第四章(附) 红外辐射探测器

第四章

红外辐射探测器

1教学目的：对各种辐射源的了解在红外物理技术的应用实践和工程设计中起着非常重要的作用。本章讨论了作为标准用于校准的黑体型辐射源。随后讨论了实验室常用的电热固体辐射源、气体放电辐射源、红外激光器等其他标准辐射源。教学方法：面授教学手段：板书学时分配：6重点、难点：1.重点掌握黑体辐射源的空腔辐射理论和腔体结构。2.对电热固体辐射源、气体放电辐射源、红外激光器的特性有必要的了解。2热红外探测器3热电传感器是基于某些物理效应将温度的变化转换为电量变化的一种检测装置参数。常见的热电传感器有热电偶、热电阻和热释电三大类型。4一、热电偶

1．热电效应

图

两种不同材料组成的热电偶5(1)接触电势据塞贝克效应，在接触面(接点)的温度为T和T0时，其接触电势的表达式为6在热电偶回路中，总接触电势为

(2)温差电势(汤姆逊效应)温差电势是由子热电极的两端温度不同，即存在着温度梯度而产生的电势。7电子由温度高的T端向温度低的T0端扩散，使得T端失去一些电子而带正电荷，T0得到一些电子而带负电荷，两端便有一定的电位差:8在热电偶回路中，总的温差电势为

(3)热电偶的总热电势9(4)热电偶热电势的几点结论

(a)热电偶所产生的热电势的大小与热电极的长度和直径无关，只与热电极材料的成分和两端的温度有关。(b)两个相同成分材料的热电极，不能构成热电偶。因为材料成分相同，则总电势也为零。(c)热电偶两端(结点)的温度相同时，总的热电势也为零。(d)热电偶的两个电极的材料确定以后，热电偶的热电势与热电偶两端的温度有关。10

(e)珀尔帖(Peltier)效应:两种不同导体A和B组成电路且通有直流电时，在一个接头处会释放出某种热量，而在另一接头处则吸收热量，这种现象是可逆的，改变电流方向时吸热和放热的接头也随之改变，这就是热电制冷的原理。11二、热敏电阻热敏电阻——由Mn、Ni、Co、Cu氧化物，或Ge、Si、InSb等半导体材料做成的电阻器，其阻值随温度而变化。电阻随温度变化的规律：热敏电阻的温度系数

正温度系数——负温度系数——12(1)热敏电组的特点热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物理特性，可分为三类：(a)负温度系数热敏电阻(NTC)；(b)正温度系数热敏电阻(PTC)；(c)临界温度系数热敏电阻(CTR)。13热敏电阻优点：(a)电阻温度系数较金属热电阻大，其绝对值大4—9倍(b)电阻率大，故可制成极小尺寸的感温元件。适用于快速测量(c)构造简单，可以根据不同要求制成各种适用的形状(d)机械性能好，使用寿命长。热敏电阻的缺点复现性和互换性差。与显示仪表配套成测温仪表时几乎全要单独标定刻度。目前使用的热敏电阻其测温上限还不太高，约在300℃以下。14三、热释电红外传感器及其应用热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标与背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等。15热释电效应

在晶体中有一种晶体为热电晶体。这种晶体具有自发极化的特性。所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。16在温度变化时。晶体中离子间的距离和链角发生变比，从而使偶极矩发生变化，也就是自发极化强度和面束缚电荷发生变化，在垂直于极轴的两个端面之间出现极小的电压变化，即产生了热释电效应。17热释电器件的性能①响应度。18

②噪声。器件的噪声来源于两部分。一部分是辐射场的起伏引起的器件温度随机起伏而出现的噪声。属于白噪声。另一部分是由等效电路中的电阻所产生的热噪声。通常将热释电探测器和放大器组装在一起，所以实际的输出噪声中包含放大器噪声。

③响应时间和探测度。热释电探测器对高速突变的辐射有较快速的响应，如对激光脉冲作出响应，但是对周期性调制频率信号仍不能有足够高的响应。19热电材料的特性参数①热电系数P热电系数是指自发极化强度随温度T的变化率，即②介电常数ε

热电晶体的介电常数是反映介质极化行为的一个宏观物理量。热电晶体中的介电常数随晶轴方向、电场和温度而变化，对于单晶材料还与极轴有关，因此介电常数通常指常温、弱电场强度情况下极轴方向的介电常数。介电常数大，电时间常数也大，影响器件的中高频性能。③居里温度2021目前生产有单元、双元、四元、180°等传感器和带有PCB控制电路的传感器。常用的热释电探测器如：硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（SBN）探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅（PZT）探测器等。

1.热释电红外传感器的结构常见的热释电红外传感器的外形如上图所示。常见热释电红外传感器的外形22热释电传感器的内部结构⑴敏感元敏感元用红外热释电材料—锆钛酸铅(PZT)制成，经极化处理后，其剩余极化强度随温度T升高而下降。制作敏感元件时，将热释电材料制成很小热释电红外传感器传感器由敏感元、场效应管、高阻电阻等组成，并向壳内充入氮气封装起来，内部结构如右图所示。23的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串联的、有极性的小电容。把两个极性相反的热释电敏感元做在同一晶片上，由于温度的变化影响整个晶片产生温度变化时，两个敏感元产生的热释电信号互相抵消，起到补偿作用。

传感器内部接线图24(2)菲涅耳透镜使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上，它产生的信号不会被抵消。热释电传感器的持点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或物体敏感。25红外滤光片透射曲线⑶滤光片(FT)PZT制成的敏感元件是一种广谱材料，能探测各种波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口。滤光片是在Si基片上镀多层膜制成的。红外滤光片选取了7.5～14μm波段，能有效地选取人体的红外辐射。红外滤光片透射曲线如上图所示。由图可见，小于6.5μm的光锐减至0，6.5～15.0μm的辐射，其透射率达60％以上，因此，FT可以有效地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作。热释电传感器常用于防盗报警、自动门、自动灯等。262.热释电红外传感器的应用⑴人体探测／防盗报警器①菲涅尔透镜(FRESNELLENS)

热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜才能增加探测距离。菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的透镜组，它上面的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。它的外型如下图所示。27菲涅尔透镜的视场的侧视图和俯视图如下图所示。当人体在这一监视范围内运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，之后又看不到，于是人体的红外辐射不断地改变热释电的温度，菲涅尔透镜的视场使它输出一个又一个相应的信号。不加菲涅尔透镜，探测距离仅为2m左右，加上菲涅尔透镜后，其探测距离可达10米，若采用双重反射型菲涅尔透镜，其探测距离可达20m以上。28293031⑵集成红外探测报警器

①被动红外探测控制集成电路TWH9511TWH系列PIR(热释电传感器)控制电路采用大规模CMOS数字电路及微型元件固化封装，具有性能指标高，一致性好，外围电路简单，安装方便，无需调试等特点。该电路按信号输出表10.1.1方式可分为三种：交流供电继电器输出型TWH9511；交流供电可控硅输出型TWH9512；直流供电集电极输出型TWH9513。32②电路工作原理：接通电源后，电路处于开机延时状态，PIR传感器加电预热45秒，延时结束，电路进入自动检测状态。如果有人进入探测区，人体辐射的红外线被PIR传感器探测到，输出幅度约1mV，频率在0.3～7Hz(与人体移动速度及透镜型号有关)的微弱信号，此信号经一组高频滤波和阻抗匹配网络，馈入控制电路输入端S，微弱信号由内部两级带通选频放大后送至窗口比较器进行电压比较，输出触发电平，此触发信号通过一系列内部系统计数、延时、控制处理及驱动电路，最后推动继电器或可控硅，达到人体探测防盗报警的目的或实现对自动门、照明灯的控制。33一般情况下，测温对象是固定不动的，因此辐射温度计采用斩光装置使被测“热源”以1Hz的频率入射到热释电传感器，其结构示意图如上图所示。将热释电传感器固定在一个开有窗口的盒子内，窗口到传感器间加斩光板，斩光板由慢速电机带动旋转，使传感器按1Hz的频率接收被测物体的辐射能(红外线)。此外，盒内还放置温度补偿二极管。⑶热释电红外热辐射温度计34光子型红外探测器35一、光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类1、外光电效应

在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）36根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理

式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。37光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量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；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2

，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。38当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：

（1）光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2、内光电效应39过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg40材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即41（2）

光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。

①势垒效应（结光电效应）。

接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。42②侧向电光效应

当半导体光电器件受光不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向电光效应。基于该效应的器件有半导体光电位置敏感探测器（PSD）43利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图光阳极光电阴极光窗1.结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。第二节外光电效应器件44

光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1）

光电管的伏安特性2.主要性能在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。光电管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/μA45（2）

光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.5146（3）光电管光谱特性

由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率υ0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率υ0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。47二、光电倍增管及其基本特性

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。1.结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。48光电倍增管1个光电子可产生106～107个电子49高压极性：可以使阴极处于地电位，便于屏蔽，暗电流小，噪声低。但阳极处于正高压，寄生电容大，匹配电缆连接复杂。若后接直流放大器，整个电路处于高压不安全，若接交流放大器，需耐压很高的隔直电容器，体积大且成本高。多数高压倍增管，将阳极接地而阴极工作在负高压，负高压容易和处在地电位的磁屏蔽之间发生放电而引起噪音。可在两者之间增设一层和阴极同电位的电极层，将放电排除在真空管以外。50（1）倍增系数M

倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同，则M=因此，阳极电流I为

I=·

ii—光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数β为

β=I/i=M与所加电压有关，M在105~108之间，稳定性为1％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。2.主要参数51103104105106255075100125极间电压/V放大倍数光电倍增管的特性曲线52（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。53（3）暗电流和本底脉冲一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。54光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA处饱和10－1410－1010－610－2光通量/1m阳极电流/A（4）光电倍增管的光谱特性

光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。55利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。

第三节内光电效应器件561.光敏电阻的工作原理和结构

当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即

hν==≥Eg(eV)

式中ν和λ—入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。57光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，结构见下图。581--光导层;2--玻璃窗口;3--金属外壳;4--电极;5--陶瓷基座;6--黑色绝缘玻璃;7--电阻引线。RG1234567(a)结构

(b)电极

(c)符号它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号59光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。

RGRLEI602.光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。61（2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mAL/lx1000200062（3）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004008001200160020002400λ/nm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅63（4）伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能5010015020012U/V02040无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。I/μA64（5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，20406080100I/%f/Hz010102103104电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。硫化铅硫化镉65（6）稳定性

图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上I/%408012016021T/h040080012001600升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。66（7）温度特性其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC67二、光电池

光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56μm)，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。68光电池的示意图硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。1.光电池的结构和工作原理+光PN－SiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图PN69光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)图4.3-17光电池符号和基本工作电路70L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池（1）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线2.基本特性开路电压短路电流短路电流71短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=072204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光谱特性光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm—1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。1——硒光电池2——硅光电池73(3)频率特性

光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光电池2——硅光电池74（4）温度特性

光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060UOC/mVT/ºCISCUOCISC

/μA600400200UOC——开路电压ISC——短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线75三、光敏二极管和光敏三极管光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。761.光敏二极管光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。PN光光敏二极管符号RL

光PN光敏二极管接线

77

光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流．当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。78（1）PIN管结光电二极管

PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。由式τ=

CjRL与f=1/2πτ知，Cj小，τ则小，频带将变宽。P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图79最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。

80（2）雪崩光电二极管(APD)

雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。812.光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的β倍。

PPNNNPebbcRLEec82光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。（1）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光λ/Å400080001200016000100806040200硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。830500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性（2）伏安特性光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。U/V84光敏晶体管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。85暗电流/mA光电流/mA10203040506070T/ºC25050100

02003004001020304050607080T/ºC光敏晶体管的温度特性（4）温度特性

光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。86（5）光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性87

电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图像识别技术。第三节电荷耦合器件881.CCD的结构及工作原理（1）结构CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器，它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约120nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。89MOS电容器（a）MOS电容截面；（b）势阱图90(2)工作原理构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱，如下图所示。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被排斥出耗尽区。并且在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，Si表面吸收少数载流子表面势(半导体表面对于衬底的电势差)也越大，这时势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。91电荷注入方法（a）背面光注入；（b）电注入92

CCD最基本的结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面涂覆一层氧化层，并在其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求，下面以三相（也有二相和四相）时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向转移的过程。把MOS光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控制电压Φ1、Φ2、Φ3，见下图所示。93三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程94三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程95当t=t1时，Φ1相处于高电平，Φ2、Φ3相处于低电平，在电极1、4下面出现势阱，存储了电荷。在t=t2时，Φ2相也处于高电平，电极2、5下面出现势阱。由于相邻电极之间的间隙很小，电极1、2及4、5下面的势阱互相耦合，使电极1、4下的电荷向电极2、5下面势阱转移。随着Φ1电压下降，电极1、4下的势阱相应变浅。在t=t3时，有更多的电荷转移到电极2、5下势阱内。在t=t4时，只有Φ2处于高电平，信号电荷全部转移到电极2、5下面的势阱内。随着控制脉冲的变化，信号电荷便从CCD的一端转移到终端，

实现了电荷的耦合与转移。

96下图是CCD输出端结构示意图。它实际上是在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻RL变为信号电压Uo输出。CCD输出端结构97各种光子探测器件的性能比较和应用选择一、接收光信号的方式在光电系统中，光电器件接收光信号的方式可归结为以下几种：判断光信号的有无系统中的光信号按一定调制频率交替变化检测光信号的幅度大小检测光信号的色度差异如光电开关、光电报警等。检测被测对象投射到光电器件的光信号的通过或截断。这时不关心光电器件的线性，而是关注其灵敏度。光信号被调制在某一频段或频率内，要求光电器件的截止频率大于光信号频率。检测源信号的强度变化，需选用灵敏度好，线性好、响应快，动态范围适合的器件。如检测色温变化时，需选择光谱性能合适的器件。98二、各种光子探测器的性能比较典型光电探测器件工作特性的比较99三、应用选择为了提高传输效率，无畸变的变换光电信号，光电器件不仅要和被测光电信号和光学系统，而且还要与后续电路在特性和工作参数上相互匹配，使系统中各元器件的工作状态均满足要求。选择要点如下：光电器件必须和辐射信号源以及光学系统在光谱特性上相匹配；光电器件要与入射辐射能量在空间上对准；光电器件的光电特性要与入射辐射相匹配；对于入射光信号，器件能够输出足够强的电信号并保证一定的信躁比；器件的响应特性要与光信号的频率、调制形式和波形相匹配，保证小的频率失真和好的时间响应；器件应和后续电路匹配，保证最大的转换系数、线性范围、信躁比等；选择好的工作环境条件。100红外探测器的特性参数101一、积分灵敏度R

灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f(P)，称为探测器的光电特性。灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即(线性区内)(安/瓦)(线性区内)(伏/瓦)

Ri和Ru分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为电表测量的电流、电压有效值。

光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。102光功率谱密度Pλ由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为iλ，于是光谱灵敏度Rλ定义为

Rλ是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测器)，光子探测器则是选择性探测器。通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为

Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。二、光谱灵敏度Rλ103三、频率灵敏度Rf(响应频率fc和响应时间t)若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流if将随调频f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf，定义为if通常

τ称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。104频率灵敏度这就是探测器的频率特性，Rf随f升高而下降的速度与τ值大小关系很大。一般规定，Rf下降到如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。105探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这一辐射功率相应的稳定值i。当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由决定。106以u，P，λ为参变量，i＝F（f）的关系称为光电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。同样，i=F(P)及曲线称为光电特性曲线。i＝F(λ)及其曲线称为光谱特性曲线。而i＝F(u)及其曲线称为伏安特性曲线。当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。107量子效率：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。四、量子效率η对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1，实际上，

<1量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。108如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光电、光谱以及频率特性，那么量子效率η则是对同一个问题的微观—宏观描述。109五、噪声等效功率NEP

从灵敏度R的定义式可见，如果P＝0，应有i=0实际情况是，当P＝0时，光电探测器的输出电流并不为零。这个电流称为暗电流或噪声电流，记为它是瞬时噪声电流的有效值。显然，这时灵敏度R巳失去意义，我们必须定义一个新参量来描述光电探测器的这种特性。110光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率。即使Ps和Pb都为零，也会有噪声输出。噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。111(电压信噪比)噪声等效功率NEP（NoiseEquivalentPower）

。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为

(电流信噪比)于是有：

NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。112

NEP越小，探测器探测能力越高，不符合人们“越大越好”的习惯，于是取NEP的倒数并定义为探测度D，即六、归一化探测度D*这样，D值大的探测器就表明其探测力高。常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。主要是探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响甚大。113因为定义称为归一化探测度。这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ,f,Δf)。114七、其它参数光电探测器还有其它一些特性参数，在使用时必须注意到，例如光照面积，探测器电阻，电容等。特别是极限工作条件，正常使用时都不允许超过这些指标，否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围，使用时要特别加以注意。光敏电阻光电二极管

光电池115参数物理描述表达式单位积分灵敏度光电转换特性的量度安/瓦伏/瓦光谱灵敏度对某一波长光电转换的量度安/瓦频率灵敏度电流随调制频率变化的量度安/瓦量子效率吸收的光子数和激光的电子数之比噪声等效功率单位信噪比时的信号光功率瓦归一化探测度与噪声等效功率成倒数、光敏面积和噪声功率有关厘米.赫兹1/2/瓦116红外探测器的噪声117主要分为:有形噪声和无规噪声

前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种无规则起伏施加给有用信号。起伏噪声对有用信号的影响。假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变放大量的理想放大器。一、噪声的概念118当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形。降低入射光功率时，增大放大率，发现正弦电压信号上出现许多无规起伏，使正弦信号变得模糊不清(图(b))。再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小，而杂乱无章的变化愈来愈大。最后只剩下了无规则的起伏，完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完全埋没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。探测器放大器示波器(a)(b)(c)光119从上面讨论中，我们应该建立这样的观念：上述现象并不是探测器不好所致。它是探测器所固有的不可避免的现象。任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。120二、噪声的描述噪声电压随时间无规则起伏情况。显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述。长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。)(tun)0(g)(tgtt00(a)(b)121但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时间的平均值，再开方，就得到所谓方均根噪声电压un，即这正是我们用电压表所测量到的那种有效电压。虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，但其方均根电压却具有确定值。这就是噪声电压(噪声电流也一样)服从统计规律的反映。由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这些因素又彼此独立，所以总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和，即122为此，把探测器输出的方均根噪声电压(电流)称为探测器的噪声电压(电流)。显然，探测噪声的存在，就使得探测器对光信号的探测本领受到一个限制。所以定量估计探测器的噪声大小就显得很重要了。123三、光电探测器的噪声源依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生—复合噪声、热噪声和低频噪声等。是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。124

按噪声产生的原因，可分为以下几类噪声外部原因内部原因人为噪声自然噪声散粒噪声产生－复合噪声光子噪声热噪声低频噪声温度噪声放大器噪声1251.散粒噪声：无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏（以光电子发射为例）。由于起伏单元是电子电荷量e，故称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。热激发散粒方均噪声电流为其有效值为相应的噪声电压为如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以M。光电探测器是依靠内场把电子—空穴对分开，空穴对电流贡献不大，主要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器1262.产生－复合噪声对光电导探测器，载流子热激发是电子—空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生—复合散粒噪声，简称为产生—复合噪声，记为Ig-r和Vg-r即M是光电导的内增益。1273.光子噪声

以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为热激发直流电流Id为零。由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光子起伏，故称为光子噪声。它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大。1284.热噪声电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动势。这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声，或称为约翰逊（Johnson）噪声。热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。129电阻R的热噪声电流为相应的热噪声电压为有效噪声电压和电流分别为一个电阻R在其噪声等效电路中，可以等效为电阻R与一个电压源Un的串联，也可以等效为电阻R与一个电流源In相并联，如图所示。VnRInR1305.1/f

噪声

1/f噪声又称为闪烁或低频噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声或1/f噪声。实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。131６.温度噪声它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在热探测器件中必须考虑温度噪声的影响。当材料的温度发生变化时，由于有温差ΔT的存在，因而引起材料有热流量的变化Δφ，这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。温度为T的物体的热流量噪声方均值为A为传热面积；h为传热系数，其单位为[W/(m2K)]；k为玻耳兹曼常数；T为材料温度；Δf为通带宽度。132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：

对于热噪声，材料的温度T一定，引起粒子随机性波动，从而产生了随机性电流；对于温度噪声，材料温度有变化ΔT，从而导致热流量的变化Δφ，此变化就表示了温度噪声的大小。133红外探测器偏置与放大电路134

在光电检测系统中，光探测器接收到的光信号通常十分微弱，往往被淹没于噪声之中，不具备直接处理的条件，必须作预处理。预处理的目的为：（1）在光探测器与后续处理器间实现阻抗匹配；（2）将光探测器的输出信号放大到后续处理器要求的电平幅度；（3）滤除部分噪声，提高信噪比；（4）对光电信号进行适当的转换（时域---频域、模拟---数字等）本小节讨论探测器的偏置和前置放大器的噪声特性及其设计。135对于热电偶、热电堆、热释电、光磁电探测器，不需要加偏置电源，在红外光的照射下，可以自生光信号电流或电压。

光电导、光电子、热敏电阻需在外加电场的作用下才能形成光信号电流或电压，需加偏执电源。

光伏型探测器是PN结型探测器，可以不加偏置电压，也可以加小的反向偏压以获得好的信噪比。偏置电路主要为恒流和恒压两种。红外偏置电路136一.恒流偏置电路由于稳压管DZ的影响，晶体管基极电位固定，于是集电极电流IC为恒定，其值为设光功率dΦ照射器件Rd所引起的阻值变化为△Rd，则输出信号电压为引入光电导灵敏度