光電探測復(fù)習資料

1、光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與其中的自由載流子濃度有關(guān)，某一溫度下存在自由載流子（熱平衡載流子），受到光照，材料吸收光輻射而產(chǎn)生新的載流子（光生載流子），使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。本征光電導(dǎo)效應(yīng)截止波長：光伏效應(yīng)：P區(qū)N區(qū)結(jié)區(qū)本征激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對，破壞原有的平衡，產(chǎn)生的少數(shù)載流子在內(nèi)建電場的作用下擴散。P區(qū)電子-N區(qū)-N區(qū)獲得附加負電荷；N區(qū)空穴-P區(qū)-P區(qū)獲得附加正電荷，結(jié)果P區(qū)電勢上升，N區(qū)電勢下降，導(dǎo)致PN結(jié)兩端形成了光生電動勢，此即為光伏效應(yīng)。光電發(fā)射效應(yīng)：某些金屬或半導(dǎo)體吸收光輻射而激發(fā)出自由電子，當其能力足以克服表面勢壘時，可逸出金屬或半導(dǎo)體表面而向真空發(fā)射光電子的現(xiàn)象。光

2、電子發(fā)射的三個過程：吸收光子，激發(fā)高能電子；向界面運動損失能量；電子越過表面勢壘逸出。響應(yīng)率R：光電探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換成電信號的能力。靈敏度：在可見光段響應(yīng)率叫做靈敏度。量子效率：每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)/每秒入射波長為的光子數(shù)。NEP：信號功率/噪聲功率為1時，入射到探測器上的信號功率。NEP(500，400，1)： 500為測量標準源為黑體，溫度為500K；400為調(diào)制頻率為400HZ；1為測量帶寬為1HZ。光譜響應(yīng)： 折線：光子探測器 曲線線性上升的原因：波長越長，每瓦功率的光子數(shù)越多，探測器對光子的吸收速率越快 R 直線：熱探測器 曲線突然下降的原因：存在紅限波長 響應(yīng)時間：描述探測器對

3、入射輻射響應(yīng)快慢的特性參量。時間常數(shù), 探測器的上限調(diào)制頻率噪聲：任何疊加在信號上不希望的隨機擾動或干擾，均稱為噪聲。來自系統(tǒng)外部；采取適當措施可減小或消除，多具有規(guī)律性來自系統(tǒng)內(nèi)部的材料，器件固有物理過程的自然擾動；一般是隨機的無規(guī)律，只是遵循統(tǒng)計規(guī)律白噪聲：噪聲功率與頻率f無光1/f噪聲：噪聲功率與頻率f成反比藍噪聲：噪聲功率與頻率f的平方成正比熱噪聲：電子的熱運動所引起的，通過截面的電子數(shù)存在均方偏差，即有電子漲落，因此導(dǎo)致了熱噪聲。熱噪聲功率： 熱噪聲電流：減少熱噪聲的手段：1）降溫；2）盡量縮短工作頻帶散粒噪聲：（白噪聲）探測器在光輻射作用或者熱激發(fā)下，光電子或載流子隨機產(chǎn)生所造成的

4、。產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：（與散粒噪聲本質(zhì)是相同的）半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生-復(fù)合的隨機性引起。電流噪聲（1/f噪聲）:又叫低頻噪聲閃爍噪聲過剩噪聲。半導(dǎo)體光電子發(fā)射效應(yīng)的優(yōu)點： 1)對入射光有較小反射系數(shù) 2）陰極層導(dǎo)電性適中，光電子向表面運動損失能量比金屬小 3）半導(dǎo)體內(nèi)存在大量的發(fā)射中心 4）有較小的逸出功，在光譜響應(yīng)區(qū)內(nèi)具有較高的量子數(shù)半導(dǎo)體光電發(fā)射的三個步驟：光子的吸收；光電子向表面運動，損耗部分能量；光電子克服表面勢壘逸出。光電陰極應(yīng)具備的三個條件： 1）光吸收系數(shù)大 2）光電子在體內(nèi)傳輸過程中能量損耗?。ㄊ挂莩錾疃却螅?3）電子親和勢低（使表面逸出概率高）常規(guī)光電陰極（PEA）：電子親和勢

5、是正的，代表材料：Ag-O-Cs合金PEA分類：單堿銻化物：銻銫陰極（CsSb） 多堿銻化物：Sb-Na-K-Cs材料產(chǎn)生負電子親和勢（NEA）的原因： 1）半導(dǎo)體表面能帶的彎曲；2）P型半導(dǎo)體體內(nèi)電子親和勢的減小NEA的特點： 1）量子效率高，有效逸出深度大； 2）光譜響應(yīng)率均勻，且光譜響應(yīng)延伸到紅外3）熱電子發(fā)射??； 4）光電子的能量集中，對提高光電成像器件的 光電倍增管（PMT）工作原理：利用光電發(fā)射和二次電子發(fā)射相結(jié)合，把微弱的光信號轉(zhuǎn)換為較大的電信號。光電倍增管（PMT）組成（5大結(jié)構(gòu)）：光窗，光電陰極，電子光學系統(tǒng)，倍增系統(tǒng)，陽極二次電子發(fā)射原理：二次電子發(fā)射過程與光電子發(fā)射頗為相

6、似，所不同的是二次電子發(fā)射是由初始電子而不是光子激發(fā)體內(nèi)電子產(chǎn)生的。陰極靈敏度（Sk）（積分靈敏度）：陽極靈敏度SA: 電流增益Gm： Gm的近似公式：與倍增極材料，倍增極間的電壓VD有關(guān) 3. 并聯(lián)電容的確定 最后幾級倍增極瞬間電流很大，使最后幾級分壓電阻的壓降產(chǎn)生突變，導(dǎo)致陽極電流飽和，PMT靈敏度下降。因此并聯(lián)上電容，使電阻上分壓基本不變CsSb倍增極： AgMgO倍增極：陽極接地： 優(yōu)勢：便于跟后面的放大器連接 缺陷：陰極處于負高壓，與接地的玻殼支架存在較高的電勢差，增加噪聲陰極接地： 優(yōu)勢：屏蔽效果好，噪聲電平低 缺陷：陽極正高壓導(dǎo)致寄生電容增大，匹配復(fù)雜，與放大器無法直接連接光電導(dǎo)

7、結(jié)果公式： M=載流子平均壽命/載流子渡越時間光電導(dǎo)探測器響應(yīng)率：電流響應(yīng)率： 電壓響應(yīng)率： 可見，VA上升，Ri也隨之上升，但VA升高將增加器件產(chǎn)生的焦耳熱，必須不能超過器件的額定功耗；i還與探測器光敏面積有關(guān)：入射功率一定時，光敏面越大，單位體積內(nèi)光吸收越小，光生載流子產(chǎn)生率越小，響應(yīng)率會下降。溫度特性： T上升，熱噪聲隨之上升，光生載流子壽命下降，器件靈敏度下降 光譜響應(yīng)峰值向短波移動HgCdTe碲鎘汞（CMT）：CMT通常在77K條件下工作，要保持在真空杜瓦瓶中冷卻。光伏探測器的工作模式：在光伏情況下一個光生電子空穴對對外回路所貢獻的總電荷量為：光伏探測器的內(nèi)電流增益等于1；光伏探測器

8、光電轉(zhuǎn)換關(guān)系為：一個PN結(jié)光伏探測器就等效為一個普通二極管和一個恒流源(光電流源)的并聯(lián)，如圖所示。IpIdRdCdRsRLVs它的工作模式則由外偏壓回路決定 等效電路：光伏探測器：利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。光伏探測器的響應(yīng)率： 電壓響應(yīng)率 弱光時近似為頻率特性：主要由三個因素決定： n：載流子擴散至結(jié)區(qū)的擴散時間 d：光生載流子在電場作用下通過結(jié)區(qū)的漂移時間 c：結(jié)電容Cd與負載電阻RL所決定的時間常數(shù)一般限制器件頻率特性的主要是 c，而 n比d大兩個數(shù)量級，因此光敏面一般做得比較薄。 ，Cd與結(jié)面積成正比，與耗盡層厚度成反比，而耗盡層厚度與反向偏置電

9、壓成正比。因此，要使 c減小，需減小Cd即結(jié)面積，增大反向偏壓，不過反向偏壓增大導(dǎo)致耗盡層厚度增大，又會使 d增大 ，對高頻不利；RL減小， c也有減小，但此時輸出電壓會降低，需視具體情況而定。硅光電池結(jié)構(gòu)：國產(chǎn)同質(zhì)結(jié)硅光電池因襯底材料導(dǎo)電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。2CR系列硅光電池是以N型硅為襯底，P型硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，前極多作成梳狀。襯底方面的電極稱為后極或下電極。為了減少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同時也可以起到防潮，防腐蝕的保護作用。 PIN光電

10、二極管（2DUL）：快速光電二極管結(jié)構(gòu)特點：在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。1）I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。2）增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。3）反向偏壓主要集中在I區(qū)，I區(qū)內(nèi)形成高電場區(qū)，載流子渡越時間非常短，響應(yīng)速度得以提升 4）引入I層加大了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，靈敏度得以提升5）增加了對長波的吸收，提高了長波靈敏度不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi) ，此組件的優(yōu)點為噪聲小，供電電壓低，工作

11、穩(wěn)定雪崩光電二極管APD：利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞產(chǎn)生新的電子-空穴對，如此反復(fù)，形成電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達到幾百。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。由于這時出現(xiàn)的散粒噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至器件無法使用。 APD應(yīng)用的特點：1）具有內(nèi)增益，降低了對前置放大器的要求2）工作電壓比較高，影響了使用范圍3）APD性能與光功率有關(guān) 入射光功率低時（1納瓦幾微瓦），倍增電流與入射光有

12、較好的線性 入射光功率過大時，倍增系數(shù)反而會降低 廣泛用于光纖通信，弱信號檢測，激光測距等2LXAI0I2I1光電三極管3DU的工作原理：正常運用時，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。當光照到集電結(jié)上時，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流Ic（1）Ip，為電流增益系數(shù)。PSD的工作原理：根據(jù)上式就能確定光斑能量中心對于器件中心的位置XAPSD的分類： 一維：感光面多做成細長矩形 二維：a）兩面分離型 PSD兩個面都是均勻電阻層，兩對互相垂直的電極位于上下兩個表面 b）表面分離型光電開關(guān)，光電耦合用途：光電開關(guān)多用于光電

13、計數(shù)、報警、安全保護、無接觸開關(guān)，及各種光電控制等方面。光電耦合器多用于電位隔離、電平匹配、抗干擾電路、邏輯電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、長線傳輸、過流保護，及高壓控制等方面熱電偶熱電堆基本原理：溫差電效應(yīng)測輻射熱計工作原理：熱敏效應(yīng)，基于某些導(dǎo)體材料吸收入射輻射，溫度發(fā)生變化而使其阻值發(fā)生變化，引起負載兩端電壓變化而輸出電信。熱釋電響應(yīng)率提升方式： ：取決于材料本身特性dT/dt： 1.吸收率越大2熱容越小 3滿足貸款要求的條件下，盡量取高放大器輸入阻抗RA溫度變化速率越大，響應(yīng)率越大探測方法：外差探測光電成像器件的類型：1.掃描型 真空電子束掃描型；光電型：光電導(dǎo)式和光電發(fā)射式；熱電型：熱釋電攝像管

14、固體自掃描型：電荷耦合攝像器件2.非掃描型：直視型電真空像管 變相管：紅外變像管；紫外變像管；X射線變像管像增強管：串聯(lián)式像增強管；級聯(lián)式像增強管；微通道板式像增強管；負電子親和勢陰極攝像管真空攝像管：電視制式1電視圖像的寬高比：觀測試驗得，W:H = 4:32幀頻與場頻：電影畫面重復(fù)頻率不得低于每秒48次。電影采用每秒投影24幅畫面，兩幅之間用遮光伐擋一次。電視場采用隔行掃描，奇數(shù)場/偶數(shù)場，兩場合為一幀。即場頻50Hz，幀頻25Hz。PAL制式，每幀畫面625行，行正程52us，行逆程12us。NTSC制式60Hz。真空攝像管的光電特性：IP=kEr ,r=1,IP與E成比例，電視信號的灰

15、度等級均勻。R1，電視性號有均勻的灰度畸變，但此時在低照度下的靈敏度有相對的增加，高照度下的光電特性呈一定的飽和狀態(tài)。R=1有利于提高暗場時的信噪比，r1有利于擴展動態(tài)范圍，r1是不適用的光電導(dǎo)攝像管的三個基本功能：光電轉(zhuǎn)換、光電信號存儲、掃描輸出CCD固體攝像器件：Charge-Coupled Devices 1970年由貝爾實驗室首先研制出來。特點：體積小、重量輕、靈敏度高、壽命長、功耗低、動態(tài)范圍大。主要應(yīng)用領(lǐng)域：攝像、信號處理、存儲、方位測量、遙感遙測、圖像制導(dǎo)、圖像識別、傳真、掃描儀、自動精密測量（高分辨率、高可靠性、高準確度）CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理：MOS管的結(jié)構(gòu)：溝道反型層?xùn)烹妷?/p>

16、VG 閾值電壓Vth柵極電壓VG上升，表面勢也變大，勢阱存儲的少子也越多（將電極下的溝道看作一少子勢阱時）CCD要存儲有用的信號電荷，必須工作在非熱平衡條件下，即信息電荷的存儲時間小于熱馳豫時間CCD的傳輸原理：二相結(jié)構(gòu)的電荷傳輸原理；三相結(jié)構(gòu)的電荷傳輸原理CCD分類：表面N型溝道CCD；表面P型溝道CCD（SCCD）；體溝道（埋溝道）CCD（BCCD）CCD的主要參量：1）電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率Q0:電荷包的原電量Q1：轉(zhuǎn)移到下一個勢阱時電荷包的電量N個電極時，有電荷包轉(zhuǎn)移不完全的原因：表面態(tài)對電子的俘獲；時鐘頻率過高減少損耗，采用偏置電荷技術(shù)（“胖零”技術(shù)）注入一定數(shù)量的背景電荷使界面態(tài)

17、經(jīng)常處于被填滿的狀態(tài)，從而減少界面態(tài)對信號電荷的俘獲作用 ；BCCD避免表面態(tài)俘獲2）時鐘頻率的上下限（CCD必須工作在非熱平衡態(tài)）頻率過低：信息電荷存儲時間熱馳豫時間；熱生載流子會混入到信息電荷包中引起失真頻率過高：電荷包來不及轉(zhuǎn)移完全，勢阱就改變了大致估計：下限FT：t t：電荷包在相鄰兩電極之間的轉(zhuǎn)移時間 ：非平衡載流子的平均壽命三相CCD： 二相CCD：上限f上：取決于電荷包轉(zhuǎn)移的損失率 三相CCD： 二相CCD： 0：要求的損失率 D：CCD勢阱中電量因擴散作用衰減的時間常量3）光譜特性受光方式正面受光：由于電極多次反射散射，響應(yīng)率降低，其干涉效應(yīng)使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)起伏，峰值的銳利度

18、下降背面受光：光譜響應(yīng)曲線與光電二極管類似4）光電特性CCD最小照度受噪聲限制，最大照度受電荷處理容量的限制低照度下，輸出與照度有良好的線性關(guān)系，照度增大，輸出逐漸趨于飽和5）暗電流和噪聲散粒噪聲：光注入電注入熱產(chǎn)生的信號電荷包電子數(shù)總有起伏轉(zhuǎn)移噪聲：由轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)俘獲所引起，具有兩個特點： a）積累性：噪聲在轉(zhuǎn)移過程中逐次積累起來 b）相關(guān)性：相鄰電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲是相關(guān)的熱噪聲：信號電荷注入輸出時引起的噪聲，相當于電阻熱噪聲和電容的總寬帶噪聲之和6）分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)分辨率：電視線表示方式TVL/H，用1/像元間距表示CCD的不足之處： a 驅(qū)動電路與信號電路難與成像單元集成，系統(tǒng)為多

19、芯片系統(tǒng) b 為獲得信號完整性，需要像元間近似完美的轉(zhuǎn)移 c 時鐘脈沖復(fù)雜，需要相對高的工作電壓，不能與VLSI技術(shù)兼容 d 圖像信息不能隨機讀取CMOS與CCD的優(yōu)缺點對比：早期CMOS：采用被動像元（PPS），成像質(zhì)量差，像敏單元尺寸小，填充率低，響應(yīng)速度慢現(xiàn)期CMOS：1989年后，采用主動像元（APS），提高了光電靈敏度，減小了噪聲，擴大了動態(tài)范圍。一些性能與CCD相接近。功能功耗尺寸價格方面優(yōu)于CCD結(jié)構(gòu)上的區(qū)別：最大區(qū)別- -ADC的位置和數(shù)量不同CCD：曝光之后，進行像素轉(zhuǎn)移處理，像素中的電荷信號依序傳入“緩沖器”中，由底端線路引導(dǎo)輸出至CCD旁的放大器進行放大，再串聯(lián)ADC輸出

20、CMOS：每個像素旁就直接連接著ADC（放大兼類比數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器），訊號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號性能上的主要差異： 1）ISO感光度差異 2）成本差異 3）解析度差異 4）噪點差異 5）耗電量差異像敏單元結(jié)構(gòu) a）無源像素結(jié)構(gòu)（PPS）（被動單元）b）有源像素結(jié)構(gòu)（APS）（主動單元）圖像增強器工作原理：又稱微光管像管，將微弱光通過光電陰極的光電轉(zhuǎn)換電子倍增器增強熒光屏電-光轉(zhuǎn)換，再現(xiàn)為可見圖像內(nèi)無掃描機構(gòu)無視頻信號輸出. 圖像增強器三個基本組成部分：光電陰極電子光學系統(tǒng)熒光屏光束調(diào)制原理：應(yīng)用某種物理方法改變光波的振幅頻率相位強度偏振等參量，使其按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。光束調(diào)制分類：內(nèi)調(diào)制：

21、加載信號在激光振蕩過程中進行，以調(diào)制信號改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激 光器輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制外調(diào)制：激光形成之后，在激光器的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理性能，當激光束通過調(diào)制器時，使光波的某個參量受到調(diào)制1）振幅調(diào)制 2）頻率調(diào)制和相位調(diào)制 3）強度調(diào)制 4）脈沖調(diào)制：脈沖編碼調(diào)制 脈沖幅度調(diào)制 脈沖寬度調(diào)制 脈沖頻率調(diào)制 脈沖位置調(diào)制強度調(diào)制 3. 電光調(diào)制 4. 聲光調(diào)制 5. 磁光調(diào)制 6. 直接調(diào)制電光調(diào)制的原理：基于電光效應(yīng)，電光效應(yīng)某些介質(zhì)的折射率在外加電場的作用下，由于極化現(xiàn)象而出現(xiàn)光學性能的改變，影響到光波在晶體中傳播特性的一種現(xiàn)象。噪聲：1）光子噪聲：所輻

22、射的光子數(shù)按能量分布遵循波色-愛因斯坦分布（全同粒子，自旋為整數(shù)），此分布為統(tǒng)計分布，輻射的光子速率或光功率存在起伏，由此會在探測器輸出信號中帶來起伏即噪聲2）溫度噪聲：光輻射功率的漲落，在熱探測器中引起探測器探測溫度的漲落放大器的En-In模型放大器內(nèi)部的噪聲用一個在放大器外部連接的噪聲電壓源En和一個噪聲電流源In來代替，則放大器被等效為VsEnsRsZi有噪聲VsEnsRsZi無噪聲InEnVs：信號源 Rs：信號源內(nèi)阻 Ens：Rs的噪聲 Zi：放大器的輸入阻抗 En：放大器內(nèi)部噪聲的等效噪聲電壓源 In：放大器內(nèi)部噪聲的等效噪聲電流源 若考慮En與In之間的相關(guān)性，r為相關(guān)系數(shù)，則

23、在公式中，等式右邊En2項與Rs無關(guān)，EnsInRs都與Rs有關(guān)，因此Rs很小時，Eni2中主要是En2，此時Eni2En2Rs很大時，Eni2中主要是Ens2In2Rs2，且Ens2Rs，In2Rs2 Rs2，所以主要是In2起作用，此時Eni2In2Rs2據(jù)此，得到測量En，In的方法：1）放大器輸入端短路，Rs=0，此時輸出端測得的噪聲電壓均方根值為AvEn，用Av除之得到En2）取一高阻作為Rs，測出輸出端噪聲電壓均方根值為KvInRs，除以KvRs，得到In放大器的噪聲系數(shù)： 除了用等效輸入噪聲外，還使用噪聲系數(shù)F來衡量放大器的噪聲指標 Eno2：放大器輸出的總噪聲Kp：系統(tǒng)的功率增益EnA2：放大器內(nèi)部的噪聲源在放大器輸出端產(chǎn)生的噪聲噪聲匹配：噪聲系數(shù)F改寫為 Rs=En/In（放大器的最佳源電阻（Rs）opt）時，F(xiàn)取最小噪聲的測量 噪聲均方根值 表示： 理論上要求V(t) 都具有無窮大的范圍“真均方根電壓表”：具有動態(tài)范圍和積分時間兩項性能指標起伏量的峰值因子 白噪聲幅值分布用高斯分布精確的描述，其概率密度函數(shù)為 通常取 =3，即3法則信號噪聲分析：偏置電流增大，輸出電壓（取出的信號）隨之增大，噪聲輸出隨之