第五章光电仪器中的光电探测及常用检测电路

1、光电探测是光电仪器的重要组成部分，其探测原理如下：光电探测是光电仪器的重要组成部分，其探测原理如下： 光电仪器中的光电探测是通过光电仪器中的光电探测是通过光学变换光学变换与与光电转换光电转换来实来实现的，而光电转换技术是通过现的，而光电转换技术是通过光电探测器光电探测器及其相应的及其相应的集成电集成电路路来完成的。来完成的。光光源源照明照明光学光学系统系统被测对象被测对象光学转换光学转换光电转换光电转换电路处理电路处理控制控制显示显示辐射源辐射源光载波光载波光信号光信号电信号电信号光电探测光电探测光电探测器：光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。对各种光辐射进行接收和探测的器件。可适用

2、可适用的波长范围包括紫外、可见光和红外光谱区。的波长范围包括紫外、可见光和红外光谱区。光辐射量光辐射量光电探测器光电探测器电量电量光电探测器按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利光电探测器按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光子效应的用各种光子效应的光子探测器光子探测器，另一类是利用温度变化效应，另一类是利用温度变化效应的的热探测器。热探测器。 在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料中在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料中的电子发生各种相互作用的的电子发生各种相互作用的光电子效应光电子效应。 在众多的光电子效应中，只有在众多的光电子效应中，只有光电子发射效

3、应光电子发射效应、光电导效光电导效应应、光生伏特效应光生伏特效应和和光电磁效应光电磁效应得到广泛的应用。得到广泛的应用。（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（光电导效应或内光电效应）（光电导效应或内光电效应）半导体半导体材料材料光子能量大光子能量大于禁带宽度于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自由电子空穴子空穴电导率电导率变化变化（光生伏特效应或内光电效应）（光生伏特效应或内光电效

4、应）（光电磁效应或内光电效应）（光电磁效应或内光电效应）金属氧化金属氧化物或半导物或半导体表面体表面光子能量光子能量足够大足够大材料内束缚能级材料内束缚能级的电子逸出表面的电子逸出表面电子电子-空穴对空穴对光生电光生电动势动势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浓载流子浓度梯度度梯度光磁电光磁电动势动势光子探测器光子探测器固体光固体光子器件子器件光发射光发射器件器件光导器件光导器件光电磁器件光电磁器件受激发的电子由光敏电极上发受激发的电子由光敏电极上发射到周围的媒介中射到周围的媒介中光子引起材料中电子能量分布

5、光子引起材料中电子能量分布的变化，从而输出所需的信号的变化，从而输出所需的信号光伏器件光伏器件 所有的光探测器都是为探测某个特定波段或一个宽波段所有的光探测器都是为探测某个特定波段或一个宽波段上的辐射能，并能输出一个和所吸收的能量成正比的信号。上的辐射能，并能输出一个和所吸收的能量成正比的信号。响应度是描述探测器响应度是描述探测器灵敏度灵敏度的参量，描述的是光电探测的参量，描述的是光电探测器的器的光光电转换效能电转换效能。它表征探测器输出信号与输入辐射之。它表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数。间关系的参数。v 定义为定义为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

6、探测器的输出电压（流），即器件的输出电压（流）与输入辐射功率之比，并分别用即器件的输出电压（流）与输入辐射功率之比，并分别用RV 和和RI 表示有：表示有： 对于红外和激光辐射探测器，通常使用对于红外和激光辐射探测器，通常使用V/W或或A/W为单位，对为单位，对于可见光则常用于可见光则常用mA/lm来表示，因为流明是可见辐射功率的单位；来表示，因为流明是可见辐射功率的单位；输出信号用电压表示：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： 量子效率是评价光电器件性能的重要参数，它是在某一量子效率是评价光电器件性能的重要参数，它是在某一特定波长上特定波长上每秒钟内产生的光电子数每秒

7、钟内产生的光电子数与与入射光量子数入射光量子数之比。之比。hcdhdNee edReIeIS v 每秒入射光量子数：每秒入射光量子数： v 每秒产生的光电子数：每秒产生的光电子数：v 于是：于是：例例 光子探测器的量子效率为光子探测器的量子效率为1，用来探测，用来探测He-Ne激光器发出激光器发出的辐射。求其响应度的辐射。求其响应度R。 ehcRNeIIS )(解：由量子效应为解：由量子效应为hceRI 故可得故可得WARI5 .010310624.66328.0106 .1143419 信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载负载电阻电阻RL上

8、产生的上产生的信号功率与噪声功率之比信号功率与噪声功率之比，即：，即：或或 与与入射辐射功率入射辐射功率、光敏面积光敏面积有关。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，但性能不一定就大，但性能不一定就好。因此用就好。因此用 S/N 评价器件有一定的局限性。评价器件有一定的局限性。 噪声等效功率即噪声等效功率即最小可探测功率最小可探测功率Pmin，定义为信号功率，定义为信号功率与噪声功率之比为与噪声功率之比为1（即（即S/N1）时，入射到探测器上的）时，入射到探测器上的辐辐射通量射通量（单位为（单位为W），即：），即： NEP越小，噪声越小，器件的性能越好越小

9、，噪声越小，器件的性能越好。一般一个良好的。一般一个良好的探测器的探测器的NEP10-11W。 仅用仅用NEP这个指标，无法比较两器件的优劣这个指标，无法比较两器件的优劣有局限性有局限性。 噪声等效辐照为噪声等效辐照为通过单位面积的辐射通量通过单位面积的辐射通量，定义为输，定义为输出信号等于探测器噪声时，入射到探测器上的出信号等于探测器噪声时，入射到探测器上的辐射通量密辐射通量密度度（单位为（单位为W/m2），即：），即： 此参数是为描述一个系统的性能而引入的，此参数是为描述一个系统的性能而引入的，表征的是系统表征的是系统电路输出信号的信噪比为电路输出信号的信噪比为1时在入射光瞳处所要求的通量

10、时在入射光瞳处所要求的通量密度。密度。 NEP数值越小，表示探测器的探测能力越强，相对缺乏数值越小，表示探测器的探测能力越强，相对缺乏直观性。为此引入了直观性。为此引入了NEP的倒数定义为探测度的倒数定义为探测度D，即：，即： 其描述了光电探测器在其噪声水平上产生可观测信号的本其描述了光电探测器在其噪声水平上产生可观测信号的本领。即领。即探测器能响应的入射功率越小，探测度越高探测器能响应的入射功率越小，探测度越高。 探测度表征器件性能时，必须说明入射辐射的波长、探测探测度表征器件性能时，必须说明入射辐射的波长、探测器工作温度、斩波器的频率、器件上所加的偏置电流、器工作温度、斩波器的频率、器件上

11、所加的偏置电流、探测器的接收面积和放大器的带宽。探测器的接收面积和放大器的带宽。 由于由于D与探测器光敏面积与探测器光敏面积Ad 和放大器带宽和放大器带宽 f 乘积的平方乘积的平方根成反比，故对于不同的器件来说根成反比，故对于不同的器件来说D不是一个理想的参量。不是一个理想的参量。 为克服此缺点，对探测度进行归一化处理，为克服此缺点，对探测度进行归一化处理，归一化后的归一化后的探测度探测度称为比探测度称为比探测度。表达式为。表达式为 比探测度是在入射到探测器上的辐射功率为比探测度是在入射到探测器上的辐射功率为1W，探测器，探测器的敏感面积为的敏感面积为1cm2，放大器带宽为，放大器带宽为1Hz

12、的条件下测量的。的条件下测量的。用于不同放大器带宽、不同光敏面积的光电探测器性能用于不同放大器带宽、不同光敏面积的光电探测器性能的比较的比较。 D*可定义为对可定义为对单色辐射单色辐射或或黑体辐射黑体辐射的响应。对前者称为光的响应。对前者称为光谱比探测度，通常在谱比探测度，通常在D*后附加测量条件后附加测量条件D*( ，f， f)表示。表示。 通常为光探测器的峰值波长，通常为光探测器的峰值波长，f为斩波器的频率，为斩波器的频率， f 为为放大器的带宽放大器的带宽；后者用；后者用D*(T，f， f)表示，表示，T为黑体的绝为黑体的绝对温度。对温度。 响应时间是响应时间是探测器对入射辐射响应快慢的

13、参数探测器对入射辐射响应快慢的参数，表征了，表征了器件对突然变化的输入信号的反应速度。即当入射辐射到光器件对突然变化的输入信号的反应速度。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳输出上升到稳定值定值或或下降到照射前的值所需时间下降到照射前的值所需时间称为响应时间。称为响应时间。 对光电池、光敏电阻及热电探测器等器对光电池、光敏电阻及热电探测器等器件，响应时间定义为光电信号从件，响应时间定义为光电信号从零上升零上升到稳定值的到稳定值的1- -e-1-1（即（即63%）或）或下降到稳下降到稳定值的定值的e-1-1（即（即37%）所

14、需要的时间。）所需要的时间。 对雪崩二极管、光电二极管及光电倍增对雪崩二极管、光电二极管及光电倍增管等响应速度快的探侧器件，响应时间管等响应速度快的探侧器件，响应时间定义为光电信号从定义为光电信号从稳定值的稳定值的10上升到上升到90或或90下降到下降到10所需的时间。所需的时间。10.90.1tt入射光入射光fttI光光 由于光电探测器信号的产生和消失存在一个滞后过程，由于光电探测器信号的产生和消失存在一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电探测器的响应会有较大影响。所以入射光辐射的频率对光电探测器的响应会有较大影响。 光电探测器的光电探测器的响应随入射辐射的调制频率变化而变化响应随入射辐射

15、的调制频率变化而变化的的特性称为频率响应。其表达式为特性称为频率响应。其表达式为 R(f )随着随着f 的升高而下降，下降的升高而下降，下降速度与时间常数速度与时间常数 的大小有关。的大小有关。右图为探测器频率响应曲线。右图为探测器频率响应曲线。 从图中可知从图中可知时间常数决定了探测时间常数决定了探测器频率响应的带宽器频率响应的带宽。fR00.707R0f上上R(f )RCf2121 上上 光谱响应描述了光谱响应描述了输出信号对输入信号波长的函数输出信号对输入信号波长的函数关系。关系。 当规定每单位波长间隔的辐射通量保持为常数，按该规当规定每单位波长间隔的辐射通量保持为常数，按该规定的理想光

16、谱响应曲线如下定的理想光谱响应曲线如下。 热探测器热探测器 CR( )光子探光子探测器测器 热探热探测器测器 CR( )光子探光子探测器测器 当规定每单位波长间隔所到达的光子速度保持为常数，当规定每单位波长间隔所到达的光子速度保持为常数，按该规定的理想光谱响应曲线如下按该规定的理想光谱响应曲线如下。 暗电流暗电流Id。即光电探测器在即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所没有输入信号和背景辐射时所流过的电流流过的电流(加电源时加电源时)。一般测量其直流值或平均值。一般测量其直流值或平均值。 线性度线性度。线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信

17、号与输入信号保持线性关系的程度输出信号与输入信号保持线性关系的程度。线性度是辐。线性度是辐射功率的复杂函数，是指器件中的实际响应曲线接近拟射功率的复杂函数，是指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度，通常用非线性误差来度量：合直线的程度，通常用非线性误差来度量： 光电探测器还有其他的一些特性参数，在使用时需要特别光电探测器还有其他的一些特性参数，在使用时需要特别注意。例如注意。例如光敏面积光敏面积、探测器的电阻、电容探测器的电阻、电容等。等。 信号在传输和处理过程中总会受到一些信号在传输和处理过程中总会受到一些无用信号的干扰无用信号的干扰，人们常称这些干扰信号为人们常称这些干扰信号为噪声噪声。

18、 光电探测器在进行光电转换过程中，同样要引入噪声，光电探测器在进行光电转换过程中，同样要引入噪声，称为称为光电探测器的噪声光电探测器的噪声。噪声是。噪声是限制光电系统性能限制光电系统性能的决定性的决定性因素，是光电信号检测中的不利因素。因素，是光电信号检测中的不利因素。 噪声是种随机信号，任何时刻都不能预知其精确大小。噪声是种随机信号，任何时刻都不能预知其精确大小。它的值只能通过它的值只能通过噪声的统计特性噪声的统计特性，得出某时刻的可能数值，得出某时刻的可能数值，通常用通常用电压或电流的均方根的和电压或电流的均方根的和决定。决定。E 显然，噪声显然，噪声un(t)表示了表示了。若若us(t)

19、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：探测器噪声探测器噪声内部内部原因原因外部外部原因原因热噪声热噪声产生复合噪声产生复合噪声 又称为又称为有形噪声有形噪声，通常由电、磁、，通常由电、磁、机械等因素引起。一般可以预知，机械等因素引起。一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。因而总可以设法减少和消除。来自物理系统内部，来自物理系统内部，内部材料、器内部材料、器件或固有的物理过程的自然扰动。件或固有的物理过程的自然扰动。表现为一种无规则起伏，称为表现为一种无规则起伏，称为无规无规噪声噪声。光子噪声光子噪声 根据噪声产生的原因，大体上可把噪声分为根据噪声产生

20、的原因，大体上可把噪声分为人为噪声人为噪声、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。 人为噪声人为噪声自然噪声自然噪声散粒噪声散粒噪声温度噪声温度噪声1/f 噪声噪声放大器噪声放大器噪声 光电器件中的噪声是物理过程中固有的，为了提高信噪光电器件中的噪声是物理过程中固有的，为了提高信噪比，可增大信号值或减小噪声大小。一般应比，可增大信号值或减小噪声大小。一般应尽可能减小噪声尽可能减小噪声以提高信噪比。以提高信噪比。 或称热噪声，是由于或称热噪声，是由于自由载流子在电阻材料中的无规自由载流子在电阻材料中的无规则热运动则热运动造成的噪声。任何有电路的材料都有热噪声

21、。造成的噪声。任何有电路的材料都有热噪声。 当当温度高于绝对零度温度高于绝对零度时，导体或半导体中每一电子都时，导体或半导体中每一电子都作随机运动，使作随机运动，使瞬时电流扰动瞬时电流扰动会在探测器输出端产生均方会在探测器输出端产生均方电流或均方电压，其均方值为电流或均方电压，其均方值为 从式中可看出该噪声与频率无关，故称为从式中可看出该噪声与频率无关，故称为“白白”噪声噪声。注意注意：热噪声是温度热噪声是温度T的函数，但不是温度变化引起的温度噪声的函数，但不是温度变化引起的温度噪声。玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数电阻电阻例例 计算计算1k 电阻在电阻在300K（室温）和（室温）和600K时的噪声等

22、效功率时的噪声等效功率NEP。设。设 =1， =0.6328 m。 hcePIsS 解：依题意有解：依题意有噪声等效功率为噪声等效功率为RfkTehcIIP NSNEPNSse 4/ 2/ 14 RfkTIn当当T=300K时有：时有：ffNEP 12231914341081000300103807. 146328. 0106 . 1110310624. 6当当T=600K时有：时有：ffNEP 122319143410121000600103807. 146328. 0106 . 1110310624. 6 在光和热的作用下，在光和热的作用下，半导体半导体中由于载流子产生与复合中由于载流子产

23、生与复合的随机性而引起的的随机性而引起的平均载流子浓度的起伏平均载流子浓度的起伏所产生的噪声，所产生的噪声，又称又称G- -R 噪声噪声。 非本征半导体器件的非本征半导体器件的G-R噪声电流和噪声电压为噪声电流和噪声电压为 近本征器件的近本征器件的G-R噪声电流和噪声电压为噪声电流和噪声电压为自由载流子总数自由载流子总数自由电子总数自由电子总数 是在结型器件中发现的噪声源。是由于是在结型器件中发现的噪声源。是由于光辐射作用或光辐射作用或热激发作用热激发作用下，光电子或载流子随机产生电子所引起的噪下，光电子或载流子随机产生电子所引起的噪声。散粒噪声电流的表达式为：声。散粒噪声电流的表达式为： 零

24、偏置时的电阻零偏置时的电阻r0为为二极管电流二极管电流反向偏置反向偏置饱和电流饱和电流 零偏置时，即当零偏置时，即当I=0时的散粒噪声电流为时的散粒噪声电流为 在反向偏置情况下，在反向偏置情况下，I=- -I0，则散粒噪声电流为，则散粒噪声电流为 只有在只有在热探测器热探测器上才能观察到的一种噪声源。它是由于上才能观察到的一种噪声源。它是由于材料材料的温度起伏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，因而引起材料有热流量的变化，这种差的存在，因而引起材料有热流量的变化，这种热流量的变化热流量的变化导导致产生物体的温度噪声。它

25、的能量的均方起伏表达式为：致产生物体的温度噪声。它的能量的均方起伏表达式为： 温度噪声温度噪声限制了限制了热探测器所能探测的热探测器所能探测的最小辐射能量最小辐射能量。式中式中G为热导系数为热导系数温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上有一定的差别，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：主要区别在于： 对于对于热噪声热噪声，材料的温度，材料的温度T 一定，引起粒子随机性波动，从一定，引起粒子随机性波动，从而产生了随机性电流而产生了随机性电流in； 对于对于温度噪声温度噪声，材料温度有变化，材料温度有变化 T，从而导致热流量的变化，从而导致热流量的变化 ，此变化就表示

26、了温度噪声的大小。，此变化就表示了温度噪声的大小。 几乎所有探测器都存在这种噪声。这种噪声是由于几乎所有探测器都存在这种噪声。这种噪声是由于光光敏层的微粒不均匀敏层的微粒不均匀或或不必要的微量杂质的存在不必要的微量杂质的存在，当电流存，当电流存在时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。它主在时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。它主要出现在要出现在大约大约1kHz以下的低频频阈以下的低频频阈，而且，而且与光辐射的调制与光辐射的调制频率频率f 成反比成反比，故称为低频噪声或，故称为低频噪声或1/f 噪声。其经验公式为噪声。其经验公式为式中式中 kf 与元件制作工艺、材料尺寸及表面状态等有关的比与元件制作工艺、材料尺寸及表面状态等有关的比例系数；例系数； 与流过元件的电流有关，通常与流过元件的电流有关，通常 2； 与元件材料性质有关与元件材料性