光电检测技术与光纤基础课件：1.3 基本定律

1、11.3 基本定律1.3.1 黑体辐射定律黑体：有一类物体其表面不反射光，它们能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射，这类物体就叫绝对黑体。吸收比:反射比:灰体21. 基尔霍夫定律常数光谱发射率任何物体的单色辐出度与单色吸收比之比，等于同一温度的黑体的单色辐出度-基尔霍夫定律物体光谱发射率等于其光谱吸收比强吸收体必然是强发射体黑体的单色辐出度总大于一般物体的单色辐出度小于12. 普朗克辐射公式短波区或温度不高的情况下700K900K400K(m）2Me(,T)46843. 斯忒藩-玻耳兹曼定律一定温度下总的辐射出射度4. 维恩位移定律Me(,T)与温度的4次方成正比 称斯忒藩-玻耳兹曼常数由实

2、验得到也可由热力学理论导出51.3.2 光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应外光电效应6光电导效应当半导体材料受光照时，由于吸收光子使其中的载流子浓度增大，因而材料的电导率增大，这种现象称为光电导效应。本征吸收及杂质吸收都可以发生7光生伏特效应当结型半导体材料（内建电场）受光照时，由于吸收光子产生电子空穴对，载流子浓度增大。其中，电子在结电场的作用下被拉到N区，同时空穴也在结电场的作用下被拉到P区，从而在结区两边产生势垒，这就是光生伏特效应。PN漂移扩散E内NPPN8外光电效应光电发射定律在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面或向外发射电子的现象称为外光电效应，也叫光电子发射效应。向外发

3、射的电子叫光电子。当电子从光子吸取的能量大于逸出功A0时，电子就能逸出表面，产生光电子发射。爱因斯坦光电效应方程或光电发射第一定律9光电发射第二定律：当辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的通量成正比：光电子发射过程可以归纳为以下三个步骤：(1)物体吸收光子后体内的电子被激发到高能态；(2)被激发电子向表面运动，在运动过程中因碰撞而损失部分能量；(3)克服表面势垒逸出金属表面。10物质（金属）的逸出功和红限频率当光电子的速度等于零，即光电子的动能为0时，有光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的电子逸出功。这说明每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或长波限。光线频率低于红限

4、频率，其能量就不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；入射光频率如果高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。11半导体材料的阈值波长对于半导体，一般情况下，能够有效吸收光子的电子大多是处在价带顶附近，所以光电子发射的逸出功为：式中Eg是半导体禁带宽度，EA称为电子亲和势。即半导体材料光电发射的能量阈值为所以长波限为式中：h4.13 1015eVs，是普朗克常数；c31014微米/秒，是光速。半导体材料的阈值波长121.4 光电探测器的噪声和特性参数光辐射探测器光电探测器热电探测器真空光电器件固体光电器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏

5、电阻光电池光电二极管光电三极管光电耦合器热电偶和热电堆热辐射计和热敏电阻热释电探测器高莱管光电光热电光电探测器与光热探测器性能及特点（一般比较）灵敏度（或响应度）响应速度光谱范围体积大小应用噪声本征噪声（内部）环境干扰（外部）自 然 人 为电 路 信号本身的随机起伏噪声1.4.1 光电探测器的噪声15本征噪声：随机的、瞬间幅度不能预知的起伏。来自信号及测量系统本身（探测器及电路）特点：任何时刻任何电路系统都存在；不能完全消除，只能抑制；服从统计分布规律；限制可测信号的最小值电平、极限灵敏度；平均值附近随机起伏；长时间的平均值为零。噪声的信号平均值：问题：如何描述噪声的大小？ 噪声的均方值功率，

6、有统计意义 噪声的均方根电流或电压与频率有关噪声功率均方噪声值：物理意义为：噪声电流消耗在一个欧姆电阻上的平均功率噪声功率谱：与频率无关：白噪声与频率成反比：1/f噪声171.热噪声载流子在一定温度下的无规则热运动导致。k：玻尔兹曼常数；T：绝对温度；R:器件电阻值；f通带宽度探测器噪声：热噪声、散粒噪声、产生复合噪声、 1/f噪声、温度噪声等功率正比于T，常使用制冷器，减少热噪声与电阻两端电压或电流无关，与电阻R有关，称电阻噪声属白噪声，与f无关，但f很大时，会减少。2.散粒噪声到达某截面或从某截面逸出的载流子数量随机起伏导致。q：电子电荷；I：器件输出平均电流；f通带宽度与平均电流成正比是

7、白噪声，与f无关 193.产生复合噪声某一瞬间载流子产生和复合的数量随机起伏导致。I：总的平均电流；N0：总的自由载流子数t：载流子寿命；f：噪声频率4.1/f噪声机理复杂，主要与器件表面状态、材料、结构等有关。有经验公式：a接近2；b在0.81.5之间c是比例常数与电流的平方成正比，也称电流噪声与频率成反比！低频很大。与电流及载流子寿命成正比，属白噪声。与散粒噪声类似205.温度噪声器件本身温度随机变化导致。Gt：器件的热导；tt：器件的热时间常数；T：周围温度低频时，可简化：与温度的平方成正比，与热导成反比主要存在于光热（热电）探测器，对光子 探测器影响不明显频率低时为白噪声几百Hz探测器

8、不同工作频率范围，主要噪声不一样100HZ以下：1/f噪声；1000HZ以上：白噪声为抑制及减少噪声提供方向整体情况：f/Hz1/f噪声产生复合噪声散粒、温度和热噪声221.响应率电压响应率(V/w)：电压/单色辐射通量电流/单色辐射通量电流 响应率(A/w)：1.4.2 光电探测器的特性参数探测器的输出信号电压/探测器接收的所有波长光的总辐射通量探测器输出的信号电流/探测器接收的所有波长光的总辐射通量电压光谱灵敏度：2.光谱响应率（范围）电流光谱灵敏度：S（）1相对光谱灵敏度反映器件的光度转换能力233、等效噪声功率如果探测器所接收到的辐射功率所引起的信号输出，正好等于探测器本身产生的噪声，

9、则探测器此时所接收到的辐射功率称为等效噪声功率又称为最小可探测功率。设输出信号为电流信噪比当输出电压（电流）的信噪比为1时所对应的入射光的功率；反映了探测器本身的固有本征噪声的大小；探测器的极限灵敏度或最小可测功率。归一化等效噪声功率：4、探测度D与比探测度D*探测率归一化等效噪声功率： 比探测率（归一化探测率）Ad：cm2f: Hz:ASI:A/W D*:cm.Hz1/2.W-1实际上比探测率是与波长有关的D*（500K，900Hz, 1Hz)黑体光源的温度辐射能量的振荡频率测量带宽255.响应时间和频率响应惰性-光电器件输出的电信号总是在时间上落后于作用在其上的光信号的特性。t响应时间Is1.0t0.370.63上下频率响应探测器上限截止频率266.线性下限：由暗电流和噪声因素决定上限：上限由饱和效