光電信號檢測-光電探測器概述

光電信號檢測第二章光電探測器概述11/27/20241§2－1發(fā)展簡況與分類一、發(fā)展簡述最早用來探測可見光輻射和紅外輻射的光輻射探測器是熱探測器。其中，熱電偶早在1826年就已發(fā)明出來。從上世紀五十年代開始人們對熱釋電探測器進行了一系列研究工作，發(fā)現(xiàn)它具有許多獨特的優(yōu)點，因此近年來有關(guān)熱釋電探測器的研究工作特別活躍，發(fā)展異常迅速。1970年以后又出現(xiàn)了一種利用光子牽引效應制成的光子牽引探測器。八十年代中期，出現(xiàn)了利用摻雜的GaAs／AlGaAs材料、基于導帶躍遷的新型光探測器——量子阱探測器。這種器件工作于8—12μm波段，工作溫度為77K。由于這種器件在軍事和民用中的重要性，發(fā)展非常迅速。11/27/20242隨著激光與紅外技術(shù)的發(fā)展，在許多情況下單個光探測器已個能滿足探測系統(tǒng)的需要，從而推動了陣列(線陣和面陣)光輻射探測器的發(fā)展。目前，光電探測器的另一個發(fā)展方向是集成化，即把光電探測器、場效應管等元件置于同一基片上。這可大大縮小體積、改善性能、降低成本、提高穩(wěn)定性并便于裝配到系統(tǒng)中去。電荷耦合器件(CCD)也是近年來研究的一個重要方面，其性能達到相當高的水平、將光輻射探測器陣列與CCD器件結(jié)合起來，可實現(xiàn)信息的傳輸。11/27/20243光電子效應——大多數(shù)是半導體材料內(nèi)光電效應：基于光電導、光伏特和光電磁效應，在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。外光電效應：基于光電子發(fā)射效應，在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，材料中的電子逸出材料表面的現(xiàn)象稱為外光電效應。二、光電探測器分類按探測機理的物理效應可分為兩大類：一類是利用各種光子效應的光子探測器，另一類是利用溫度變化效應的熱探測器。11/27/20244分類效應探測器光電探測器光子探測器外光電效應光電子發(fā)射效應光電管光電子倍增效應光電倍增管、像增強管內(nèi)光電效應光電導效應光敏電阻光生伏特效應光電池、光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極管、肖特基勢壘光電二極管等光磁電效應光電磁探測器熱探測器熱釋電效應熱釋電探測器溫差電效應熱電偶、熱電堆測輻射熱效應熱敏電阻11/27/202451．光子探測器在光電探測器的發(fā)展中，最受重視的是入射光子和材料中的電子發(fā)生各種相互作用的光電子效應。幾乎所有情況下，所用的材料都是半導體。在眾多的光電子效應中，只有光電子發(fā)射效應、光電導效應、光生伏特效應和光電磁效應得到廣泛的應用。11/27/20246

(1)光電子發(fā)射探測器

利用光電子發(fā)射效應的制成探測器稱為光電子發(fā)射探測器。光電子發(fā)射效應也稱外光電效應。入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。條件：產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光電能量取決于光電陰極的逸出功。因此，光電子發(fā)射有個長波限，光子能量hc／λ

低于陰極材料逸出功則不能產(chǎn)生光電子發(fā)射。陽極接收光電陰極發(fā)射的光電子所產(chǎn)生的光電流正比于入射輻射的功率。主要有真空光電管、充氣光電管和光電倍增管。應用最廣的是光電倍增管，它的內(nèi)部有電子倍增系統(tǒng)，因而有很高的電流增益，能檢測極微弱的光輻射信號。波段：可見光和近紅外（<1.25μm）特點：響應快、靈敏度高11/27/20247光電導效應：入射輻射與晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛電子相互作用，產(chǎn)生自由電子－空穴對（本征光電導）、自由電子或空穴（非本征光電導），從而使半導體材料的電導增加的效應。本征光電導：

λ0：長波限（截止波長）；Eg：禁帶寬度（2）光電導探測器導帶價帶光激發(fā)電子空穴本征光電導11/27/20248非本征光電導：當入射光子沒有足夠能量產(chǎn)生自由電子一空穴對，但能激發(fā)雜質(zhì)中心時，激發(fā)產(chǎn)生自由電子(n型半導體)或自由空穴(p型半導體)，便形成非本征光電導或稱雜質(zhì)光電導。非本征光電導的長波限是

Ei：雜質(zhì)電離能導帶價帶光激發(fā)電子空穴受主能級施主能級非本征光電導11/27/20249可見光及近紅外波段的光電導探測器可在室溫(295K)下工作；長波限較長(4～5μm)的探測器，需要致冷到干冰溫度(195K)；許多種光電導探測器，需要致冷到液氮溫度(77K)；工作在8～14μm大氣窗口的光電導探測器都要致冷到77K；長波限更長的探測器要求在更低的溫度下工作，如Ce：Au非本征光電導探測器要求60K的工作環(huán)境。結(jié)論：長波限越長，工作溫度越低。光電導探測器應用的電路：入射輻射使光電導探測器的電導發(fā)生變化，從而在負載兩端產(chǎn)生隨入射輻射變化的輸出信號。11/27/202410內(nèi)光電效應光生伏特效應：半導體材料受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。類型：（幾乎都是本征型）光電二極管雪崩光電二極管pn結(jié)、pin結(jié)、肖特基勢壘等材料：與光電導探測器基本相同。（3）光伏探測器11/27/202411原理：當入射光子在p—n結(jié)及其附近產(chǎn)生電子－空穴對時，光生載流子受勢壘區(qū)電場作用，電子漂移到n區(qū)，空穴漂移到p區(qū)。如果在外電路中把p區(qū)和n區(qū)短接，就產(chǎn)生反向的短路信號電流。假若外電路開路，則光生的電子和空穴分別在n區(qū)和p區(qū)積累，兩端便產(chǎn)生電動勢，這稱為光生伏特效應，簡稱光伏效應。11/27/202412結(jié)型光伏探測器工作時可不加偏置電壓。如果加上反向偏壓，則入射輻射會使反向電流增加，這時觀測到的光電信號是光電流。加偏壓工作的探測器也常稱作光電二極管。光電二極管的伏安特性曲線如圖。在圖中標注了開路光電壓和短路光電流以說明兩種不同的工作狀態(tài)。入射輻射入射輻射光信號光信號電流

I暗電流飽和電流光電流無光照電壓V開路電壓短路光電壓11/27/202413

(4)光電磁探測器

原理：能量足夠的光子入射到半導體樣品上，通過本征吸收而產(chǎn)生電子一空穴對，在半導體樣品內(nèi)形成光生載流子濃度梯度，于是光生載流子將從濃度大的表面向濃度小的體內(nèi)擴散。在擴散過程中光生載流子切割磁力線。由于帶相反電荷的電子和空穴朝相同的方向運動以及磁場產(chǎn)生的洛倫茲力的作用，電子和空穴分別向樣品的兩端偏轉(zhuǎn)，于是在樣品兩端產(chǎn)生累積電荷，從而建立起一個電場即在材料的兩端產(chǎn)生電勢差。由于這個電勢差是光與磁同時作用而產(chǎn)生的，故稱其為光電磁效應。根據(jù)這個效應制作的探測器是光電磁探測器。因這種探測器工作時必須使用磁場，使用很不方便，因此應用不如前面幾種廣泛。入射輻射B-+11/27/202414光子探測器的特點是一種選擇性探測器，要產(chǎn)生光子效應，光子的能量要超過某一確定的值，即光子的波長要短于長波限。波長長于長波限的入射輻射不能產(chǎn)生所需的光子效應，因而也就不能被探出來。波長短于長波限的入射輻射，當功率一定時，波長越短，光子數(shù)就越少。因此理論上光子探測器的響應率(即單位輻射功率所產(chǎn)生的光信號)應與波長成正比。響應率波長11/27/202415

2．熱探測器光熱效應：材料吸收了光輻射能量以后溫度升高的現(xiàn)象稱為光熱效應。原理：入射光輻射與物質(zhì)中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動能量，這又引起物質(zhì)的溫度上升，從而導致與溫度有關(guān)的材料的某些物理性質(zhì)的變化。這與光子將能量直接轉(zhuǎn)移給電子的光電效應有本質(zhì)的不同。光熱效應與入射輻射的光子的性質(zhì)沒有關(guān)系。因此，熱效應一般與波長無關(guān)，即光電信號取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成份無關(guān)，即對光輻射的響應無波長選擇性，這是假定了輻射的吸收機理本身與波長無關(guān)，在大多數(shù)情況下，這一假定并不嚴格成立。11/27/202416光熱效應可以產(chǎn)生溫差電效應、電阻率變化效應、自發(fā)極化強度的變化效應、氣體體積和壓強的變化效應等等，利用這些效應可制作各種熱探測器。熱探測器的特點：無光譜選擇性不需制冷響應慢噪聲限制11/27/202417溫差電效應：當由兩種不同材料制成的兩個結(jié)點出現(xiàn)溫差時，在該兩點間就有電動勢產(chǎn)生，通過該兩點的閉合回路中就有電流流過，這就是溫差電效應。溫差電勢：在用不同的導體或半導體組成的具有溫度梯度的電路中，會有電動勢產(chǎn)生，這就是溫差電勢。原理：光輻射入射→溫度梯度→溫差電勢型式：熱電偶和熱電堆(1)測輻射溫差熱電偶和熱電堆11/27/202418原理：當吸收光輻射而溫度升高時，金屬的電阻會增加，而半導體材料的電阻會降低。從材料電阻變化可測定被吸收的光輻射功率。利用材料的電阻變化制成的熱探測器就是電阻測輻射熱器。用電阻溫度系數(shù)表征電阻的變化對金屬：對半導體：

(2)電阻測輻射熱器11/27/202419半導體材料的αT是負值，其絕對值大于金屬材料的αT值。當T＝300K，半導體材料的αT值約為－0.033，比金屬材料的αT值大一個數(shù)量級。低溫超導探測器材料在超導轉(zhuǎn)變溫度下的電阻值隨溫度的變化很大。材料吸收光輻射后產(chǎn)生的微小溫升就將引起樣品電阻的顯著變化。這種變化可以產(chǎn)生相當大的輸出信號電壓。由于使樣品保持在超導轉(zhuǎn)變溫度下的系統(tǒng)相當復雜，因而目前還沒有這類可供實用的探測器。11/27/202420熱釋電晶體：具有自發(fā)極化的特性，其自發(fā)極化強度隨溫度升高而下降的晶體。溫度升高，自發(fā)極化強度減小。（3）熱釋電探測器當溫度T等于某一特定溫度Tc時，極化晶體的自發(fā)極化強度為零，此稱極化晶體發(fā)生相變或退極化。極化晶體的相變分為一級相變和二極相變。Tc稱為居里溫度。一級相變二級相變11/27/202421熱電介質(zhì)：無外加電場的作用而具有電矩，且溫度變化時電矩的極性改變的介質(zhì)。熱電－鐵電體：外加電場能使自發(fā)極化矢量方向趨同，去掉外電場后，其極化特性保持不變的熱電介質(zhì)叫熱電－鐵電體。熱釋電探測器就是用這種熱電－鐵電體制成的。機理：當強度調(diào)制過的光輻射投射到熱釋電晶體上時，引起自發(fā)電極化強度隨時間的變化，結(jié)果在垂直于極化方向的晶體兩個外表面之間出現(xiàn)微小變化的信號電壓，因此可測定所吸收的光輻射功率。熱探測器的特點：無光譜選擇性、不需制冷、響應慢、噪聲限制11/27/202422§2－2光電探測器的性能參數(shù)一、光電探測器工作條件光電探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)，所以在給出性能參數(shù)時，要注明有關(guān)的工作條件。只有這樣，光電探測器才能互換使用。11/27/2024231．輻射源的光譜分布很多光電探測器，特別是光子探測器，其響應是輻射波長的函數(shù)，僅對一定的波長范圍內(nèi)的輻射有信號輸出。所以在說明探測器的性能時，一般都需要給出測定性能時所用輻射源的光譜分布。2.電路的通頻帶和帶寬因噪聲限制了探測器的極限性能，噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根，而且有些噪聲還是頻率的函數(shù)。所以在描述探測器的性能時，必須明確通頻帶和帶寬。3．工作溫度許多探測器，特別是用半導體材料制作的探測器，無論是信號還是噪聲，都和工作溫度有密切關(guān)系。所以必須明確工作溫度。最通用的工作溫度是：室溫(295K)、干冰溫度(195K)、液氮溫度(77K)、液氦溫度(4.2K)以及液氫溫度(20.4K)。11/27/2024244．光敏面尺寸

探測器的信號和噪聲都和光敏面積有關(guān)，大部分探測器的信號噪聲比與光敏面積的平方根成比例。參考面積一般為1cm2。5．偏置情況

大多數(shù)探測器需要某種形式的偏置。例如光電導探測器和電阻測輻射熱器需要直流偏置電源，光電磁探側(cè)器的偏置是磁場。信號和噪聲往往與偏置情況有關(guān)，因此要說明偏置的情況。6.光學視場7.背景溫度（紅外）11/27/202425二、有關(guān)響應方面的性能參數(shù)

1．響應率（響應度)Rv或RI

響應率是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)。定義為光電探測器的輸出均方根電壓VS或電流IS與入射到光電探測器上的平均光功率之比，并分別用RV和RI表示，即(V/W)(A/W)11/27/2024262．單色靈敏度單色靈敏度又叫光譜響應度，用Rλ表示，是光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測器上單色輻射通量(光通量)之比。即(V/W)(A/W)11/27/2024273．積分響應度

積分靈敏度表示探測器對連續(xù)輻射通量的反應程度。式中，λ0、λ1分別為光電探測器的長波限和短波限。提供數(shù)據(jù)時應指明采用的輻射源及其色溫。11/27/2024284．響應時間

響應時間：是描述光電探測器對入射輻射響應快慢的一個參數(shù)。即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。為衡量其長短，常用時間常數(shù)τ的大小來表示。當用一個輻射脈沖（方波）照射光電探測器，則光電探測器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從10％上升到90％峰值處所需的時間稱為探測器的上升時間，而把從如90％下降到10％處所需的時間稱為下降時間。11/27/2024295.頻率響應由于光電探測器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的調(diào)制頻率對光電探測器的響應有較大的影響。定義：光電探測器的響應隨入射輻射的調(diào)制頻率變化而變化的特性稱為頻率響應，其表達式為式中，R(f

)為頻率是f時的響應度；R0為頻率是零時的響應度；τ＝RC為時間常數(shù)。11/27/202430當R(f

)

／R0＝0.707時，可得光電探測器的上限截止頻率時間常數(shù)決定了光電探測器頻率響應的帶寬。

R(f)/R010.707R0f上f11/27/202431三、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)從響應度的定義來看，好像只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測出來。但事實并非如此。當入射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無法確定是否有光輻射入射在探測器上。這并不是探測器不好引起的，而是它所固有的“噪聲”引起的。如果對這些隨時間起伏的電壓(流)按時間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零，這個均方根電壓(流)稱為探測器的噪聲電壓(流)。噪聲的特點：固有；探測極限；平均為零；均方根不為零。11/27/2024321.信噪比（S/N）信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)，是在負載電阻RL上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比，即與入射輻射功率、光敏面積有關(guān)如果入射輻射強，接收面積大，S／N就大，但性能不一定就好。因此用S／N評價器件有一定的局限性。

11/27/202433

2．等效噪聲輸入(ENI)

它定義為器件在特定帶寬內(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的輸入通量（此時，其他參數(shù)，如頻率、溫度等應加以規(guī)定）。這個參數(shù)是在確定光電探測器件的探測極限(以輸入通量為瓦或流明表示)時使用。11/27/2024343.噪聲等效功率（NEP）（最小可探測功率Pmin）NEP定義為信號功率與噪聲功率之比為1（即S/N＝1）時，入射到探測器上的輻射通量(單位為W)。即NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。一般一個良好的探測器的NEP＝10－11W。僅用NEP這個指標，無法比較兩個器件的優(yōu)劣——有局限性。11/27/2024354.探測率D和比探測率(D*)NEP的倒數(shù)，D越大，光電探測器的性能就越好。描述光電探測器在它的噪聲電平之上產(chǎn)生一個可觀測的電信號的本領(lǐng)，即光電探測器能響應的入射光功率越小，則其探測率越高。實驗測量和理論分析表明，噪聲電壓VN與光電探測器光敏面積Ad的平方根成正比，與測量帶寬Δf

的平方根成正比。11/27/202436比探測率(D*)

歸一化的探測率稱為比探測率（測量帶寬1Hz，光敏面積為1cm2）。D*與RV的關(guān)系11/27/2024375．暗電流Id

即光電探測器在沒有輸入信號和背景輻射時所流過的電流(加電源時)。一般測量其直流值或平均值。11/27/202438四、其它參數(shù)1.量子效率η量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)，它是在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。每秒入射光量子數(shù)：每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)：于是：若η(λ)＝1(理論上)，則入射一個光量子就能發(fā)射一個電子或產(chǎn)生一對電子一空穴對；實際上，η(λ)<1。對于有增益的光電探測器(如光電倍增管等)，η(λ)會遠大于1。11/27/2024392．線性度線性度是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。即在規(guī)定的范圍內(nèi)，探測器的輸出電量精確地正比于輸入光量的性能。在這規(guī)定的范圍內(nèi)，探測器的響應度是常數(shù)，這一規(guī)定的范圍稱為線性區(qū)。線性度是輻射功率的復雜函數(shù)，是指器件中的實際響應曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差δ來度量式中Δmax為實際響應曲線與擬合直線之間的最大偏差；I1、I2分別為線性區(qū)中最小和最大的響應值。11/27/202440§2－3噪聲的統(tǒng)計特性噪聲是限制光電系統(tǒng)性能的決定性因素，是光電信號檢測中的不利因素。噪聲始終存在于光電探測系統(tǒng)的工作過程中。了解和掌握噪聲的統(tǒng)計特性，從而采用有效的措施對光電信號進行處理，把淹沒于噪聲中的光信號提取出來。11/27/202441一、噪聲的概率分布噪聲是一種隨機信號，任何時刻都不能預知其精確大小。（散粒噪聲、熱噪聲、產(chǎn)生－復合噪聲、溫度噪聲、電流噪聲）tvN(t)11/27/202442用數(shù)學語言描述，噪聲是一種連續(xù)型隨機變量，即它在某一時刻可能出現(xiàn)各種可能數(shù)值。噪聲電壓vN

(t)在t時刻的大小只能用概率密度p(vN)表示，它表示噪聲電壓vN(t)在

t

時刻取值為vN的概率。11/27/202443二、噪聲的功率譜密度噪聲的功率譜密度——噪聲功率的頻譜分布，用SN(f)表示

為在頻域（f，f＋Δf）之間噪聲頻譜分量的平均功率。

SN(f)的單位：A2/Hz。11/27/202444f/Hz1013~1014低頻噪聲白噪聲SN(f)高頻噪聲SN(f

)常數(shù)—白噪聲；SN(f

)不是常數(shù)—有色噪聲11/27/202445噪聲功率可由噪聲功率譜密度SN(f)在頻域上積分得到

一般光電系統(tǒng)中，噪聲受放大器帶寬（f1

，f2

）限制11/27/202446§2－4光電探測器的噪聲散粒噪聲熱噪聲產(chǎn)生－復合噪聲溫度噪聲電流噪聲11/27/202447一、散粒噪聲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產(chǎn)生所造成的噪聲。是一個一個的帶電粒子或電子引起的隨機起伏。

若為暗電流Id，則無光照時的暗電流噪聲功率為：若為光輻射產(chǎn)生的平均光電流Ip，則光輻射的散粒噪聲為：

（白噪聲）11/27/202448