光電探測器概述

光電探測器概述第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五§2-1光電探測器簡況與分類光輻射測量方法人眼照片膠片光電探測器光探測器一、前言

光探測器定義把光輻射轉(zhuǎn)換成另一種便于測量的物理量的器件。第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五由于電量是最便于測量和處理的量，將光轉(zhuǎn)換成電量便于提高精確度。

轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了光電探測器D（detector）電量光輻射量

光電探測器定義

把光輻射轉(zhuǎn)換成電量（I或V）的光探測器第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)1905年愛因斯坦發(fā)表的相對論而聞名于世1925年他獲得諾貝爾獎是因發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五光熱效應(yīng)D光子效應(yīng)D金屬或半導(dǎo)體受光照時，如果入射的光子能量hν足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)

熱釋電

溫差電

測輻射熱

當光照物體時，光電子不逸出體外的光電效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)單個光子直接對產(chǎn)生光電子起作用的光電效應(yīng)光照使材料產(chǎn)生產(chǎn)生光生電動勢

光電管、光電倍增管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，而把吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц駸徇\動，引起探測元件溫度上升；溫升使探測元件的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化二、光電探測器的物理效應(yīng)分類光電探測器外光電效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)

光電發(fā)射效應(yīng)

光電導(dǎo)光敏電阻、光導(dǎo)管

光生伏特

光電池、光電二極管

熱敏電阻、測輻射熱計

熱電偶，熱電堆

熱釋電探測器

當光照射到物體上使物體向真空中發(fā)射電子

光照使材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化光子效應(yīng)D第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五光子效應(yīng)光子效應(yīng)單個光子直接對產(chǎn)生光電子起作用的光電效應(yīng)光子hν→光電子e特點光子與電子相互作用，對光波頻率吸收有選擇性響應(yīng)速度快第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五光熱效應(yīng)

光熱效應(yīng)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，而把吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц駸徇\動，引起探測元件溫度上升；溫升使探測元件的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。物理機理：熱積累↑

→溫度↑→材料電學(xué)性質(zhì)變化特點對光波頻率的吸收無選擇性響應(yīng)速度慢（但熱釋電D響應(yīng)快）第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五光電探測器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換過程。（光輻射量轉(zhuǎn)換成光電流量）光電探測器光輻射量

輸入

輸出

光電流量

三、光電轉(zhuǎn)換定律第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五光通量Ф（t）→P(t)光能量→E光通量（功率）

光生電荷量→

Q

光電流（1）

（2）

輸入的光子數(shù)輸出的光電子數(shù)第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五（2）÷（1）得——光電轉(zhuǎn)換定律★★★量子效率令:光電轉(zhuǎn)換因子D=第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五結(jié)論①光電探測器對入射光通量（功率）有光電流輸出，所以探測器可視為電流源。②因為光通量P(t)正比于光電場的平方，故稱光電探測器為平方律探測器（非線性器件）。第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五設(shè)計光電探測系統(tǒng)時，應(yīng)該選擇什么光電探測器呢？依據(jù)之一是光電探測器的性能參量。①如在衛(wèi)星上，要求探測器靈敏度高、功率低、重量輕。②在通信中,要求響應(yīng)速度快、噪聲低、可靠性高?！?-2光電探測器的性能參數(shù)第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五一、光電探測器的主要特性和工作條件1．光電特性:I(t)[光電流]＝F(P)[光通量]2．光譜特性:I(t)[光電流]＝F(λ)[入射光波長]4．伏安特性:

I(t)[光電流]＝F(Ｕ)[電壓]3．頻率特性:

I(t)[光電流]＝F(f)[入射光調(diào)制頻率]2.電路的通頻帶和帶寬:描述探測器的性能時,必須明確通頻帶和帶寬3．偏置情況:大多數(shù)探測器需要偏置電壓,需要說明偏置情況4.工作溫度5.光敏面尺寸主要特性工作條件1．輻射源的光譜分布:說明探測器的性能時,需要給出所用輻射源的光譜分布第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五二、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù)1.響應(yīng)率(Responsivity)RV或RI表征探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換成電信號的能力電流的響應(yīng)率RI:探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換成電流信號Ie的能力。電壓響應(yīng)率RV：探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號Ve的能力。第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五2.單色靈敏度Rλ---

波長為的單色輻射源單色靈敏度:輸出的光電流iλ與波長為λ的入射到探測器的單色輻射光通量Pλ（或照度）之比若為常數(shù)――無選擇性探測器（光熱探測器）若不為常數(shù)――選擇性探測器（光子探測器）探測器理想光譜響應(yīng)曲線圖---光譜響應(yīng)度（描述光電器件對單色輻射的響應(yīng)能力）第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五表示探測器對連續(xù)入射光輻射的反應(yīng)靈敏程度3.積分靈敏度---

復(fù)色輻射源對于包含有各種波長的輻射光源，總的光通量為光電器件輸出的總的光電流（不同輻射源引起）1---短波限；0---長波限第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五電流積分靈敏度---輸出的電流與入射的總的光輻射通量之比---

相對光譜響應(yīng)表示

光譜響應(yīng)---

光譜響應(yīng)度R隨波長的變化關(guān)系以最大光譜響應(yīng)為基準來表示各波長的響應(yīng)

光譜響應(yīng)寬度---以峰值響應(yīng)的50%之間的波長范圍定義第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五---

描述光電器件對入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)

4.響應(yīng)時間

---當入射輻射到光探測器上或入射輻射遮斷后，光探測器上的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時間時間常數(shù)

---

衡量響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所用的時間---

上升時間tr響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的90%下降到10%所用的時間---

下降時間tf第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五光電探測器信號的產(chǎn)生和消失存在滯后過程5.頻率響應(yīng)度

---入射光輻射的頻率對光電探測器件的響應(yīng)會有較大影響光電器件的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性

---

頻率響應(yīng)R0---

器件在零頻時的響應(yīng)度；=2f為信號的調(diào)制圓頻率；f為調(diào)制頻率；為響應(yīng)時間上限截止頻率fc---

輸出信號功率降到零頻時的一半（信號幅度下降到0.707）R(f)/R0=0.707第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五三、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)1、信噪比信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負載電阻RL上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比，（S――SignalN――Noise）比較兩種光電探測器性能時，必須在信號輻射功率相同的情況下才能比較。如果入射輻射強，接吸面積大，S／N就大，但性能不一定好，所以S／N評價器件有一定局限性。均方根值第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五---

最小可測功率（輸出信號電流的均方根值等于噪聲均方根電流值時的入射光功率）2.噪聲等效功率（NEP）Is/In---器件輸出的信噪比的平方根；s---入射光功率；Ri---光電器件的電流靈敏度；單位：W歸一化噪聲等效功率光敏元面積A和測量系統(tǒng)帶寬f第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五因為且則即小于0.001μW的信號光功率不能被探測器探測求解NEP第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五3.探測率與比探測率探測率---

NEP的倒數(shù)NEP小---

器件性能好（衡量光電器件探測能力的指標）（W-1）D---描述器件在單位輸入光功率下輸出的信號信噪比歸一化探測率---比探測率Ad---光電器件的光敏面積（cm2）;f---帶寬（Hz）；In---噪聲電流（A）;Ri---電流靈敏度（A/W）cmHz1/2W測量條件---D*(500K,900,1)第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五四、其它參數(shù)1.量子效率---

描述光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換能力的一個重要參數(shù)（某一特定波長下單位時間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子與入射光子數(shù)之比）波長為的光輻射的單個光子能量為h=hc/設(shè)入射的波長為的輻射通量為，則入射的光子數(shù)為/h相應(yīng)的光電流為Is，每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為Is/q（q---電子電荷）量子效率---微觀靈敏度（統(tǒng)計平均量）（）=1---

入射一個光量子就能發(fā)射一個電子/產(chǎn)生一對電子——空穴對（理論上）一般,（）<1

增益/放大倍數(shù)（有增益的光電器件）第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五2.線性度線性度是描述光電探測器輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。在某一范圍內(nèi)探測器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個范圍為線性區(qū)。非線性誤差：

δ＝Δmax/(I2–I1)Δmax：實際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差；

I2

和

I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五§2-3

光電探測器的噪聲一、噪聲概念1．定義：光電探測器在光電轉(zhuǎn)換時，要受到無用信號的干擾，稱為光電探測器的噪聲。∴噪聲信號

第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五2．分類噪聲人為噪聲自然干擾噪聲電阻中自由電子的熱運動，真空管中電子的隨機發(fā)射，半導(dǎo)體中載流子的隨機起伏物理系統(tǒng)內(nèi)部起伏干擾噪聲

無規(guī)則噪聲有形噪聲（可以預(yù)知，可設(shè)法減小和消除）產(chǎn)生一復(fù)合第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五散粒噪聲：在光輻射或熱激發(fā)作用下，光電探測器光電子或載流子隨機起伏造成的。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。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。

二、光電探測器常見的噪聲第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五熱噪聲：探測器有一個等效電阻R時，電阻中自由電子的隨機熱運動將在電阻兩端產(chǎn)生隨機起伏的電壓――熱噪聲。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)，熱噪