光电探测器的物理基础

光电探测器的物理基础第一页，共一百零八页，2022年，8月28日

3.1光电探测器的物理基础§3.1.1光辐射与度量

§3.1.2光电探测器概述

§3.1.3光电探测器的性能参数

§3.1.4光电探测器的噪声第二页，共一百零八页，2022年，8月28日3.1.1光辐射与度量在光探测中，定量地描述辐射能强度的量有两类：一类是物理的——辐射度学量，是用能量单位描述光辐射能的客观物理量；另一类是生理的——光度学量，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度．即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量。因此，辐射度量和光度量两者在研究方法和概念上非常类似，它们的基本物理量也是一一对应的。

本质上一样第三页，共一百零八页，2022年，8月28日立体角的概念在光辐射测量中，常用的几何量就是立体角。立体角涉及到的是空间问题。任一光源发射的光能量都是辐射在它周围的一定空间内。因此，在进行有关光辐射的讨论和计算时，也将是一个立体空间问题。与平面角度相似，我们可把整个空间以某一点为中心划分成若干立体角。第四页，共一百零八页，2022年，8月28日定义:一个任意形状椎面所包含的空间称为立体角。符号：Ω或ω

单位：Sr（球面度）如图所示，△A是半径为R的球面的一部分，△A的边缘各点对球心O连线所包围的那部分空间叫立体角。立体角的数值为部分球面面积△A与球半径平方之比，即:第五页，共一百零八页，2022年，8月28日单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角Ω截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所对应的立体角称为一个单位立体角，或一球面度。对于一个给定顶点O和一个随意方向的微小面积dS，它们对应的立体角为其中θ为dS与投影面积dA的夹角，R为O到dS中心的距离。第六页，共一百零八页，2022年，8月28日球面所对应的立体角：根据定义全球所对应的立体角(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4π空间.)同理，半球所对应的立体角为2π空间。第七页，共一百零八页，2022年，8月28日一、辐射度学的基本物理量

1．辐射能Q

辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为J(焦耳)。当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热能、电能等。2．辐射通量Φ

辐射通量又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率．单位为W(瓦)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能，

Φ=dQ/dt(J／s，焦耳每秒)。

第八页，共一百零八页，2022年，8月28日3．辐射强度I

点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射通量，单位：W／sr(瓦每球面度)I=dΦdω在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角内发射的辐射通量为Φ=Iω在空间所有方向(＝4)上发射的辐射通量为Φ=4πI实际上，一般辐射源，其辐射强度随方向而变化，如图所示.

点辐射源在整个空间发射的辐射通量为：π

ωxyz第九页，共一百零八页，2022年，8月28日4．辐射照度E——辐照度辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，即：E＝dΦ／dA，

dA是投射辐射通量dΦ的元面积单位：W／m2(瓦每平方米)。5．辐射出射度M——辐出度辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量，即：M=dΦ／dS，

dΦ是扩展源表面dS在各方向上(通常为半空间

2π立体角)所发出的总的辐射通量，单位为W／㎡(瓦每平方米)。第十页，共一百零八页，2022年，8月28日辐照度E和辐出度M的比较：相同：单位相同，区别：前者是描述辐射接收面（探测器）所接收的辐射特性．后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。

第十一页，共一百零八页，2022年，8月28日6．辐射亮度L辐射亮度定义为扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量：

扩展辐射源第十二页，共一百零八页，2022年，8月28日7．光谱辐射量辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成。为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。第十三页，共一百零八页，2022年，8月28日光谱辐射通量Ф（λ）辐射源发出的光在波长λ处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。其关系式为：单位：W／μm(瓦每微米)，或W／nm(瓦每纳米)。辐射源的总辐射通量：第十四页，共一百零八页，2022年，8月28日前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系：光谱辐照度：光谱辐射出射度：光谱辐射亮度：第十五页，共一百零八页，2022年，8月28日二、光度学的基本物理量1．光谱光视效率现象：人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。由于受视觉生理和心理作用，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。国际照明委员会(CIE)根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称之为视见函数。第十六页，共一百零八页，2022年，8月28日暗视觉光谱光视效率虚线：亮度小于0.001cd/㎡时的暗视觉光谱光视效率，用Vˊ(λ)表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的；最大值：507nmVˊ(λ)V(λ)明视觉光谱光视效率实线：亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V(λ)表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的，最大值在555nm处。第十七页，共一百零八页，2022年，8月28日人眼的光谱光视效率的数值波长（nm）波长（nm）

明视觉

明视觉

暗视觉

暗视觉第十八页，共一百零八页，2022年，8月28日2．光度学的基本物理量

在辐射度量学中介绍的各个基本量Φ、M、I、L和E对整个电磁波谱都适用；而在光度学中光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的，只是光度量只在光谱的可见波段(380nm—780nm)才有意义。为避免混淆，在光度量符号上加下标“

v”。光度学中相应量ΦV、MV、IV、LV和EV与辐射度量Φ、M、I、L和E之间的对应关系由表给出。第十九页，共一百零八页，2022年，8月28日辐射度量符号单位光度量符号单位辐射能

QJ(焦)光量

QVlm·s辐射通量ΦW（瓦）光通量ΦVlm（流明）辐照度EW·m－2光照度EVlx=lm/m2辐出度MW·m－2光出射度MVlm/m2

辐射强度IW·sr-1发光强度IVcd=lm/sr（坎德拉）辐射亮度LW·sr-1·m－2光亮度LVlm/(m2.sr)辐射度量和光度量的对照表第二十页，共一百零八页，2022年，8月28日由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的，因而按人眼的视觉特性V(λ)来评价的辐射通量Φ即为光通量ΦV，这两者的关系为：式中，Km为最大光谱光视效率，亦称为光功当量光通量ΦV的定义第二十一页，共一百零八页，2022年，8月28日Km表示人眼对波长为555nm[V(555)=1]光辐射产生光感觉的效能。按国际实用温标IPTS—68的理论计算值为

Km＝683(lm/W)Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。同理，其它光度量与辐射量之间的关系：第二十二页，共一百零八页，2022年，8月28日光度量中的单位1.最基本的是发光强度单位：坎德拉(Candela)．cd；国际单位制中七个基本单位之一。定义：频率为540×1012Hz(对应在空气中555nm波长)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1／683W/sr时，在该方向上的发光强度为1cd。2.光通量的单位是流明(lm):1lm它是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角(1sr)内发出的光通量。3.光照度的单位：勒克斯(lx)，

1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1㎡面积上所产生的光照度。

第二十三页，共一百零八页，2022年，8月28日4.光亮度的单位：lm/(m2.sr)cd/m2

常用：熙提(sb)．Sb=lm/(cm2.sr)常见光源亮度晴天：10000cd/m2晴天日落后：1cd/m2

蜡烛火焰：约0.5sb钨丝灯泡：约500sb

典型照度：办公室工作：20－100lx

满月的地面：0.2lx

晴朗夏日采光良好的室内：100－500lx第二十四页，共一百零八页，2022年，8月28日左边是光通量，其单位是流明(lm)：右边的()d是光谱辐射通量，单位是瓦(w/nm），V()是光视效率，所以等号右边引进一个系数Km，从而使两边的单位一致。显然Km的单位为流明／瓦(lm/W)称为最大光谱光视效能

Km＝683lm／W表示在人眼光谱光视效率最大(555nm)处，1W的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句话说，此时1lm相当于1／683W。第二十五页，共一百零八页，2022年，8月28日解：OP=x，P点所在球面的面积为：s=4πx2通过s的光通量：

Φ=Iω=4π(lm)因为是点光源，均匀辐射，则P点的光照度：

EV=Φ/s=4π/4πx2=1/x2当x=1m，EV=1（lx)当x=2m，EV=0.25（lx)思考题：在O点处，有一点光源，发光强度为1cd，求：空间任意一点P的光照度EV=?思考：若光源为1W的灯泡，结论如何？第二十六页，共一百零八页，2022年，8月28日三、辐射度与光度中的基本定律余弦定律sS’0S和S’对O点所张的立体角是相同的，对于两个面来讲其辐射通量是相同的，两个面的辐照度分别为：由于所以任一表面上的辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间夹角的余弦而变化第二十七页，共一百零八页，2022年，8月28日距离平方反比定律点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比亮度守恒定律第二十八页，共一百零八页，2022年，8月28日1、光源发射光波的过程或光波自身称为光辐射（1）跃迁辐射与受激辐射.原子能级跃迁.分子能级跃迁（2）热辐射：有一定温度的物体引起的辐射（3）湮灭辐射（4）场致发光（5)同步辐射光辐射黑体辐射第二十九页，共一百零八页，2022年，8月28日热辐射

任何温度在绝对温度以上的物体都存在热辐射热辐射的光谱是连续光谱；热辐射的光谱分布取决于发射体的温度和性质发射本领与吸收本领。发射本领：单位频率间隔内单位面积物体所发射的辐射通量称为发射本领，它是温度和频率的函数。吸收本领：被物体吸收的辐射通量占射到物体上的辐射通量的百分比,也是温度和频率的函数。第三十页，共一百零八页，2022年，8月28日黑体辐射定律基尔霍夫定律：任何物体的发射本领和吸收本领在同一温度下成正比，其比值是与物质性质无关、仅随频率和温度而改变的普适函数。吸收本领等于1的黑体，其发射本领即为普适函数普朗克公式第三十一页，共一百零八页，2022年，8月28日维恩维移定律：任何温度下黑体的发射本领都有一最大值，它对应的波长和绝对温度成反比，即

λmT=b(b=2898um.K)它表明，随着温度的提高，辐射本领的最大值向短波方向移动。根据它可判断热辐射颜色与温度的关系.

（探测器的选择）斯忒藩—波尔兹曼定律：——测温中的应用黑体总辐射通量和绝对温度的四次方成正比：Φ=σT4第三十二页，共一百零八页，2022年，8月28日比辐射率(辐射率)ε

在自然界中黑体的发射能力最强，它实际上是一种理想情况，实际物体的发射能力都小于黑体。实际物体的热辐射情况：在普朗克公式中应乘以一个小于1的系数ε。这个系数称为物体的比辐射率(发射率)，也称为热辐射效率。第三十三页，共一百零八页，2022年，8月28日ε的值不仅依赖于波长和温度，也依赖发射的角度。但是大多数常见物体的ε与发射角度的依赖关系基本上可忽略，与波长和温度的依赖关系也很微弱。在常用的波长范围内，为实用方便，常把ε作为常数。定义为实际物体的辐射能力M(T)与同温度下黑体辐射能力Mb(T)的比值：第三十四页，共一百零八页，2022年，8月28日常见物质的辐射率沥青： 混凝土： 0.94水泥： 0.96土： 水： 人的皮肤：0.98塑料： 0.85第三十五页，共一百零八页，2022年，8月28日四、光电仪器中的常用光源光源热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器太阳白炽灯、卤钨灯黑体辐射器汞灯荧光灯钠灯氙灯金属卤化物灯空心阴极灯场致发光灯发光二极管气体激光器固体激光器染料激光器半导体激光器温度辐射发光光致发光阴极射线发光放射线发光电致发光注入式电发光

第三十六页，共一百零八页，2022年，8月28日光源的基本特性参数一、辐射效率和发光效率辐射效率是在给定１～２波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比发光效率是指某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比第三十七页，共一百零八页，2022年，8月28日常用光源的发光效率光源种类发光效率（lm/W)光源种类发光效率（lm/W)普通钨丝灯8~18高压汞灯30~40卤钨灯14~30高压钠灯90~100普通荧光灯35~60球形氙灯30~40三基色荧光灯55~90金属卤化物灯60~80第三十八页，共一百零八页，2022年，8月28日二、光谱功率分布1.连续光谱源。它通常是热激发源，由从紫外到红外范围的发射波长，如白炽灯。2.线光谱源。它的光谱在紫外到红外有一些分立的窄带。气体放电灯和磷光灯。３.带状光谱。如高压钠灯４.混合光谱。如荧光灯第三十九页，共一百零八页，2022年，8月28日三、光源的色温分布色温辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为辐射源的分布色温辐射源的色温辐射源发射光的颜色与黑体在某温度下辐射光的颜色相同，则黑体这一温度称为辐射源的色温第四十页，共一百零八页，2022年，8月28日

光电探测器概述光电探测器：光电传感器光电器件光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，为随后的应用提取必要的信息。

光电探测器的分类

光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，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光子探测器另一类是利用温度变化效应的热探测器

第四十一页，共一百零八页，2022年，8月28日光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强器光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光电耦合器电荷耦合器件CCDCMOS图像传感器真空器件固体器件光子探测器热探测器光电探测器热电偶和热电堆测辐射热计热释电探测器第四十二页，共一百零八页，2022年，8月28日一．光子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的电子发生各种相互作用的光电子效应。几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。典型的光电子效应：光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后．器件材料中的电子能逸出材料表面，这种器件称为外光电效应器件。基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应器件。第四十三页，共一百零八页，2022年，8月28日1光电子发射探测器—

外光电效应原理：光电子发射效应也称外光电效应。入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功。因此，光电子发射存在长波限，光子能量hc／λ低于阴极材料逸出功就不能产生光电子发射。阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。第四十四页，共一百零八页，2022年，8月28日光电子发射探测器：利用光电子发射效应的探测器称为光电子发射探测器，典型：光电管和光电倍增管光电管由光电阴极和阳极构成．用于响应要求极快的场合。应用最广的是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。光电子发射探测器主要是可见光探测器，因此在红外系统中应用不多。

第四十五页，共一百零八页，2022年，8月28日光电倍增管光电倍增管第四十六页，共一百零八页，2022年，8月28日2光电导探测器——内光电效应原理：入射光辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产生自由电子一空穴对从而使半导体材料的电导增加。特点：光子所激发的载流子仍保留在材料内部，所以光电导是一种内光电效应。利用光电导效应的探测器是光电导探测器。光电导是应用最广泛的光电子效应。

第四十七页，共一百零八页，2022年，8月28日

光电导探测器响应范围根据器件材料不同可从可见光、近红外延伸至远红外；光电导探测器是均质型器件，没有极性之分，工作时必须外加偏压(偏流)，并应注意选择正确工作温度和最佳偏压(或偏流)，以便充分发挥器件性能。第四十八页，共一百零八页，2022年，8月28日典型器件：光敏电阻第四十九页，共一百零八页，2022年，8月28日光敏电阻应用原理图：RdRLCV0光辐射第五十页，共一百零八页，2022年，8月28日3光伏探测器——内光电效应光伏效应是另一种应用广泛的内光电效应，是半导体受光照射产生电动势的现象。它与光电导效应不同之处，在于需要一种将正、负载流子在空间上分离的机制——内部势垒。第五十一页，共一百零八页，2022年，8月28日通常用PN结来实现这种效应。原理：当入射光子在PN结及其附近产生电子—空穴对时，光生裁流子受势垒区电场作用，电子漂移到n区，空穴漂移到p区。如果在外电路中把p区和n区短接，就产生反向的短路信号电流。假若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在n区和P区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应。

第五十二页，共一百零八页，2022年，8月28日结型光伏探测器工作时有些不需加偏置电压，不加偏置电压的是光电池。如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的探测器是光电二极管。常用的光伏探测器有：光电池光电二极管、光电三极管雪崩光电二极管(APD)、

PIN光电二极管第五十三页，共一百零八页，2022年，8月28日光伏探测器第五十四页，共一百零八页，2022年，8月28日光子探测器的特点：它是一种波长选择性探测器，要产生光子效应，光子的能量要超过某一确定的值，即光子的波长要短于长波限。波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应，因而也就不能被探测出来。第五十五页，共一百零八页，2022年，8月28日二．热探测器热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。原理：基于材料吸收了光辐射能量以后温度升高的现象，这一现象称为光热效应。光热效应的特点是入射光辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这又引起物质的温度上升，从而导致与温度有关的材料的某些物理性质的变化。通过物理性质的变化反过来定量测量光辐射功率的大小。第五十六页，共一百零八页，2022年，8月28日与光子将能量直接转移结电子的光电效应有本质的不同。光热效应与入射辐射的光子的性质没有关系。因此，热效应一般与波长无关，即光电信号取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成份无关，即对光辐射的响应无波长选择性，光热效应：温差电效应电阻率变化效应自发极化强度的变化效应气体体积和压强的变化效应等利用这些效应可制作各种热探测器。第五十七页，共一百零八页，2022年，8月28日1测辐射温差热电偶和热电堆当由两种不同材料制成的两个结点出现温差时，在该两点间就有电动势产生，通过这两点的闭合回路中就有电流流过，这个现象称为温差电效应。温差电效应包括塞贝克效应、珀耳帖效应和汤姆逊效应。第五十八页，共一百零八页，2022年，8月28日塞贝克(seebeck)效应：当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的两个结点置于不同温度时．在两点之间就产生一个电动势；这个电动势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝克效应。其中产生的电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，上述回路称为热电偶。产生塞贝克电动势的原因：是由于受热不均匀的两结点的接触电位差不同所致。

第五十九页，共一百零八页，2022年，8月28日测辐射热电堆：为了增加信号电压，将测辐射热电偶串联，形成测辐射热电堆。测辐射热电堆常常是在衬底上蒸上一层金属膜，然后再蒸上第二种材科与第一层膜部分重叠，从而形成若干接触点。虽然测辐射热电偶和热电堆的光电信号要比许多种光子探测器弱，但它们牢固，而且不需要电偏置和致冷，故有应用很广。

第六十页，共一百零八页，2022年，8月28日2测辐射热计原理：当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半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。利用材料的电阻变化制成的热探测器就是电阻测辐射热计。材料的电阻与温度的关系可用材料的电阻温度系数αT来表征。第六十一页，共一百零八页，2022年，8月28日实验研究发现：材料温度从T改变到了T+ΔT，材料的阻值改变量ΔR只与材料的阻值R及温度改变量ΔT成正比，即：ΔR=αTRΔT

当ΔT足够小时，则有：dR=αTRdT

由此得到：

αT=第六十二页，共一百零八页，2022年，8月28日电阻温度系数αT与材料的种类和温度有关。描述测辐射热器材料的电阻值对温度变化灵敏程度的基本参数。当温度变化时，αT值越大，其电阻阻值变化就越大；αT值越小，其电阻阻值变化就越小在室温下金属材料的αT约为0.0033。半导体材料的αT值约为-0.033；比金属材料的αT值大一个数量级。

第六十三页，共一百零八页，2022年，8月28日3热释电探测器——热释电效应热释电效应：某些晶体(如硫酸三甘肽—TGS、铌酸锂—LiNbO3、铌酸锶钡—SBN等)受光照射时温度升高，从而在晶体的特定方向上由于自极化强度随温度变化而引起表面电荷的变化。第六十四页，共一百零八页，2022年，8月28日热释电探测器由热释电晶体制成。原理：当强度调制过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两个外表面之间出现微小变化的信号电压，由此可测定所吸收的光辐射功率。第六十五页，共一百零八页，2022年，8月28日热探测器的特点：所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同的响应，因而是非选择性探测器。这和光子探测器在光谱响应上的主要区别。热探测器除低温测辐射热器外一般无需致冷。热探测器的响应时间一般比光子探测器长。第六十六页，共一百零八页，2022年，8月28日3.1.3光电探测器的性能参数

光电探测器是光电系统的核心，一般光电系统都是围绕光电探测器的性能进行设计的，而探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来表征。先讨论光电探测器的性能参数与工作条件的关系第六十七页，共一百零八页，2022年，8月28日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，所以在给出性能参数时，要注明有关的工作条件。这一点很重要，因为只有这样，光电探测器才能互换使用。主要工作条件有：1．辐射源的光谱分布2．电路的通频带和带宽3．工作温度4．光敏面尺寸5．偏置情况第六十八页，共一百零八页，2022年，8月28日1．辐射源的光谱分布对光子探测器，其响应是辐射波长的函数．仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。这种称为光谱响应的信号依赖于辐射波长的关系，决定了探测器探测特定目标的有效程度。所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。假如辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度。当辐射经过调制时，则要说明调制频率。第六十九页，共一百零八页，2022年，8月28日2．电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，有些噪声还是频率的函数。所以在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽。第七十页，共一百零八页，2022年，8月28日3．工作温度许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系。所以必须明确工作温度。最通用的工作温度是：室温(295K)、干冰温度(195K)、液氮温度(77K)、液氢温度(20．4K)

液氦温度(4．2K)第七十一页，共一百零八页，2022年，8月28日4．光敏面尺寸探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探测器的信号噪声比与光敏面积的平方根成比例。参考面积一般为1cm2。第七十二页，共一百零八页，2022年，8月28日5．偏置情况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置电源信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要说明偏置的情况。第七十三页，共一百零八页，2022年，8月28日有关响应方面的性能参数

1．响应率(或称响应度)Rv或RI2．单色灵敏度3．积分响应度4．响应时间

5．频率响应第七十四页，共一百零八页，2022年，8月28日1．响应率(或称响应度)Rv或RI

响应率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辐射之间关系的参数。定义：光电探测器的输出均方根电压Vs或电流Is与入射到光电探测器上的平均光功率之比，即：Rv＝Vs／P(V／W)RI＝Is／P(A／w)Rv和RI分别称为光电探测器的电压响应率和电流响应率。如果使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色响应率。光电探测器的响应率又称为光电探测器的灵敏度，分为单色灵敏度和积分灵敏度。第七十五页，共一百零八页，2022年，8月28日2．单色灵敏度单色灵敏度又叫光谱响应度，用Rλ表示，是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(光通量)之比。即

Rλv=(V／W)

RλI=(A/W)式中，Φ(λ)为入射的单色辐射通量或光通量。如果Φ(λ)为光通量，则Rλv的单位为V／lm。

第七十六页，共一百零八页，2022年，8月28日3．积分响应度积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为：

光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度。第七十七页，共一百零八页，2022年，8月28日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：

可得积分响应度为：

光电探测器的长波限光电探测器的短波限第七十八页，共一百零八页，2022年，8月28日4．响应时间

响应时间是描述光电探测器对入射辐射变化响应快慢的一个参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。当用一个辐射脉冲照射光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟。上升时间：10％上升到90％峰值处所需的时间。下降时间：90％下降到10％峰值处所需的时间。

第七十九页，共一百零八页，2022年，8月28日5．频率响应光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响应。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率的关系，其表达式为：Ro为频率为零时的响应度；

τ为时间常数。当可得放大器的上限截止频率

上==第八十页，共一百零八页，2022年，8月28日有关噪声方面的参数

从响应度的定义来看，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。当入射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器不好引起的，而是它所固有的“噪声”引起的。如果对这些随时间而起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。

第八十一页，共一百零八页，2022年，8月28日1．信噪比(S／N)判定噪声大小通常使用信噪比这个参数。在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即：若用分贝(dB)表示，则为：S/N评价器件的局限性：第八十二页，共一百零八页，2022年，8月28日2．等效噪声输入(ENI)定义：器件在特定带宽(1Hz)内产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量。这个参数是在确定光电探测器件的探测极限(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。

第八十三页，共一百零八页，2022年，8月28日3．噪声等效功率(NEP)

（最小可探测功率Pmin）它定义为信号功率与噪声功率之比为1(即S／N＝1)时，入射到探测器上的辐射通量(单位为瓦)。即：

NEP在ENI单位为瓦时与之等效。一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。NEP越小，噪声越小．器件的性能越好。

第八十四页，共一百零八页，2022年，8月28日4．探测率D与比探测率D*只用NEP无法比较两个不同来源的光电探测器的优劣。为此．引入两个新的性能参数——探测率D和比探测率D*

探测率D定义为NEP的倒数，即

第八十五页，共一百零八页，2022年，8月28日探测率D的局限性：还不能比较不同的光探测器的优劣，这是因为如果两只由相同材料制成的光电探测器，尽管内部结构完全相同，但光敏面积Ad不同，测量带宽不同，则D值也不相同。为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较，需要把探测率D标准化(归一化)到测量带宽为1Hz、光电探测器光敏面积为1cm2。这样就能方便地比较不同测量带宽、对不同光敏面积的光电探测器测量得到的探测率。第八十六页，共一百零八页，2022年，8月28日实验测量和理论分析表明，对于许多类型的光电探测器来说，其噪声电压VN与光电探测器光敏面积Ad的平方根成正比，与测量带宽的平方根成正比。因此将VN除以，则D就与Ad和带宽无关了。也就是归一化到测量带宽为1Hz、光探测器光敏面积为1cm2。这种归一化的探测率称为比探测率，用D*记之。根据定义，D*的表达式为:第八十七页，共一百零八页，2022年，8月28日5．暗电流Id即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流（加电源时）。一般测量其直流值或平均值。

第八十八页，共一百零八页，2022年，8月28日其他参数1．量子效率η（λ）2．线性度第八十九页，共一百零八页，2022年，8月28日1．量子效率η（λ）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上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。单个光量子的能量为，单位波长的辐射通量为波长增量内的辐射通量为所以在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率N为:第九十页，共一百零八页，2022年，8月28日量子流速率N即为每秒入射的光量子数。若IS为信号电流，q为电子电荷，每秒产生的光电子数为:

因此量子效率为：若＝1(理论上)，则入射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子一空穴对；实际上，<1。一般反映的是入射辐射与最初的光敏元的相互作用。对于有增益的光电探测器(如光电倍增管等)会远大于1，此时我们一般使用增益或放大倍数这个参数。第九十一页，共一百零八页，2022年，8月28日2．线性度线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系。因此要获得所要的线性区，必须设计有相应的电子线路。线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。第九十二页，共一百零八页，2022年，8月28日例：已知某探测器的面积为3×4cm2，D*=1011cmHz1/2w-1，光电仪器的带宽为300Hz，该仪器所能探测的光辐射的最小辐射功率？解：由D*的定义：当Vs/VN=1时，得到最小探测功率，

Ad=3×4cm2，D*=1011cmHz1/2w-1，Δƒ=300Hz

代入，得最小辐射功率

Pmin=6×10-10W第九十三页，共一百零八页，2022年，8月28日

光电探测器的噪声光电探测系统实际上是光信号的变换、传输及处理的系统。它除了包含光探测器外，还配有电子学系统(例如低噪声前置放大器等)、光学系统。因此，系统在工作时，总会受到一些无用信号的干扰，例如：光电变换中光电子随机起伏的干扰；辐射光场在传输过程中受到通道的影响背景光的干扰；放大器引入的干扰等等。这些非信号的成分统称为噪声

第九十四页，共一百零八页，2022年，8月28日广义上讲，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：(1)来自被研究系统的外部(2)来自被研究系统内部探测器噪声光子噪声电路噪声第九十五页，共一百零八页，2022年，8月28日(1)来自被研究系统的外部通常由电、磁、机械、杂散光等因素所引起，这种干扰绝大多数是“人为的”，如：●电源50Hz干扰；●工业设备电火花干扰等。但这种干扰多具有一定规律性，采取适当的措施(如屏蔽、滤波、远离噪声源等)可以将其减小或消除。

第九十六页，共一百零八页，2022年，8月28日(2)来自被研究系统内部来自被研究系统内部的材料、器件或固有的物理过程的自然扰动。例如：●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引起的散粒噪声等。特点：是随机过程，它既不能预知其精确大小及规律，也不能完全消除，遵循的统计规律、也可以通过一些措施予以控制。

第九十七页，共一百零八页，2022年，8月28日噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。一个光电探测系统的极限探测能力往往由探测系统的噪声所限制。在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。

第九十八页，共一百零八页，2022年，8月28日●噪声是—种随机信号，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统计平均值。所以研究噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方法，在数学上即用随机量的起伏方差来计算。●对于平稳随机过程、通常采用先计算噪声电压(电流)的平方值，然后将其对时间作平均，来求噪声电压(电流)的均方值，即：

表示噪声电压(电流)消耗在1Ω电阻上的平均功率，所以往往把或通称为噪声功率。第九十九页，共一百零八页，2022年，8月28日光电探测器噪声在光电探测器中固有噪声主要有：●热噪声●散粒噪声●产生—复合噪声(g—r噪声)●温度噪声●