光電子技術(shù)課件第四章 光探測（上）

第四章光探測本章內(nèi)容：§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)；§4-2

光電探測器的性能參數(shù)；§4-3

光電探測器的噪聲；§4-4常用光電探測器簡介

一、外光電效應(yīng)探測器(光電管、光電倍增管)

二、內(nèi)光電效應(yīng)探測器（光電導(dǎo)、光電池、光電二極管）本章要求：

1了解光電探測器的物理效應(yīng)和性能參數(shù)；

2掌握常用光電探測器（光電倍增管、光電導(dǎo)、光電池、光電二極管）的原理與性能特點(diǎn)。

光探測器：凡是能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一類便于測量的物理量的器件。光電探測器：凡是把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量（電流與電壓）的光探測器，其物理效應(yīng)包括光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)?！?-1

光電探測器的物理效應(yīng)

一、光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)1.光子效應(yīng)——光電效應(yīng)指單個(gè)光子的性質(zhì)(能量、頻率)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類效應(yīng)。特點(diǎn)：光子效應(yīng)對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，存在“紅限”，但響應(yīng)速度一般比較快?！?-1

光電探測器的物理效應(yīng)

探測器吸收光子后，直接引起原子或分子內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。２.光熱效應(yīng)指探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。特點(diǎn)：原則上對光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。（在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對紅外輻射的探測。）§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)

光熱效應(yīng)與單個(gè)光子的性質(zhì)(能量)沒有直接關(guān)系?！?-1

光電探測器的物理效應(yīng)

二、光電發(fā)射效應(yīng)——外光電效應(yīng)（器件：光電管、光電倍增管）

指光照下,物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象。能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體----光電發(fā)射體（光陰極）愛因斯坦方程：“紅限”(截止波長)

為光電子的動(dòng)能，

為光電發(fā)射體的功函數(shù)。外光電效應(yīng)條件：§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)

三、光電導(dǎo)效應(yīng)——內(nèi)光電效應(yīng)之一（器件：光電導(dǎo)管），

（光敏電阻）

0K時(shí)，本征半導(dǎo)體的載流子濃度為零；

0K以上時(shí)，本征半導(dǎo)體的載流子濃度np=ni20光電導(dǎo)現(xiàn)象——一塊半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)+u§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)

外電場作用下，載流子的漂移效果:遷移率、電導(dǎo)率、電導(dǎo)。遷移率——漂移速度與電場之比：電導(dǎo)率：電導(dǎo)：+u§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)

光照射外加電壓的半導(dǎo)體，光子將在其中激發(fā)出新的載流子(電子和空穴)——光生載流子,使半導(dǎo)體中的載流子濃度增加了一個(gè)量n和p。半導(dǎo)體的電導(dǎo)將增加一個(gè)量G——光電導(dǎo)。條件：外來光子能量大于能隙。+u§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)

四、光伏效應(yīng)——內(nèi)光電效應(yīng)之二（器件：光電池，

光電二極管）

無光照時(shí)pn結(jié)的伏安特性：

Is0為無光照時(shí)二極管的反向飽和電流。光伏現(xiàn)象——兩塊半導(dǎo)體材料之間的“結(jié)”效應(yīng)ipnupnis0§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)

光照射p區(qū)時(shí)，產(chǎn)生光生載

流子.

多數(shù)載流子（空穴）

都被勢壘阻擋而不能穿過

結(jié)區(qū)，少數(shù)載流子(電子)

穿過p區(qū)，被拉向n區(qū)，

在阻擋層兩側(cè)形成附加電

荷堆積，產(chǎn)生與內(nèi)建電場

反向的光生電場E（從P向N）。短接外電路,光生電流i=io從P極流出,在內(nèi)部光生電流方向從N向P?！@時(shí)PN結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電池。

入射光波長(Ei為PN結(jié)的勢壘高度）ipnupniE§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)

光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓u0=uPN——光電池（連接兩極，有短路電流：）

光照反偏pn結(jié)產(chǎn)生大于Iso的反向光電流i——光電二極管有光照時(shí)pn結(jié)的伏安特性：

ipnupni§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)

五、光電轉(zhuǎn)換定律光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程——光電轉(zhuǎn)換。

光功率光電流探測器的光電轉(zhuǎn)換因子探測器的量子效率(激發(fā)的光電子數(shù)與吸收光子數(shù)之比)§4-1

光電探測器的物理效應(yīng)

探測器的光電轉(zhuǎn)換因子光電轉(zhuǎn)換定律：

表明：

(1)光電探測器對入射功率的響應(yīng)量是光電流。因此,一個(gè)光子探測器可視為一個(gè)電流源。

(2)因?yàn)楣夤β蔖正比于光電場的平方,故常常把光電探測器稱為平方律探測器(非線性器件)?！?-1

光電探測器的物理效應(yīng)

一套科學(xué)反映探測器性能的共同指標(biāo)，用于評價(jià)探測的優(yōu)劣,比較不同探測器之間的差異,從而根據(jù)不同的需要選擇和正確使用光電探測器.一、積分靈敏度（響應(yīng)度）R光電流i（或光電壓u）和入射光功率P之間的關(guān)系i=i(P)稱為探測器的光電特性。靈敏度R定義為光電特性曲線的斜率：電流靈敏度電壓靈敏度§4-2光電探測器的性能參數(shù)

電流靈敏度電壓靈敏度注：1.在線性區(qū)內(nèi)，R定義為探測器輸出信號(hào)與入射光功率P之比.聯(lián)系(4-27),2.入射光功率P是指分布在某一光譜范圍的總功率，所以R稱為積分靈敏度。電流靈敏度Ri等于轉(zhuǎn)換因子D,正比于量子效率.

（光電轉(zhuǎn)換因子）可得:§4-2光電探測器的性能參數(shù)

二、光譜靈敏度Rλ

光電流i與入射光波長之間的關(guān)系i=i()稱為探測器的光譜特性。光譜靈敏度Rλ定義為:波長為λ的單位入射光功率所產(chǎn)生的光電流：相對光譜靈敏度:

基于光電效應(yīng)而工作的探測器，存在一個(gè)最低頻率0，因而存在探測最大波長c。光電探測器和入射光的光譜匹配非常重要。cS()熱探測器光電探測器光譜響應(yīng)曲線§4-2光電探測器的性能參數(shù)

三、頻率靈敏度Rf（響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)頻率fc）

若入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在入射光波長不變時(shí)，光電流將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，頻率靈敏度Rf是光探測器對加在光載波上的調(diào)制信號(hào)的響應(yīng)能力的反映。§4-2光電探測器的性能參數(shù)

頻率靈敏度Rf定義為調(diào)制頻率f下單位入射光功率所產(chǎn)生的光電流：為探測器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定?！?-2光電探測器的性能參數(shù)

當(dāng)Rf下降到0.707R0時(shí)的頻率

稱為探測器的截止響應(yīng)頻率,與探測器響應(yīng)速度有關(guān).§4-2光電探測器的性能參數(shù)

小結(jié)：探測器輸出的光電流可表示為探測器的電壓u、光功率P、光波長、光強(qiáng)調(diào)制頻率f的函數(shù)：，則：——伏安特性曲線；斜率為電導(dǎo)G——光電特性曲線（光照特性）；斜率為

積分靈敏度Ri——光譜特性曲線；光譜靈敏度R=i/P,

(R-曲線為光譜響應(yīng)曲線）

——頻率特性曲線；頻率靈敏度Rf=if/P,

(Rf-f

曲線為頻率響應(yīng)曲線）§4-2光電探測器的性能參數(shù)

四、量子效率(量子產(chǎn)額):

指每一個(gè)入射光子所釋放的平均電子數(shù)。Ic是入射光產(chǎn)生的平均光電流;P是入射到探測器上的光功率.Ri為積分靈敏度.D為光電轉(zhuǎn)換因子.

越高越好,實(shí)際光探測器一般有

<1。有內(nèi)部增益機(jī)制的光探測器>1。

(如:光電倍增管、雪崩光電二極管)§4-2光電探測器的性能參數(shù)

五、通量閾P(yáng)th和噪聲等效功率NEPPth

和NEP等效,其值越小，探測能力越強(qiáng)。通量閾P(yáng)th——探測器所能探測的最小光信號(hào)功率：噪聲等效功率NEP——單位信噪比時(shí)所對應(yīng)的入射光功率§4-2光電探測器的性能參數(shù)

六、探測度D與歸一化探測度D*D越大探測能力越強(qiáng)。探測度D

:定義為NEP的倒數(shù):由于探測器光敏面積A和測量帶寬△f對D值影響大，故定義歸一化探測度D*能更客觀反映探測能力。歸一化探測度D*：單位探測器面積、單位帶寬的探測度．§4-2光電探測器的性能參數(shù)

七、其它參數(shù)除了以上基本參數(shù)以外，我們在使用探測器時(shí)還會(huì)遇到以下參數(shù)：

1)暗電流，指沒有信號(hào)和背景輻射時(shí)通過探測器的電流in；

2)工作溫度，對于非冷卻型探探器指環(huán)境溫度，對于冷卻型探測器指冷卻源標(biāo)稱溫度；

3)光敏面積，指靈敏元的幾何面積。注：不同的探測器可側(cè)重于不同的參數(shù)?！?-2光電探測器的性能參數(shù)

小結(jié)：積分靈敏度R；光譜靈敏度Rλ；頻率靈敏度Rf；量子效率(量子產(chǎn)額)主要反映探測器的光電轉(zhuǎn)換能力；通量閾P(yáng)th和噪聲等效功率NEP；探測度D與歸一化探測度D*反映探測器的探測能力，綜合了探測器的噪聲水平和光電轉(zhuǎn)換能力?！?-2光電探測器的性能參數(shù)

一、噪聲的概念噪聲un(t)——接收到的信號(hào)u(t)與被探測信號(hào)us(t)

之差：un(t)=u(t)-us(t)來源:人為干擾、自然干擾（如市電干擾）、系統(tǒng)內(nèi)部干擾（如熱噪聲）.

前兩種是外部噪聲通過采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢韵?nèi)部噪聲通常難于完全消除，只能采取措施減弱?！?-３

光電探測器噪聲二、噪聲的描述不能且平均值表示,而用均方根(電表測出的有效值)表示：

三、光電探測器噪聲種類依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因,光電探測器的噪聲可分三類:散粒噪聲、熱噪聲和低頻噪聲?！?-３

光電探測器噪聲1散粒噪聲：來源于增益起伏引起電子計(jì)數(shù)的漲落。散粒噪聲電流：

i為測量的平均電流，f為測量帶寬，M為探測器的內(nèi)增益。散粒噪聲與頻率無關(guān)，為“白”噪聲.§4-３

光電探測器噪聲2

電阻熱噪聲：來源于電子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)速度的熱漲落引起的電壓起伏，熱噪聲電壓T為溫度,f為測量帶寬，R為探測器的等效電阻。熱噪聲也與頻率無關(guān)，亦為“白”噪聲?！?-３

光電探測器噪聲3低頻噪聲（1/f噪聲）來源于器件結(jié)構(gòu)上的局部起伏引起的發(fā)射電子的緩慢隨機(jī)起伏。低頻噪聲主要出現(xiàn)在1k赫茲以下，隨調(diào)制頻率增加而減小。（A為與探測器有關(guān)的比例系數(shù)，f為光輻射的調(diào)制頻率）把調(diào)制頻率提高到1KHz以上可以消除低頻噪聲?！?-３

光電探測器噪聲

外光電效應(yīng)探測器——光電管、光電倍增管（一）光電管§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型1光電管的構(gòu)造原理構(gòu)造：光陰極、陽極和真空罩。原理:陽極加正電壓，收集陰極發(fā)射的光電子。光強(qiáng)增大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流增大。對比:

弧光放電型放電燈CAgasglassshell加速電源燈絲電源RAKgasG§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型2、主要性能參數(shù)（1）量子效率(為光通量

)（2）光照靈敏度（3）光譜響應(yīng)特性S()不同陰極材料的響應(yīng)范圍不同。S()c（n為光電子數(shù)，N為光子數(shù)）銻銫銀氧銫銻鉀鈉銫§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型3、常用光電管（1）銻銫光電管：光照靈敏度較高。響應(yīng)光譜在紫、藍(lán)、綠波段。（2）銀氧銫光電管：對近紅外波段較靈敏。但熱噪聲大，比銻銫型的大三個(gè)數(shù)量級(jí)。（3）銻鉀鈉銫光電管:多堿陰極的靈敏度高，光譜范圍寬。銻銫銀氧銫銻鉀鈉銫(4)NEA型光電管:靈敏度高，長波閾值延伸到紅外,滿足了夜視技術(shù)的發(fā)展需要。（二）光電倍增管光電管增益<1，靈敏度低，不能滿足弱光的測量。光電倍增管增益>>1，還具有光譜寬，光陰極尺寸大的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于弱光探測，是現(xiàn)代精密輻射探測儀器設(shè)備中不可缺少的光電探測器件?！?-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型1、光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理光電倍增管的結(jié)構(gòu)：由光陰極K、倍增系統(tǒng)和陽極A三部分組成。K為光陰極；D1-Dn為倍增電極(二次電子發(fā)射體)，A為陽極，電位VK<VD1<VD2<VD3<VD4<VAKAD1D2D3D4VD1VD2VD3VD4VA§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型二次電子發(fā)射系數(shù)：光電倍增管增益來源于倍增電極的二次電子發(fā)射.nr和np分別為倍增電極的出射和入射電子數(shù)。常用倍增材料:含堿類（銀氧銫、銻銫等）；氧

化物（MgO等）；合金類（銀鎂、鈷鎂等）。KAD1D2D3D4VD1VD2VD3VD4VA§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型工作原理：各倍增電極電位逐級(jí)升

高，陽極電位最高。末級(jí)電

極與陰極間可加千伏電壓.

當(dāng)入射光照射陰極K時(shí)，

從陰極逸出的光電子被K、D1間的電場加速，轟擊D1，引起二次電子發(fā)射，一個(gè)入射的光電子可以產(chǎn)生g個(gè)二次電子；g個(gè)二次電子又被D1、D2間的電場加速，射向D2并產(chǎn)生g2個(gè)二次電子……

逐級(jí)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達(dá)陽極，形成較大的陽極電流。KAD1D2D3D4VD1VD2VD3VD4VA§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型

設(shè)n級(jí)倍增極的系數(shù)g都相同，則陽極輸出電流為：常有n=10～15,若g

=

5,則

G>106。KAD1D2D3D4VD1VD2VD3VD4VAik為陰極Ｋ發(fā)射的光電流。光電倍增管的電流放大系數(shù)為：光電倍增管有極高的靈敏度。適用于微光測量。§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型2、光電倍增管的特性參數(shù)（２）陽極靈敏度（３）放大倍數(shù)G（電流增益）在一定工作電壓下，光電倍增管的陽極信號(hào)電流和陰極信號(hào)電流的比值：(類似于光電管)（１）陰極靈敏度（4）光譜特性主要由入射窗材料和光陰極材料決定。§4-4-1

常用光電探測器簡介：一、外光電效應(yīng)型（5）光電特性與伏安特性一定范圍內(nèi)光電特性

為