第四章. 光電探測器概述

第三章光電探測器概述光電探測器概述發(fā)展簡況與分類光電探測器性能參數(shù)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性光電探測器的噪聲發(fā)展簡述（一）熱探測器：最早出現(xiàn)1826：熱電偶

1880：金屬薄膜測輻射計(jì)

1946：金屬氧化物熱敏電阻測輻射熱計(jì)。特點(diǎn)：①探測率低，②時(shí)間常數(shù)大 發(fā)展簡介與分類發(fā)展簡述（二）光子探測器：發(fā)展較早，技術(shù)最成熟

特點(diǎn)

：應(yīng)用廣泛，波長范圍從紫外到紅外。種類：光電倍增管，光電二極管，鉛錫、Ⅲ－V族化合物、鍺摻雜三元合金等。 發(fā)展簡介與分類發(fā)展簡述（三）從單個(gè)探測器向陣列（線陣和面陣）光輻射探測器發(fā)展；集成化方向的發(fā)展：把光電探測器，場效應(yīng)管（FET）置于一個(gè)基片上，如PIN，體積小，性能好，成本低，穩(wěn)定性高；電荷耦合器件（CCD）發(fā)展簡介與分類探測器分類（一）光子探測器材料：半導(dǎo)體效應(yīng)：入射光子和材料電子發(fā)生各種相互作用的光電子效應(yīng)外光電效應(yīng)：光電子發(fā)射效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)，光電磁效應(yīng)發(fā)展簡介與分類一、光電子發(fā)射探測器產(chǎn)生條件：當(dāng)入射光子能量>陰極材料的逸出功時(shí);

典型器件：真空光電管，充氣光電管，光電倍增管(可檢測極微弱光輻射信號);

特點(diǎn)：主要探測可見光，個(gè)別可擴(kuò)展到1.25μm,近紅外。紅外系統(tǒng)中應(yīng)用不多。發(fā)展簡介與分類二、光電導(dǎo)探測器產(chǎn)生條件：本征光電導(dǎo)，入射光子能量>本征半導(dǎo)體禁帶寬度Eg；光敏電阻：硫化鎘CdS，硒化鎘CdSe，用于可見光范圍；紅外光電導(dǎo)探測器：鉛鹽薄膜類，PbS、PbSe、PbTe等，可以工作在三個(gè)大氣窗口（1~3μm，3~5μm，8~14μm）。發(fā)展簡介與分類三、光伏特探測器產(chǎn)生條件：本征光伏效應(yīng)為主，半導(dǎo)體受光照后產(chǎn)生電動勢；種類：結(jié)型光伏特探測器；PIN結(jié)光電二極管；雪崩光電二極管；肖特基勢壘光電二極管。發(fā)展簡介與分類光子探測器的特點(diǎn)波長選擇性探測器探測器的響應(yīng)率和波長成正比發(fā)展簡介與分類探測器分類（二）光熱探測器光熱效應(yīng)：材料吸收光輻射能量后溫度升高，可產(chǎn)生材料的某些物理性質(zhì)變化；特點(diǎn)：光熱效應(yīng)和波長無關(guān)。發(fā)展簡介與分類一、測輻射溫差熱電偶和熱電堆溫差電效應(yīng)：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)間就有電動勢產(chǎn)生，通過這兩點(diǎn)的閉合回路中就有電流流過。溫差電效應(yīng)包括：塞貝克效應(yīng)；珀耳帕效應(yīng)；湯姆遜效應(yīng)。發(fā)展簡介與分類二、電阻測輻射熱器當(dāng)吸收光輻射而溫度升高時(shí)，金屬的電阻會增加，而半導(dǎo)體材料電阻會降低。利用材料的電阻變化制成的熱探測器。電阻溫度系數(shù)：和材料的種類和溫度有關(guān)；描述R時(shí)溫度變化靈敏度的基本參數(shù)；金屬R=BT(B是比例系數(shù))發(fā)展簡介與分類三、熱釋電探測器由熱釋電晶體制成。所謂熱釋電晶體，是指它們具有自發(fā)電極化的特性，其自發(fā)電極化強(qiáng)度隨溫度升高而下降。特點(diǎn)：T升高，自發(fā)極化強(qiáng)度下降；T=TC，自發(fā)極化強(qiáng)度=0→極化晶體發(fā)生相變或退極化。

TC叫居里溫度，晶體不同，TC也不同發(fā)展簡介與分類熱探測器的特點(diǎn)對一切波長都具有相同的響應(yīng)，是非選擇性探測器；工作時(shí)一般無需致冷（低溫測輻射探測器除外）；響應(yīng)時(shí)間長，大小取決于熱電探測器熱容量的大小和散熱的快慢。發(fā)展簡介與分類光電探測器的性能參數(shù)工作條件：輻射源光譜分布電路的通頻帶和帶寬工作溫度光敏面尺寸偏置情況光電探測器的性能參數(shù)一、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù)響應(yīng)率（響應(yīng)度）RV或RI，描述探測器靈敏度的參量，它表征探測器輸出信號與輸入輻射之間關(guān)系的參數(shù)。討論：測量響應(yīng)率的輻射源一般是500K的黑體；如果使用波長單色輻射源，則稱為單色響應(yīng)率；可見光波段稱為光電探測器的靈敏度光電探測器的性能參數(shù)一、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù)單色靈敏度積分響應(yīng)度光電探測器的性能參數(shù)一、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù)響應(yīng)時(shí)間：當(dāng)入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸入上升到穩(wěn)定值或下降到照射前值所需要的時(shí)間。頻率響應(yīng)：光電探測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。表征：同時(shí)間常數(shù)，它決定了光電探測器頻率響應(yīng)的帶寬光電探測器的性能參數(shù)二、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)探測器具有固有噪聲，這些噪聲的時(shí)間平均值為零，但其均方根不為零，這個(gè)均方根電壓（電流）稱為探測器的噪聲電壓（流）。信噪比（S/N）：在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比光電探測器的性能參數(shù)二、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)等效噪聲輸入(ENI)器件在特定帶寬內(nèi)(1Hz)產(chǎn)生的均方根信號電流恰好等于均方根噪聲電流值時(shí)的輸入通量，此時(shí)，其它參數(shù)，如頻率溫度等應(yīng)加以規(guī)定。在確定光電探測器件的探測極限時(shí)使用。光電探測器的性能參數(shù)二、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)噪聲等效功率(NEP)－最小可探測功率探測率D和比探測率D＊光電探測器的性能參數(shù)二、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)噪聲等效功率(NEP)－最小可探測功率探測率D和比探測率D＊光電探測器的性能參數(shù)三、其它參數(shù)量子效率某一特定波長上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。光電探測器的性能參數(shù)三、其它參數(shù)線性度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(guān)系的程度。線性區(qū)的大小與探測器后的電子線路有很大關(guān)系線性區(qū)的下限由暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過載決定；線性區(qū)隨偏量、輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。光電探測器的性能參數(shù)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性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(guān)系的程度。線性區(qū)的大小與探測器后的電子線路有很大關(guān)系線性區(qū)的下限由暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過載決定；線性區(qū)隨偏量、輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲的統(tǒng)計(jì)特性什么是噪聲？特點(diǎn)和分析方法(抑制噪聲的方法)包括：概率分布功率譜密度

相關(guān)函數(shù)

常見噪聲的統(tǒng)計(jì)特征噪聲的概率分布噪聲的特點(diǎn)：連續(xù)型隨機(jī)信號產(chǎn)生原因：①電子熱運(yùn)動； ②電路中的隨機(jī)擾動； ③半導(dǎo)體器件中載流子的不規(guī)則運(yùn)動。均屬于噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲的統(tǒng)計(jì)特性概率論基本知識已知t時(shí)刻噪聲電壓的概率分布密度為噪聲電壓取值在和之間的概率為：由于噪聲是隨機(jī)過程，它的統(tǒng)計(jì)特征量為數(shù)學(xué)期望：噪聲的統(tǒng)計(jì)特性方差幾個(gè)概念廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程：光電系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，噪聲的方差和數(shù)學(xué)期望一般不再隨時(shí)間變化。狹義平穩(wěn)隨機(jī)過程：噪聲的概率分布密度不隨時(shí)間變化噪聲的統(tǒng)計(jì)特性各態(tài)經(jīng)歷：統(tǒng)計(jì)平均可以用時(shí)間平均來計(jì)算*光電系統(tǒng)的噪聲是各態(tài)經(jīng)歷的廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程。以熱噪聲為例：符合高斯分布噪聲的統(tǒng)計(jì)特性數(shù)學(xué)期望：熱噪聲平均值，一般為0方差：熱噪聲的交流功率，越大，噪聲越強(qiáng)。在時(shí)的概率：噪聲的功率譜密度噪聲功率譜密度:表示單位頻譜的噪聲功率噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲功率:在頻域之間噪聲頻譜分量的平均功率。討論：①如果放大器帶寬為(f1,f2)，則上式積分上下限應(yīng)改為f1,f2;②和光電探測器相連接的低噪聲放大器帶寬不應(yīng)太寬；噪聲的統(tǒng)計(jì)特性光電系統(tǒng)中的噪聲分類：白噪聲：SN(f)=常數(shù)低頻噪聲，紅噪聲，如1/f噪聲高頻噪聲，藍(lán)噪聲噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲的相關(guān)函數(shù)重點(diǎn)研究噪聲在不同時(shí)刻取值之間的相關(guān)性。自相關(guān)函數(shù)定義由于各態(tài)經(jīng)歷的平穩(wěn)隨機(jī)過程，統(tǒng)計(jì)平均可用時(shí)間平均來表示，與時(shí)間起點(diǎn)無關(guān)。討論：幾個(gè)重要性質(zhì)①僅與時(shí)間差有關(guān)，與計(jì)算時(shí)間t的起點(diǎn)無關(guān)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性②隨的增加逐漸衰減，表示在時(shí)間上相關(guān)性逐漸減少。特別是對零均值噪聲，可以證明當(dāng)時(shí)，③是一種偶函數(shù)，即，因此自相關(guān)函數(shù)又可以寫為④當(dāng)時(shí)，具有最大值，且特別當(dāng)時(shí)，噪聲的統(tǒng)計(jì)特性和關(guān)系維納-辛欽定理：

條件：由于均為偶函數(shù)，故上式又可寫為：噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲的互相關(guān)函數(shù)定義：對于具有各態(tài)經(jīng)歷的平穩(wěn)隨機(jī)過程：討論:①僅與時(shí)間差有關(guān)，而與計(jì)算時(shí)間t的起點(diǎn)無關(guān)；②噪聲的統(tǒng)計(jì)特性③，當(dāng)兩個(gè)隨機(jī)過程互不相關(guān)時(shí)，則一定有。例如，被檢測信號與系統(tǒng)的觀察噪聲之間不存在相關(guān)性，因此采用互相關(guān)方法有利于抑制觀察噪聲。④從數(shù)學(xué)角度可以定義互功率譜密度(2)利用互相關(guān)函數(shù)從噪聲中檢測微弱信號的方法，見圖2-12。噪聲的統(tǒng)計(jì)特性如S(t)為正弦信號，y(t)為同頻正弦信號，而S(t)，y(t)和n(t)不相關(guān)當(dāng)T足夠長時(shí)因此實(shí)際應(yīng)用中由于T有限，所以仍有一些噪聲。噪聲的統(tǒng)計(jì)特性白噪聲定義：其中N0為白噪聲的單邊功率譜密度，常數(shù)。自相關(guān)函數(shù)：不同時(shí)刻取值不相關(guān)，在白噪聲中提取信號極為有用。白噪聲的自相關(guān)函數(shù)計(jì)算：因信號與噪聲互不相關(guān)，故

，T足夠長時(shí)∴

噪聲的統(tǒng)計(jì)特性相關(guān)時(shí)間性質(zhì)：①白噪聲的②大，大，表示噪聲不同時(shí)刻的相關(guān)性越大。③減小，要求延時(shí)電路：噪聲的統(tǒng)計(jì)特性光電探測器的噪聲種類：散粒噪聲，熱噪聲，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲(g-r噪聲)，溫度噪聲，1/f噪聲。討論以下幾個(gè)問題：產(chǎn)生機(jī)理，統(tǒng)計(jì)特性，減小噪聲對信號提取影響的方法。一、散粒噪聲1.產(chǎn)生機(jī)理光電探測器的散粒噪聲是由于光電探測器在光輻射作用或熱激發(fā)下，光電子或載流子隨機(jī)產(chǎn)生造成的。如圖2-21所示。經(jīng)計(jì)算，由此引起的外電路感應(yīng)電流脈沖：噪聲的統(tǒng)計(jì)特性

的頻譜函數(shù)：2.統(tǒng)計(jì)特征：散粒噪聲的功率譜密度：討論：①與探測器工作頻率無關(guān)，具有白噪聲的頻譜特性②當(dāng)探測器的工作帶寬為時(shí)，③如果是探測器的暗電流，則無光照的暗電流噪聲功率：④由入射光引起的散粒噪聲電子計(jì)數(shù)噪聲：光輻射作用于光電探測器產(chǎn)生的平均光電流。噪聲的統(tǒng)計(jì)特性二、熱噪聲1.機(jī)理熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動引起的，如圖2-22。任何有電路的材料都有熱噪聲。設(shè)電阻器的體積V=Ad，其中A為截面積，d為長度，m為電子質(zhì)量電阻樣品的電導(dǎo)率由固體物理學(xué)可知為式中τ0是電子熱運(yùn)動的平均碰撞時(shí)間。因此電阻樣品的電阻值為噪聲的統(tǒng)計(jì)特性一個(gè)電子在相鄰兩次碰撞期間在外電路中引起的電流脈沖是：2.統(tǒng)計(jì)特性熱噪聲的功率譜密度：考慮到,上式可寫為其中K:波爾茲曼常數(shù)，T:溫度，R:電阻值噪聲的統(tǒng)計(jì)特性對于帶寬有限的光電探測器系數(shù)：另外，熱噪聲電流均方根值和電壓均方根值：說明：①熱噪聲功率密度具有平均特性，屬白噪聲頻譜。②高端極限頻率為：室溫下，電子學(xué)工作頻率遠(yuǎn)低于此，可認(rèn)為是白噪聲。3.減少噪聲的方法①∴減少噪聲響應(yīng)是一個(gè)重要問題。②減小工作溫度：液氮，液氖，液氦溫度條件下。噪聲的統(tǒng)計(jì)特性三、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1.機(jī)理半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生和復(fù)合的隨機(jī)性而引起載流子平均濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，又稱g-r噪聲。設(shè)光生載流子的持續(xù)時(shí)間為，則它在外回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流脈沖為：2.統(tǒng)計(jì)特性：G-r噪聲的功率譜密度：：半導(dǎo)體光電導(dǎo)探測器的內(nèi)增益。噪聲的統(tǒng)計(jì)特性當(dāng)帶寬有限時(shí)：四、溫度噪聲1.定義無輻射存在時(shí)，探測器在某一平均溫度T0附近呈現(xiàn)一個(gè)小的起伏，這種溫度起伏引起的熱探測器輸出起伏稱為溫度噪聲。注意：最終決定了熱探測器所能探測的最小輻射能量。2.統(tǒng)計(jì)特性溫度噪聲的功率譜密度：噪聲的統(tǒng)計(jì)特性當(dāng)探測器的工作帶寬為時(shí)，熱功率起伏的均方根值或溫度噪聲功率為：說明：和熱導(dǎo)成正比；和工作溫度平方成正比。