第五章 光電儀器中的光電探測及常用檢測電路

1、光電探測是光電儀器的重要組成部分，其探測原理如下：光電探測是光電儀器的重要組成部分，其探測原理如下： 光電儀器中的光電探測是通過光電儀器中的光電探測是通過光學變換光學變換與與光電轉換光電轉換來實來實現(xiàn)的，而光電轉換技術是通過現(xiàn)的，而光電轉換技術是通過光電探測器光電探測器及其相應的及其相應的集成電集成電路路來完成的。來完成的。光光源源照明照明光學光學系統(tǒng)系統(tǒng)被測對象被測對象光學轉換光學轉換光電轉換光電轉換電路處理電路處理控制控制顯示顯示輻射源輻射源光載波光載波光信號光信號電信號電信號光電探測光電探測光電探測器：光電探測器：對各種光輻射進行接收和探測的器件。對各種光輻射進行接收和探測的器件?？蛇m用

2、可適用的波長范圍包括紫外、可見光和紅外光譜區(qū)。的波長范圍包括紫外、可見光和紅外光譜區(qū)。光輻射量光輻射量光電探測器光電探測器電量電量光電探測器按探測機理的物理效應可分為兩大類：一類是利光電探測器按探測機理的物理效應可分為兩大類：一類是利用各種光子效應的用各種光子效應的光子探測器光子探測器，另一類是利用溫度變化效應，另一類是利用溫度變化效應的的熱探測器。熱探測器。 在光電探測器的發(fā)展中，最受重視的是入射光子和材料中在光電探測器的發(fā)展中，最受重視的是入射光子和材料中的電子發(fā)生各種相互作用的的電子發(fā)生各種相互作用的光電子效應光電子效應。 在眾多的光電子效應中，只有在眾多的光電子效應中，只有光電子發(fā)射效

3、應光電子發(fā)射效應、光電導效光電導效應應、光生伏特效應光生伏特效應和和光電磁效應光電磁效應得到廣泛的應用。得到廣泛的應用。（光電子發(fā)射效應或外光電效應）（光電子發(fā)射效應或外光電效應）金屬氧化物或半導金屬氧化物或半導體表面體表面光子能量大于光子能量大于逸出功逸出功材料內束縛能級的材料內束縛能級的電子逸出表面電子逸出表面自由電子自由電子（光電導效應或內光電效應）（光電導效應或內光電效應）半導體材料半導體材料光子能量大于禁帶光子能量大于禁帶寬度寬度材料內不導電束縛材料內不導電束縛狀態(tài)的電子空穴狀態(tài)的電子空穴自由電子空穴自由電子空穴電導率變化電導率變化（光生伏特效應或內光電效應）（光生伏特效應或內光電效

4、應）（光電磁效應或內光電效應）（光電磁效應或內光電效應）金屬氧化物或半導金屬氧化物或半導體表面體表面光子能量足夠光子能量足夠大大材料內束縛能級材料內束縛能級的電子逸出表面的電子逸出表面電子電子-空穴對空穴對光生電動勢光生電動勢垂直磁場中的半導垂直磁場中的半導體材料體材料光子能量足夠光子能量足夠大大本征吸收產生本征吸收產生電子空穴對電子空穴對載流子濃度梯度載流子濃度梯度光磁電動勢光磁電動勢光子探測器光子探測器固體光固體光子器件子器件光發(fā)射光發(fā)射器件器件光導器件光導器件光電磁器件光電磁器件受激發(fā)的電子由光敏電極上發(fā)受激發(fā)的電子由光敏電極上發(fā)射到周圍的媒介中射到周圍的媒介中光子引起材料中電子能量分布

5、光子引起材料中電子能量分布的變化，從而輸出所需的信號的變化，從而輸出所需的信號光伏器件光伏器件 所有的光探測器都是為探測某個特定波段或一個寬波段所有的光探測器都是為探測某個特定波段或一個寬波段上的輻射能，并能輸出一個和所吸收的能量成正比的信號。上的輻射能，并能輸出一個和所吸收的能量成正比的信號。響應度是描述探測器響應度是描述探測器靈敏度靈敏度的參量，描述的是光電探測的參量，描述的是光電探測器的器的光光電轉換效能電轉換效能。它表征探測器輸出信號與輸入輻射之。它表征探測器輸出信號與輸入輻射之間關系的參數(shù)。間關系的參數(shù)。v 定義為定義為單位入射光功率作用下探測器的輸出電壓（流），單位入射光功率作用下

6、探測器的輸出電壓（流），即器件的輸出電壓（流）與輸入輻射功率之比，并分別用即器件的輸出電壓（流）與輸入輻射功率之比，并分別用RV 和和RI 表示有：表示有： 對于紅外和激光輻射探測器，通常使用對于紅外和激光輻射探測器，通常使用V/W或或A/W為單位，對為單位，對于可見光則常用于可見光則常用mA/lm來表示，因為流明是可見輻射功率的單位；來表示，因為流明是可見輻射功率的單位；輸出信號用電壓表示：輸出信號用電壓表示：輸出信號用電流表示：輸出信號用電流表示：EAVPVRssv EAIPIRssI 量子效率是評價光電器件性能的重要參數(shù)，它是在某一量子效率是評價光電器件性能的重要參數(shù)，它是在某一特定波長

7、上特定波長上每秒鐘內產生的光電子數(shù)每秒鐘內產生的光電子數(shù)與與入射光量子數(shù)入射光量子數(shù)之比。之比。hcdhdNee edReIeIS ehcRNeIIS )(v 每秒入射光量子數(shù)：每秒入射光量子數(shù)： v 每秒產生的光電子數(shù)：每秒產生的光電子數(shù)：v 于是：于是：例例 光子探測器的量子效率為光子探測器的量子效率為1，用來探測，用來探測He-Ne激光器發(fā)出激光器發(fā)出的輻射。求其響應度的輻射。求其響應度R。 ehcRNeIIS )(解：由量子效應為解：由量子效應為hceRI 故可得故可得WARI5 .010310624.66328.0106 .1143419 信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在信

8、噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負載負載電阻電阻RL上產生的上產生的信號功率與噪聲功率之比信號功率與噪聲功率之比，即：，即：2222NSLNLSNSIIRIRIPPNS NSNSdBIIglIIglNS2010)(22 或或 與與入射輻射功率入射輻射功率、光敏面積光敏面積有關。有關。 如果入射輻射強，接收面積大，如果入射輻射強，接收面積大，S/N就大，但性能不一定就大，但性能不一定就好。因此用就好。因此用 S/N 評價器件有一定的局限性。評價器件有一定的局限性。 噪聲等效功率即噪聲等效功率即最小可探測功率最小可探測功率Pmin，定義為信號功率，定義為信號功率與噪聲功率之比為與噪聲功率之

9、比為1（即（即S/N1）時，入射到探測器上的）時，入射到探測器上的輻輻射通量射通量（單位為（單位為W），即：），即：VNNSeRUUUP NSNEP / NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好越小，噪聲越小，器件的性能越好。一般一個良好的。一般一個良好的探測器的探測器的NEP10-11W。 僅用僅用NEP這個指標，無法比較兩器件的優(yōu)劣這個指標，無法比較兩器件的優(yōu)劣有局限性有局限性。 噪聲等效輻照為噪聲等效輻照為通過單位面積的輻射通量通過單位面積的輻射通量，定義為輸，定義為輸出信號等于探測器噪聲時，入射到探測器上的出信號等于探測器噪聲時，入射到探測器上的輻射通量密輻射通量密度度（單位為（單位為W/

10、m2），即：），即：LNSANEPUUE NSENEI / 此參數(shù)是為描述一個系統(tǒng)的性能而引入的，此參數(shù)是為描述一個系統(tǒng)的性能而引入的，表征的是系統(tǒng)表征的是系統(tǒng)電路輸出信號的信噪比為電路輸出信號的信噪比為1時在入射光瞳處所要求的通量時在入射光瞳處所要求的通量密度。密度。 NEP數(shù)值越小，表示探測器的探測能力越強，相對缺乏數(shù)值越小，表示探測器的探測能力越強，相對缺乏直觀性。為此引入了直觀性。為此引入了NEP的倒數(shù)定義為探測度的倒數(shù)定義為探測度D，即：，即：PUU NEPDNS/1 其描述了光電探測器在其噪聲水平上產生可觀測信號的本其描述了光電探測器在其噪聲水平上產生可觀測信號的本領。即領。即探測

11、器能響應的入射功率越小，探測度越高探測器能響應的入射功率越小，探測度越高。 探測度表征器件性能時，必須說明入射輻射的波長、探測探測度表征器件性能時，必須說明入射輻射的波長、探測器工作溫度、斬波器的頻率、器件上所加的偏置電流、器工作溫度、斬波器的頻率、器件上所加的偏置電流、探測器的接收面積和放大器的帶寬。探測器的接收面積和放大器的帶寬。 由于由于D與探測器光敏面積與探測器光敏面積Ad 和放大器帶寬和放大器帶寬 f 乘積的平方乘積的平方根成反比，故對于不同的器件來說根成反比，故對于不同的器件來說D不是一個理想的參量。不是一個理想的參量。 為克服此缺點，對探測度進行歸一化處理，為克服此缺點，對探測度

12、進行歸一化處理，歸一化后的歸一化后的探測度探測度稱為比探測度稱為比探測度。表達式為。表達式為NEPfAfADDdd * 比探測度是在入射到探測器上的輻射功率為比探測度是在入射到探測器上的輻射功率為1W，探測器，探測器的敏感面積為的敏感面積為1cm2，放大器帶寬為，放大器帶寬為1Hz的條件下測量的。的條件下測量的。用于不同放大器帶寬、不同光敏面積的光電探測器性能用于不同放大器帶寬、不同光敏面積的光電探測器性能的比較的比較。 D*可定義為對可定義為對單色輻射單色輻射或或黑體輻射黑體輻射的響應。對前者稱為光的響應。對前者稱為光譜比探測度，通常在譜比探測度，通常在D*后附加測量條件后附加測量條件D*(

13、 ，f， f)表示。表示。 通常為光探測器的峰值波長，通常為光探測器的峰值波長，f為斬波器的頻率，為斬波器的頻率， f 為為放大器的帶寬放大器的帶寬；后者用；后者用D*(T，f， f)表示，表示，T為黑體的絕為黑體的絕對溫度。對溫度。 響應時間是響應時間是探測器對入射輻射響應快慢的參數(shù)探測器對入射輻射響應快慢的參數(shù)，表征了，表征了器件對突然變化的輸入信號的反應速度。即當入射輻射到光器件對突然變化的輸入信號的反應速度。即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)輸出上升到穩(wěn)定值定值或或下降到照射前的值所需時間下降到照射前的值所需時間

14、稱為響應時間。稱為響應時間。 對光電池、光敏電阻及熱電探測器等器對光電池、光敏電阻及熱電探測器等器件，響應時間定義為光電信號從件，響應時間定義為光電信號從零上升零上升到穩(wěn)定值的到穩(wěn)定值的1- -e-1-1（即（即63%）或）或下降到穩(wěn)下降到穩(wěn)定值的定值的e-1-1（即（即37%）所需要的時間。）所需要的時間。 對雪崩二極管、光電二極管及光電倍增對雪崩二極管、光電二極管及光電倍增管等響應速度快的探側器件，響應時間管等響應速度快的探側器件，響應時間定義為光電信號從定義為光電信號從穩(wěn)定值的穩(wěn)定值的10上升到上升到90或或90下降到下降到10所需的時間。所需的時間。10.90.1tt入射光入射光ftt

15、I光光 由于光電探測器信號的產生和消失存在一個滯后過程，由于光電探測器信號的產生和消失存在一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電探測器的響應會有較大影響。所以入射光輻射的頻率對光電探測器的響應會有較大影響。 光電探測器的光電探測器的響應隨入射輻射的調制頻率變化而變化響應隨入射輻射的調制頻率變化而變化的的特性稱為頻率響應。其表達式為特性稱為頻率響應。其表達式為 R(f )隨著隨著f 的升高而下降，下降的升高而下降，下降速度與時間常數(shù)速度與時間常數(shù) 的大小有關。的大小有關。右圖為探測器頻率響應曲線。右圖為探測器頻率響應曲線。 從圖中可知從圖中可知時間常數(shù)決定了探測時間常數(shù)決定了探測器頻率響應的帶

16、寬器頻率響應的帶寬。2/120)2(1)( fRfR fR00.707R0f上上R(f )RCf2121 上上 光譜響應描述了光譜響應描述了輸出信號對輸入信號波長的函數(shù)輸出信號對輸入信號波長的函數(shù)關系。關系。 當規(guī)定每單位波長間隔的輻射通量保持為常數(shù)，按該規(guī)當規(guī)定每單位波長間隔的輻射通量保持為常數(shù)，按該規(guī)定的理想光譜響應曲線如下定的理想光譜響應曲線如下。 熱探測器熱探測器 CR( )光子探光子探測器測器 熱探熱探測器測器 CR( )光子探光子探測器測器 當規(guī)定每單位波長間隔所到達的光子速度保持為常數(shù)，當規(guī)定每單位波長間隔所到達的光子速度保持為常數(shù)，按該規(guī)定的理想光譜響應曲線如下按該規(guī)定的理想光

17、譜響應曲線如下。 暗電流暗電流Id。即光電探測器在即光電探測器在沒有輸入信號和背景輻射時所沒有輸入信號和背景輻射時所流過的電流流過的電流(加電源時加電源時)。一般測量其直流值或平均值。一般測量其直流值或平均值。 線性度線性度。線性度是描述探測器的光電特性或光照特性曲線線性度是描述探測器的光電特性或光照特性曲線輸出信號與輸入信號保持線性關系的程度輸出信號與輸入信號保持線性關系的程度。線性度是輻。線性度是輻射功率的復雜函數(shù)，是指器件中的實際響應曲線接近擬射功率的復雜函數(shù)，是指器件中的實際響應曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差來度量：合直線的程度，通常用非線性誤差來度量：12maxII 光電探

18、測器還有其他的一些特性參數(shù)，在使用時需要特別光電探測器還有其他的一些特性參數(shù)，在使用時需要特別注意。例如注意。例如光敏面積光敏面積、探測器的電阻、電容探測器的電阻、電容等。等。 信號在傳輸和處理過程中總會受到一些信號在傳輸和處理過程中總會受到一些無用信號的干擾無用信號的干擾，人們常稱這些干擾信號為人們常稱這些干擾信號為噪聲噪聲。 光電探測器在進行光電轉換過程中，同樣要引入噪聲，光電探測器在進行光電轉換過程中，同樣要引入噪聲，稱為稱為光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲。噪聲是。噪聲是限制光電系統(tǒng)性能限制光電系統(tǒng)性能的決定性的決定性因素，是光電信號檢測中的不利因素。因素，是光電信號檢測中的不利因素。

19、 噪聲是種隨機信號，任何時刻都不能預知其精確大小。噪聲是種隨機信號，任何時刻都不能預知其精確大小。它的值只能通過它的值只能通過噪聲的統(tǒng)計特性噪聲的統(tǒng)計特性，得出某時刻的可能數(shù)值，得出某時刻的可能數(shù)值，通常用通常用電壓或電流的均方根的和電壓或電流的均方根的和決定。決定。E 顯然，噪聲顯然，噪聲un(t)表示了表示了。若若us(t)表示信號，經(jīng)過傳輸或變換后輸出表示信號，經(jīng)過傳輸或變換后輸出u(t)，則：，則：)()()(tututuns 探測器噪聲探測器噪聲內部內部原因原因外部外部原因原因熱噪聲熱噪聲產生復合噪聲產生復合噪聲 又稱為又稱為有形噪聲有形噪聲，通常由電、磁、，通常由電、磁、機械等因素

20、引起。一般可以預知，機械等因素引起。一般可以預知，因而總可以設法減少和消除。因而總可以設法減少和消除。來自物理系統(tǒng)內部，內部材料、器來自物理系統(tǒng)內部，內部材料、器件或固有的物理過程的自然擾動。件或固有的物理過程的自然擾動。表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏，稱為表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏，稱為無規(guī)無規(guī)噪聲噪聲。光子噪聲光子噪聲 根據(jù)噪聲產生的原因，大體上可把噪聲分為根據(jù)噪聲產生的原因，大體上可把噪聲分為人為噪聲人為噪聲、自然干擾自然干擾和和物理系統(tǒng)內部的起伏干擾物理系統(tǒng)內部的起伏干擾三類。三類。 人為噪聲人為噪聲自然噪聲自然噪聲散粒噪聲散粒噪聲溫度噪聲溫度噪聲1/f 噪聲噪聲放大器噪聲放大器噪聲 光電器件中的噪聲

21、是物理過程中固有的，為了提高信噪光電器件中的噪聲是物理過程中固有的，為了提高信噪比，可增大信號值或減小噪聲大小。一般應比，可增大信號值或減小噪聲大小。一般應盡可能減小噪聲盡可能減小噪聲以提高信噪比。以提高信噪比。 或稱熱噪聲，是由于或稱熱噪聲，是由于自由載流子在電阻材料中的無規(guī)自由載流子在電阻材料中的無規(guī)則熱運動則熱運動造成的噪聲。任何有電路的材料都有熱噪聲。造成的噪聲。任何有電路的材料都有熱噪聲。 當當溫度高于絕對零度溫度高于絕對零度時，導體或半導體中每一電子都時，導體或半導體中每一電子都作隨機運動，使作隨機運動，使瞬時電流擾動瞬時電流擾動會在探測器輸出端產生均方會在探測器輸出端產生均方電流

22、或均方電壓，其均方值為電流或均方電壓，其均方值為 從式中可看出該噪聲與頻率無關，故稱為從式中可看出該噪聲與頻率無關，故稱為“白白”噪聲噪聲。注意注意：熱噪聲是溫度熱噪聲是溫度T的函數(shù)，但不是溫度變化引起的溫度噪聲的函數(shù)，但不是溫度變化引起的溫度噪聲。2/1)4(fkTRuUnTOC 2/1)4(RfkTiInTSC 玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)電阻電阻例例 計算計算1k 電阻在電阻在300K（室溫）和（室溫）和600K時的噪聲等效功率時的噪聲等效功率NEP。設。設 =1， =0.6328 m。 hcePIsS 解：依題意有解：依題意有噪聲等效功率為噪聲等效功率為RfkTehcIIP NSNEPNS

23、se 4/ 2/ 14 RfkTIn當當T=300K時有：時有：ffNEP 12231914341081000300103807. 146328. 0106 . 1110310624. 6當當T=600K時有：時有：ffNEP 122319143410121000600103807. 146328. 0106 . 1110310624. 6 在光和熱的作用下，在光和熱的作用下，半導體半導體中由于載流子產生與復合中由于載流子產生與復合的隨機性而引起的的隨機性而引起的平均載流子濃度的起伏平均載流子濃度的起伏所產生的噪聲，所產生的噪聲，又稱又稱G- -R 噪聲噪聲。 非本征半導體器件的非本征半導體器

24、件的G-R噪聲電流和噪聲電壓為噪聲電流和噪聲電壓為2/1220)1(2 NfRIuUBGROC2/1220)1 (2 NfIiIBGRSC 近本征器件的近本征器件的G-R噪聲電流和噪聲電壓為噪聲電流和噪聲電壓為2/122)1(2 fPNRIuUBGROC2/122)1(2 fPNIiIBGRSC自由載流子總數(shù)自由載流子總數(shù)自由電子總數(shù)自由電子總數(shù) 是在結型器件中發(fā)現(xiàn)的噪聲源。是由于是在結型器件中發(fā)現(xiàn)的噪聲源。是由于光輻射作用或光輻射作用或熱激發(fā)作用熱激發(fā)作用下，光電子或載流子隨機產生電子所引起的噪下，光電子或載流子隨機產生電子所引起的噪聲。散粒噪聲電流的表達式為：聲。散粒噪聲電流的表達式為：

25、零偏置時的電阻零偏置時的電阻r0為為2/10)42(feIeIin 二極管電流二極管電流反向偏置反向偏置飽和電流飽和電流0eIkTr0 零偏置時，即當零偏置時，即當I=0時的散粒噪聲電流為時的散粒噪聲電流為2104 rfkTin 在反向偏置情況下，在反向偏置情況下，I=- -I0，則散粒噪聲電流為，則散粒噪聲電流為 2102feIin 只有在只有在熱探測器熱探測器上才能觀察到的一種噪聲源。它是由于上才能觀察到的一種噪聲源。它是由于材料材料的溫度起伏的溫度起伏而產生的噪聲。當材料的溫度發(fā)生變化時，由于有溫而產生的噪聲。當材料的溫度發(fā)生變化時，由于有溫差的存在，因而引起材料有熱流量的變化，這種差的

26、存在，因而引起材料有熱流量的變化，這種熱流量的變化熱流量的變化導導致產生物體的溫度噪聲。它的能量的均方起伏表達式為：致產生物體的溫度噪聲。它的能量的均方起伏表達式為： 溫度噪聲溫度噪聲限制了限制了熱探測器所能探測的熱探測器所能探測的最小輻射能量最小輻射能量。212)4(fGkTWT 式中式中G為熱導系數(shù)為熱導系數(shù)溫度噪聲與熱噪聲在產生原因、表示形式上有一定的差別，溫度噪聲與熱噪聲在產生原因、表示形式上有一定的差別，主要區(qū)別在于：主要區(qū)別在于： 對于對于熱噪聲熱噪聲，材料的溫度，材料的溫度T 一定，引起粒子隨機性波動，從一定，引起粒子隨機性波動，從而產生了隨機性電流而產生了隨機性電流in； 對于

27、對于溫度噪聲溫度噪聲，材料溫度有變化，材料溫度有變化 T，從而導致熱流量的變化，從而導致熱流量的變化 ，此變化就表示了溫度噪聲的大小。，此變化就表示了溫度噪聲的大小。 幾乎所有探測器都存在這種噪聲。這種噪聲是由于幾乎所有探測器都存在這種噪聲。這種噪聲是由于光光敏層的微粒不均勻敏層的微粒不均勻或或不必要的微量雜質的存在不必要的微量雜質的存在，當電流存，當電流存在時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。它主在時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。它主要出現(xiàn)在要出現(xiàn)在大約大約1kHz以下的低頻頻閾以下的低頻頻閾，而且，而且與光輻射的調制與光輻射的調制頻率頻率f 成反比成反比，故稱為低頻噪聲或，故稱為低頻噪聲或1/f 噪聲。其經(jīng)驗公式為噪聲。其經(jīng)驗公式為21 ffIkiBfn式中式中 kf 與元件制作工藝、材料尺寸及表面狀態(tài)等有關的比與元件制作工藝、材料尺寸及表面狀態(tài)等有關的比例系數(shù)；例系數(shù)； 與流過元件的電流