第四章探測與解調(diào)

第四章探測與解調(diào)1第1頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1光子探測方法

4.1.1光子探測機理的分類

把被調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將信息提取出來的技術。

光探測過程可以形象地稱為光頻解調(diào)，光探測器就是將光輻射能量轉(zhuǎn)換成為一種便于測量的物理量的器件。1、光電探測技術2第2頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月2、光探測器的發(fā)展歷史1873年，英國的Smith和May在大西洋橫斷海底電信局所進行的實驗中發(fā)現(xiàn)，當光照射到用作電阻的se棒后，其電阻值約改變30％；同年Simens將鉑金繞在這種se棒上，制成了第一個光電池；1888年，德國的Hallwachs在作Hertz的電磁波實驗中，發(fā)現(xiàn)光照射到金屬表面上會引起電子發(fā)射；1909年，Richtmeyer發(fā)現(xiàn)，封入真空中的Na光電陰極所發(fā)射的電子總數(shù)與照射的光子數(shù)成正比，奠定了光電管的基礎；接著美國的Zworkyn研制出各種光電陰極材料，并制造出了光電倍增管，并于1933年發(fā)明了光電攝像管；1950年，美國的Weimer等人研制出光導攝像管；1970年，Boyle等人發(fā)明了CCD（電荷耦合器件）。3第3頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月按光—電相互作用分類3、探測機理及其分類按響應區(qū)域分類光子直接對電子產(chǎn)生擾動

溫升使材料的某些特性發(fā)生變化

電磁場對材料的擾動所引起材料某些內(nèi)特性發(fā)生變化

輸出信號是敏感區(qū)域的平均值

對敏感區(qū)域的空間變化所產(chǎn)生的響應

4第4頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月4、光電效應光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導率發(fā)生變化，或產(chǎn)生電動勢，這些因光照引起物體電學特性改變的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為光電效應。內(nèi)光電效應光子激發(fā)的載流子(電子或空穴)將保留在材料內(nèi)部。

外光電效應將電子打離材料表面，外光電效應器件通常有多個陰極，以獲得倍增效果。5第5頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月①外光電效應——光電發(fā)射效應當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射的光能使表面的電子獲得足夠的能量，電子就會克服正離子對它的吸引力，脫離金屬表面而進入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。外光電效應可用兩條基本定律來描述：

斯托列托夫定律

當入射光的頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（單位時間內(nèi)反射的光子數(shù)目）與入射光的強度成正比。

斯托列托夫定律是光電管、光電倍增管的檢測基礎。

6第6頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月①外光電效應——光電發(fā)射效應愛因斯坦定律如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射體表面逸出功，則電子將以一定的速度從發(fā)射體表面發(fā)射，光電子離開發(fā)射體表面時的初動能隨入射光的頻率線性增長，與入射光的強度無關。光電效應方程：入射光子能量電子的動能逸出功該式表明，入射光子必須具有足夠的能量，也就是說至少要等于逸出功，才能發(fā)生光電發(fā)射。ν0為產(chǎn)生光電發(fā)射的最低頻率，即該頻率與材料的屬性有關，與入射光強無關。逸出功7第7頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月密立根(美國,1868-1953)

羅伯特密立根生于1868年，童年的大部分時間在農(nóng)村度過，年僅14歲就開始賺取自己的面包，后于1886年進入奧柏林大學。兩年后他才選修了物理課，并認為那是“一個徹底的失敗”。

1908年，密立根40歲，還只是一個副教授，而當時美國物理學者獲得教授職位的平均年紀只有32歲。他確定了兩個人生目標：一是進入物理學的名人堂，“留下的時間已經(jīng)不多了”；二是將余生奉獻給自己鐘愛的教育事業(yè)。

從1909年到1917年，密立根完成了漫長而艱苦的油滴實驗——最著名的物理實驗之一。

這一杰出工作以及光電效應的相關貢獻為他贏得了1923年的諾貝爾物理學獎，成為有史以來第二位得獎的美國物理學家。

8第8頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月愛因斯坦定律入射光波長大于截止波長時，無論光強有多大、照射時間多長，都不會有光電子發(fā)射。光電發(fā)射大致可分為三個過程：光入射物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；受激電子從受激處出發(fā)，向表面運動，其間必然要同其他電子或晶格發(fā)生碰撞而失去部分能量；到達表面的電子克服表面勢壘對其的束縛，逸出形成光電子。①外光電效應9第9頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月愛因斯坦定律由此得到光電發(fā)射對陰極材料的要求：對光的吸收大，以便體內(nèi)有較多的電子受激發(fā)射；電子受激發(fā)生在表面附近，以使碰撞損失盡量??；材料逸出功小，以使到達表面的電子容易逸出；電導率好，以便能夠通過外電源來補充光電發(fā)射失去的電子。①外光電效應10第10頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管

今天我們使用的光電器件中，光電倍增管（PMT）是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件。典型的光電倍增管如圖所示，在真空管中，包括光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極和電子收集極（陽極）的器件。

當光照射光陰極，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統(tǒng)，通過進一步的二次發(fā)射得到倍增放大。放大后的電子被陽極收集作為信號輸出。①外光電效應11第11頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管(1)光電倍增管利用外光電效應原理制成。(2)結構①外光電效應12第12頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管①外光電效應13第13頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管的結構一般端窗型（Head-on）和側窗型（Side-on）結構的光電倍增管都有一個光陰極。側窗型的光電倍增管，從玻璃殼的側面接收入射光，而端窗型光電倍增管是從玻璃殼的頂部接收入射光。通常情況下，側窗型光電倍增管價格較便宜，并在分光光度計和通常的光度測定方面有廣泛的使用。大部分的側窗型光電倍增管使用了不透明光陰極（反射式光陰極）和環(huán)形聚焦型電子倍增極結構，這使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。

端窗型（也稱作頂窗型）光電倍增管在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明光陰極（透過式光陰極），使其具有優(yōu)于側窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點還包括它擁有從幾十平方毫米到幾百平方厘米的光陰極。

端窗型光電倍增管中還有針對高能物理實驗用的，可以廣角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。①外光電效應14第14頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管①外光電效應15第15頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管(3)特點靈敏度高，適宜弱光信號；響應時間極短；頻率特性較好，頻率可達106赫或更高；(4)缺點

需高壓直流電源、價貴體積大、經(jīng)不起機械沖擊等。①外光電效應16第16頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月北京濱松光子①外光電效應17第17頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管應用領域1光譜學-----利用光吸收原理應用領域光電倍增管特性紫外/可見/近紅外分光光度計

光通過物質(zhì)時使物質(zhì)的電子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去部分能量，叫做吸收。利用吸收進行定量分析。為確定樣品物質(zhì)的量，采用連續(xù)的光譜對物質(zhì)進行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質(zhì)前后的強度，即可得到被測物質(zhì)程度，計算出物質(zhì)的量。寬光譜響應高穩(wěn)定性低暗電流高量子效率低滯后效應較好偏光特性原子吸收分光光度計

廣泛地應用于微量金屬元素的分析。對應于分析的各種元素，需要專用的元素燈，照射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)的被測物質(zhì)上，用光電倍增管檢測光被吸收的強度，并與預先得到的標準樣品比較。①外光電效應18第18頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管應用領域2利用發(fā)光原理應用領域光電倍增管特性發(fā)光分光光度計

樣品接受外部照射光的能量會產(chǎn)生發(fā)光，利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來，用光電倍增管探測出特征光譜線是否存在及其強度。這種方法可以迅速地定性或定量地檢查出樣品中的元素。高靈敏度高穩(wěn)定性低暗電流熒光分光光度計

熒光分光光度計依據(jù)生物化學，特別是分子生物學原理。物質(zhì)受到光照射，發(fā)射長波的發(fā)光，這種光稱為熒光。用光電倍增管檢測熒光的強度及光譜特性，可以定性或定量地分析樣品成份。拉曼分光光度計

用單色光照射物質(zhì)后被散亂，這種散亂光中，只有物質(zhì)特有量的不同波長光混合在里面。這種散亂光（拉曼光）進行分光測定，對物質(zhì)進行定性定量的分析。由于拉曼發(fā)光極其微弱，因此檢測工作需要復雜的光路系統(tǒng)，并且采用單光子計數(shù)法。高量子效率低暗電流單光子分辨能力其它

●液相或氣相色譜●X光衍射儀，X光熒光分析●電子顯微鏡①外光電效應19第19頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管應用領域3環(huán)境監(jiān)測應用領域光電倍增管特性塵埃粒子計數(shù)器

塵埃粒子計數(shù)器檢測大氣或室內(nèi)環(huán)境中懸浮的粉塵或粒子的密度。它利用了塵埃粒子對光的散亂或β射線的吸收原理。低暗噪聲低毛刺噪聲高量子效率濁度計

當液體中有懸浮粒子時，入射光會粒子被吸收、折射。對人的眼睛來看是模糊的，而濁度計正是利用了光的透過折射和散射原理，并用數(shù)據(jù)來表示的裝置。低暗電流低峰值噪聲高量子效率其它

●NOX、SOX檢測相關波長處高量子效率低暗電流良好的溫度特性高穩(wěn)定性①外光電效應20第20頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管應用領域4生物技術應用領域光電倍增管特性細胞分類

細胞分類儀是利用熒光物質(zhì)對細胞標定后，用激光照射，細胞的熒光、散亂光用光電倍增管進行觀察，對特定的細胞進行選別的裝置。高量子效率高穩(wěn)定性低暗電流高電流增益好的偏振特性熒光計

細胞分類的最終目的是分離細胞，為此，有一種用于對細胞、化學物質(zhì)進行解析的裝置，它稱為熒光計。它對細胞、染色體發(fā)出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進行測定。①外光電效應21第21頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月②內(nèi)光電效應——光電導效應光電導效應是光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象。當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使得非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，從而導致材料電導率增大。這種變化可以通過測量負載電阻兩端的電壓來觀察。該現(xiàn)象是100多年來有關半導體與光作用的各種現(xiàn)象中最早為人們所知的現(xiàn)象。信號V負載電阻入射光線+-22第22頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月②內(nèi)光電效應——光電導效應利用此現(xiàn)象制成的光探測器稱為光電導探測器。20世紀又先后在氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、硫化鉛等材料中發(fā)現(xiàn)光電導效應，并由此發(fā)展了從紫外、可見到紅外各個波段的輻射探測器。23第23頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月②內(nèi)光電效應——光電導效應光子能量紅限波長光電流當光子波長大于λ0時，本征型半導體器件將不會出現(xiàn)光電導現(xiàn)象通常是多子起作用，少子由于其壽命相對短得多，故對光電流的貢獻不大。

24第24頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月②內(nèi)光電效應——光電導效應光電導增益G由自由載流子壽命τ和渡越時間Tτ的比值來決定。渡越時間Tτ是指多數(shù)載流子穿過器件電極的時間，它由下式?jīng)Q定：

式中l(wèi)為電極間的距離，μ為多數(shù)載流子的遷移率，VA為器件所加上的偏壓。25第25頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月②內(nèi)光電效應——光電導效應響應速度(由多數(shù)載流子的壽命決定

)頻率為時ω的短路電流頻率為時ω的開路電壓

由上面兩式可知，低頻時光電器件的輸出基本上與頻率無關；高頻時則與頻率成反比，轉(zhuǎn)折點定義在ωτ為1的頻率。直流短路電流器件開路電壓26第26頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月②內(nèi)光電效應——光電導效應光子在材料中激發(fā)出的載流子必須在外加電壓（電場）作用下方能作空間流動，對外電路產(chǎn)生貢獻。這種器件必須加上偏壓才能正常工作。27第27頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻(1)結構②內(nèi)光電效應28第28頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻(2)優(yōu)點光譜響應相當寬;

光敏電阻的靈敏域可在紫外光區(qū)，可見光區(qū)，也可在紅外區(qū)和遠紅外區(qū)。所測的光強范圍寬;使用方便，成本低，穩(wěn)定性高，壽命長;靈敏度高，工作電流大，可達數(shù)毫安。

(3)不足在強光照射下線性較差，頻率特性也較差。

②內(nèi)光電效應29第29頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻②內(nèi)光電效應30第30頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導攝像管(1)基本原理光電導攝像管的結構如圖所示。它主要由光敏靶和電子槍兩部分組成。光敏靶是由光敏半導體材料制成的。景物通過光學系統(tǒng)在攝像管光敏靶上成像。由于光像各部分的亮度不同。靶上各相應部分的電導率發(fā)生了相應變化，與亮像素對應的靶單元的電導較大。與暗像素對應的靶單元電導較小，于是將景物各像素亮度不同變成了靶面上各單元的電導不同，光像變成了“電像”。

②內(nèi)光電效應31第31頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導攝像管(2)組成：電子槍偏轉(zhuǎn)線圈光電導靶面②內(nèi)光電效應32第32頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月電子槍

電子槍的任務是發(fā)射電子束，它由燈絲J、陰極K、柵極G及加速聚焦陽極A1、A2等組成。電子束在聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場的聯(lián)合作用下，以聚焦狀態(tài)按一定規(guī)律(即從左到右、從上到下一行一行)掃描靶上各點。當電子束接觸到靶面某點時，使電子槍陰極與信號板、負載RL和電源E構成一個回路，在負載RL中就有電流流過，電流大小取決于光敏靶該點電導率的大小。因此，當電子束按一定規(guī)律在靶面上掃描時，便在負載上依次得到與景物各點亮度相對應的電信號，完成了將圖像分解為像素以及把各像素按順序轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳娦盘柕墓怆娹D(zhuǎn)換過程。光電導攝像管②內(nèi)光電效應33第33頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導靶面是由無數(shù)個光電導像素單元組成，每個光電導像素單元可以等效為一個電阻和一個電容并聯(lián)的電路，其電阻值和電容值為：光電導靶面②內(nèi)光電效應34第34頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月當陰極發(fā)射的電子接通某一像素時，該像素單元的電容C0就立即被充電到靶電源的電壓，當電子束離開該像素單元時，電容便通過該單元的等效電阻R0放電，放電時電容兩端電壓為：光電導靶面的工作原理②內(nèi)光電效應35第35頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一種情況無光照時。在一幀時間內(nèi)電子束掃描完各個點，使這些點為低電位后，C0充滿電，由于電容放電時間

＝R0C0＝0.53秒，遠大于一幀的掃描時間0.04秒，故電容幾乎沒有放電，當?shù)诙螔呙钑r，無充電電流流過RS，B點電位

ET，這時無視頻信號輸出。36第36頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月第二種情況有光照時。當有光照射在靶面上時，R0隨光強的大小而變化，掃描后C0放電時間變化，光越強，R0越小，放電越快，在下一次電子束掃描該像素時所補充的電荷就越多，就會有較大的電流流過負載電阻RS而產(chǎn)生較大的信號電壓輸出，負極性視頻信號反映了圖像的明暗程度。37第37頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月第三種情況光照均勻時。當光照均勻無起伏時，R0

不變，輸出為直流分量，直流量反映了平均照度。由此可見，只有電子束按全電視信號的要求對靶面進行掃描，就可在輸出端得到視頻信號，將視頻信號加上消隱信號和同步信號，就形成了全電視信號，就可送入電視機進行逆過程變換，形成一幅幅電視圖像，也可送入錄像機用磁帶保存全電視信號。38第38頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月③內(nèi)光電效應——光伏效應光伏效應指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種電位差的機理有多種，主要的一種是由于阻擋層的存在引起的勢壘型光伏效應。結區(qū)pn+++++++++---------E光iu短路光電流開路光電壓光電流反向飽和電流暗電流39第39頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月③內(nèi)光電效應——光伏效應光伏效應載流子的激發(fā)——光子載流子的分離——內(nèi)建電場光電流：Id暗電流，Is為無光照射時的反向飽和電流，V為施加在器件上的電壓(正向為正，反向為負)，k為波耳茲曼常數(shù)，β為近似為1的常數(shù)，T為絕對溫度。40第40頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月③內(nèi)光電效應——光伏效應光伏器件的電流電壓特性（5-5）對應的工作模式：開路、短路、反偏（光電導工作模式）、正偏。41第41頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月③內(nèi)光電效應——光伏效應

光伏器件工作模式光電信號入射光開路V負載電阻+-光電信號反向偏壓入射光光電導效應和光伏效應的區(qū)別前者必須在外加偏壓下才能正常工作光伏效應則可以不加偏壓，其開路電壓就反映了光輻射的信號，但光伏效應器件通常工作在反偏狀態(tài)，即給器件加上反向電壓，其反向電流即為光電流，此時可以說器件工作在光電導模式下。42第42頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏器件光電池光敏二極管光敏三極管③內(nèi)光電效應43第43頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池（1）原理與結構③內(nèi)光電效應44第44頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池（2）特性：波長范圍:硅光電池為400—1100nm，峰值波長在850nm附近；靈敏度：硅光電池為6-8毫安／流明；可靠性好，壽命也較長；

體積小。③內(nèi)光電效應45第45頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月硅光電池③內(nèi)光電效應46第46頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管(1)結構③內(nèi)光電效應47第47頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管光敏二極管是利用硅ＰＮ結受光照后產(chǎn)生光電流的一種光電器件。光敏二極管的電路符號、外形見圖所示。其封裝有金封和塑封兩種（即圓柱形和扁方形）。有的光敏二極管為了提高其穩(wěn)定性，還外加了一個屏蔽接地腳，外形似光敏三極管。光敏二極管工作于反向偏壓，其光譜響應特性主要由半導體材料中所摻的雜質(zhì)濃度所決定。同一型號的光敏二極管在一定的反偏電壓、相同強度和不同波長的入射光照射下，產(chǎn)生的光電流并不相同，但有一最大值。不同型號的光敏二極管在同一反偏電壓、同一強度的入射光照射下，所產(chǎn)生的光電流最大值也不相同，且光電流最大值所對應的入射光的波長也不相同。③內(nèi)光電效應48第48頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管

圖２的曲線①、②分別是光敏二極管ＮＤＬ３２００、ＮＤＬ５８００Ｃ的光譜響應特性曲線。由圖可看出，它們的光電流的最大值分別在可見光區(qū)和紅外線區(qū)，其中二極管ＮＤＬ３２００的光譜響應值最大。

由于光敏二極管的基本結構也是一個ＰＮ結，故其檢測方法也與普通二極管相同，其測得的正、反向電阻也類似于普通二極管，但在測反向電阻遇光照時，阻值會明顯減小，否則說明管子已損壞。③內(nèi)光電效應49第49頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管圖是用光敏二極管構成的路燈自動控制電路。其原理是：白天受光照時光敏二極管反向電阻減小，足以使三級管（BG2）飽和導通的電流注入復合管基極，于是BG２飽和導通→繼電器J1得電→常閉觸頭J1被吸下→路燈供電回路被切斷→燈泡熄滅。天黑時因光照很小→光敏二極管SR反向電阻大增→BG2退出飽和而截止→J1失電→常閉觸頭復位→電燈供電回路接通→路燈點亮。③內(nèi)光電效應50第50頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月復習①外光電效應——光電發(fā)射效應相應器件：光電倍增管②內(nèi)光電效應——光電導效應相應器件：光敏電阻、光電導攝像管③內(nèi)光電效應——光伏效應相應器件：光電池、光敏二極管、光敏三極管51第51頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月PIN光敏二極管特點

1、最大的特點是頻帶寬。在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體（I層）。這樣，P-N結的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中，從而使P-N結空間電荷層的間距加寬，因此結電容變小。相應時間變短，頻帶變寬。

2、管子的線性輸出范圍很寬。因為I層（相對）很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓。

不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般為零點幾μA至數(shù)μA。52第52頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月PIN光敏二極管的光電轉(zhuǎn)換原理53第53頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月雪崩光敏二極管（APD）

雪崩光敏二極管是利用P-N結在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應來工作的一種光伏器件。它具有響應度高，響應速度快的特點，通常工作在很高的反偏狀態(tài)100~200V，接近于反向擊穿電壓。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。頻率響應很高，帶寬可達100GHz。是目前響應最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測距及其他微弱光的探測等。原理：根據(jù)光電效應，當光入射到PN結時，光子被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對→如果電壓增加到使電場達到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動→高速運動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子—空穴對→新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞→如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，見圖。54第54頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月雪崩光敏二極管（APD）雪崩光敏二極管

頻率響應很高，帶寬可達100GHz。是目前響應最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測距及其他微弱光的探測等。光敏二極管陣列

將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號的器件。/tongxin/guangxian/images/chap3-2-3.htm55第55頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管的特點體積小，穩(wěn)定性好；靈敏度高，響應速度快；易于獲得定向性；光譜響應在可見和紅外區(qū)。56第56頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏三極管57第57頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏三極管

靈敏度比光敏二極管高，是光敏二極管的數(shù)十倍，故輸出電流要比光敏二極管大得多，一般為毫安級。但其它特性不如光敏二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關系。頻率特性和溫度特性也變差，故光敏三極管多用作光電開關或光電邏輯元件。58第58頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月象限探測器

象限探測器有二象限和四象限探測器，又分光電二極管象限探測器和硅光電池象限探測器。象限探測器是在同一塊芯片上制成兩或四個探測器，中間有溝道將它們隔開，因而這兩或四個探測器有完全相同性能參數(shù)。當被測體位置發(fā)生變化時，來自目標的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會引起象限間信號輸出變化，從而確定目標方位，同時可起制導、跟蹤、搜索、定位等作用。59第59頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月5、熱釋電效應熱釋電效應指的是某些晶體的電極化強度隨溫度變化而釋放表面吸附的部分電荷?；谠撔瞥傻墓怆娹D(zhuǎn)換器件有紅外探測器，熱電激光量熱計，夜視儀以及各種光譜儀接收器等。60第60頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月熱釋電探測器結構61第61頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月熱釋電探測器工作原理器件吸收入射輻射功率產(chǎn)生溫升，溫升引起材料某種有賴于溫度的參量的變化，檢測該變化，可以探知輻射的存在和強弱。這一過程比較緩慢，因此一般熱電探測器件的響應時間多為ms量級。熱釋電器件相當于一個以熱電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。入射輻射可引起電容器電容的變化，因此，可利用這一特性來探測變化的輻射。對光輻射的轉(zhuǎn)換過程：第一步按系統(tǒng)的熱力學特性來確定入射輻射所引起的溫度升高；第二步探測器件因溫升引起器件物理特性的變化而輸出各種電信號。62第62頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月熱釋電探測器的優(yōu)缺點優(yōu)點：①光譜響應范圍特別寬，從紫外到紅外幾乎都有相同的響應，光譜特性曲線近似為一條平線。②工作時無需制冷。缺點：靈敏度低，響應時間較長。63第63頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月熱釋電探測器使用注意1、比較理想的熱探測器，其機械強度、響應靈敏度、響應速度都很高。2、只能測量變化的輻射，輻射恒定時無輸出。3、輸出是背景與熱輻射體的溫差，而不是熱輻射體的實際溫度。測溫時，需先用輔助探測器測出背景溫度。4、各種熱釋電材料都存在一個居里溫度，使用范圍小于居里溫度。64第64頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月居里溫度居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于居里溫度時該物質(zhì)成為鐵磁體，此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高于居里溫度時,該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度約為10的負6次方。如鐵的居里溫度是770℃,鐵硅合金的居里溫度是690℃等。

利用這個特點，人們開發(fā)出了很多控制元件。例如，我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105度的磁性材料。當鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當溫度到達大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關被斷開，停止加熱。

65第65頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月居里溫度66第66頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月熱釋電探測器

光譜范圍：一般熱釋電在0.2～20μm；

用途：主要用于防盜報警和安全報警裝置、自動門、自動照明裝置、火災報警等一些自動控制系統(tǒng)中。

特點：光譜響應范圍寬，對于從紫外到毫米量級的電磁輻射幾乎都有相同的響應。（與測輻射計、溫差熱電堆等比較）頻率特性好，室溫下工作，無需致冷，體積小，重量輕，堅固。67第67頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月被動式熱釋電紅外探測器應用被動式熱釋電紅外探頭的工作原理及特性：

在自然界，任何高于絕對溫度（-273度）時物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相關的。

在被動紅外探測器中有兩個關鍵性的元件，一個是熱釋電紅外傳感器(PIR)，它能將波長為8—12um之間的紅外信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并能對自然界中的白光信號具有抑制作用，因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當無人體移動時，熱釋電紅外感應器感應到的只是背景溫度，當人體進人警戒區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應器感應到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，因此，紅外探測器的紅外探測的基本概念就是感應移動物體與背景物體的溫度的差異。

另外一個器件就是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。菲涅爾透鏡作用有兩個:一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入警戒區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號，這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號。68第68頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月被動式熱釋電紅外探測器應用人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10微米左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10微米左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10微米左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。

1)這種探頭是以探測人體輻射為目標的。所以熱釋電元件對波長為10微米左右的紅外輻射必須非常敏感。

2)為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

3)被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。

4)人一旦侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號處理而報警。

5)菲涅爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴密。69第69頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月被動式熱釋電紅外探測器70第70頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月熱釋電攝像管熱釋電攝像管

熱釋電也可制成探測器陣列，已有320

240像敏元的熱釋電熱成象系統(tǒng)上市，主要用于紅外攝像機。碲鎘汞（CMT）器件

可以單元使用，也可以線陣或面陣使用，具有極高的靈敏度，已成功的應用在我國風云一號和風云二號衛(wèi)星上。但碲鎘汞（CMT）器件使用時一定要制冷，一般采用半導體制冷。71第71頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月6、光電信息轉(zhuǎn)換集成器件(1)、位置傳感器（PSD）(2)、電荷耦合器（CCD）72第72頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)位置傳感器（PSD）

光電位置器件（PSD，PositionSensitiveDetectors）是一種對其感光面上入射光點位置敏感的光電器件。

即當入射光點落在器件感光面的不同位置時，PSD將對應輸出不同的電信號。通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光點在PSD的位置。入射光點的強度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關。PSD的位置輸出只與入射光點的“重心”位置有關。73第73頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(1.1)一維PSD工作原理74第74頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(1.2)二維PSD工作原理BCDAE75第75頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)電荷耦合器（CCD）

隨著集成電路技術的發(fā)展,二十年前貝爾實驗室的W.S.Doyle和G.Smith發(fā)明了電荷耦合器件(Charge-Coupled-Devices),縮寫或簡稱CCD。由于它具有結構簡單，制造工序少，功耗低，信噪比好等優(yōu)點，因而日益受到人們的重視，它的用途廣泛，包括工業(yè)檢測，數(shù)碼相機，電視攝像等。76第76頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)電荷耦合器（CCD）組成：MOS光敏元移位寄存器電荷轉(zhuǎn)移柵77第77頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD目前，CCD的種類有很多，其中面陣型CCD是主要應用在數(shù)碼相機中。它是由許多單個感光二極管組成的陣列，整體呈正方形，然后像砌磚一樣將這些感光二極管砌成陣列來組成可以輸出一定解析度圖像的CCD傳感器。78第78頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月CCDCCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng)膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞，分工合作組成視覺感應。

CCD經(jīng)過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型。CCD的組成主要是由一個類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產(chǎn)CCD的公司分別為：SONY、Phillips、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp，多半是日本廠商。79第79頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD成像原理成像原理是使用感光二極管將光線轉(zhuǎn)換為電荷，當數(shù)位相機的快門開啟，來自影像的光線穿過這些馬賽克色塊會讓感光點的二氧化硅材料釋放出電子〈負電〉與空穴〈正電〉。經(jīng)由外部加入電壓，這些電子和空穴會被轉(zhuǎn)移到不同極性的另一個硅層暫存起來。電子數(shù)的多寡和曝光過程光點所接收的光量成正比。在一個影像最明亮的部位，可能有超過10萬個電子被積存起來。

80第80頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD成像原理以市面上常見的IL型CCD為例，曝光之后所有產(chǎn)生的電荷都會被轉(zhuǎn)移到鄰近的移位暫存器中，并且逐次逐行的轉(zhuǎn)換成信號流從矩陣中讀取出來。這些強弱不一的訊號，會被送入一個DSP也就是數(shù)字圖像處理單元。在這個單元之中有一個A/D類似數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器。這個轉(zhuǎn)換器能將信號的連續(xù)范圍配合色塊碼賽克的分布，轉(zhuǎn)換成一個2D的平面表示系列，它讓每個畫素都有一個色調(diào)值，應用這個方法，再由點組成網(wǎng)格，每一個點（畫素）現(xiàn)在都有用以表示它所接受的光量的二進位數(shù)據(jù)，可以顯示強弱大小，最終再整合影像輸出。81第81頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月電荷耦合器（CCD）固體攝像傳感器應用幾何量測量優(yōu)點：

A．掃描時無運動部分，因而可高速掃描；

B．體積小、重量輕、可靠性好；

C．電壓低，功耗??；

D．漂移小，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換效率高；

E．光敏單元每一位(bit)的形狀小(13—15微米)，集成度高，每一位的幾何位置精度較高。82第82頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月電荷耦合器（CCD）固體攝像傳感器應用(2)光譜測量優(yōu)點：A．體積小;B.快速;C.分辨率高(與光敏二極管列陣比較)

83第83頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD84第84頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月7、光電信息轉(zhuǎn)換組合器件(1)、光電耦合器(2)、光電編碼器(3)、光纖陀螺85第85頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)光電耦合器光電耦合器是將LED和光敏三極管緊密的組裝在一起，密封在一個對外隔光的封裝之內(nèi)，這樣LED的光線能夠落到光敏三極管的表面上，可避免其它雜散光的干擾。86第86頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)光電耦合器光電耦合器的應用用于電平轉(zhuǎn)換用于邏輯門電路起隔離作用應用在測量儀器、精密儀器、工業(yè)和醫(yī)用電子儀器．自動控制、遙控和遙測、各種通信裝置、計算機系統(tǒng)及農(nóng)業(yè)電子設備等廣闊領域。87第87頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)光電編碼器原理：光柵的莫爾條紋。形成莫爾條紋必須由兩塊柵距相等的光柵組成（w1=w2）。光電編碼器能將角位移或線位移信息經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，具有分辨率高，可靠性好，抗干擾能力強，應用范圍廣等優(yōu)點。88第88頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電編碼器89第89頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)光纖陀螺

（慣性技術與光電子技術緊密結合的產(chǎn)物）

光纖陀螺是近十多年發(fā)展起來的一種組合光電器件，它可以滿足動載器從智能式制導導航與控制系統(tǒng)發(fā)展為分布式制導/導航和控制系統(tǒng)的要求，目前光纖陀螺正進一步從軍用向軍民兩用方向發(fā)展。光纖陀螺本質(zhì)上是由光電子器件組成的光干涉儀系統(tǒng)，沒有任何活動部件，這就決定了光纖陀螺具有一系列獨特的優(yōu)點：不怕沖擊振動，可以在惡劣的力學環(huán)境下應用；對角速率的反應極快；角速率測量靈敏度高；測量速率范圍高達；潛在的成本低；加工簡單。這些優(yōu)點是其它陀螺不能比擬的。

90第90頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)光纖陀螺Sagnac效應

指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一點觀察點發(fā)出的一對光波沿相反方向運行一周后又回到該觀察點時，這對光波的相位（或它們經(jīng)歷的光程）將由于該閉合環(huán)形光路相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同，其相位差（光程差）的大小與閉合光路的轉(zhuǎn)速速率成正比。91第91頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)光纖陀螺原理及構成

光纖陀螺由兩部分組成：光學部分和信號處理電路部分。光學部分包含光電子器件和光纖器件。有時這兩種器件都被納入光電子技術。

按照光纖陀螺光學系統(tǒng)的構成，目前進入實用的光纖陀螺主要有兩類：全光纖陀螺和使用了集成光學器件的“集成光學器件光纖陀螺”。

全光纖陀螺可采用開環(huán)或閉環(huán)的信號處理電路。這種陀螺的成本較低，但實現(xiàn)高精度的技術難度較大，因此大多用于精度要求不高和低成本的場合。

92第92頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）光纖陀螺原理及構成

集成光器件光纖陀螺由于波導相位調(diào)制器的調(diào)制帶寬可高達幾個GHz，在信號處理中可以采用數(shù)字閉環(huán)技術，易于實現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性，是目前最常用的光纖陀螺構成模式。93第93頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）光纖陀螺光纖陀螺涉及到的技術問題很多，從以上簡單介紹中可以知道，光纖陀螺的研究、制造和發(fā)展都與光電子技術緊密聯(lián)系。可以羅列出與光纖陀螺相關的光電子器件的項目有：光纖：單模光纖、保偏光纖、細經(jīng)光纖、匹配型保偏光纖；有源器件：超輻射二極管(SLD)；低噪聲PIN、寬帶PIN-FET；光耦合器件：

保偏光纖耦合器、1×3(1×4)光纖耦合器、小型化耦合器；光集成器件：

多功能集成光器件；EDFA：泵浦光源、摻餌光纖、光纖光柵、隔離器；消偏：光纖消偏器；偏振控制：微小型光纖偏振控制器；光波導器件：波導型無源器件、波導敏感環(huán)路；94第94頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電器件

(1)外光電效應及其器件①外光電效應特點：速度快---從光照射到釋放電子時間不超過10-9秒。需足夠光能---光子能量>表面溢出功原理：光→陰極→光電子→陽極→空間電子流→外接電阻→壓降U=f(I)原理：光→物體表面→光電子發(fā)射②光電管應用：足夠的光強，高速---光電開關特點：簡單，靈敏度低（充入惰性氣體→氣體轟擊→自由電子）95第95頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月③光電倍增管原理：光→陰極→光電倍增極→陽極→電流④應用：開關測量→光電開關，計數(shù)(2)內(nèi)光電效應①原理：導帶禁帶價帶半導體能帶圖光電導效應：器件：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管原理：光→電子-空穴對→導電性→電阻光生伏特效應:原理：光→PN結（無偏置）→電子→N,空穴→P→電動勢器件：光電池（硅，鍺）特點：光電流大，靈敏度高倍增率=δn,δ——單極倍增率n——倍增極數(shù)光→半導體→電子吸收能量→躍遷→電子-空穴對96第96頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月②光敏電阻：原理：電阻器件，加直流偏壓，無極性無光照---電子-空穴對很少---電阻大(暗電阻)有光照---電子-空穴對增多---導電性增強特點：靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定批量生產(chǎn)，價格便宜應用：工業(yè)自動化---開關元件，快速響應家電---(感應式節(jié)能燈：判斷照度)特性：光照特性為非線性，光譜特性存在單峰，動態(tài)特性好光照特性結構：金屬封裝---防潮光譜特性動態(tài)特性97第97頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月③光敏二極管（光電二極管,PD:Photo-Diode）原理：半導體PN結-無光時---高阻特性，微弱電流—暗電流，μA；光照時---電子→N,空穴→P→光電流光照愈強---光電流愈大PN光照特性④光敏三極管（光電三極管,PT:Photo-Triode）原理：光敏二極管（bc結）+三極管應用：線性轉(zhuǎn)換元件，開關元件，特點：靈敏度高于光敏二極管，特性：光照特性-靈敏度和線性好，光譜特性-單峰性光譜特性98第98頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月特性：光照特性---靈敏度高于光敏二極管，線性好光譜特性---單峰性動態(tài)特性---響應速度低于光敏二極管應用：線性轉(zhuǎn)換元件，開關元件⑤高速光電二極管PIN結光電二極管（PIN-PD）：I-高電阻率的本征半導體響應速度快，靈敏度高，線性好，用于光通訊，光測量光譜特性動態(tài)特性雪崩光電二極管：PN+P+→APD響應速度快，靈敏度高，線性差，用于光通訊脈沖編碼99第99頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月連接方式：開路電壓輸出---(a)短路電流輸出---(b)特性：光照特性---開路電壓輸出：非線性(電壓---光強)，靈敏度高短路電流輸出：線性好(電流---光強)，靈敏度低光譜特性---硅電池：0.5~1.2μm(紅-紅外)，峰值0.8μm(近紅外)鍺電池：0.3~0.7μm(紫-紅)，峰值0.5μm(綠)⑥光電池原理：光→PN結→電子→N,空穴→P→電動勢光→電能→光電池（硅電池：單晶硅）特點：有源器件，輕便、簡單、無污染，動態(tài)特性好（硅）工作于可見光波段---太陽能電池應用：宇航飛行儀器，儀表電源，便攜儀表(計算器)---開關測量（開路電壓輸出），線性檢測（短路電流輸出）100第100頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月⑧四象限光電池⑦位置敏感器件（PSD-PositionalSensingDevice）原理：光→光電二極管→空穴由N向P移動空穴→1端→I1空穴→2端→I2

說明：對于各種光電元件：（1）暗電流：無光照時輸出電流→熱噪聲（2）溫度特性：溫度→靈敏度、光譜特性→降溫、恒溫、溫度補償（3）器件材料：硅好于鍺原理：集成4光電池---四象限光斑→4分量→I1、I2、I3、I4；ⅠⅡⅢⅣ應用：二維位置檢測，準直⑨固態(tài)攝像器件：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice）---CCD比值：應用：位置檢測(一維、二維)比值：101第101頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器效應探測器光電效應外光電效應光陰極發(fā)射光電子光電管光電子倍增倍增極倍增光電倍增管通道電子倍增像增強管內(nèi)光電效應光電導效應光電導管或稱光敏電阻光伏效應零偏的p-n結和PIN結光電池反偏的p-n結和PIN結光電二極管雪崩效應雪崩光電二極管肖特基勢壘肖特基勢壘光電二極管pnp結和npn結光電三極管102第102頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月

噪聲

外部原因

內(nèi)部原因

人為噪聲

自然噪聲散粒噪聲

產(chǎn)生－復合噪聲

光子噪聲

熱噪聲

低頻噪聲

溫度噪聲

放大器噪聲

4.2光子探測方法

4.2.1光電探測器中的噪聲103第103頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2光子探測方法

4.2.1光電探測器中的噪聲依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測器的噪聲可大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生—復合噪聲、熱噪聲和低頻噪聲。上述噪聲是光電轉(zhuǎn)換物理過程中固有的，是一種不可能人為消除的輸出信號的起伏，是與器件密切相關的一個參量。因為在光電轉(zhuǎn)換過程中，半導體中的電子從價帶躍遷到導帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨立事件，是一種隨機的過程。每一瞬間出現(xiàn)多少載流子是不確定的，所以隨機的起伏將不可避免地與信號同時出現(xiàn)。尤其在信號較弱時，光電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準確性。104第104頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測器中。熱激發(fā)散粒均方噪聲電流為其有效值為相應的噪聲電壓為如果探測器具有內(nèi)增益M，則上式還應乘以M。光電探測器是依靠內(nèi)場把電子—空穴對分開，空穴對電流貢獻不大，主要是電子貢獻。上兩式也適用于光伏探測器。1光電探測器中的噪聲

①散粒噪聲105第105頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月②熱噪聲電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運動狀態(tài)也是隨機的，由此而構成無偏壓下的起伏電動勢。這種由載流子的熱運動引起的起伏就是電阻材料的熱噪聲，或稱為約翰遜（Johnson）噪聲。熱噪聲是由導體或半導體中載流子隨機熱激發(fā)的波動而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關。106第106頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月②熱噪聲光電探測器本質(zhì)上可用一個電流源來等價，這就意味著探測器有一個等效電阻R。電阻中自由電子的隨機熱運動將引起電阻器R兩端隨機起伏的電壓。電阻R的熱噪聲電流為:相應的熱噪聲電壓為：107第107頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月③G-R噪聲對于光電導探測器，載流子熱激發(fā)是電子—空穴對。電子和空穴在運動中，與光伏器件重要的不同點在于存在嚴重的復合過程，而復合過程本身也是隨機的。因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復合的起伏，這樣就使起伏加倍，雖然本質(zhì)也是散粒噪聲，但為強調(diào)產(chǎn)生和復合兩個因素，取名為產(chǎn)生—復合散粒噪聲，簡稱為產(chǎn)生—復合噪聲。108第108頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月④1/f噪聲1/f

噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。實驗發(fā)現(xiàn)，探測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對這種噪聲的影響很大，所以有時也稱為表面噪聲或過剩噪聲。一般說，只要限制低頻端的調(diào)制頻率不低于1千赫茲，這種噪聲就可以防止。109第109頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月高頻中頻低頻⑤光電探測器中的噪聲分布1/f低頻噪聲產(chǎn)生—復合噪聲熱噪聲單位帶寬噪聲電流均方值對數(shù)logB拐點（1KHz）拐點（1MHz）110第110頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月⑥其他噪聲（續(xù)）發(fā)射噪聲：只要有電流通過，便會產(chǎn)生發(fā)射噪聲，這是由電子電荷的離散性所決定的，這種離散性將造成電流的微小起伏。

暗電流噪聲：即使沒有光信號照到光電倍增管中，由于熱電子發(fā)射也會形成暗電流噪聲，這種暗電流噪聲系基于外光電效應器件的主要噪聲。

倍增噪聲：由于倍增極二次電子發(fā)射過程的隨機性產(chǎn)生的，它使得倍增極的增益在附近有一定的起伏。

熱噪聲：由陽極負載電阻所產(chǎn)生。

111第111頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月2、光電探測器的特性指標(1)響應度R定量描述光電器件輸出電信號與輸入的光信號之間的關系。探測器輸出信號電壓Vs與輸入光功率P的比值。單位一般為μV/μW或μA/μW。該值是直流狀態(tài)下的測試值。探測器面積光源的輻射度112第112頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)光譜響應

（光電探測器最基本的參數(shù)，通常用相對光譜響應來描）表征R隨波長λ變化的特性參數(shù)。由于許多光探測器是基于光電效應而工作的，因而存在一個最低頻率ν0，只有入射光頻率大于ν0才能有響應信號輸出，相應存在一個探測波長極限λc，在λ＜

λc時探測器對于某一頻率（波長）光的響應與探測器對該波長的吸收速率，即單位時間內(nèi)入射的光子數(shù)密度成正比，因而λ＜

λc時，其響應隨著波長的增加而呈線性上升。而λ＞

λc時，光譜響應曲線迅速下降到零。

相對輸出波長隨波長線性增長區(qū)峰值區(qū)急劇下降區(qū)λc113第113頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)能量閾Pth從響應度R的定義式可見，如果P＝0，應有Is=0實際情況是，當P＝0時，光電探測器的輸出電流并不為零。

這個電流稱為暗電流或噪聲電流，記為它是瞬時噪聲電流的有效值。顯然，這時響應度R巳失去意義，我們必須定義一個新參量來描述光電探測器的這種特性。114第114頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮到這個因素之后，一個光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換過程的模型如圖所示。光電效應sinisPbP內(nèi)部噪聲信號加噪聲電流增益放大器過程輸出圖中的光功率Ps和Pb分別為信號和背景光功率。可見，即使Ps和Pb都為零，也會有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。

通常認為，如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流is等于噪聲電流in，那么就認為剛剛能探測到光信號存在。115第115頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月依照這一判據(jù)，定義探測器的能量閾Pth為若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，則能量閾Pth＝0.001μW。也就是說，小于0.001微瓦的信號光功率不能被探測器所得知，所以，能量閾是探測器所能探測的最小光信號功率。(3)能量閾Pth116第116頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)等效噪聲功率（NEP）同一個問題，還有另一種更通用的表述方法，這就是等效噪聲功率NEP。它定義為單位信噪比時的信號光功率。信噪比SNR定義為(電壓信噪比)(電流信噪比)顯然，NEP越小，表明探測器探測微弱信號的能力越強。所以NEP是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。117第117頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)等效噪聲功率（NEP）產(chǎn)生單位信噪比所需的入射功率給出了探測器能夠探測的最小光功率

，表征探測器的探測能力。NEP越小，探測能力越強。由于噪聲頻譜很窄，為減小噪聲影響，一般將探測器后面的放大器做成窄帶通的，其中心頻率為調(diào)制頻率，這樣，信號將不受損失而噪聲可以被濾去，從而使NEP減小，這種情況下的NEP定義為118第118頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月NEP越小，探測器探測能力越高，不符合人們“越大越好”的習慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測度D，即這樣，D值大的探測器就表明其探測力高。(5)歸一化探測度D*(讀作D星)119第119頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月實際使用中，經(jīng)常需要在同類型的不同探測器之間進行比較，發(fā)現(xiàn)“D值大的探測器其探測能力一定好”的結論并不充分。究其原因，主要是探測器光敏面積A和測量帶寬Δf對D值影響甚大。探測器的噪聲功率N

∝Δf，所以

于是由D的定義知。另一方面，探測器的噪聲功率N∝

A

所以，又有。120第120頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月把兩種因素一并考慮，為了消除這一影響，定義并稱為歸一化探測度。

這時就可以說：D*大的探測器其探測能力一定好。考慮到光譜的響應特性，一般給出D*值時注明響應波長λ、光輻射調(diào)制頻率f及測量帶寬Δf，即D*(λ,f,Δf)。如D*(500K,900,1)表示是用500K黑體作光源，調(diào)制頻率為900Hz，測量帶寬為1Hz。

121第121頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(6)頻率響應

是描述光探測器響應度在入射光波長不變時，隨入射光調(diào)制頻率f

變化的特性參數(shù)。是表征光探測器頻率特性的重要參數(shù)。當器件的輸出信號功率降到零頻時的一半，即信號幅度下降到零頻的0.707時，可得到器件的上限截止頻率fc響應度頻率R(f)Ra0.707RaR(f)f122第122頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(7)其它參數(shù)暗電流：指沒有信號和背景輻射時通過探測器的電流。工作溫度：對于非冷卻型探測器指環(huán)境溫度，對于冷卻型探測器指冷卻源標稱溫度。響應時間：指探測器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栯妷夯螂娏鞯鸟Y豫時間。光敏面積：指靈敏元的幾何面積。123第123頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）其它參數(shù)光電探測器還有其它一些特性參數(shù)，在使用時必須注意到，例如光敏面積，探測器電阻，電容等。特別是極限工作條件，正常使用時都不允許超過這些指標，否則會影響探測器的正常工作，甚至使探測器損壞。通常規(guī)定了工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍，使用時要特別加以注意。124第124頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月3、各種光子探測器件的性能比較和應用選擇1、接收光信號的方式2、各種光子探測器件的性能比較3、應用選擇125第125頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）接收光信號的方式①判斷信號的有無如光電開關、光電報警等。這類光電系統(tǒng)檢測由被測對象造成的投射到光電器件上的光信號的通過或者截斷。這時不關心光電器件的線性，而是關注其靈敏度。126第126頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）接收光信號的方式②系統(tǒng)中的光信號按一定調(diào)制頻率交替變化這種光電系統(tǒng)中的光強度信號被調(diào)制在一定的頻帶內(nèi)或某一調(diào)制頻率下。所選光電器件的截止頻率＞光信號的調(diào)制頻率。127第127頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）接收光信號的方式③檢測光信號的幅度大小被測對象本身光輻射的強度發(fā)生變化；被測對象因?qū)獾姆瓷渎?、透過率發(fā)生變化；光電器件接收到的光照度亦隨之變化。

為準確檢測出這種變化，選擇器件需注意：

靈敏度適當、線性好、響應快、動態(tài)范圍合適。

如光敏二極管、光電倍增管。128第128頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)接收光信號的方式④檢測光信號的色度差異被測對象造成光電器件接受到的色溫發(fā)生變化；被測對象本身的表面顏色發(fā)生變化。選擇光譜特性合適的光電器件。129第129頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)各種光子探測器件的性能比較①在時間響應和頻率特性，即動態(tài)特性方面：光電倍增管和光敏二極管較好；PIN光敏二極管和雪崩光敏二極管最好。②光電特性方面：光電倍增管、光敏二極管和光電池的線性都較好。130第130頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)各種光子探測器件的性能比較③靈敏度方面：光電倍增管、雪崩光敏二極管最好，光敏電阻和光敏晶體管較好。需要說明的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大。輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光敏二極管和光敏晶體管。131第131頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)各種光子探測器件的性能比較④外加偏壓：外加偏壓最低的是光敏二極管和光敏晶體管，光電池不需加電源便可工作；⑤暗電流：光電倍增管和光敏二極管最小，光電池不加電源時無暗電流，加反向偏壓后暗電流比光電倍增管和光敏二極管要大；132第132頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)各種光子探測器件的性能比較⑥長期工作的穩(wěn)定性方面：光敏二極管和光電池最好；其次是光電倍增管和光敏晶體管；⑦光譜響應方面：光電倍增管和光敏電阻最寬；光電倍增管的響應偏在紫外方面，光敏電阻的響應偏向紅外方面；133第133頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)各種光子探測器件的性能比較器件波長響應范圍/nm光電特性直線性受光面積穩(wěn)定性外形尺寸價格主要特點短波峰值長波光電管紫外紅外好大良大大微光測量光電倍增管紫外紅外最好大良大大快速、精密微光測量光敏電阻400640900差大一般中中多元陣列光開關Si光電池4008001200好最大最好中中象限光電池輸出功率大Se光電池350550700好最大一般中中光譜接近人的視覺范圍Si光敏二極管4007501000好小最好最小低高靈敏度、小型、高速Si光敏三極管4007501000較好小良小低有電流放大134第134頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)應用選擇a光電器件必須和輻射信號以及光學系統(tǒng)在光譜特性上相匹配。如測量波長在紫外波段，則可選光電倍增管或?qū)ｉT的紫外半導體光電器件；如果信號是可見光，則可選光敏電阻、硅光電器件或光電倍增管；對于紅外信號，可選光敏電阻；近紅外波段可選硅材料光電器件或光電倍增管。135第135頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)應用選擇b光電器件與入射輻射能量在空間上對準。a、光電器件的光敏面要與入射輻射在空間上匹配好。太陽能電池光敏面大——用于雜散光或沒有達到聚集狀態(tài)的光束的接收。光敏電阻（光調(diào)可變電阻）——通過光路和機械設計控制光照在全部電阻體上，有效利用全部光敏面。光敏二極管和光敏晶體管的感光面只是結附近的一個極小的面積——用透鏡把光聚焦到感光的光敏點上。136第136頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)應用選擇c光電器件的光電轉(zhuǎn)換特性要與入射輻射相匹配。通常使入射輻射通量的變化中心處于光電器件的線性范圍內(nèi)，以確保獲得良好的線性檢測。d對于微弱光信號，器件要有高的靈敏度，以保證一定的信噪比和足夠強的輸出電信號。137第137頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)應用選擇e光電器件的響應特性要與光信號的信號頻率、調(diào)制形式和波形相匹配，以保證輸出波形沒有頻率失真和良好的時間響應。f這種情況主要是選擇響應時間短或者上限頻率高的器件，同時在電路上也要注意匹配好動態(tài)參數(shù)。138第138頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)應用選擇g光電器件還應和后繼電路在電特性上相互匹配，以保證最大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性范圍、信噪比以及快速的動態(tài)響應等。139第139頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)應用選擇h注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件，以使器件具有長期工作的可靠性。i當工作條件超過最大限額時，器件的特性會急劇惡化，特別是超過電流容限值后，其損壞往往是永久性的。使用的環(huán)境溫度和電流容限一樣，當超過溫度的容限值后，往往會引起緩慢的特性惡化。140第140頁，課件共169頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）光電檢測電路大多數(shù)的光電器件都需要經(jīng)過檢測與轉(zhuǎn)換電路才能實現(xiàn)光電信號的變換，通常的光電檢測電路由光電檢測器件、輸入電路和前置放大器組成。核心：光電檢測器件，是溝通光學量和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)。重要環(huán)節(jié)：前置放大及耦合電路。中間環(huán)節(jié)：輸入電路，為光電器件提供正常的電路工作條件，同時也完成與前置放大及耦合電路