第四章. 光电探测器概述

第三章光电探测器概述光电探测器概述发展简况与分类光电探测器性能参数噪声的统计特性光电探测器的噪声发展简述（一）热探测器：最早出现1826：热电偶

1880：金属薄膜测辐射计

1946：金属氧化物热敏电阻测辐射热计。特点：①探测率低，②时间常数大 发展简介与分类发展简述（二）光子探测器：发展较早，技术最成熟

特点

：应用广泛，波长范围从紫外到红外。种类：光电倍增管，光电二极管，铅锡、Ⅲ－V族化合物、锗掺杂三元合金等。 发展简介与分类发展简述（三）从单个探测器向阵列（线阵和面阵）光辐射探测器发展；集成化方向的发展：把光电探测器，场效应管（FET）置于一个基片上，如PIN，体积小，性能好，成本低，稳定性高；电荷耦合器件（CCD）发展简介与分类探测器分类（一）光子探测器材料：半导体效应：入射光子和材料电子发生各种相互作用的光电子效应外光电效应：光电子发射效应内光电效应：光电导效应，光生伏特效应，光电磁效应发展简介与分类一、光电子发射探测器产生条件：当入射光子能量>阴极材料的逸出功时;

典型器件：真空光电管，充气光电管，光电倍增管(可检测极微弱光辐射信号);

特点：主要探测可见光，个别可扩展到1.25μm,近红外。红外系统中应用不多。发展简介与分类二、光电导探测器产生条件：本征光电导，入射光子能量>本征半导体禁带宽度Eg；光敏电阻：硫化镉CdS，硒化镉CdSe，用于可见光范围；红外光电导探测器：铅盐薄膜类，PbS、PbSe、PbTe等，可以工作在三个大气窗口（1~3μm，3~5μm，8~14μm）。发展简介与分类三、光伏特探测器产生条件：本征光伏效应为主，半导体受光照后产生电动势；种类：结型光伏特探测器；PIN结光电二极管；雪崩光电二极管；肖特基势垒光电二极管。发展简介与分类光子探测器的特点波长选择性探测器探测器的响应率和波长成正比发展简介与分类探测器分类（二）光热探测器光热效应：材料吸收光辐射能量后温度升高，可产生材料的某些物理性质变化；特点：光热效应和波长无关。发展简介与分类一、测辐射温差热电偶和热电堆温差电效应：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。温差电效应包括：塞贝克效应；珀耳帕效应；汤姆逊效应。发展简介与分类二、电阻测辐射热器当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导体材料电阻会降低。利用材料的电阻变化制成的热探测器。电阻温度系数：和材料的种类和温度有关；描述R时温度变化灵敏度的基本参数；金属R=BT(B是比例系数)发展简介与分类三、热释电探测器由热释电晶体制成。所谓热释电晶体，是指它们具有自发电极化的特性，其自发电极化强度随温度升高而下降。特点：T升高，自发极化强度下降；T=TC，自发极化强度=0→极化晶体发生相变或退极化。

TC叫居里温度，晶体不同，TC也不同发展简介与分类热探测器的特点对一切波长都具有相同的响应，是非选择性探测器；工作时一般无需致冷（低温测辐射探测器除外）；响应时间长，大小取决于热电探测器热容量的大小和散热的快慢。发展简介与分类光电探测器的性能参数工作条件：辐射源光谱分布电路的通频带和带宽工作温度光敏面尺寸偏置情况光电探测器的性能参数一、有关响应方面的性能参数响应率（响应度）RV或RI，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。讨论：测量响应率的辐射源一般是500K的黑体；如果使用波长单色辐射源，则称为单色响应率；可见光波段称为光电探测器的灵敏度光电探测器的性能参数一、有关响应方面的性能参数单色灵敏度积分响应度光电探测器的性能参数一、有关响应方面的性能参数响应时间：当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输入上升到稳定值或下降到照射前值所需要的时间。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。表征：同时间常数，它决定了光电探测器频率响应的带宽光电探测器的性能参数二、有关噪声方面的参数探测器具有固有噪声，这些噪声的时间平均值为零，但其均方根不为零，这个均方根电压（电流）称为探测器的噪声电压（流）。信噪比（S/N）：在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比光电探测器的性能参数二、有关噪声方面的参数等效噪声输入(ENI)器件在特定带宽内(1Hz)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，此时，其它参数，如频率温度等应加以规定。在确定光电探测器件的探测极限时使用。光电探测器的性能参数二、有关噪声方面的参数噪声等效功率(NEP)－最小可探测功率探测率D和比探测率D＊光电探测器的性能参数二、有关噪声方面的参数噪声等效功率(NEP)－最小可探测功率探测率D和比探测率D＊光电探测器的性能参数三、其它参数量子效率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。光电探测器的性能参数三、其它参数线性度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。线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系线性区的下限由暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定；线性区随偏量、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。光电探测器的性能参数噪声的统计特性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。线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系线性区的下限由暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定；线性区随偏量、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。噪声的统计特性噪声的统计特性噪声的统计特性什么是噪声？特点和分析方法(抑制噪声的方法)包括：概率分布功率谱密度

相关函数

常见噪声的统计特征噪声的概率分布噪声的特点：连续型随机信号产生原因：①电子热运动； ②电路中的随机扰动； ③半导体器件中载流子的不规则运动。均属于噪声的统计特性噪声的统计特性概率论基本知识已知t时刻噪声电压的概率分布密度为噪声电压取值在和之间的概率为：由于噪声是随机过程，它的统计特征量为数学期望：噪声的统计特性方差几个概念广义平稳随机过程：光电系统处于稳定状态时，噪声的方差和数学期望一般不再随时间变化。狭义平稳随机过程：噪声的概率分布密度不随时间变化噪声的统计特性各态经历：统计平均可以用时间平均来计算*光电系统的噪声是各态经历的广义平稳随机过程。以热噪声为例：符合高斯分布噪声的统计特性数学期望：热噪声平均值，一般为0方差：热噪声的交流功率，越大，噪声越强。在时的概率：噪声的功率谱密度噪声功率谱密度:表示单位频谱的噪声功率噪声的统计特性噪声功率:在频域之间噪声频谱分量的平均功率。讨论：①如果放大器带宽为(f1,f2)，则上式积分上下限应改为f1,f2;②和光电探测器相连接的低噪声放大器带宽不应太宽；噪声的统计特性光电系统中的噪声分类：白噪声：SN(f)=常数低频噪声，红噪声，如1/f噪声高频噪声，蓝噪声噪声的统计特性噪声的相关函数重点研究噪声在不同时刻取值之间的相关性。自相关函数定义由于各态经历的平稳随机过程，统计平均可用时间平均来表示，与时间起点无关。讨论：几个重要性质①仅与时间差有关，与计算时间t的起点无关噪声的统计特性②随的增加逐渐衰减，表示在时间上相关性逐渐减少。特别是对零均值噪声，可以证明当时，③是一种偶函数，即，因此自相关函数又可以写为④当时，具有最大值，且特别当时，噪声的统计特性和关系维纳-辛钦定理：

条件：由于均为偶函数，故上式又可写为：噪声的统计特性噪声的互相关函数定义：对于具有各态经历的平稳随机过程：讨论:①仅与时间差有关，而与计算时间t的起点无关；②噪声的统计特性③，当两个随机过程互不相关时，则一定有。例如，被检测信号与系统的观察噪声之间不存在相关性，因此采用互相关方法有利于抑制观察噪声。④从数学角度可以定义互功率谱密度(2)利用互相关函数从噪声中检测微弱信号的方法，见图2-12。噪声的统计特性如S(t)为正弦信号，y(t)为同频正弦信号，而S(t)，y(t)和n(t)不相关当T足够长时因此实际应用中由于T有限，所以仍有一些噪声。噪声的统计特性白噪声定义：其中N0为白噪声的单边功率谱密度，常数。自相关函数：不同时刻取值不相关，在白噪声中提取信号极为有用。白噪声的自相关函数计算：因信号与噪声互不相关，故

，T足够长时∴

噪声的统计特性相关时间性质：①白噪声的②大，大，表示噪声不同时刻的相关性越大。③减小，要求延时电路：噪声的统计特性光电探测器的噪声种类：散粒噪声，热噪声，产生-复合噪声(g-r噪声)，温度噪声，1/f噪声。讨论以下几个问题：产生机理，统计特性，减小噪声对信号提取影响的方法。一、散粒噪声1.产生机理光电探测器的散粒噪声是由于光电探测器在光辐射作用或热激发下，光电子或载流子随机产生造成的。如图2-21所示。经计算，由此引起的外电路感应电流脉冲：噪声的统计特性

的频谱函数：2.统计特征：散粒噪声的功率谱密度：讨论：①与探测器工作频率无关，具有白噪声的频谱特性②当探测器的工作带宽为时，③如果是探测器的暗电流，则无光照的暗电流噪声功率：④由入射光引起的散粒噪声电子计数噪声：光辐射作用于光电探测器产生的平均光电流。噪声的统计特性二、热噪声1.机理热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的，如图2-22。任何有电路的材料都有热噪声。设电阻器的体积V=Ad，其中A为截面积，d为长度，m为电子质量电阻样品的电导率由固体物理学可知为式中τ0是电子热运动的平均碰撞时间。因此电阻样品的电阻值为噪声的统计特性一个电子在相邻两次碰撞期间在外电路中引起的电流脉冲是：2.统计特性热噪声的功率谱密度：考虑到,上式可写为其中K:波尔兹曼常数，T:温度，R:电阻值噪声的统计特性对于带宽有限的光电探测器系数：另外，热噪声电流均方根值和电压均方根值：说明：①热噪声功率密度具有平均特性，属白噪声频谱。②高端极限频率为：室温下，电子学工作频率远低于此，可认为是白噪声。3.减少噪声的方法①∴减少噪声响应是一个重要问题。②减小工作温度：液氮，液氖，液氦温度条件下。噪声的统计特性三、产生-复合噪声1.机理半导体中由于载流子产生和复合的随机性而引起载流子平均浓度的起伏所产生的噪声称为产生-复合噪声，又称g-r噪声。设光生载流子的持续时间为，则它在外回路中产生的感应电流脉冲为：2.统计特性：G-r噪声的功率谱密度：：半导体光电导探测器的内增益。噪声的统计特性当带宽有限时：四、温度噪声1.定义无辐射存在时，探测器在某一平均温度T0附近呈现一个小的起伏，这种温度起伏引起的热探测器输出起伏称为温度噪声。注意：最终决定了热探测器所能探测的最小辐射能量。2.统计特性温度噪声的功率谱密度：噪声的统计特性当探测器的工作带宽为时，热功率起伏的均方根值或温度噪声功率为：说明：和热导成正比；和工作温度平方成正比。