子的浓度决定于温度。、少子的浓度决定于温度。原因：原因：少子是本征激发形少子是本征激发形成的，与温度有关。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。l 光生伏特效应光生伏特效应：光照在半导体光照在半导体P-NP-N结、结、P-i-NP-i-N结、金结、金属属- -半导体接触上时，会在半导体接触上时，会在PNPN结、结、P-i-NP-i-N结、金属结、金属- -半导体接触的两侧产生半导体接触

10、的两侧产生光生电动势光生电动势。l PNPN结的光生伏特效应：结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射当用适当波长的光照射PNPN结时，由于内建场的作用（不加外电场），结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电光生电子拉向子拉向N N区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向P P区区，相当于，相当于PNPN结上加一结上加一个正电压。个正电压。l 半导体内部产生电动势（光生电压）半导体内部产生电动势（光生电压）；如将；如将PNPN结短结短路，则会出现电流（路，则会出现电流（光生电流光生电流）。）。光生伏特效应光生伏特效应 光生伏特效应光生伏特效应光照光照零偏零偏PN结结产生开路电压的效应产生开路电压的效

11、应光电池光电池。光照光照反偏反偏光电信号是光电流光电信号是光电流结型光电探测器结型光电探测器的工作原理的工作原理光电二极管光电二极管。光电池 外光电效应外光电效应光电发射效应：光电发射效应：爱因斯坦方程：爱因斯坦方程：光电发射效应光电发射效应 ：在光照下，物体：在光照下，物体向表面以外空间发向表面以外空间发射电子射电子(即光电子即光电子)的现象的现象多发生于多发生于金属和金属氧金属和金属氧化物，化物，光电管中的光阴极。光电管中的光阴极。截止波长截止波长EhEk光电发射效应发生光电发射效应发生波长表示：波长表示：)(24. 1)(eVEmc光电发射体的功函光电发射体的功函数数物理意义：如果发射体

12、内的电子所物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子能量大于发射体的吸收的光子能量大于发射体的功函数的值功函数的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。光电子发射探测器光电子发射探测器真空光电管真空光电管:真空光电管由光电阴极和阳极构成，真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响应要用于响应要求极快的场合求极快的场合光电倍增管：光电倍增管：应用最广，内部有电子倍增系统，因而有很高应用最广，内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号能检测极微弱的光辐射信号。光电子发射探测器光电子发射探测器主要是可见光探测器主要是可见

13、光探测器，因为对红外辐射响，因为对红外辐射响应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子亲和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展到和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展到125m，只适，只适用于近红外的探测，因此在红外系统中应用不多。用于近红外的探测，因此在红外系统中应用不多。 二、光热效应 光热效应：光热效应：材料受光照射，材料受光照射，光子能量与晶格相互作光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料性质发生变化用，振动加剧，温度升高，材料性质发生变化。u热释电效应：热释电效应：介质受光照射温度升高，在晶体特定方向介质受光照射温度升高

14、，在晶体特定方向上由于自发极化强度随温度变化而引起表面电荷的变化。上由于自发极化强度随温度变化而引起表面电荷的变化。 光辐射强度变化光辐射强度变化晶体温度变化晶体温度变化自发极化强度变化自发极化强度变化 当当强度调制过强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，可测定所吸收两个外表面之间出现微小变化的信号电压，可测定所吸收的光辐射功率的光辐射功率u辐射热计效应（电阻温度效应）：辐射热计效应（电阻温度效应）：入射光的照

15、射入射光的照射使材料由于使材料由于受热而造成电阻率变化的现象受热而造成电阻率变化的现象 当吸收光辐射而温度升高时，当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低导体材料的电阻会降低 从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率。利用材料从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率。利用材料的电阻变化制成的热探测器就是的电阻变化制成的热探测器就是电阻测辐射热计电阻测辐射热计 材料的电阻与温度的关系可用材料的材料的电阻与温度的关系可用材料的电阻温度系数电阻温度系数T T来表征。来表征。温差电效应：温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在由两种材料制成的结点出现温

16、差而在两结点间产生两结点间产生电动势电动势，回路中产生电流。，回路中产生电流。当两种不同的当两种不同的配偶材料配偶材料(金属或半导体金属或半导体)两端并联熔接时，如果两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。动势。特特 点点l所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同的响应，因而的响应，因而是非选择性探测器是非选择性探测器。这和光子探测。这和光子探测器在光谱响应上的主要区别。器在光谱响应上的主要区别。l热探测器除低温测辐射热器外热探测器除低温测辐射热器外一般无需

17、致冷一般无需致冷。l热探测器的热探测器的响应时间比光子探测器长响应时间比光子探测器长，（取决于，（取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢）热探测器热容量的大小和散热的快慢） 2.2 2.2 光电探测光电探测器的特性参数器的特性参数光电系统一般都是围绕光电探测器的光电系统一般都是围绕光电探测器的性能性能进行设计进行设计的，而探测器的性能由的，而探测器的性能由特定工作条件特定工作条件下的一些参数来下的一些参数来表征。表征。l实际参量实际参量l参考参量参考参量l测量条件测量条件24一、光电探测器的工作条件一、光电探测器的工作条件光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，在光电探测器的性能参数与其工作

18、条件密切相关，在给出性能参数时，给出性能参数时，要注明有关的工作条件要注明有关的工作条件。因为只有。因为只有这样，光电探测器才能这样，光电探测器才能互换使用互换使用。主要工作条件有：主要工作条件有：1 1辐射源的辐射源的光谱分布光谱分布 2 2电路的电路的通频带和带宽通频带和带宽3 3工作温度工作温度4 4光敏面尺寸光敏面尺寸5 5偏置情况偏置情况251. 1. 辐射源的光谱分布辐射源的光谱分布很多光电探测器（特别是光子探测器），其响应是很多光电探测器（特别是光子探测器），其响应是辐射波长的函数。对一定的波长范围内的辐射有信辐射波长的函数。对一定的波长范围内的辐射有信号输出，称为号输出，称为光

19、谱响应光谱响应，它决定了探测器探测特定，它决定了探测器探测特定目标的有效程度。目标的有效程度。l如果辐射源是单色辐射，则需给出如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长辐射波长。假如。假如辐射源是黑体，那么要指明辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度黑体的温度。l当辐射经过调制时，则要说明当辐射经过调制时，则要说明调制频率调制频率。262. 2. 电路的通频带和带宽电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能。因噪声限制了探测器的极限性能。l噪声电压或电流均噪声电压或电流均正比于带宽的平方根正比于带宽的平方根，有些噪声，有些噪声还是频率的函数。还是频率的函数。l描述探测器性能时，必须明确描述探测器性

20、能时，必须明确通频带和带宽通频带和带宽。273. 3. 工作温度工作温度l许多探测器，特别是半导体材料的探测器，无论许多探测器，特别是半导体材料的探测器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系，必是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系，必须须明确工作温度明确工作温度。l通用的工作温度通用的工作温度是：是： 室温室温(295K)(295K) 干冰温度干冰温度(195K)(195K) 液氮温度液氮温度(77K)(77K) 液氢温度液氢温度(20.4K)(20.4K) 液氦温度液氦温度(4.2K) (4.2K) 284.光敏面尺寸l探测器的探测器的信号信号和和噪声噪声都和光敏面积有关，大部分都和

21、光敏面积有关，大部分探测器的信噪比与探测器的信噪比与光敏面积的平方根成比例光敏面积的平方根成比例l参考面积一般为参考面积一般为1cm1cm2 2。295.偏置情况l大多数探测器需要某种形式的偏置大多数探测器需要某种形式的偏置例如：光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流偏例如：光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流偏置电源置电源l信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要说明偏置说明偏置的情况的情况。30二、特性参数二、特性参数 n1.1.响应度响应度n2.2.量子效率量子效率n3.3.噪声等效功率噪声等效功率n4.4.探测率探测率D D和比探测率和比探测率D Dn5.

22、5.光谱响应光谱响应n6.6.响应速度响应速度311. 响应度Rv或RI 响应度是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输出信号与输入光信号间关系的参数，又称为光电探测器的灵敏度。设光电探测器输出电压为设光电探测器输出电压为Vs或电流为或电流为Is，入射到光电，入射到光电探测器上的光功率探测器上的光功率PRvVsP RIisP 分别称为光电探测器的电压响应度和电流响应度。单色灵敏度和积分灵敏度32单色灵敏度单色灵敏度使用波长为使用波长为的单色辐射源，则称为的单色辐射源，则称为单色灵敏度单色灵敏度，又叫，又叫光谱光谱响应度响应度，用，用R R表示，表示，定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到

23、探测器上定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上单色辐射通量单色辐射通量( (光通量光通量) )之比。之比。 (V/W) (A/W) 式中，式中， ()为入射的单色辐射通量或光通量。如果为入射的单色辐射通量或光通量。如果()为为光通量，则光通量，则Rv的单位为的单位为Vlm。 33()VV sR()sIIR积分灵敏度积分灵敏度l积分灵敏度积分灵敏度表示探测器对各种波长辐射光表示探测器对各种波长辐射光连续辐射连续辐射通量通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为：总光通量为： l光电探测器输出的光电探测器输出的电流或电压与入射总光通

24、量之比电流或电压与入射总光通量之比称为积分灵敏度称为积分灵敏度。34d)(0由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为：射引起的，所以输出光电流为： 得到积分灵敏度为：得到积分灵敏度为： 式中，式中， 、 分别为光电探测器分别为光电探测器长波限长波限和和短波限。短波限。350011( )( )( )ssIIdRd 0101)()(ddRR012.2.量子效率量子效率（）量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它是在量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它是在某一特定波长某一特定波长上上每秒钟内产生的光电子数每秒钟内产

25、生的光电子数与与入射光量子入射光量子数之比数之比。l单个光量子的能量为单个光量子的能量为 l单位波长的辐射通量为单位波长的辐射通量为l波长增量波长增量 内的辐射通量为内的辐射通量为 l在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率N N为为: :量子流速率量子流速率N N即为每秒入射的光量子数即为每秒入射的光量子数。36hcheddehcdhdNeel若若I IS S为信号电流，为信号电流，e e为电子电荷，为电子电荷，l每秒产生的光电子数为：每秒产生的光电子数为：l量子效率为：量子效率为：讨论讨论l 入射入射一个光量子就能发射一个电子或产生一一个光量子就能发射一

26、个电子或产生一对电子对电子空穴对空穴对；l实际上，实际上， 。l对于对于有增益的光电探测器有增益的光电探测器( (如光电倍增管等如光电倍增管等) )，会远，会远大于大于1 1，此时一般使用，此时一般使用增益增益或或放大倍数放大倍数这个参数。这个参数。37SeIRdee/( )SIeR hcNe ( ) 1 ( ) 1 l从响应度来看，好象只要有光辐射存在，不管它的从响应度来看，好象只要有光辐射存在，不管它的功率如何小，都可探测出来。功率如何小，都可探测出来。l当当入射功率很低入射功率很低时，输出只是杂乱无章的信号，无时，输出只是杂乱无章的信号，无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这它法肯定是否有

27、辐射入射在探测器上。这它固有的固有的“噪噪声声”引起的。引起的。l随时间起伏的随时间起伏的电压电压( (流流) )按时间取平均值，则按时间取平均值，则平均值等平均值等于零于零。但其。但其均方根不等于零均方根不等于零，这个均方根电压，这个均方根电压( (流流) )称称为为探测器的噪声电压探测器的噪声电压( (流流) )。 383.3.噪声等效功率噪声等效功率(NEP)(NEP)（最小可探测功率（最小可探测功率P Pminmin）信噪比信噪比(S(SN)N)1 1）作用：判定噪声大小。）作用：判定噪声大小。2 2）表示：在负载电阻）表示：在负载电阻R RL L上产生的上产生的信号功率与噪声功率之比

28、信号功率与噪声功率之比：分贝分贝(dB)(dB)表示：表示：3 3）注意）注意l利用利用SN评价两种光电探测器性能时，评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率必须在信号辐射功率相同的情况下相同的情况下才能比较。才能比较。l对单个光电探测器，其对单个光电探测器，其S/N的大小与入射信号辐射功率及接收的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关面积有关。如果入射辐射强，接收面积大，。如果入射辐射强，接收面积大，S/N就大，但性能就大，但性能不一定就好。因此用不一定就好。因此用S/N评价器件有一定的评价器件有一定的局限性局限性。 392222NsLNLsNsIIRIRIPPNSNSNSdBIIIINS

29、lg20lg10)(22噪声等效功率噪声等效功率(NEP)(NEP)定义：信号功率与噪声功率之比为定义：信号功率与噪声功率之比为1(即即SN1)时，时，入射到探测器上的入射到探测器上的辐射通量辐射通量(单位为瓦单位为瓦)：l一个良好的探测器件的一个良好的探测器件的NEPNEP约为约为1010-11-11W W。NEPNEP越小，噪越小，噪声越小，器件的性能越好声越小，器件的性能越好l 应指明测量条件，如应指明测量条件，如光谱分布光谱分布、频率、温度等。频率、温度等。40NSNEPe/4 4探测率探测率D D与比探测率与比探测率D D* *lNEPNEP愈小，探测性能愈好，但只用愈小，探测性能愈

30、好，但只用NEPNEP无法无法比较两个不比较两个不同来源的光探测器同来源的光探测器的优劣。的优劣。l两个新性能参数：两个新性能参数：探测率探测率D D和比探测率和比探测率D D* *探测率探测率D D定义为定义为NEPNEP的倒数：的倒数：l它描述的是：它描述的是：光电探测器在它的噪声电平之上产生一光电探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测电信号的本领个可观测电信号的本领，即光电探测器能响应的入射光，即光电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。功率越小，则其探测率越高。l探测率探测率D D与与光敏面积光敏面积A Ad d、测量带宽测量带宽有关。有关。41/1NVs VDNEP2 2）比

31、探测率比探测率D D* *l探测器的噪声电压与探测器的光敏面积的平方根成探测器的噪声电压与探测器的光敏面积的平方根成正比，与测量带宽的平方根成正比正比，与测量带宽的平方根成正比。l为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较，为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较，将将V Vn n除以除以 ，则，则D D就与就与A Ad d和带宽无关了，也就和带宽无关了，也就是归一化到是归一化到测量带宽为测量带宽为1Hz1Hz、光探测器、光探测器光敏面积为光敏面积为1cm1cm2 2。这种归一化的探测率一般称为比探测率，通常。这种归一化的探测率一般称为比探测率，通常用用D D* *表示表示: : 42fAd

32、)(121WHzcm/*SNdVVDAf5.5.光谱响应光谱响应n定义：定义：不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的响应率响应率和和比探测率比探测率等特性参量等特性参量随随光辐射波长光辐射波长变化变化。n单色灵敏度（响应率）和单色探测率单色灵敏度（响应率）和单色探测率峰值波长。峰值波长。n光子探测器光子探测器的光谱响应与波长有关的光谱响应与波长有关截止波长。截止波长。n热探测器热探测器光谱响应与光谱响应与波长无关波长无关，与辐射功率有关。，与辐射功率有关。43 6 6. .响应速度响应速度 n响应时间是描述光电探测器对入射响应时间是描述光电

33、探测器对入射辐射辐射响应快慢响应快慢的一个参数。的一个参数。n光电探测器光电探测器输出上升到稳定值输出上升到稳定值或或下下降到照射前的值降到照射前的值所需时间称为响应所需时间称为响应时间，用时间，用时间常数时间常数 来表示。来表示。 把从把从1010上升到上升到9090峰值峰值处所需的处所需的时间称为探测器的时间称为探测器的上升时间上升时间，而把，而把从从9090下降到下降到1010处所需的时间称处所需的时间称为为下降时间下降时间。 44频率响应频率响应l入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。光入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。光电探测器的响应随入射辐射的调制频

34、率而变化的特性称为电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率频率响应响应。对光子探测器，其频率响应特性相当于低通滤波器，探。对光子探测器，其频率响应特性相当于低通滤波器，探测器响应率：测器响应率：45l 为频率是为频率是 时的响应度；时的响应度；lR0为频率是零时的响应度；为频率是零时的响应度；l为探测器响应时间。为探测器响应时间。l当当 时，可得放大器时，可得放大器的的上限截止频率上限截止频率 l时间常数时间常数决定了光电探测器频决定了光电探测器频率响应的带宽。率响应的带宽。2120)2(1)(fRfR)( fRf707.021)(0RfR12f上例：已知某探测器的面积为例：已知

35、某探测器的面积为3 34cm4cm2 2，D D* *=10=101111cmHzcmHz1/21/2w w-1-1，光电仪器的带宽为，光电仪器的带宽为300Hz300Hz，该仪器所能探测的光辐射，该仪器所能探测的光辐射的的最小辐射功率最小辐射功率？解：由解：由D D* *的定义：的定义：当当Vs/VVs/VN N=1=1时，得到最小探测功率，时，得到最小探测功率，所以：所以： 其中：其中：A Ad d=3=34cm4cm2 2，D D* *=10=101111cmHzcmHz1/21/2w w-1-1，=300Hz=300Hz代入，得该仪器所能探测的光辐射的最小辐射功率代入，得该仪器所能探测

36、的光辐射的最小辐射功率minmin=6=61010-10-10W W46/*SNdVVDAfmin1*dDAf2.3 光电探测器的噪声光电探测器的噪声噪声问题噪声问题光电探测系统是光信号变换、传输及处理的系统。系光电探测系统是光信号变换、传输及处理的系统。系统在工作时，总会受到一些无用信号的干扰，这些非统在工作时，总会受到一些无用信号的干扰，这些非信号的成分统称为信号的成分统称为噪声噪声。例如例如 1 1）光电变换）光电变换器件器件中光电子随机起伏的干扰；中光电子随机起伏的干扰； 2 2）辐射光场在传输过程中受到）辐射光场在传输过程中受到通道通道的影响的影响 3 3）背景光背景光的干扰；的干扰

37、； 4 4）放大器放大器引入的噪声干扰等。引入的噪声干扰等。47一、光电系统中的噪声一、光电系统中的噪声任何叠加在信号上的不希望的随机扰动或干扰统称为任何叠加在信号上的不希望的随机扰动或干扰统称为噪声。这些干扰及扰动主要来自两方面：噪声。这些干扰及扰动主要来自两方面：n被研究系统的被研究系统的外部外部n被研究系统被研究系统内部内部48探测器探测器噪噪 声声光子噪声光子噪声电路噪声电路噪声n 噪声影响对信号特别是噪声影响对信号特别是微弱信号微弱信号的正确探测。的正确探测。n一个光电探测系统的一个光电探测系统的极限探测能力极限探测能力往往由探测系统往往由探测系统的噪声所限制。的噪声所限制。 所以在

38、光电检测系统中，如何减小和消除噪声是十所以在光电检测系统中，如何减小和消除噪声是十分重要的问题。分重要的问题。 49噪声的度量噪声的度量n噪声是一种噪声是一种随机信号随机信号，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。任何一个宏观测量的物理量都是微观过程的落现象。任何一个宏观测量的物理量都是微观过程的统计平均统计平均值值。研究噪声一般采用。研究噪声一般采用长周期测定其均方值长周期测定其均方值( (即噪声功率即噪声功率) )的方的方法，在数学上即用随机量的起伏方差来计算。法，在数学上即用随机量的起伏方差来计算。l对于对于平稳随机过程平稳随机过程，采用先计算噪声

39、电压，采用先计算噪声电压( (电流电流) )的平方值，然的平方值，然后将其对时间作平均，来求噪声电压后将其对时间作平均，来求噪声电压( (电流电流) )的均方值，即：的均方值，即： 上式表示噪声电压上式表示噪声电压( (电流电流) )消耗在消耗在11电阻电阻上的平均功率通称为噪上的平均功率通称为噪声功率。声功率。5022)(tuUnn22)(tiinn三、光电探测器噪声三、光电探测器噪声在光电探测器中在光电探测器中固有噪声固有噪声主要有：主要有：n热噪声热噪声n散粒噪声散粒噪声n产生复合噪声产生复合噪声(g(gr r噪声噪声) )n温度噪声温度噪声n 噪声。噪声。 51f11.1.热噪声热噪声

40、1 1）产生原因产生原因l热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的。任何一个处于动引起的。任何一个处于热平衡条件热平衡条件下的电阻，下的电阻，即使没有外加电压，也都有一定量的噪声。即使没有外加电压，也都有一定量的噪声。lABAB两极间的电阻为两极间的电阻为R R，在绝对温度，在绝对温度T T时，体内的时，体内的电子处于不断的热运动中，是一团毫无秩序可言电子处于不断的热运动中，是一团毫无秩序可言的电子运动。的电子运动。52ABS2 2）度量度量n这一电压涨落直到这一电压涨落直到19281928年才为琼斯年才为琼斯(Johnson)(Johnson)

41、的实验的实验所证实。同时奈奎斯持所证实。同时奈奎斯持( (NyquistNyquist) )推导出推导出热噪声功率热噪声功率为：为：式中式中k为玻尔兹曼常量，为玻尔兹曼常量， 为测量带宽。为测量带宽。n如用如用噪声电流噪声电流表示则为表示则为53fRkTUnJ 42fRfkTinJ42n通常也用通常也用热噪声电流热噪声电流( (电压电压) )均方根均方根值来进行计值来进行计算：算：n热噪声属于热噪声属于白噪声频谱白噪声频谱，一般说来，一般说来，高端极限高端极限频率频率为：为： fH015kT1013Hz在室温下在室温下(T290k)， fH61012Hz，一般电子一般电子学系统工作频率远低于该

42、值，故热噪声为白噪声学系统工作频率远低于该值，故热噪声为白噪声频谱。频谱。 542/124RfkTinJ2/ 124fRkTUnJn例如：室温条件下例如：室温条件下R R1k1k的电阻，在的电阻，在 1Hz1Hz带宽带宽内的均方根热噪声电压值约为内的均方根热噪声电压值约为4nV4nV；n若工作带宽为若工作带宽为500kHz500kHz的系统，放大器增益为的系统，放大器增益为10104 4，则在，则在放大器输出端的热噪声均方根电压约放大器输出端的热噪声均方根电压约28mV28mV。n在在微弱信号探测微弱信号探测中，是一个不可忽视的量。中，是一个不可忽视的量。？如何减小热噪声如何减小热噪声光电探测

43、系统的一个重要问题光电探测系统的一个重要问题1 1）热噪声功率与探测器工作温度）热噪声功率与探测器工作温度T T的有关的有关制冷制冷。特。特别是对一些红外探测器，为了降低噪声，往往将探测器别是对一些红外探测器，为了降低噪声，往往将探测器放置于液氦（放置于液氦（4K4K）、液氮（）、液氮（77K77K）的深冷状态。）的深冷状态。2 2）在满足信号不失真的条件下，尽量）在满足信号不失真的条件下，尽量缩短工作频带缩短工作频带。 55f2 2散粒噪声散粒噪声1 1）产生原因）产生原因探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发下，发下，光电子或光生载流

44、子的随机产生光电子或光生载流子的随机产生所造成的。由所造成的。由于随机起伏是一个一个的带电粒子或电子引起的，所于随机起伏是一个一个的带电粒子或电子引起的，所以称为散粒噪声。以称为散粒噪声。存在于存在于光电子发射器件光电子发射器件、光生伏特器件光生伏特器件。562 2）度量度量以电子管为例，电子管阴极任一短时间内发射出来的电子绝不以电子管为例，电子管阴极任一短时间内发射出来的电子绝不会总是等于平均数，而是围绕这一平均数有一涨落。从涨落的会总是等于平均数，而是围绕这一平均数有一涨落。从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为：均方偏差可求出散粒噪声功率为：式中式中e e为电子电荷，为电子电荷， 为探测器

45、工作带宽。为探测器工作带宽。l在无光照时的暗电流噪声功率为：在无光照时的暗电流噪声功率为：l对于由光场作用的光辐射散粒噪声：对于由光场作用的光辐射散粒噪声：式中式中I IP P为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。3 3）特性特性l散粒噪声也是散粒噪声也是白噪声白噪声，与频率无关与频率无关，l热噪声起源于热噪声起源于热平衡条件下电子的粒子性热平衡条件下电子的粒子性，因而依赖于，因而依赖于kTkT，而，而散粒噪声散粒噪声直接起源于电子的粒子性直接起源于电子的粒子性，因而与，因而与e e直接有关。直接有关。57fIein22ffeIidnd 22feIipnp 223 3产生产生复合噪声复合噪声1 1）产生原因产生原因 n半导体中由于载流子半导体