光電探測(cè)器概述§2-1光電探測(cè)器簡(jiǎn)況與分類光輻射測(cè)量方法人眼照片膠片光電探測(cè)器光探測(cè)器一、前言

光探測(cè)器定義把光輻射轉(zhuǎn)換成另一種便于測(cè)量的物理量的器件。由于電量是最便于測(cè)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(cè)器D（detector）電量光輻射量

光電探測(cè)器定義

把光輻射轉(zhuǎn)換成電量（I或V）的光探測(cè)器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(ài)因斯坦發(fā)表的相對(duì)論而聞名于世1925年他獲得諾貝爾獎(jiǎng)是因發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)光熱效應(yīng)D光子效應(yīng)D金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，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(cè)輻射熱

當(dāng)光照物體時(shí)，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(gè)光子直接對(duì)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(dòng)勢(shì)

光電管、光電倍增管探測(cè)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\(yùn)動(dòng)，引起探測(cè)元件溫度上升；溫升使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化二、光電探測(cè)器的物理效應(yīng)分類光電探測(cè)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(cè)輻射熱計(jì)

熱電偶，熱電堆

熱釋電探測(cè)器

當(dāng)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光子效應(yīng)光子效應(yīng)單個(gè)光子直接對(duì)產(chǎn)生光電子起作用的光電效應(yīng)光子hν→光電子e特點(diǎn)光子與電子相互作用，對(duì)光波頻率吸收有選擇性響應(yīng)速度快光熱效應(yīng)

光熱效應(yīng)探測(cè)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\(yùn)動(dòng)，引起探測(cè)元件溫度上升；溫升使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。物理機(jī)理：熱積累↑

→溫度↑→材料電學(xué)性質(zhì)變化特點(diǎn)對(duì)光波頻率的吸收無(wú)選擇性響應(yīng)速度慢（但熱釋電D響應(yīng)快）光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。（光輻射量轉(zhuǎn)換成光電流量）光電探測(cè)器光輻射量

輸入

輸出

光電流量

三、光電轉(zhuǎn)換定律光通量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)響應(yīng)率(Responsivity)RV或RI若為常數(shù)――無(wú)選擇性探測(cè)器（光熱探測(cè)器）若不為常數(shù)――選擇性探測(cè)器（光子探測(cè)器）---描述光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換能力的一個(gè)重要參數(shù)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)2．光譜特性:I(t)[光電流]＝F(λ)[入射光波長(zhǎng)]響應(yīng)速度慢（但熱釋電D響應(yīng)快）比較兩種光電探測(cè)器性能時(shí)，必須在信號(hào)輻射功率相同的情況下才能比較。信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。如果入射輻射強(qiáng)，接吸面積大，S／N就大，但性能不一定好，所以S／N評(píng)價(jià)器件有一定局限性。探測(cè)率---NEP的倒數(shù)表征探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的能力若為常數(shù)――無(wú)選擇性探測(cè)器（光熱探測(cè)器）①如在衛(wèi)星上，要求探測(cè)器靈敏度高、功率低、重量輕。光照使材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化（2）÷（1）得——光電轉(zhuǎn)換定律★★★量子效率令:光電轉(zhuǎn)換因子D=①如在衛(wèi)星上，要求探測(cè)器靈敏度高、功率低、重量輕。散粒噪聲：在光輻射或熱激發(fā)作用下，光電探測(cè)器光電子或載流子隨機(jī)起伏造成的。響應(yīng)率(Responsivity)RV或RI響應(yīng)速度慢（但熱釋電D響應(yīng)快）3．偏置情況:大多數(shù)探測(cè)器需要偏置電壓,需要說(shuō)明偏置情況探測(cè)率---NEP的倒數(shù)3．偏置情況:大多數(shù)探測(cè)器需要偏置電壓,需要說(shuō)明偏置情況響應(yīng)率(Responsivity)RV或RI信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。001μW的信號(hào)光功率不能被探測(cè)器探測(cè)光敏元面積A和測(cè)量系統(tǒng)帶寬f上限截止頻率fc---輸出信號(hào)功率降到零頻時(shí)的一半（信號(hào)幅度下降到0.---當(dāng)入射輻射到光探測(cè)器上或入射輻射遮斷后，光探測(cè)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(shí)間NEP小---器件性能好（衡量光電器件探測(cè)能力的指標(biāo)）Ri---光電器件的電流靈敏度；電壓響應(yīng)率RV：探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Ve的能力。光照使材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化2．光譜特性:I(t)[光電流]＝F(λ)[入射光波長(zhǎng)]（光輻射量轉(zhuǎn)換成光電流量）二、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。溫升使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。探測(cè)率---NEP的倒數(shù)探測(cè)器理想光譜響應(yīng)曲線圖散粒噪聲：在光輻射或熱激發(fā)作用下，光電探測(cè)器光電子或載流子隨機(jī)起伏造成的。光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。響應(yīng)率(Responsivity)RV或RI3．偏置情況:大多數(shù)探測(cè)器需要偏置電壓,需要說(shuō)明偏置情況時(shí)間常數(shù)---衡量散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。結(jié)論①光電探測(cè)器對(duì)入射光通量（功率）有光電流輸出，所以探測(cè)器可視為電流源。②因?yàn)楣馔縋(t)正比于光電場(chǎng)的平方，故稱光電探測(cè)器為平方律探測(cè)器（非線性器件）。設(shè)計(jì)光電探測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該選擇什么光電探測(cè)器呢？依據(jù)之一是光電探測(cè)器的性能參量。①如在衛(wèi)星上，要求探測(cè)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。§2-2光電探測(cè)器的性能參數(shù)一、光電探測(cè)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(zhǎng)]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(cè)器的性能時(shí),必須明確通頻帶和帶寬3．偏置情況:大多數(shù)探測(cè)器需要偏置電壓,需要說(shuō)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(shuō)明探測(cè)器的性能時(shí),需要給出所用輻射源的光譜分布二、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(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的能力電流的響應(yīng)率RI:探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)Ie的能力。電壓響應(yīng)率RV：探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Ve的能力。1．定義：光電探測(cè)器在光電轉(zhuǎn)換時(shí)，要受到無(wú)用信號(hào)的干擾，稱為光電探測(cè)器的噪聲。光子hν→光電子eΔmax：實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差；探測(cè)率---NEP的倒數(shù)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)當(dāng)光照物體時(shí)，光電子不逸出體外的光電效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。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)---入射光輻射的頻率對(duì)光電探測(cè)器件的響應(yīng)會(huì)有較大影響對(duì)光波頻率的吸收無(wú)選擇性光電器件的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性---頻率響應(yīng)比較兩種光電探測(cè)器性能時(shí)，必須在信號(hào)輻射功率相同的情況下才能比較。探測(cè)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\(yùn)動(dòng)，引起探測(cè)元件溫度上升；（某一特定波長(zhǎng)下單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子與入射光子數(shù)之比）2．光譜特性:I(t)[光電流]＝F(λ)[入射光波長(zhǎng)]2.單色靈敏度Rλ---

波長(zhǎng)為

的單色輻射源單色靈敏度:輸出的光電流iλ與波長(zhǎng)為λ的入射到探測(cè)器的單色輻射光通量Pλ（或照度）之比若為常數(shù)――無(wú)選擇性探測(cè)器（光熱探測(cè)器）若不為常數(shù)――選擇性探測(cè)器（光子探測(cè)器）探測(cè)器理想光譜響應(yīng)曲線圖---光譜響應(yīng)度（描述光電器件對(duì)單色輻射的響應(yīng)能力）表示探測(cè)器對(duì)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(duì)于包含有各種波長(zhǎng)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(zhǎng)波限電流積分靈敏度---輸出的電流與入射的總的光輻射通量之比---

相對(duì)光譜響應(yīng)表示

光譜響應(yīng)---

光譜響應(yīng)度R

隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系以最大光譜響應(yīng)為基準(zhǔn)來(lái)表示各波長(zhǎng)的響應(yīng)

光譜響應(yīng)寬度---以峰值響應(yīng)的50%之間的波長(zhǎng)范圍定義---

描述光電器件對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)

4.響應(yīng)時(shí)間

---當(dāng)入射輻射到光探測(cè)器上或入射輻射遮斷后，光探測(cè)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(shí)間時(shí)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(shí)間---

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

下降時(shí)間tf光電探測(cè)器信號(hào)的產(chǎn)生和消失存在滯后過(guò)程5.頻率響應(yīng)度

---入射光輻射的頻率對(duì)光電探測(cè)器件的響應(yīng)會(huì)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(shí)的響應(yīng)度；

=2f為信號(hào)的調(diào)制圓頻率；f為調(diào)制頻率；為響應(yīng)時(shí)間上限截止頻率fc---

輸出信號(hào)功率降到零頻時(shí)的一半（信號(hào)幅度下降到0.707）R(f)/R0=0.707三、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(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比，（S――SignalN――Noise）比較兩種光電探測(cè)器性能時(shí)，必須在信號(hào)輻射功率相同的情況下才能比較。如果入射輻射強(qiáng)，接吸面積大，S／N就大，但性能不一定好，所以S／N評(píng)價(jià)器件有一定局限性。均方根值---

最小可測(cè)功率（輸出信號(hào)電流的均方根值等于噪聲均方根電流值時(shí)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(cè)量系統(tǒng)帶寬

f因?yàn)榍覄t即小于0.001μW的信號(hào)光功率不能被探測(cè)器探測(cè)求解NEP3.探測(cè)率與比探測(cè)率探測(cè)率---

NEP的倒數(shù)NEP小---

器件性能好（衡量光電器件探測(cè)能力的指標(biāo)）（W-1）D---描述器件在單位輸入光功率下輸出的信號(hào)信噪比歸一化探測(cè)率---比探測(cè)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(cè)量條件---D*(500K,900,1)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(gè)重要參數(shù)（某一特定波長(zhǎng)下單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子與入射光子數(shù)之比）波長(zhǎng)為的光輻射的單個(gè)光子能量為h=hc/設(shè)入射的波長(zhǎng)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(jì)平均量）

（）=1---

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

增益/放大倍數(shù)（有增益的光電器件）2.線性度線性度是描述光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。在某一范圍內(nèi)探測(cè)器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個(gè)范圍為線性區(qū)。非線性誤差：

δ＝Δmax/(I2–I1)Δmax：實(shí)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。§2-3

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

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(yùn)動(dòng)，真空管中電子的隨機(jī)發(fā)射，半導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)起伏物理系統(tǒng)內(nèi)部起伏干擾噪聲

無(wú)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)合散粒噪聲：在光輻射或熱激發(fā)作用下，光電探測(cè)器光電子或載流子隨機(jī)起伏造成的。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)。散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：散粒噪