光電檢測技術(shù)中基礎(chǔ)知識(shí)

1、關(guān)于光電檢測技術(shù)中的基礎(chǔ)知識(shí)第一張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月輻射度學(xué)的基本物理量輻射通量e:單位時(shí)間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的輻射能量Q，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時(shí)間變化率。單位：瓦 定義式？輻射強(qiáng)度e：點(diǎn)輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位W/Sr 輻射亮度Le ：面輻射源單位投影面積定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度。單位：W/m2Sr輻射出射度e ：擴(kuò)展輻射源單位輻射面所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：W/m2輻射照度Ee：單位受照面上接受的輻射通量。單位W/m2第二張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光度學(xué)的基本物理量光通量v:單位時(shí)間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、

2、傳播或接受的光能量，又稱光功率Pv，是光能的時(shí)間變化率。單位：流明lm發(fā)光強(qiáng)度v：點(diǎn)輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的光通量。單位cd 光亮度Lv ：輻射表面定向發(fā)射的光強(qiáng)度。單位：cd/m2光出射度v ：面光源單位面積所輻射的光通量（也稱發(fā)光本領(lǐng)）。單位：lm/m2光照度Ev：投射在單位面積上的光通量。單位lx第三張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第四張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、兩者的相同點(diǎn)：光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的。輻射度量和光度量都是波長的函數(shù)。2、兩者的不同點(diǎn)：符號(hào)不同：輻射度量下標(biāo)為e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下標(biāo)為v，Q

3、v，v，Iv，Lv，Mv，Ev。單位不同（略）研究范圍不同，光度量只在可見光區(qū)（nm)才有意義。第五張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外50500lx陰天室內(nèi)550lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機(jī)熒光屏100lx閱讀書刊時(shí)所需的照度5060lx在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx第六張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月其它基本概念見P51、點(diǎn)

4、源2、擴(kuò)展源（朗伯源、余弦輻射體）3、漫反射面（散射面）4、定向輻射體（激光）第七張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)見P8本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體平衡和非平衡載流子載流子的輸運(yùn)過程半導(dǎo)體的光吸收效應(yīng)返 回第八張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。2、固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。3、電阻率10-6 10-3歐姆厘米范圍內(nèi)導(dǎo)體電阻率1012歐姆厘米以上絕緣體電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間半導(dǎo)體第九張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的

5、，而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，可制成熱電探測器件。2、導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為510-6/(歐姆厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為2 /(歐姆厘米)3、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。第十張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。2、在絕對零度時(shí)，幾乎不導(dǎo)電。3、在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。4、摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。5、施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子，同時(shí)向?qū)峁╇娮樱拱雽?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體

6、。見P106、受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。 見P10第十一張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，這種處于非熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為非平衡載流子濃度。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。 2、平衡載

7、流子濃度3、非平衡載流子濃度1、非平衡載流子第十二張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月非平衡載流子的產(chǎn)生光注入：其它方法：用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。？ ？光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。電注入、高能粒子輻照等。第十三張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月擴(kuò)散漂移復(fù)合第十四張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余

8、的光透過物體。2、吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收3、本征吸收由于光子作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶4、只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時(shí)，才能發(fā)生本征激發(fā)第十五張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月見P12第十六張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、絕對黑體的概念見P142、基爾霍夫定律3、譜朗克輻射公式 4、斯忒藩-玻耳茲曼定律5、維恩位移定律第十七張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光電效應(yīng)1、光電效應(yīng)的定義光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)包括

9、外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)2、光電效應(yīng)的分類3、外光電效應(yīng)的定義物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物(又叫光電發(fā)射效應(yīng))4、內(nèi)光電效應(yīng)的定義物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會(huì)逸出物體外部多發(fā)生在半導(dǎo)體5、光熱效應(yīng)的定義第十八張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢。PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場）

10、，光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。第十九張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶 格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢，回路中產(chǎn)生電流第二十張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、光電檢測器件的分類2、光電檢測器件中的噪聲3、光電檢測器

11、的特性參數(shù)第二十一張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光電檢測器件的類型光電檢測器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件.光電檢測器件分為兩大類:光子(光電子)檢測器件熱電檢測器件第二十二張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光電檢測器件光子（光電子）器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管 變像管 像增強(qiáng)管光敏電阻光電池光電二極管 光電三極管 光纖傳感器 電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計(jì)/熱敏電阻熱釋電探測器第二十三張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光電檢測器件的特點(diǎn)光子器件熱電器件響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超 過該波長，器件無響應(yīng)。

12、響應(yīng)波長無選擇性，對可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短， 一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒第二十四張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.4.1.光電探測器中的噪聲 從示波器中可以看到，在一定波長的光照下光電探測器輸出的光電信號(hào)并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)的起伏，見下圖所示。 圖中的直流信號(hào)值 這種隨機(jī)的、瞬間的幅度不能預(yù)知的起伏，稱為噪聲。 一般用均方噪聲電流來表示噪聲值的大?。?噪聲電流的均方值 代表了單位電阻上所產(chǎn)生的功率，它是確定的可測得的正值。 第二十五張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 把噪聲這個(gè)隨機(jī)時(shí)間函數(shù)進(jìn)行頻

13、譜分析，就得到噪聲功率隨頻率變化關(guān)系，即噪聲功率譜S(f)。S(f)數(shù)值定義為頻率f的噪聲在1 電阻上所產(chǎn)生的功率，即S(f)= 。 左下圖所示，根據(jù)功率譜與頻率的關(guān)系，常見噪聲分為兩種：功率譜大小與頻率無關(guān)的稱白噪聲；功率譜與f近似成反比的稱為lf噪聲。 一般光電檢測系統(tǒng)的噪聲包括右上圖所示三種：(1) 光子噪聲 包括：信號(hào)輻射產(chǎn)生的噪聲和背景輻射產(chǎn)生的噪聲。(2)探測器噪聲 包括：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、1f噪聲和溫度噪聲。(3)信號(hào)放大及處理電路噪聲 第二十六張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月噪聲在實(shí)際的光電探測系統(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

14、響對信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測。一個(gè)光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。第二十七張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光電探測器常見的噪聲(5種)熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲溫度噪聲第二十八張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān)，

15、熱噪聲又稱為白噪聲。第二十九張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 因載流子熱運(yùn)動(dòng)引起的電流起伏或電壓起伏稱為熱噪聲。 熱噪聲均方電流和熱噪聲均方電壓分別由下式?jīng)Q定 式中 k是玻爾茲曼常數(shù)； T是溫度(K)； R是器件電阻值； f為所取的通帶寬度(頻率范圍)。 載流子熱運(yùn)動(dòng)速度取決于溫度，所以熱噪聲功率與溫度有關(guān)。在溫度一定時(shí)，熱噪聲只與電阻和通帶有關(guān)，故熱噪聲又稱白噪聲。在常溫下適合于1012 Hz頻率以下范圍第三十張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、散粒噪聲 隨機(jī)起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲,也叫散彈噪聲。入射到光輻射探測器表面的光子是隨機(jī)起伏的；光電子從光電陰極表面的逸出的

16、是隨機(jī)的；PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子也是隨機(jī)的；它們都是一種散粒噪聲源。散粒噪聲電流的表達(dá)式為 式中，q為電子電荷； I為器件輸出平均電流； f為所取的帶寬。散粒噪聲也是與頻率無關(guān)、與帶寬有關(guān)的白噪聲。 散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結(jié)勢壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。第三十一張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。產(chǎn)生-復(fù)合噪聲電流均方值式

17、中, I為器件輸出總的平均電流； N0為總的自由載流子數(shù)； 為載流子壽命； f為測量噪聲的頻率。第三十二張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月4、1f噪聲（閃爍噪聲或低頻噪聲） 這種噪聲的功率譜近似與頻率成反比，故稱1/f 噪聲。其噪聲電流的均方值近似為 式中 , 接近于2； 在0.81.5之間； c是比例常數(shù)。 、 、c值由實(shí)驗(yàn)測得。在半導(dǎo)體器件中1f噪聲與器件表面狀態(tài)有關(guān)。多數(shù)器件的1/f 噪聲在300Hz以上時(shí)已衰減到很低水平，所以頻率再高時(shí)可忽略不計(jì)。頻率越低噪聲越大第三十三張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月5、溫度噪聲由于器件本身溫度變化引起的噪聲稱為溫度噪聲。溫度噪聲電

18、流的均方值為式中,Gt為器件的熱導(dǎo)； CtGt是器件的熱時(shí)間常數(shù)， Ct是器件的熱容； T是溫度(K)。在低頻時(shí)， 1 ；上式可簡化為低頻時(shí)溫度噪聲也具有白噪聲的性質(zhì)。？ 第三十四張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 上述各種噪聲源的功率譜分布可用下圖表示。 由圖可見；在頻率很低時(shí)，lf 噪聲起主導(dǎo)作用；當(dāng)頻率達(dá)到中間頻率范圍時(shí)，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲比較顯著；當(dāng)頻率較高時(shí)，只有白噪聲占主導(dǎo)地位，其它噪聲影響很小了。？ 五種噪聲都與f有關(guān)，f 是等效噪聲帶寬，簡稱為帶寬。若光電系統(tǒng)中的放大器或網(wǎng)絡(luò)的功率增益為A(f)，功率增益的最大值為Am(下圖所示)，則噪聲帶寬為第三十五張，PPT共四十二頁，

19、創(chuàng)作于2022年6月1.4.2. 光電探測器的特性參數(shù) 1.響應(yīng)率 探測器的輸出信號(hào)電壓Vs或電流Is與入射的輻射通量 之比，稱為電壓響應(yīng)率或電流響應(yīng)率Sv Sv的單位為vw，SI的單位為AW。2.光譜響應(yīng)率 探測器在波長為的單色光照射下，輸出的電壓Vs( )或電流Is( )與入射的單色輻射通量 ( )之比稱為光譜響應(yīng)率。即 Sv( )或SI( )隨波長的變化關(guān)系稱為探測器的光譜響應(yīng)曲線。響應(yīng)率與光譜響應(yīng)率的區(qū)別是什么？第三十六張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3.等效噪聲功率（NEP） 如果投射到探測器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）正好等于探測器本身的噪聲電壓（或電流），則這個(gè)輻射功率就叫做“噪聲等效功率”。通常用符號(hào)“NEP”表示式中 稱為信噪比。 噪聲等效功率是信噪比為1的探測器探測到的最小輻射功率。其值愈小，探測器所能探測到的輻射功率愈小，探測器愈靈敏。4.探測率與比探測率（D與D） 等效噪聲功率NEP與人們的習(xí)慣不一致。所以，通常用NEP的倒數(shù)，即探測率D作為探測器探測最小光信號(hào)能力的指標(biāo)。探測率D的表達(dá)式為對于探測器，D越大越好。 比探測率又稱歸一化探測率，也叫探測靈敏度。實(shí)質(zhì)上就是當(dāng)探測器的敏感元件面積為單位面積（A0lcm2），放大器的帶寬f1Hz時(shí)，單