光電探測(cè)基礎(chǔ)

1、光電探測(cè)與信號(hào)處理光電探測(cè)與信號(hào)處理內(nèi)容簡(jiǎn)介：內(nèi)容簡(jiǎn)介： 在光電子系統(tǒng)中，光電探測(cè)對(duì)信號(hào)的解調(diào)過(guò)程是功在光電子系統(tǒng)中，光電探測(cè)對(duì)信號(hào)的解調(diào)過(guò)程是功率響應(yīng)。本書從這一點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合探測(cè)器性能和信噪比率響應(yīng)。本書從這一點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合探測(cè)器性能和信噪比的概念，系統(tǒng)地介紹了光電系統(tǒng)和信號(hào)處理的基本內(nèi)容的概念，系統(tǒng)地介紹了光電系統(tǒng)和信號(hào)處理的基本內(nèi)容和基本技術(shù)。和基本技術(shù)。第第1章章 介紹光電探測(cè)基礎(chǔ)；介紹光電探測(cè)基礎(chǔ)；第第2章章 介紹光子、光熱兩大類探測(cè)器的工作原理介紹光子、光熱兩大類探測(cè)器的工作原理 與負(fù)載電路設(shè)計(jì)方法；與負(fù)載電路設(shè)計(jì)方法；第第3章章 介紹直接探測(cè)和外差探測(cè)兩種體制的系統(tǒng)介紹直接探測(cè)和外

2、差探測(cè)兩種體制的系統(tǒng) 性能及最佳信號(hào)處理方法；性能及最佳信號(hào)處理方法；第第4章章 介紹光電成像特點(diǎn)和介紹光電成像特點(diǎn)和CCD等探測(cè)器的功能；等探測(cè)器的功能；第第5章章 介紹光接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)理論。介紹光接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)理論。 第第1 1章章 光電探測(cè)基礎(chǔ)光電探測(cè)基礎(chǔ)1.11.1 光電系統(tǒng)描述光電系統(tǒng)描述 光電系統(tǒng)光電系統(tǒng)：是指以：是指以光波光波作為信息和能量載體而作為信息和能量載體而實(shí)現(xiàn)傳感、傳輸、探測(cè)等功能的測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)傳感、傳輸、探測(cè)等功能的測(cè)量系統(tǒng)。 圖圖1.1-1電磁波譜圖電磁波譜圖 光電光電系統(tǒng)系統(tǒng)的工作區(qū)域的工作區(qū)域：光頻段光頻段，包括，包括紅外光紅外光、 可見(jiàn)光可見(jiàn)光、紫外光紫外光

3、和和X X射線射線部分的電磁輻射。部分的電磁輻射。 對(duì)應(yīng)的頻率范圍為對(duì)應(yīng)的頻率范圍為3 3* *10101111- -3 3* *10101616Hz,Hz,或波長(zhǎng)或波長(zhǎng) 1mm-10nm 1mm-10nm。f/Hz電磁波電磁波紅外紅外紫外紫外可見(jiàn)光可見(jiàn)光10156182191210101010101010324X射線射線射線射線近紅外近紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外從光量子的觀點(diǎn)分析，單光子的能量從光量子的觀點(diǎn)分析，單光子的能量EEh其中，其中，h是普朗克常數(shù)，其值為是普朗克常數(shù)，其值為6.626* *1010-34-34J.S。波譜區(qū)波譜區(qū)波長(zhǎng)波長(zhǎng)頻率頻率/Hzh/eV微波300-1mm1*109-3*

4、10120.000004-0.004紅外光1mm-0.76m3*1012-4.3*10140.004-1.7可見(jiàn)光0.76-0.38m4.3*1014-5.7*10141.7-2.3紫外光0.38-0.01m5.7*1014-10162.3-40X射線10-0.03nm1016-101940-4000射線10194000表表1.1-1 光波段單光子能量表光波段單光子能量表1.1.11.1.1 光電系統(tǒng)的基本模型光電系統(tǒng)的基本模型l光電系統(tǒng)基本構(gòu)型：光電系統(tǒng)基本構(gòu)型：光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)、光學(xué)信道光學(xué)信道和和光接收機(jī)光接收機(jī)。圖圖1.1-2 光電系統(tǒng)基本模型光電系統(tǒng)基本模型根據(jù)光發(fā)射根據(jù)光發(fā)射機(jī)的不

5、同光機(jī)的不同光電系統(tǒng)分為電系統(tǒng)分為 光發(fā)電機(jī)光發(fā)電機(jī) 光學(xué)信道光學(xué)信道 光接收機(jī)光接收機(jī)主動(dòng)式：由光源和調(diào)制器構(gòu)成發(fā)光射機(jī)主動(dòng)式：由光源和調(diào)制器構(gòu)成發(fā)光射機(jī)被動(dòng)式：被探測(cè)物體的熱輻射發(fā)射被動(dòng)式：被探測(cè)物體的熱輻射發(fā)射光學(xué)信道光學(xué)信道：主要指大氣、空間、水下和光纖。：主要指大氣、空間、水下和光纖。 光接收機(jī)光接收機(jī)：用于收集入射的光場(chǎng)并處理、恢復(fù)光：用于收集入射的光場(chǎng)并處理、恢復(fù)光載波的信息。載波的信息。本課程主要本課程主要內(nèi)容內(nèi)容接收到的光場(chǎng)接收到的光場(chǎng) 圖圖1.1-3 1.1-3 光接收機(jī)基本模型光接收機(jī)基本模型透鏡系統(tǒng)：把接收的光場(chǎng)進(jìn)行濾波和聚焦；透鏡系統(tǒng)：把接收的光場(chǎng)進(jìn)行濾波和聚焦；光電

6、探測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；光電探測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；后續(xù)處理器：完成信號(hào)放大、處理及過(guò)濾，恢復(fù)所需信息后續(xù)處理器：完成信號(hào)放大、處理及過(guò)濾，恢復(fù)所需信息。 接收透接收透 鏡系統(tǒng)鏡系統(tǒng) 光電光電 探測(cè)器探測(cè)器后續(xù)檢測(cè)后續(xù)檢測(cè) 處理器處理器 光接收機(jī)的分類：功率探測(cè)接收機(jī)（直接探光接收機(jī)的分類：功率探測(cè)接收機(jī)（直接探測(cè)或非相干接收機(jī)）和外差接收機(jī)測(cè)或非相干接收機(jī)）和外差接收機(jī)( (空間相空間相干接收機(jī)干接收機(jī)) )。圖圖1.1-4 光接收機(jī)的兩種基本類型光接收機(jī)的兩種基本類型r1)由一點(diǎn)發(fā)出的兩條射線之間的夾角記做由一點(diǎn)發(fā)出的兩條射線之間的夾角記做 d cos0rlrlddd單位：弧度

7、單位：弧度附附1. .立體角的概念立體角的概念l dd設(shè)射線長(zhǎng)為設(shè)射線長(zhǎng)為r ，線段元線段元dl對(duì)某點(diǎn)所張的平面角：對(duì)某點(diǎn)所張的平面角：0l ddl0是以是以r為半徑的圓弧為半徑的圓弧 是線段元是線段元dl與與dl0之間的夾角之間的夾角單位：球面度單位：球面度rdSd0Sdcos220rSrSddd對(duì)比平面角定義式對(duì)比平面角定義式dS0是以是以r為半徑的圓錐對(duì)應(yīng)的球面元；為半徑的圓錐對(duì)應(yīng)的球面元； 是面元是面元dS與球面元與球面元dS0間的夾角。間的夾角。面元面元dS 對(duì)某點(diǎn)所張的角叫做立對(duì)某點(diǎn)所張的角叫做立體角，即錐體的體角，即錐體的“頂角頂角”cos0rlrlddd2 sindd 有定義式

8、有定義式:可得平面角與立體角的關(guān)系：可得平面角與立體角的關(guān)系：弧度弧度閉合曲面對(duì)面內(nèi)一點(diǎn)所張的立體角閉合曲面對(duì)面內(nèi)一點(diǎn)所張的立體角球面度球面度420SSrSddld閉合平面曲線對(duì)曲線內(nèi)一點(diǎn)所張的平面角閉合平面曲線對(duì)曲線內(nèi)一點(diǎn)所張的平面角coslrld00lrld21.1.21.1.2 光源發(fā)射增益光源發(fā)射增益l光的輻射特性：光的輻射特性：光源的亮度函數(shù)光源的亮度函數(shù)L(L() )。定義：該函數(shù)描述了在一個(gè)給定的方向角定義：該函數(shù)描述了在一個(gè)給定的方向角時(shí)，光時(shí)，光 源輻射的歸一化功率。源輻射的歸一化功率。單位：?jiǎn)挝唬篧/(sr.mW/(sr.m2 2)()(瓦特每球面度平方米瓦特每球面度平方米

9、) )輻射的總功率為：輻射的總功率為：SSSPLAAs:均勻光源發(fā)光面積；均勻光源發(fā)光面積；s:s:輻射角；輻射角；立體角立體角s與平面輻射角與平面輻射角s間的關(guān)系：間的關(guān)系：2 1cos(/2)Ss l光束形成和光匯聚光束形成和光匯聚平面光束的直徑為平面光束的直徑為2 1 221() zttzddd：波長(zhǎng)；：波長(zhǎng)；dt：輸出透鏡直徑；：輸出透鏡直徑；z：透鏡的距離。：透鏡的距離。討論：討論：（1）在近場(chǎng)時(shí)，）在近場(chǎng)時(shí)，準(zhǔn)直后的光束直徑與透鏡準(zhǔn)直后的光束直徑與透鏡直徑相同。直徑相同。（2）在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，）在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，光束直徑隨距離的增加而光束直徑隨距離的增加而擴(kuò)大。擴(kuò)散的平面角約為擴(kuò)大。擴(kuò)散的平面角

10、約為21tz d21tz db為為 衍射極限發(fā)送機(jī)光束角。對(duì)應(yīng)的立體角為衍射極限發(fā)送機(jī)光束角。對(duì)應(yīng)的立體角為光匯聚的特征參量光匯聚的特征參量有效天線增益有效天線增益btradd22 1cos(/2)4bbb 244()ttbdG 設(shè)距光源很遠(yuǎn)的設(shè)距光源很遠(yuǎn)的R處有一個(gè)小接收面處有一個(gè)小接收面Ar，R (Ar)1/2。接收面上的光場(chǎng)強(qiáng)度為接收面上的光場(chǎng)強(qiáng)度為Ps(t)為點(diǎn)光源的功率變化函數(shù)，為點(diǎn)光源的功率變化函數(shù)，td=R/C為光源到為光源到R處的處的傳輸時(shí)延，傳輸時(shí)延，Gt為為Ar所在方向的發(fā)射光增益。所在方向的發(fā)射光增益。 若點(diǎn)光源發(fā)射光場(chǎng)的功率恒定為若點(diǎn)光源發(fā)射光場(chǎng)的功率恒定為Ps，則在，

11、則在R處，光處，光束之內(nèi)的光強(qiáng)度為束之內(nèi)的光強(qiáng)度為2()( ,)4sdtP ttI t RGR2( ,)4tsG PI t RR接收面接收面Ar收到的光功率是收到的光功率是R處光強(qiáng)度在處光強(qiáng)度在Ar面上的積分面上的積分為接收面為接收面Ar的法線與光功率流傳輸方向間的夾角。的法線與光功率流傳輸方向間的夾角。討論：討論：若若=0=0，則，則Ar上所接收的光功率為上所接收的光功率為 接收增益接收增益，定義為：定義為：則則其中，其中， 為波長(zhǎng)為波長(zhǎng)的電磁場(chǎng)在的電磁場(chǎng)在R的傳輸中的損耗。的傳輸中的損耗。( )cos( ,)rrrAP tI t R dA2()4tsrrG PPAR24()rGArstpr

12、PPG L G2()4pLR1.2 1.2 光接收機(jī)視場(chǎng)光接收機(jī)視場(chǎng) 光接收機(jī)內(nèi)，輸入光場(chǎng)一般都是由前端面上的光光接收機(jī)內(nèi)，輸入光場(chǎng)一般都是由前端面上的光學(xué)元件收集并匯聚到探測(cè)器表面，如圖學(xué)元件收集并匯聚到探測(cè)器表面，如圖1.2-11.2-1所示。所示。1.1. 適當(dāng)設(shè)計(jì)接收機(jī)透鏡，適當(dāng)設(shè)計(jì)接收機(jī)透鏡，可以在焦平面得到夫可以在焦平面得到夫瑯和費(fèi)衍射?，樅唾M(fèi)衍射。 用用fr(t,r)表示在整個(gè)透鏡光闌上接收到的光場(chǎng)，用表示在整個(gè)透鏡光闌上接收到的光場(chǎng)，用fd(t,u,v)表示焦平面上的衍射場(chǎng)，則：表示焦平面上的衍射場(chǎng)，則： （1.2.-1）(x,y)和和 (u,v)分別為光闌和焦平面上的場(chǎng)坐標(biāo)，

13、相因子分別為光闌和焦平面上的場(chǎng)坐標(biāo)，相因子 （1.2-2）fd(t,u,v)還與還與fr(t,x,y)的二維傅里葉變換相聯(lián)系，即若定義的二維傅里葉變換相聯(lián)系，即若定義 （1.2-3）為為fr(t,x,y)的二維空間傅里葉變換，則有的二維空間傅里葉變換，則有( , )2( , , )( , , )exp()drAccu vft u vft x yjxuyv dxdyff221( , )exp()cu vjuvjf1212( ,)( , , )exp()rrAF tft x yj xydxdy （1.2-4）討論：討論： 若一平面波垂直入射到面積為若一平面波垂直入射到面積為A A的接收機(jī)透鏡上，則

14、的接收機(jī)透鏡上，則 (1.2-5) 此時(shí)，焦平面的衍射圖案此時(shí)，焦平面的衍射圖案 （1.2-6） （1.2-7）( , )22( , , )( ,)drcccu vuvft u vF tfff0( )( , )( , , )0jtra t ex yAft x y其它012( , )exp()dAccfu vjxuyv dxdyff00( , , )( )exp() ( , )( , )ddft u va tjtu v fu v（1）矩形光闌透鏡）矩形光闌透鏡假定光闌區(qū)域的線度為（假定光闌區(qū)域的線度為（d,bd,b）矩形，）矩形，(1.2-7)(1.2-7)式中的積分式中的積分極限為極限為 。

15、（1.2-8）沿沿u軸的結(jié)果繪于圖軸的結(jié)果繪于圖1.2-2(a)，沿，沿v軸存在相似的結(jié)果。軸存在相似的結(jié)果。2202212( , )exp()sin()sin()()()()dbddbcccccccfu vjxuyv dxdyffbubvffbdbubvfff2,2xdyb圖像特點(diǎn)：圖像特點(diǎn)：它們是艾里斑圖樣，焦平面上衍射圖案的高度它們是艾里斑圖樣，焦平面上衍射圖案的高度近似為近似為A/(fc)，寬度近似為，寬度近似為2 fc/d(即最大即最大)峰寬。峰寬。（2）圓形光闌透鏡）圓形光闌透鏡 假定光闌區(qū)域是直徑為假定光闌區(qū)域是直徑為d d的圓形透鏡，得到的圓形透鏡，得到 （1.2-9）式中，式

16、中，=(u2+v2)1/2，J0(x)和和J1(x)為貝塞爾函數(shù)。衍射圖案為貝塞爾函數(shù)。衍射圖案繪于圖繪于圖1.2-2(b) 。2000121( , )2()2()4()()ddcccccrfu vrJdrffrJfdrff （ii）若）若平面波偏離垂直入射方向，波矢為平面波偏離垂直入射方向，波矢為k k，如圖，如圖1.2-1.2-4(a)4(a)所示。則所示。則 (1.2-10）式中，式中，kx和和ky分別為分別為k的的x和和y分量。采用小角度近似，分量。采用小角度近似，（x,y）為波矢）為波矢k相對(duì)于垂直入射方向的偏離角?？臻g衍相對(duì)于垂直入射方向的偏離角?？臻g衍射圖樣為：射圖樣為： (1.

17、2-11)00( , , )( )exp()exp()( )exp()exp()rxyft u va tjtjk ra tjtj xkyk(2),(2)xxyykk 00000( , )( , , )( )exp()()22exp()exp()( )exp() ( , )(,)dcxyAcdu vft u va tjtfjxyjxuyv dxdyfa tjtu v fuuvv 入射平面波的角偏離使得衍射斑在焦平面上發(fā)生位入射平面波的角偏離使得衍射斑在焦平面上發(fā)生位移。移。移位后圖樣的位置可以由平面波的入射方向通過(guò)透移位后圖樣的位置可以由平面波的入射方向通過(guò)透鏡光闌中心的延長(zhǎng)線與焦平面的交點(diǎn)來(lái)確

18、定。鏡光闌中心的延長(zhǎng)線與焦平面的交點(diǎn)來(lái)確定。(iii) 考慮兩個(gè)這樣的點(diǎn)光源考慮兩個(gè)這樣的點(diǎn)光源(如圖如圖1.2-4(b)，這對(duì)應(yīng)于兩光，這對(duì)應(yīng)于兩光源的光場(chǎng)到達(dá)透鏡后角度分離小于源的光場(chǎng)到達(dá)透鏡后角度分離小于 (1.2-12)相應(yīng)的立體角為相應(yīng)的立體角為 (1.2-13)到達(dá)角度位于其內(nèi)的光線是不可分辨的。在到達(dá)角度位于其內(nèi)的光線是不可分辨的。在fcd d的條件的條件下下( (d d為圓透鏡直徑為圓透鏡直徑) )，有，有 (1.2-14)式中，式中，A為接收機(jī)光闌面積。為接收機(jī)光闌面積。dl稱作光闌光學(xué)元件的衍射稱作光闌光學(xué)元件的衍射極限視場(chǎng)，定義了光闌光學(xué)元件在波長(zhǎng)極限視場(chǎng)，定義了光闌光學(xué)

19、元件在波長(zhǎng)上的分辨本領(lǐng)。上的分辨本領(lǐng)。dlcf2()4dlcf2()4dlA(1)光場(chǎng)功率光場(chǎng)功率 由帕塞瓦爾由帕塞瓦爾(Parseval)定理可以得到，定理可以得到，在焦平面上收在焦平面上收集到的功率與接收機(jī)光闌區(qū)域從接收到的光場(chǎng)收集到的集到的功率與接收機(jī)光闌區(qū)域從接收到的光場(chǎng)收集到的功率相等，即功率守恒。功率相等，即功率守恒。(2)視場(chǎng)視場(chǎng) f v定義了能夠被探測(cè)器表面觀察到的光場(chǎng)入射角，定義了能夠被探測(cè)器表面觀察到的光場(chǎng)入射角，稱為稱為接收機(jī)視場(chǎng)。接收機(jī)視場(chǎng)。fc為焦距，為焦距，A為圓形透鏡面積，為圓形透鏡面積，dd為圓形探測(cè)的器直徑。為圓形探測(cè)的器直徑。22()4ddfvccdAff1

20、.1.光電探測(cè)器：光電探測(cè)器： 把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量( (電流或電壓電流或電壓) )的探測(cè)器。的探測(cè)器。2.2.光電探測(cè)器光電探測(cè)器物理效應(yīng)物理效應(yīng)分為分為： 光子效應(yīng)光子效應(yīng) 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)一、光子效應(yīng)一、光子效應(yīng)：?jiǎn)蝹€(gè)單個(gè)光子光子直接直接與物質(zhì)中的電子作用，引與物質(zhì)中的電子作用，引起電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，從而使物體的電學(xué)性質(zhì)改變。起電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，從而使物體的電學(xué)性質(zhì)改變。內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)：被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光

21、生伏特的現(xiàn)象。生光生伏特的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象真空中的電子的現(xiàn)象。二、光熱效應(yīng)二、光熱效應(yīng) 熱探測(cè)器和光子探測(cè)器不同。熱探測(cè)器和光子探測(cè)器不同。 原理原理：基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高，：基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高，從而使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化的從而使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)。比較：比較：(1)(1)光熱效應(yīng)與單光子能量的大小沒(méi)有直接關(guān)系光熱效應(yīng)與單光子能量的大小沒(méi)有直接關(guān)系, ,對(duì)光波對(duì)光波

22、 頻率沒(méi)有選擇性；頻率沒(méi)有選擇性；(2)(2)光子效應(yīng)響應(yīng)速度一般比較快，而光熱效應(yīng)的一般光子效應(yīng)響應(yīng)速度一般比較快，而光熱效應(yīng)的一般 比較慢，并且容易受環(huán)境溫度變化的影響。比較慢，并且容易受環(huán)境溫度變化的影響。1.3.21.3.2 光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)(外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)) 在光照下，當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能在光照下，當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)。 光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為 (1.3-1)光電發(fā)射光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生的條

23、件為效應(yīng)發(fā)生的條件為 (1.3-2) (1.3-3) kEhEcEh1.24()()chcmEEeV半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 在熱平衡下，熱平衡的電子濃度在熱平衡下，熱平衡的電子濃度n n和空穴濃度和空穴濃度p,p,即即 (1.3-5) (1.3-5)n ni i為響應(yīng)溫度下本征半導(dǎo)體中熱生載流子濃度。為響應(yīng)溫度下本征半導(dǎo)體中熱生載流子濃度。 在外電場(chǎng)在外電場(chǎng)E E的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)v v和電場(chǎng)和電場(chǎng)E E之比定之比定義為義為載流子遷移率載流子遷移率，即，即 (1.3-6)其中，其中，u u為端電壓，為端電壓，L L為電壓方向半導(dǎo)體的長(zhǎng)度。為電壓方向半導(dǎo)體的長(zhǎng)度。2inp

24、n22(/)(/)nnnpppvv LcmV sEuvv LcmV sEu半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電導(dǎo)率為為 （1.3-71.3-7）若半導(dǎo)體的截面積為若半導(dǎo)體的截面積為A,A,則則電導(dǎo)電導(dǎo)G G為為 (1.3-8) (1.3-8)半導(dǎo)體的電阻半導(dǎo)體的電阻R Rd d( (暗電阻暗電阻) )為為 (1.3-9 (1.3-9) )為電阻率為電阻率( (.cm).cm)。1()npenepcm1()AGL()dLLRAA光電導(dǎo)光電導(dǎo)如果光波長(zhǎng)如果光波長(zhǎng)滿足如下條件：滿足如下條件： (1.3-10) (1.3-10)E Eg g為禁帶寬度，為禁帶寬度，E Ei i為雜質(zhì)能帶寬度。為雜質(zhì)能帶寬度。i1.

25、24()()()1.24()()()cgcmEeVmE eV 本征雜質(zhì) 光生載流子濃度的變化光生載流子濃度的變化n n和和p p使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加加G G，稱之為，稱之為光電導(dǎo)光電導(dǎo)。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體就分。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別成為別成為本征和雜質(zhì)光電導(dǎo)本征和雜質(zhì)光電導(dǎo)。(1(1) ) 在在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)。(2)(2)入射光激發(fā)非本征半導(dǎo)體中雜質(zhì)能級(jí)上的束縛態(tài)電入射光激發(fā)非本征半導(dǎo)體中雜質(zhì)能級(jí)上的束縛態(tài)電子（子（n n型）或空穴（型）或空穴（p p型

26、）而產(chǎn)生光生載流子，從而使半型）而產(chǎn)生光生載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種稱為這種稱為非本征光電導(dǎo)效應(yīng)非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。 對(duì)本征情況，如果光輻射每秒鐘產(chǎn)生的光電子對(duì)本征情況，如果光輻射每秒鐘產(chǎn)生的光電子- -空穴空穴對(duì)的數(shù)目為對(duì)的數(shù)目為N N，則，則 (1.3-11)ALAL為半導(dǎo)體總體積，為半導(dǎo)體總體積，n和和p為電子和空穴的平均壽命。為電子和空穴的平均壽命。根據(jù)根據(jù)(1.3-8)(1.3-8)式有式有 (1.3-12)eN為光輻射每秒鐘激發(fā)的電荷量。為光輻射每秒鐘激發(fā)的電荷量。G產(chǎn)生電流增量產(chǎn)生電流增量i (1.3-13)u u為端電壓。為端電壓。 ,npN

27、NnpALAL2()()npnnppAAGenpLLeNL 2()nnppeNuiVGL 光電導(dǎo)體的電流增益光電導(dǎo)體的電流增益M M (1.3-14)討論：討論：以以N N型半導(dǎo)體為例型半導(dǎo)體為例 (1.3-15)因?yàn)橐驗(yàn)閚=vnL/u，則，則 (1.3-16)tn為為渡越時(shí)間渡越時(shí)間。 2()nnppiuMeNL 2nnuML nnnnvMLt 1、PN結(jié)的形成結(jié)的形成 (2) PN(2) PN結(jié)中的電流結(jié)中的電流擴(kuò)散電流：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流。擴(kuò)散電流：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流。漂移電流：漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流。漂移電流：漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流。 漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，無(wú)論電子還是空穴，漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散

28、運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，無(wú)論電子還是空穴，它們各自產(chǎn)生的擴(kuò)散電流和漂移電流相等，則它們各自產(chǎn)生的擴(kuò)散電流和漂移電流相等，則PNPN結(jié)中結(jié)中總電流為總電流為0 0。(1) (1) 擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散：多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散：多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)。漂移：少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。漂移：少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。2、PN結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng) 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流稱為所加反向電壓的大

29、小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流稱為反向飽和電流反向飽和電流。4 4、PNPN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 (1.3-17)i id d為為( (指無(wú)光照指無(wú)光照) )暗電流，暗電流，i is s為反向飽和電流，為反向飽和電流，u u為偏置電為偏置電壓壓( (正向偏置為正，負(fù)向偏置為負(fù)正向偏置為正，負(fù)向偏置為負(fù)) )。 (1.3-18) exp()1dsBeuiik T00Busk TduRdiei在零偏置下，在零偏置下，PNPN結(jié)的結(jié)的電阻電阻R R0 0為：為： 原理：原理：當(dāng)入射光子在當(dāng)入射光子在PNPN結(jié)及其附近產(chǎn)生電子結(jié)及其附近產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，空穴對(duì)時(shí)，光生載流子受內(nèi)建電場(chǎng)作用，電子漂移到光生載流子受

30、內(nèi)建電場(chǎng)作用，電子漂移到n n區(qū)，空穴漂移區(qū)，空穴漂移到到p p區(qū)。如果在外電路中把區(qū)。如果在外電路中把p p區(qū)和區(qū)和n n區(qū)短接，就產(chǎn)生反向的區(qū)短接，就產(chǎn)生反向的短路信號(hào)電流。假若外電路開(kāi)路，則光生的電子和空穴分短路信號(hào)電流。假若外電路開(kāi)路，則光生的電子和空穴分別在別在n n區(qū)和區(qū)和P P區(qū)積累，兩端便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這稱為區(qū)積累，兩端便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這稱為光生伏特光生伏特效應(yīng)效應(yīng)，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)。5、光伏效應(yīng)、光伏效應(yīng)討論討論:(1):(1)在零偏置條件下，如果照射光的波長(zhǎng)滿足在零偏置條件下，如果照射光的波長(zhǎng)滿足 (1.3-19)無(wú)論光照無(wú)論光照N N區(qū)或區(qū)或P P區(qū)，都會(huì)激發(fā)出光

31、生電子區(qū)，都會(huì)激發(fā)出光生電子- -空穴對(duì)。空穴對(duì)。 1.24()()imE eV 例如，例如，結(jié)型光伏探測(cè)器工作時(shí)不加偏置電壓的是結(jié)型光伏探測(cè)器工作時(shí)不加偏置電壓的是光電池光電池。(2)(2)如果在光照條件下，加上反向偏壓，則入射輻射如果在光照條件下，加上反向偏壓，則入射輻射會(huì)使反向電流增加，這時(shí)觀測(cè)到的光電信號(hào)是會(huì)使反向電流增加，這時(shí)觀測(cè)到的光電信號(hào)是光電流光電流。 例如，例如，加反偏壓工作的加反偏壓工作的光伏光伏探測(cè)器是探測(cè)器是光電二極管光電二極管。(3)(3)光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)與光電導(dǎo)效應(yīng)不同之處，在于需要一種與光電導(dǎo)效應(yīng)不同之處，在于需要一種將正、負(fù)載流子在空間上分離的機(jī)制將正、負(fù)載流子

32、在空間上分離的機(jī)制內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)。1.3.51.3.5 溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng)(光熱效應(yīng)光熱效應(yīng))原理：原理：當(dāng)由兩種不同材料制成的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差時(shí)，當(dāng)由兩種不同材料制成的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差時(shí)，在該兩點(diǎn)間就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，通過(guò)這兩點(diǎn)的閉合回路在該兩點(diǎn)間就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，通過(guò)這兩點(diǎn)的閉合回路中就有電流流過(guò)，這個(gè)現(xiàn)象稱為中就有電流流過(guò)，這個(gè)現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng)。l溫差電效應(yīng)包括溫差電效應(yīng)包括塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)珀耳帖效應(yīng)和和湯姆遜湯姆遜效應(yīng)效應(yīng)。塞貝克塞貝克(seebeck)效應(yīng)：效應(yīng)： 當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路的兩個(gè)當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)置

33、于不同溫度時(shí)，在兩點(diǎn)之間就產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)結(jié)點(diǎn)置于不同溫度時(shí)，在兩點(diǎn)之間就產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)；這個(gè)電動(dòng)勢(shì)在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種勢(shì)；這個(gè)電動(dòng)勢(shì)在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)溫差電動(dòng)勢(shì)勢(shì)或或塞貝克電動(dòng)勢(shì)塞貝克電動(dòng)勢(shì)，回路稱為，回路稱為熱電偶熱電偶。 產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因：是由于受熱不均勻的兩結(jié)點(diǎn)的接觸電是由于受熱不均勻的兩結(jié)點(diǎn)的接觸電位差不同所致位差不同所致。 熱電堆：熱電堆：為了增加信號(hào)電壓，將測(cè)熱電偶串聯(lián)，為了增加信號(hào)電壓，將測(cè)熱電偶串聯(lián)，形成形成熱電堆熱電堆。 熱熱電偶和熱電堆的光電信號(hào)要比許多種光子探測(cè)器電偶和

34、熱電堆的光電信號(hào)要比許多種光子探測(cè)器弱，但它們牢固，而且不需要電偏置和致冷，故有弱，但它們牢固，而且不需要電偏置和致冷，故有應(yīng)用很廣應(yīng)用很廣。 l原理：原理：某些晶體某些晶體(如硫酸三甘肽如硫酸三甘肽TGS、鈮酸鋰、鈮酸鋰LiNbO3、鈮酸鍶鋇、鈮酸鍶鋇SBN等等)受光照射時(shí)溫度升高，受光照射時(shí)溫度升高，從而在晶體的特定方向上由于自極化強(qiáng)度隨溫度變從而在晶體的特定方向上由于自極化強(qiáng)度隨溫度變化而引起表面電荷的變化?；鸨砻骐姾傻淖兓?。 由電磁理論可知，在垂直于電極化矢量由電磁理論可知，在垂直于電極化矢量p ps s的材料的材料表面上會(huì)出現(xiàn)面束縛電荷表面上會(huì)出現(xiàn)面束縛電荷s s舉例：舉例：

35、如果把熱電體放進(jìn)一個(gè)電容器極板間，將電流表如果把熱電體放進(jìn)一個(gè)電容器極板間，將電流表與電容兩端相接，就會(huì)有電流產(chǎn)生，稱之為與電容兩端相接，就會(huì)有電流產(chǎn)生，稱之為短路熱釋短路熱釋電流電流。若極板面積為。若極板面積為A A，則電流為，則電流為 (1.3-21)是熱釋電系數(shù)。是熱釋電系數(shù)。 如果照射光恒定，則如果照射光恒定，則T T恒定，恒定，p ps s恒定，電流為恒定，電流為0 0。所以所以熱釋電探測(cè)器是一種交流或瞬時(shí)響應(yīng)器件。熱釋電探測(cè)器是一種交流或瞬時(shí)響應(yīng)器件。ssp ssdpdpdTdTiAAAdtdTdtdt光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換：把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過(guò)程。把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過(guò)程

36、。(1.4-1)(1.4-1) (1.4-2) (1.4-2)P(t)光通量光通量( (光功率光功率) )，E光能量，光能量，Q光生電荷，光生電荷，n光光和和n電電為光子數(shù)和電子數(shù)。為光子數(shù)和電子數(shù)。i正比于正比于P (1.4-3) (1.4-3)D D稱為探測(cè)器的稱為探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子光電轉(zhuǎn)換因子，即，即 (1.4-4 (1.4-4）( )dndEP thdtdt光( )dndQi tedtdt電( )( )i tDP teDh所有變量為所有變量為統(tǒng)計(jì)平均量統(tǒng)計(jì)平均量其中，其中， (1.4-5)(1.4-5)稱為探測(cè)器的稱為探測(cè)器的量子效率量子效率，它表示探測(cè)器吸收的光子數(shù)它表示探測(cè)器吸收

37、的光子數(shù)速率和激發(fā)的電子數(shù)速率之比速率和激發(fā)的電子數(shù)速率之比?？傻??？傻霉怆娹D(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換定律 （1.4-61.4-6）它說(shuō)明：它說(shuō)明：(1)(1)光電探測(cè)器對(duì)入射功率有響應(yīng)，響應(yīng)量是光電流。光電探測(cè)器對(duì)入射功率有響應(yīng)，響應(yīng)量是光電流。一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源；一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源；(2)(2)因?yàn)楣夤β收扔诠怆妶?chǎng)的平方，所以把光電探測(cè)因?yàn)楣夤β收扔诠怆妶?chǎng)的平方，所以把光電探測(cè)器稱為平方律探測(cè)器。或者說(shuō)，光電探測(cè)器本質(zhì)上是器稱為平方律探測(cè)器?；蛘哒f(shuō)，光電探測(cè)器本質(zhì)上是一個(gè)非線性器件。一個(gè)非線性器件。dndndtdt光電( )( )ei tP th 推導(dǎo)得到推導(dǎo)得到，在體積

38、在體積V V上發(fā)射出上發(fā)射出k k個(gè)電子的概率為個(gè)電子的概率為 (1.4-24) (1.4-24) (1.4-26) (1.4-26)這個(gè)概率這個(gè)概率稱為稱為泊松概率泊松概率，它在時(shí)間上是非平穩(wěn)的，在空，它在時(shí)間上是非平穩(wěn)的，在空間上是非均勻的。間上是非均勻的。說(shuō)明：說(shuō)明：(1(1）陰極表面發(fā)射電子數(shù)目的概率是泊松概率分布；）陰極表面發(fā)射電子數(shù)目的概率是泊松概率分布；(2) (2) 光電子計(jì)數(shù)光電子計(jì)數(shù)k k的期望值的期望值( (平均值平均值) )，即，即 （1.4-271.4-27）(3) (3) m mv v是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，因此是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，因此的單位是能量的倒數(shù)。的單位是能量的倒數(shù)

39、。()exp()( )!kvvmmP kk0( )( , )dTvddVAmIv dvIt r drdt 111( )( )(1)!vkmvkvvkkmE kkPkm emk 令令 m mv v是個(gè)數(shù)，所以是個(gè)數(shù)，所以n(r,t)n(r,t)是個(gè)數(shù)密度，稱為是個(gè)數(shù)密度，稱為計(jì)數(shù)強(qiáng)度計(jì)數(shù)強(qiáng)度，再，再令令 （1.4-281.4-28）n(t)n(t)稱為稱為空間計(jì)數(shù)強(qiáng)度空間計(jì)數(shù)強(qiáng)度。其物理意義：是其物理意義：是t t時(shí)刻從面積時(shí)刻從面積A A上釋放電子的平均速率。上釋放電子的平均速率。 （1.4-291.4-29）( , )( , )n r tI r t( , )t TvStmn r t drdt

40、 ( )( , )( , )SSn tn r t drI r t dr( )t Tvtmn t dt 舉例：舉例：如果光場(chǎng)如果光場(chǎng)I(r,t)I(r,t)在任何時(shí)刻在任何時(shí)刻t t，在整個(gè)，在整個(gè)S S面上面上是均勻的，即是均勻的，即 所以所以 (1.4-30) (1.4-30)P(t)=AI(t)為為入射功率，入射功率，表明平均光電子計(jì)數(shù)速率正比于表明平均光電子計(jì)數(shù)速率正比于入射光功率。入射光功率。 從光場(chǎng)中吸收的平均能量為從光場(chǎng)中吸收的平均能量為 （1.4-311.4-31）為入射光能量與吸收光能量之比，即為入射光能量與吸收光能量之比，即量子效率量子效率。將。將 代入有代入有 (1.4-3

41、2) (1.4-32) ( , )( )()I r tI trS在 內(nèi)( )( , )( )( )Sn tI r t drAI tP t( , )t Tvth mI r t drdth0( , )dTvdAmIt r drdt 式式(1.4-30)(1.4-30)變?yōu)樽優(yōu)?(1.4-33) (1.4-33) 一個(gè)電子的電荷為一個(gè)電子的電荷為e e，所以平均光電流，所以平均光電流i(t)(t)為為 （1.4-34)1.4-34)這和式這和式(1.4-6)(1.4-6)光電轉(zhuǎn)換定律一致。光電轉(zhuǎn)換定律一致。( )( )n tP th( )( )( )ei ten tP th( , )( , )n r

42、 tP r t1.51.5光電探測(cè)器性能參數(shù)光電探測(cè)器性能參數(shù)l光電探測(cè)器是光電系統(tǒng)的核心。光電探測(cè)器是光電系統(tǒng)的核心。l探測(cè)器的性能參數(shù)科學(xué)地反映出各種探測(cè)器的探測(cè)器的性能參數(shù)科學(xué)地反映出各種探測(cè)器的共同因素。依據(jù)這套參數(shù)可以評(píng)價(jià)探測(cè)器性能共同因素。依據(jù)這套參數(shù)可以評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的優(yōu)劣，比較不同探測(cè)器之間的不同，選擇合的優(yōu)劣，比較不同探測(cè)器之間的不同，選擇合理的光電探測(cè)器。理的光電探測(cè)器。l了解光電探測(cè)器的各種性能參數(shù)的物理意義是了解光電探測(cè)器的各種性能參數(shù)的物理意義是十分重要的。十分重要的。一、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù)一、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù) 1積分靈敏度積分靈敏度2光譜靈敏度光譜靈敏度3

43、頻率頻率靈敏度靈敏度 1. 積分靈敏度積分靈敏度R 光電流光電流i(或光電壓或光電壓u)和入射光功率和入射光功率P之間的關(guān)系之間的關(guān)系i=f(P)，稱為稱為探測(cè)器的光電特性。探測(cè)器的光電特性。 靈敏度靈敏度R定義為這定義為這 個(gè)曲線的曲率，即個(gè)曲線的曲率，即 (1.5-1) (1.5-2)Ri和和Ru分別為分別為積分電流靈敏度和積分電壓積分電流靈敏度和積分電壓靈敏度靈敏度，i和和u分別為電流和電壓的有效值，分別為電流和電壓的有效值，P為某一光譜范圍內(nèi)的總為某一光譜范圍內(nèi)的總功率。功率。 ( /)()idiiRA WdPP線性區(qū)內(nèi)u( /)()duuRV WdPP線性區(qū)內(nèi) 2.光譜靈敏度光譜靈敏

44、度R 把光功率把光功率P換成波長(zhǎng)可變的光功率譜密度換成波長(zhǎng)可變的光功率譜密度P，光電流，光電流將是光波長(zhǎng)的函數(shù)，記為將是光波長(zhǎng)的函數(shù)，記為i(或或u)，于是，于是光譜靈敏度光譜靈敏度R定定義為義為 (1.5-3)如果如果R是常數(shù)，則相應(yīng)的探測(cè)器稱為無(wú)選擇性探測(cè)器是常數(shù)，則相應(yīng)的探測(cè)器稱為無(wú)選擇性探測(cè)器(如如光熱探測(cè)器光熱探測(cè)器)，光子探測(cè)器則是選擇性探測(cè)器。，光子探測(cè)器則是選擇性探測(cè)器。 相對(duì)光譜靈敏度相對(duì)光譜靈敏度S定義為定義為 (1.5-4)Rm是是R的最大值，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)。的最大值，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)。 diRdPmRSR 3.頻率靈敏度頻率靈敏度Rf 如果入射光是如果入射

45、光是強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制的，在其它條件不變下，光電的，在其它條件不變下，光電流流if將隨調(diào)制頻率將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱為的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱為頻頻率靈敏度率靈敏度Rf，定義為，定義為 (1.5-8)if為光電流時(shí)變函數(shù)的傅里葉變換，通常為光電流時(shí)變函數(shù)的傅里葉變換，通常 (1.5-9)c是探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)。是探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)。 (1.5-10)這就是探測(cè)器的頻率特性。這就是探測(cè)器的頻率特性。ffiRP021(2)ffciif 021(2)fcRRf 一般規(guī)定，一般規(guī)定，Rf下降到下降到 時(shí)的頻率為探時(shí)的頻率為探測(cè)器的測(cè)器的截止響應(yīng)頻率截止響應(yīng)頻率fc

46、，即，即 (1.5-11) (1.5-11)當(dāng)當(dāng)f fc時(shí)，認(rèn)為光電流能線性再現(xiàn)光功率時(shí)，認(rèn)為光電流能線性再現(xiàn)光功率P P的變化。的變化。 0020.707RR12ccf61 從響應(yīng)率的定義來(lái)看，好象只要有光輻射存在，從響應(yīng)率的定義來(lái)看，好象只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測(cè)出來(lái)。不管它的功率如何小，都可探測(cè)出來(lái)。 但事實(shí)并非如此。當(dāng)入射功率很低時(shí)，輸出只是但事實(shí)并非如此。當(dāng)入射功率很低時(shí)，輸出只是些雜亂無(wú)章的變化信號(hào)，而無(wú)法肯定是否有輻射些雜亂無(wú)章的變化信號(hào)，而無(wú)法肯定是否有輻射入射在探測(cè)器上。這并不是探測(cè)器不好引起的，入射在探測(cè)器上。這并不是探測(cè)器不好引起的，而是它所固有的而是

47、它所固有的“噪聲噪聲”引起的。引起的。二、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)二、有關(guān)噪聲方面的參數(shù) 1. 暗電流暗電流Id2. 信噪比信噪比（SN）3. 噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP)4. 探測(cè)度探測(cè)度D與歸一化探測(cè)度與歸一化探測(cè)度D*1.暗電流暗電流 當(dāng)當(dāng)P=0時(shí)，光電探測(cè)器的輸出電流并不為時(shí)，光電探測(cè)器的輸出電流并不為0，這個(gè)電，這個(gè)電流稱為流稱為暗電流或噪聲電流暗電流或噪聲電流，記為，記為 ，它是瞬時(shí)它是瞬時(shí)噪聲電流的有效值噪聲電流的有效值。2nnii642222NsLNLsNsIIRIRIPPNSNSNSdBIIIINSlg20lg10)(22判定噪聲大小通常使用信噪比這個(gè)參數(shù)。判定噪聲大小通常使

48、用信噪比這個(gè)參數(shù)。利用利用SN評(píng)價(jià)兩種光電探測(cè)器性能時(shí)，必須評(píng)價(jià)兩種光電探測(cè)器性能時(shí)，必須在信號(hào)在信號(hào)輻射功率相同輻射功率相同的情況下才能比較。的情況下才能比較。對(duì)單個(gè)光電探測(cè)器，其對(duì)單個(gè)光電探測(cè)器，其S/N的大小與入射信號(hào)輻射強(qiáng)的大小與入射信號(hào)輻射強(qiáng)度及接收面積有關(guān)。如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，度及接收面積有關(guān)。如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，S/N就大，但性能不一定就好。因此用就大，但性能不一定就好。因此用S/N評(píng)價(jià)器件有評(píng)價(jià)器件有一定的局限性。一定的局限性。定義定義：在負(fù)載電阻在負(fù)載電阻R RL L上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比之比，即：，即：若用分貝若用分貝(dB

49、)表示，則為：表示，則為：2.信噪比信噪比(SN) 3. 噪聲等效功率噪聲等效功率NEP 如果信號(hào)光功率產(chǎn)生的如果信號(hào)光功率產(chǎn)生的信號(hào)光電流信號(hào)光電流is等于噪聲電流等于噪聲電流in，則認(rèn)為剛剛探測(cè)到光信號(hào)存在。則認(rèn)為剛剛探測(cè)到光信號(hào)存在。則則定義定義探測(cè)器的通量閾探測(cè)器的通量閾 (1.5-15)物理物理意義：意義：探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率。功率。例如，若例如，若Ri=10A/W，in=0.01A，則通量閾，則通量閾P(yáng)th=0.001W。()nthiiPWR 噪聲等效功率噪聲等效功率NEP,NEP,它定義為單位信噪比（它定義為單位信噪比（S/N=1S/N=1）時(shí)

50、）時(shí)的信號(hào)光功率的信號(hào)光功率。 (1.5-17)NEPNEP越小，表明探測(cè)器探測(cè)微弱信號(hào)能力越強(qiáng)，所以越小，表明探測(cè)器探測(cè)微弱信號(hào)能力越強(qiáng)，所以NEPNEP是描述光電探測(cè)器探測(cè)能力的參數(shù)。是描述光電探測(cè)器探測(cè)能力的參數(shù)。 1ithsSNRPPNEP 4.歸一化探測(cè)度歸一化探測(cè)度D* 取取NEP的倒數(shù)為的倒數(shù)為探測(cè)度探測(cè)度D，即，即 (1.5-18)D值大的探測(cè)器就表明其探測(cè)力高。值大的探測(cè)器就表明其探測(cè)力高。 探測(cè)度探測(cè)度D的局限性的局限性： 不能比較同類型的不同探測(cè)器不能比較同類型的不同探測(cè)器的的優(yōu)劣。這優(yōu)劣。這是因?yàn)槿缡且驗(yàn)槿绻麅芍挥上嗤牧现瞥傻墓怆娞綔y(cè)器，盡管內(nèi)部結(jié)構(gòu)完果兩只由相同材料

51、制成的光電探測(cè)器，盡管內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，但全相同，但光敏面積光敏面積A不同不同，測(cè)量，測(cè)量帶寬帶寬f不同不同，則，則D值值也不也不相同。實(shí)驗(yàn)表明，通常相同。實(shí)驗(yàn)表明，通常歸一化探測(cè)度歸一化探測(cè)度 11()DWNEP1 2()DA f 為了能方便地對(duì)不同來(lái)源的光電探測(cè)器進(jìn)行比較，為了能方便地對(duì)不同來(lái)源的光電探測(cè)器進(jìn)行比較，需要定義需要定義歸一化探測(cè)度歸一化探測(cè)度D D* *, ,即把探測(cè)率即把探測(cè)率D歸一化到測(cè)量歸一化到測(cè)量帶寬為帶寬為1Hz、光電探測(cè)器光敏面積為、光電探測(cè)器光敏面積為1cm2，定義式為，定義式為 （1.5-19）12*(/)DDA fcm HzWD*大的探測(cè)器的探測(cè)能力一定好。

52、同時(shí)也大的探測(cè)器的探測(cè)能力一定好。同時(shí)也能方便地能方便地比較不同測(cè)量帶寬、不同光敏面積的光電探測(cè)器測(cè)比較不同測(cè)量帶寬、不同光敏面積的光電探測(cè)器測(cè)量得到的探測(cè)率。量得到的探測(cè)率。測(cè)量測(cè)量D*時(shí)，必須指明測(cè)量條件，例如入射輻射的光時(shí)，必須指明測(cè)量條件，例如入射輻射的光譜分布、調(diào)制頻率、測(cè)量帶寬。譜分布、調(diào)制頻率、測(cè)量帶寬。69 例 ： 已 知 某 探 測(cè) 器 的 面 積 為例 ： 已 知 某 探 測(cè) 器 的 面 積 為 3 4 c m2，D*=1011cmHz1/2w-1，光電儀器的帶寬為，光電儀器的帶寬為300Hz，該儀，該儀器所能探測(cè)的光輻射的最小輻射功率？器所能探測(cè)的光輻射的最小輻射功率？思

53、思 考考 題題70解：（1）由由D*的定義：的定義： 其中：其中：A=34cm2，D*=101 1cmHz1 / 2w- 1，=300Hz代入，得到探測(cè)度代入，得到探測(cè)度D。 （2） 該 儀 器 所 能 探 測(cè) 的 光 輻 射 的 最 小 輻 射 功 率該 儀 器 所 能 探 測(cè) 的 光 輻 射 的 最 小 輻 射 功 率Pmin=610-10W12*(/)DDA fcm HzW1min11()DWNEPP 三、其他參數(shù)三、其他參數(shù)量子效率量子效率量子效率是對(duì)同一個(gè)問(wèn)題的微觀量子效率是對(duì)同一個(gè)問(wèn)題的微觀- -宏觀描述，宏觀描述，是是在某在某一特定波長(zhǎng)上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)一特定

54、波長(zhǎng)上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之之比，也是入射光能量與吸收光能量之比。比，也是入射光能量與吸收光能量之比。將量子效率將量子效率和靈敏度聯(lián)系起來(lái)，有和靈敏度聯(lián)系起來(lái)，有 (1.5-13)量子效率正比于靈敏度而反比于波長(zhǎng)量子效率正比于靈敏度而反比于波長(zhǎng)。iihhcRRee1.61.6光電探測(cè)器的噪聲光電探測(cè)器的噪聲噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。微弱信號(hào)的正確探測(cè)。一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往由探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)光

55、電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往由探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通訊、自動(dòng)控制、核噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通訊、自動(dòng)控制、核探測(cè)等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題探測(cè)等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。 1.6.11.6.1 噪聲的概念噪聲的概念 信號(hào)在傳輸和處理過(guò)程中總會(huì)受到一些無(wú)用信號(hào)的信號(hào)在傳輸和處理過(guò)程中總會(huì)受到一些無(wú)用信號(hào)的干擾，人們稱這些干擾信號(hào)為干擾，人們稱這些干擾信號(hào)為噪聲噪聲。例如：例如：光電子隨機(jī)起伏的光電子隨機(jī)起伏的干擾；干擾； 光電探測(cè)器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中引入的噪聲；光電探測(cè)器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中引入的噪聲； 放大器放大器引入的引入的干擾；干擾； 背景

56、背景光的光的干擾等等。干擾等等。光子噪聲光子噪聲探測(cè)器探測(cè)器噪噪 聲聲電路噪聲電路噪聲 根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因，大體上可以把噪聲分為根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因，大體上可以把噪聲分為人為噪人為噪聲聲、自然噪聲自然噪聲和和物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾三類。三類。 前兩者前兩者主要來(lái)自系統(tǒng)外部主要來(lái)自系統(tǒng)外部，通常由電、磁、機(jī)械、雜通常由電、磁、機(jī)械、雜散光等因素所引起，散光等因素所引起，一般可以預(yù)知，因而可以設(shè)法減少和一般可以預(yù)知，因而可以設(shè)法減少和消除。消除。 最后一種噪聲最后一種噪聲來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的材料、器件或固有的物的材料、器件或固有的物理過(guò)程的自然擾動(dòng)理過(guò)程的自然擾動(dòng)，表現(xiàn)為

57、一種無(wú)規(guī)則起伏。，表現(xiàn)為一種無(wú)規(guī)則起伏。例如：電阻中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)；例如：電阻中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)； 真空管中電子的隨機(jī)發(fā)射；真空管中電子的隨機(jī)發(fā)射； 半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)的產(chǎn)生和復(fù)合；半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)的產(chǎn)生和復(fù)合；1.6.21.6.2 噪聲的描述噪聲的描述 噪聲是噪聲是種隨機(jī)信號(hào)，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平種隨機(jī)信號(hào)，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象均值的漲落現(xiàn)象。采用采用均方根噪聲電壓均方根噪聲電壓來(lái)描述，即來(lái)描述，即物理意義物理意義：噪聲電壓消耗在噪聲電壓消耗在1 1電阻上的電阻上的平均功率平均功率，所，所以通常將其稱為以通常將其稱為噪聲功率噪聲功率。22( )nnUu t1.6

58、.31.6.3 光電探測(cè)器的噪聲源光電探測(cè)器的噪聲源 在光電探測(cè)器中固有噪聲主要有：在光電探測(cè)器中固有噪聲主要有：散粒噪聲散粒噪聲產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲(g(gr r噪聲噪聲) )光子噪聲光子噪聲熱噪聲熱噪聲1/f1/f噪聲噪聲771散粒噪聲散粒噪聲 它是因探測(cè)器在光輻射作用或熱激發(fā)下，光電子它是因探測(cè)器在光輻射作用或熱激發(fā)下，光電子或光生載流子的隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。由于隨機(jī)起或光生載流子的隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。由于隨機(jī)起伏是一個(gè)一個(gè)的帶電粒子或電子引起的，所以稱伏是一個(gè)一個(gè)的帶電粒子或電子引起的，所以稱為為散粒噪聲散粒噪聲。 散粒噪聲散粒噪聲存在于存在于光電子發(fā)射器件、光生伏特器件光電子發(fā)射器件

59、、光生伏特器件中中。78 從漲落的均方偏差可求出散粒噪聲功率為：從漲落的均方偏差可求出散粒噪聲功率為： (1.6-23)式式中中e為電子電荷為電子電荷，f 為為探測(cè)器工作帶寬探測(cè)器工作帶寬。討論：討論： (1)(1)如果如果I是探測(cè)器的是探測(cè)器的暗電流暗電流i id，則探測(cè)器在無(wú)光照時(shí)，則探測(cè)器在無(wú)光照時(shí)的暗電流噪聲功率為：的暗電流噪聲功率為： (2)對(duì)于對(duì)于由光場(chǎng)作用的光輻射由光場(chǎng)作用的光輻射散粒噪聲可散粒噪聲可直接寫為：直接寫為：式式中中I IP P為光輻射場(chǎng)作用于探測(cè)器產(chǎn)生的平均光電流。為光輻射場(chǎng)作用于探測(cè)器產(chǎn)生的平均光電流。feiidnd 22feIipnp 2222nieI f 2.

60、 產(chǎn)生產(chǎn)生-復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲 半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生與復(fù)合的隨機(jī)性而引起的平均半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生與復(fù)合的隨機(jī)性而引起的平均載流子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為載流子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲，亦稱亦稱gr噪聲噪聲(generationrecombination noise)。gr噪聲噪聲主要存在于主要存在于光電導(dǎo)探測(cè)器中光電導(dǎo)探測(cè)器中。gr噪聲與散粒噪聲本質(zhì)是相同的，都是由于載流子數(shù)噪聲與散粒噪聲本質(zhì)是相同的，都是由于載流子數(shù)隨機(jī)變化所致，所以有時(shí)也把載流子產(chǎn)生和復(fù)合的隨機(jī)隨機(jī)變化所致，所以有時(shí)也把載流子產(chǎn)生和復(fù)合的隨機(jī)起伏引起的噪聲歸并為散粒噪聲，但二者的具體表達(dá)式起