第二章光電探測(cè)器1.

1、第二章第二章 光電探測(cè)器光電探測(cè)器光電檢測(cè)器件光電檢測(cè)器件光子探測(cè)器光子探測(cè)器熱探測(cè)器熱探測(cè)器光電發(fā)射探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器光伏探測(cè)器測(cè)輻射熱熱釋電l2.12.1光電探測(cè)器的物理基礎(chǔ)光電探測(cè)器的物理基礎(chǔ)l2.22.2光電探測(cè)器的特性參數(shù)光電探測(cè)器的特性參數(shù)l2.3 2.3 光電探測(cè)器的噪聲光電探測(cè)器的噪聲l2.42.4光電探測(cè)器光電探測(cè)器l2.52.5光電探測(cè)器的偏置與放大光電探測(cè)器的偏置與放大2.1 2.1 光電探測(cè)器的物理基礎(chǔ)光電探測(cè)器的物理基礎(chǔ)l定義：當(dāng)光輻射入射到到定義：當(dāng)光輻射入射到到光電材料光電材料上時(shí)，上時(shí)，材料材料發(fā)射電子發(fā)射電子，或其，或其電導(dǎo)率發(fā)生變化，電導(dǎo)率發(fā)生變化，或或產(chǎn)生

2、光電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等等。u發(fā)射電子：外光電效應(yīng)發(fā)射電子：外光電效應(yīng)u電導(dǎo)率發(fā)生變化電導(dǎo)率發(fā)生變化、產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)：內(nèi)光電效應(yīng)。產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)：內(nèi)光電效應(yīng)。一、光電效應(yīng)l內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：光電材料：光電材料受到受到光照后所產(chǎn)生的光光照后所產(chǎn)生的光電子只在材料內(nèi)部而不會(huì)逸出材料外部電子只在材料內(nèi)部而不會(huì)逸出材料外部多發(fā)生多發(fā)生在半導(dǎo)體材料。在半導(dǎo)體材料。l內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)又分為又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)l光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生產(chǎn)生光生載流子載流子，使半導(dǎo)體中，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減載流子數(shù)顯著增加而電阻減

3、少少的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)：本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)非本征非本征光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)0/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的長(zhǎng)波限光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)：本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)非本征非本征光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)0/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的長(zhǎng)波限 半導(dǎo)體可分為半導(dǎo)體可分為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體.P.P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體.N.N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體：硅和鍺都是半導(dǎo)體，而純硅和鍺晶體本征半導(dǎo)體：硅和鍺都是半導(dǎo)體，而純硅和鍺晶

4、體稱本征半導(dǎo)體。硅和鍺為稱本征半導(dǎo)體。硅和鍺為4 4價(jià)元素，其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。價(jià)元素，其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。半導(dǎo)體類型半導(dǎo)體類型雜質(zhì)半導(dǎo)體的形成：雜質(zhì)半導(dǎo)體的形成：通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。 N N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：由于雜質(zhì)原子的最由于雜質(zhì)原子的最外層有外層有5 5個(gè)價(jià)電

5、子，所以除了與周圍個(gè)價(jià)電子，所以除了與周圍硅原子形成共價(jià)鍵外，還多出一個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵外，還多出一個(gè)電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就可使它們成為自由電子，顯負(fù)電性?？墒顾鼈兂蔀樽杂呻娮?，顯負(fù)電性。這這N N是從是從“NegativeNegative（負(fù)）（負(fù)）”中取中取的第一個(gè)字母。的第一個(gè)字母。結(jié)論：結(jié)論： N N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：是靠自由電子導(dǎo)電，摻入是靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。性能也就越強(qiáng)。l 多子：多子：N N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度

6、大于空穴的濃型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。度，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。l 少子：少子：空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。l 施主原子：施主原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。 P P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：在純凈的在純凈的4 4價(jià)本征半導(dǎo)體（如硅晶體）中混價(jià)本征半導(dǎo)體（如硅晶體）中混入了入了3 3價(jià)原子，譬如極小量（一千萬(wàn)之一）的硼合成晶體，價(jià)原子，譬如極小量（一千萬(wàn)之一）的硼合成晶體，使之取代晶格中硅原子的位置，形成使之取代晶格中硅原子的位置，形成P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。u空穴的產(chǎn)生：空穴的產(chǎn)生

7、：由于雜質(zhì)原子的由于雜質(zhì)原子的最外層有最外層有3 3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它們與周個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它們與周圍的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生圍的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)了一個(gè)“空位空位”（空位電中性），（空位電中性），當(dāng)硅原子外層電子由于熱運(yùn)動(dòng)填補(bǔ)當(dāng)硅原子外層電子由于熱運(yùn)動(dòng)填補(bǔ)此空位時(shí)，雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)此空位時(shí)，雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)的負(fù)離子，同時(shí)，在硅原子的共價(jià)的負(fù)離子，同時(shí)，在硅原子的共價(jià)鍵中產(chǎn)生一個(gè)鍵中產(chǎn)生一個(gè)空穴空穴 ，由于少一電，由于少一電子，所以帶正電。子，所以帶正電。P型取型取“Positve（正）（正）”一詞的第一個(gè)字母。一詞的第一個(gè)字母。P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體結(jié)論：結(jié)論：1 1、多子的濃

8、度決定于雜質(zhì)濃度。、多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。原因：原因：摻入的雜質(zhì)摻入的雜質(zhì)使多子的數(shù)目大大增加，使多子與少子復(fù)合的機(jī)會(huì)大使多子的數(shù)目大大增加，使多子與少子復(fù)合的機(jī)會(huì)大大增多。因此，對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，多子的濃度愈高，大增多。因此，對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，多子的濃度愈高，少子的濃度就愈低。少子的濃度就愈低。2 2、少子的濃度決定于溫度。、少子的濃度決定于溫度。原因：原因：少子是本征激發(fā)少子是本征激發(fā)形成的，與溫度有關(guān)。形成的，與溫度有關(guān)。多子：多子：P P型半導(dǎo)體中，多子為空穴。型半導(dǎo)體中，多子為空穴。 少子：少子：為電子。為電子。受主原子：受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。雜質(zhì)原子中的空

9、位吸收電子，稱受主原子。l 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體光照在半導(dǎo)體P-NP-N結(jié)、結(jié)、P-i-NP-i-N結(jié)、金結(jié)、金屬屬- -半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PNPN結(jié)、結(jié)、P-i-NP-i-N結(jié)、金屬結(jié)、金屬- -半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì)。l PNPN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PNPN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電光生電子拉向子拉向N N區(qū)，光生空穴拉向區(qū)，光生空穴拉向P P區(qū)區(qū)，相當(dāng)于，相當(dāng)于PNPN結(jié)上加一結(jié)上加一個(gè)正電壓。個(gè)正電

10、壓。l 半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將；如將PNPN結(jié)短結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流光生電流）。）。光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光照光照零偏零偏PN結(jié)結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)光電池光電池。光照光照反偏反偏光電信號(hào)是光電流光電信號(hào)是光電流結(jié)型光電探測(cè)器結(jié)型光電探測(cè)器的工作原理的工作原理光電二極管光電二極管。光電池的概念 光電池：光電池：是指利是指利用光生伏特效應(yīng)直用光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電接把光能轉(zhuǎn)化成電能的器件，也叫能的器件，也叫太太陽(yáng)能電池陽(yáng)能電池光電池驅(qū)動(dòng)的涼帽光電池驅(qū)動(dòng)的涼帽注意注意光伏效

11、應(yīng)由于是少數(shù)載流子過(guò)程，少數(shù)載流子壽命光伏效應(yīng)由于是少數(shù)載流子過(guò)程，少數(shù)載流子壽命通常短于多數(shù)載流子壽命，當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合掉時(shí)，通常短于多數(shù)載流子壽命，當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合掉時(shí)，光伏信號(hào)就終止了。所以響應(yīng)速度比用相同材料制光伏信號(hào)就終止了。所以響應(yīng)速度比用相同材料制作的光電導(dǎo)探測(cè)器快。作的光電導(dǎo)探測(cè)器快。常用器件常用器件:光電池、光電二極管、光電三極管、光電池、光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極雪崩光電二極管管(APD)、PINPIN光電二極管光電二極管外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)：光電發(fā)射效應(yīng)：愛(ài)因斯坦方程：愛(ài)因斯坦方程：光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) ：在光照下，物體：在光照下，物體向表面以外

12、空間發(fā)向表面以外空間發(fā)射電子射電子(即光電子即光電子)的現(xiàn)象的現(xiàn)象多發(fā)生于多發(fā)生于金屬和金屬氧金屬和金屬氧化物，化物，光電管中的光陰極。光電管中的光陰極。截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)EhEk光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生波長(zhǎng)表示：波長(zhǎng)表示：)(24. 1)(eVEmc光電發(fā)射體的功函光電發(fā)射體的功函數(shù)數(shù)物理意義：如果發(fā)射體內(nèi)的電子所物理意義：如果發(fā)射體內(nèi)的電子所吸收的光子能量大于發(fā)射體的吸收的光子能量大于發(fā)射體的功函數(shù)的值功函數(shù)的值，那么電子就能以相應(yīng)的速度從發(fā)射體表面逸出。，那么電子就能以相應(yīng)的速度從發(fā)射體表面逸出。 光電子發(fā)射探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器真空光電管真空光電管:真空光電管由光電陰極和陽(yáng)極構(gòu)成

13、，真空光電管由光電陰極和陽(yáng)極構(gòu)成，用于響用于響應(yīng)要求極快的場(chǎng)合應(yīng)要求極快的場(chǎng)合充氣光電管充氣光電管光電倍增管光電倍增管,應(yīng)用最廣，內(nèi)部有電子倍增系統(tǒng)，因而有很應(yīng)用最廣，內(nèi)部有電子倍增系統(tǒng)，因而有很高的電流增益，高的電流增益，能檢測(cè)極微弱的光輻射信號(hào)能檢測(cè)極微弱的光輻射信號(hào)。 光電子發(fā)射探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器主要是可見(jiàn)光探測(cè)器主要是可見(jiàn)光探測(cè)器，因?yàn)閷?duì)紅，因?yàn)閷?duì)紅外輻射響應(yīng)的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極和新發(fā)外輻射響應(yīng)的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極和新發(fā)展的負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極，它們的響應(yīng)波長(zhǎng)也只擴(kuò)展展的負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極，它們的響應(yīng)波長(zhǎng)也只擴(kuò)展到到125m，只適用于近紅外的探測(cè)，因此在紅

14、外系統(tǒng)，只適用于近紅外的探測(cè)，因此在紅外系統(tǒng)中應(yīng)用不多。中應(yīng)用不多。 二、光熱效應(yīng)l光熱效應(yīng)：光熱效應(yīng)：材料受光照射后，材料受光照射后，光子能量與晶格相光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化化。（入射光的加熱作用引起物質(zhì)特性變化）。（入射光的加熱作用引起物質(zhì)特性變化）u熱釋電效應(yīng)：熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)（如硫酸三甘肽、鈮酸鋰、鈮酸鍶鋇介質(zhì)（如硫酸三甘肽、鈮酸鋰、鈮酸鍶鋇等）受光照射溫度升高，從而在晶體特定方向上由于自等）受光照射溫度升高，從而在晶體特定方向上由于自發(fā)極化強(qiáng)度隨隨溫度變化而引起表面電荷的變化。發(fā)極化強(qiáng)度隨隨溫度變化而引

15、起表面電荷的變化。 光輻射強(qiáng)度變化光輻射強(qiáng)度變化晶體溫度變化晶體溫度變化自發(fā)極化強(qiáng)度變化自發(fā)極化強(qiáng)度變化 當(dāng)當(dāng)強(qiáng)度調(diào)制過(guò)強(qiáng)度調(diào)制過(guò)的光輻射投射到熱釋電晶體上時(shí)，引起自的光輻射投射到熱釋電晶體上時(shí)，引起自發(fā)電極化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，結(jié)果在垂直于極化方向的發(fā)電極化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，結(jié)果在垂直于極化方向的晶體兩個(gè)外表面之間出現(xiàn)微小變化的信號(hào)電壓，由此可晶體兩個(gè)外表面之間出現(xiàn)微小變化的信號(hào)電壓，由此可測(cè)定所吸收的光輻射功率測(cè)定所吸收的光輻射功率輻射熱計(jì)效應(yīng)（電阻溫度效應(yīng)）：輻射熱計(jì)效應(yīng)（電阻溫度效應(yīng)）：入射光的照射使材入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象u當(dāng)吸

16、收光輻射而溫度升高時(shí)，金屬的電阻會(huì)增加，當(dāng)吸收光輻射而溫度升高時(shí)，金屬的電阻會(huì)增加，而半導(dǎo)體材料的電阻會(huì)降低而半導(dǎo)體材料的電阻會(huì)降低u從材料電阻變化可測(cè)定被吸收的光輻射功率。利用從材料電阻變化可測(cè)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(cè)器就是材料的電阻變化制成的熱探測(cè)器就是電阻測(cè)輻射熱電阻測(cè)輻射熱計(jì)計(jì)u材料的電阻與溫度的關(guān)系可用材料的材料的電阻與溫度的關(guān)系可用材料的電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)T T來(lái)表征。來(lái)表征。電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)T T材料溫度從材料溫度從T T改變到了改變到了T+TT+T，材料的阻值改變量為：，材料的阻值改變量為：R=R=T TRT RT 當(dāng)當(dāng)TT足夠小時(shí)，則

17、有：足夠小時(shí)，則有： dR = dR = T T RdT RdT由此得到：由此得到： T T = = l 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)T T與材料的種類和溫度有關(guān)與材料的種類和溫度有關(guān)。l 在室溫下金屬材料的在室溫下金屬材料的T T約為約為0.00330.0033。半導(dǎo)體材料的。半導(dǎo)體材料的T T值約為值約為-0.033-0.033；比金屬材料的；比金屬材料的T T值大一個(gè)數(shù)量值大一個(gè)數(shù)量級(jí)。級(jí)。 dTdRR1 溫差電效應(yīng)：溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)在兩結(jié) 點(diǎn)間產(chǎn)生點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流。，回路中產(chǎn)生電流。 當(dāng)兩種不同的當(dāng)兩種不同的

18、配偶材料配偶材料(金屬或半導(dǎo)體金屬或半導(dǎo)體)兩端并聯(lián)兩端并聯(lián) 熔按時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中熔按時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中 就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)特點(diǎn)特點(diǎn)l 所有熱探測(cè)器，在理論上對(duì)一切波長(zhǎng)都具有相同所有熱探測(cè)器，在理論上對(duì)一切波長(zhǎng)都具有相同的響應(yīng)，因而的響應(yīng)，因而是非選擇性探測(cè)器是非選擇性探測(cè)器。這和光子探測(cè)。這和光子探測(cè)器在光譜響應(yīng)上的主要區(qū)別。器在光譜響應(yīng)上的主要區(qū)別。l 熱探測(cè)器除低溫測(cè)輻射熱器外熱探測(cè)器除低溫測(cè)輻射熱器外一般無(wú)需致冷一般無(wú)需致冷。l 熱探測(cè)器的熱探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間比光子探測(cè)器長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間比光子探測(cè)器長(zhǎng)，（取決于，（

19、取決于熱探測(cè)器熱容量的大小和散熱的快慢）熱探測(cè)器熱容量的大小和散熱的快慢） 典型光電探測(cè)器的物理效應(yīng)典型光電探測(cè)器的物理效應(yīng): : 光電效應(yīng)光電效應(yīng)u光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) u光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) u光伏效應(yīng)光伏效應(yīng) 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)u溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng)u熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)三、光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換定律: 光電轉(zhuǎn)換：把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過(guò)程。光電轉(zhuǎn)換：把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過(guò)程。光電轉(zhuǎn)換定律光功率： dtdnhvdtdEtP光光電流： dtdnedtdQti電二者關(guān)系二者關(guān)系：D：探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子：探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子 tDPti代入上式中，可得：代入

20、上式中，可得：hveD )()(tPhveti 其中其中 稱為探測(cè)器的量子效率，它表示稱為探測(cè)器的量子效率，它表示探測(cè)器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比，它是探測(cè)器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比，它是探測(cè)器物理性質(zhì)的函數(shù)。探測(cè)器物理性質(zhì)的函數(shù)。dtdndtdn光電光電探測(cè)器對(duì)光電探測(cè)器對(duì)入射光功率入射光功率有響應(yīng)有響應(yīng), ,響應(yīng)量是響應(yīng)量是光電流光電流。因此因此, ,一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源。一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源。因?yàn)橐驗(yàn)楣夤β使夤β蔖 P正比于光電場(chǎng)的平方正比于光電場(chǎng)的平方, ,故常常把光電探故常常把光電探測(cè)器稱為測(cè)器稱為平方律探測(cè)器平方律探測(cè)器?；蛘哒f(shuō)。或者說(shuō), ,光電探測(cè)器

21、本質(zhì)上光電探測(cè)器本質(zhì)上一個(gè)一個(gè)非線性器件非線性器件。 基本的光電轉(zhuǎn)換定律：基本的光電轉(zhuǎn)換定律：2.2 2.2 光電探測(cè)光電探測(cè)器的特性參數(shù)器的特性參數(shù)光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測(cè)器的光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測(cè)器的性能性能進(jìn)行設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而探測(cè)器的性能由的，而探測(cè)器的性能由特定工作條件特定工作條件下的一些參數(shù)來(lái)下的一些參數(shù)來(lái)表征。表征。l實(shí)際參量實(shí)際參量l參考參量參考參量l測(cè)量條件測(cè)量條件30一、光電探測(cè)器的工作條件一、光電探測(cè)器的工作條件光電探測(cè)器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)，光電探測(cè)器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)，在給出性能參數(shù)時(shí)，在給出性能參數(shù)時(shí)，要注明有關(guān)的工作條件要注明有關(guān)的

22、工作條件。這一。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)橹挥羞@樣，光電探測(cè)器才能點(diǎn)很重要，因?yàn)橹挥羞@樣，光電探測(cè)器才能互換使互換使用用。主要工作條件有：主要工作條件有：1 1輻射源的輻射源的光譜分布光譜分布 2 2電路的電路的通頻帶和帶寬通頻帶和帶寬3 3工作溫度工作溫度4 4光敏面尺寸光敏面尺寸5 5偏置情況偏置情況311.1.輻射源的光譜分布輻射源的光譜分布很多光電探測(cè)器（特別是光子探測(cè)器），其響很多光電探測(cè)器（特別是光子探測(cè)器），其響應(yīng)是輻射波長(zhǎng)的函數(shù)。僅對(duì)一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)是輻射波長(zhǎng)的函數(shù)。僅對(duì)一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射有信號(hào)輸出，稱為的輻射有信號(hào)輸出，稱為光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)，它決定了，它決定了探測(cè)器探測(cè)特定目標(biāo)

23、的有效程度。在說(shuō)明探測(cè)探測(cè)器探測(cè)特定目標(biāo)的有效程度。在說(shuō)明探測(cè)器的性能時(shí)，一般都需要給出測(cè)定性能時(shí)所用器的性能時(shí)，一般都需要給出測(cè)定性能時(shí)所用輻射源的光譜分布。輻射源的光譜分布。l 如果輻射源是單色輻射，則需給出如果輻射源是單色輻射，則需給出輻射波長(zhǎng)輻射波長(zhǎng)。假如輻射源是黑體，那么要指明假如輻射源是黑體，那么要指明黑體的溫度黑體的溫度。l 當(dāng)輻射經(jīng)過(guò)調(diào)制時(shí)，則要說(shuō)明當(dāng)輻射經(jīng)過(guò)調(diào)制時(shí)，則要說(shuō)明調(diào)制頻率調(diào)制頻率。322.2.電路的通頻帶和帶寬電路的通頻帶和帶寬因噪聲限制了探測(cè)器的極限性能因噪聲限制了探測(cè)器的極限性能( (后面將詳細(xì)后面將詳細(xì)討論討論) )。l 噪聲電壓或電流均噪聲電壓或電流均正比于

24、帶寬的平方根正比于帶寬的平方根，有些，有些噪聲還是頻率的函數(shù)。噪聲還是頻率的函數(shù)。l 在描述探測(cè)器的性能時(shí)，必須明確在描述探測(cè)器的性能時(shí)，必須明確通頻帶和帶通頻帶和帶寬寬。333.3.工作溫度工作溫度l 許多探測(cè)器，特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測(cè)許多探測(cè)器，特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測(cè)器，無(wú)論是信號(hào)還是噪聲，都和工作溫度有密器，無(wú)論是信號(hào)還是噪聲，都和工作溫度有密切關(guān)系，所以必須切關(guān)系，所以必須明確工作溫度明確工作溫度。l 通用的工作溫度通用的工作溫度是：是： 室溫室溫(295K)(295K) 干冰溫度干冰溫度(195K)(195K) 液氮溫度液氮溫度(77K)(77K) 液氫溫度液氫溫度(20

25、.4K)(20.4K) 液氦溫度液氦溫度(4.2K) (4.2K) 344.4.光敏面尺寸光敏面尺寸l 探測(cè)器的探測(cè)器的信號(hào)信號(hào)和和噪聲噪聲都和光敏面積有關(guān)，大部都和光敏面積有關(guān)，大部分探測(cè)器的信噪比與分探測(cè)器的信噪比與光敏面積的平方根成比例光敏面積的平方根成比例l 參考面積一般為參考面積一般為1cm1cm2 2 355.5.偏置情況偏置情況l大多數(shù)探測(cè)器需要某種形式的偏置大多數(shù)探測(cè)器需要某種形式的偏置例如：光電導(dǎo)探測(cè)器和電阻測(cè)輻射熱器需要直流例如：光電導(dǎo)探測(cè)器和電阻測(cè)輻射熱器需要直流偏置電源偏置電源l信號(hào)和噪聲往往與偏置情況有關(guān)，因此要信號(hào)和噪聲往往與偏置情況有關(guān)，因此要說(shuō)明說(shuō)明偏置的情況偏

26、置的情況。l此外，對(duì)于此外，對(duì)于受背景光子噪聲限制受背景光子噪聲限制的探測(cè)器，應(yīng)的探測(cè)器，應(yīng)注明注明光學(xué)視場(chǎng)光學(xué)視場(chǎng)和和背景溫度背景溫度。l對(duì)于對(duì)于非密封型的薄膜探測(cè)器非密封型的薄膜探測(cè)器，要，要標(biāo)明濕度標(biāo)明濕度。 36二、特性參數(shù)二、特性參數(shù) l1.1.響應(yīng)率響應(yīng)率( (或稱響應(yīng)度或稱響應(yīng)度) )l2.2.量子效率量子效率l3.3.噪聲等效功率噪聲等效功率l4.4.探測(cè)率探測(cè)率D D和比探測(cè)率和比探測(cè)率D Dl5.5.光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)l6.6.響應(yīng)速度響應(yīng)速度371.響應(yīng)率響應(yīng)率( (或稱響應(yīng)度或稱響應(yīng)度)Rv)Rv或或R RI I 響應(yīng)率是響應(yīng)率是描述探測(cè)器靈敏度描述探測(cè)器靈敏度的參量。它

27、表征探測(cè)的參量。它表征探測(cè)器器輸出輸出信號(hào)信號(hào)與與輸入輸入輻射輻射之間關(guān)系的參數(shù)。又稱為之間關(guān)系的參數(shù)。又稱為光電探測(cè)器的光電探測(cè)器的靈敏度靈敏度設(shè)光電探測(cè)器的輸出電壓為設(shè)光電探測(cè)器的輸出電壓為VsVs或電流為或電流為IsIs，入射，入射到光電探測(cè)器上的光功率到光電探測(cè)器上的光功率P PR Rv vV Vs sP P R RI Ii is sP P 分別稱為光電探測(cè)器的分別稱為光電探測(cè)器的電壓響應(yīng)率電壓響應(yīng)率和和電流響應(yīng)率電流響應(yīng)率測(cè)量響應(yīng)率的輻射源一般是測(cè)量響應(yīng)率的輻射源一般是500K500K的黑的黑體體 單色靈敏度單色靈敏度和和積分靈敏度積分靈敏度38單色靈敏度單色靈敏度如果使用波長(zhǎng)為如果

28、使用波長(zhǎng)為的單色輻射源，則稱為單色響應(yīng)率或的單色輻射源，則稱為單色響應(yīng)率或單色單色靈敏度靈敏度，又叫，又叫光譜響應(yīng)度光譜響應(yīng)度，用，用R R表示，表示，定義：光電探測(cè)器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測(cè)器上定義：光電探測(cè)器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測(cè)器上單色輻射通量單色輻射通量( (光通量光通量) )之比。之比。 (V/W) (V/W) (A/W) (A/W) 式中，式中， ()()為入射的單色輻射通量或光通量。如果為入射的單色輻射通量或光通量。如果()()為光通量，則為光通量，則R Rvv的單位為的單位為V Vlmlm。 39()VV sR()sIIR積分靈敏度積分靈敏度l 積分靈敏度積分

29、靈敏度表示探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射光表示探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射光連連續(xù)輻射通量續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對(duì)包含有各種波長(zhǎng)的的反應(yīng)程度。對(duì)包含有各種波長(zhǎng)的輻射光源，總光通量為：輻射光源，總光通量為： l 光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總光通量光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分靈敏度。之比稱為積分靈敏度。40d)(0由于光電探測(cè)器輸出的光電流是由不同波長(zhǎng)的光輻由于光電探測(cè)器輸出的光電流是由不同波長(zhǎng)的光輻射引起的，所以輸出光電流為：射引起的，所以輸出光電流為： 可得積分靈敏度為：可得積分靈敏度為： 式中，式中， 、 分別為光電探測(cè)器的分別為光電探測(cè)器的長(zhǎng)波限長(zhǎng)波限和和短波限短波限l由于

30、采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時(shí)供數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)指明采用的輻射源及其色溫應(yīng)指明采用的輻射源及其色溫。410011( )( )( )ssIIdRd 0101)()(ddRR012.2.量子效率量子效率（）量子效率是評(píng)價(jià)光電器件性能的一個(gè)重要參數(shù)，它是在量子效率是評(píng)價(jià)光電器件性能的一個(gè)重要參數(shù)，它是在某一特定波長(zhǎng)某一特定波長(zhǎng)上上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與與入射光量子入射光量子數(shù)之比數(shù)之比。l單個(gè)光量子的能量為單個(gè)光量子的能量為 l單位波長(zhǎng)的輻

31、射通量為單位波長(zhǎng)的輻射通量為l波長(zhǎng)增量波長(zhǎng)增量 內(nèi)的輻射通量為內(nèi)的輻射通量為 l在此窄帶內(nèi)的輻射通量，換算成量子流速率在此窄帶內(nèi)的輻射通量，換算成量子流速率N N為為: :量子流速率量子流速率N N即為每秒入射的光量子數(shù)。即為每秒入射的光量子數(shù)。42hcheddehcdhdNeel 若若I IS S為信號(hào)電流，為信號(hào)電流，e e為電子電荷，為電子電荷，l 每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為：每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為：l 量子效率為：量子效率為：討論討論l 入射入射一個(gè)光量子就能發(fā)射一個(gè)電子或產(chǎn)生一一個(gè)光量子就能發(fā)射一個(gè)電子或產(chǎn)生一對(duì)電子一空穴對(duì)對(duì)電子一空穴對(duì)；l 實(shí)際上，實(shí)際上， 。一般反映的是入射輻射與最初的

32、光。一般反映的是入射輻射與最初的光敏元的相互作用。敏元的相互作用。l 對(duì)于對(duì)于有增益的光電探測(cè)器有增益的光電探測(cè)器( (如光電倍增管等如光電倍增管等) )，會(huì)遠(yuǎn)，會(huì)遠(yuǎn)大于大于1 1，此時(shí)我們一般使用，此時(shí)我們一般使用增益增益或或放大倍數(shù)放大倍數(shù)這個(gè)參數(shù)這個(gè)參數(shù)。43SeIRdee/( )SIeR hcNe ( ) 1 ( ) 1 l從響應(yīng)度的定義來(lái)看，好象只要有光輻射存在，從響應(yīng)度的定義來(lái)看，好象只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測(cè)出來(lái)。但當(dāng)不管它的功率如何小，都可探測(cè)出來(lái)。但當(dāng)入射功入射功率很低率很低時(shí)，輸出只是些雜亂無(wú)章的變化信號(hào)，而無(wú)時(shí)，輸出只是些雜亂無(wú)章的變化信號(hào)，而無(wú)法肯定

33、是否有輻射入射在探測(cè)器上。這并不是探測(cè)法肯定是否有輻射入射在探測(cè)器上。這并不是探測(cè)器不好引起的，而是它所器不好引起的，而是它所固有的固有的“噪聲噪聲”引起的。引起的。l如果對(duì)這些隨時(shí)間而起伏的如果對(duì)這些隨時(shí)間而起伏的電壓電壓( (流流) )按時(shí)間取平均按時(shí)間取平均值，則值，則平均值等于零平均值等于零。但這些值的。但這些值的均方根不等于零均方根不等于零，這個(gè)均方根電壓，這個(gè)均方根電壓( (流流) )稱為稱為探測(cè)器的噪聲電壓探測(cè)器的噪聲電壓( (流流) )。 443.3.噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP)(NEP)（最小可探測(cè)功率（最小可探測(cè)功率P Pminmin）信噪比信噪比(S(SN)N)1

34、1）作用：判定噪聲大小。）作用：判定噪聲大小。2 2）表示：在負(fù)載電阻）表示：在負(fù)載電阻R RL L上產(chǎn)生的上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比信號(hào)功率與噪聲功率之比：分貝分貝(dB)(dB)表示：表示：3 3）注意）注意l利用利用S SN N評(píng)價(jià)兩種光電探測(cè)器性能時(shí)，評(píng)價(jià)兩種光電探測(cè)器性能時(shí)，必須在信號(hào)輻射功率必須在信號(hào)輻射功率相同的情況下相同的情況下才能比較。才能比較。l對(duì)單個(gè)光電探測(cè)器，其對(duì)單個(gè)光電探測(cè)器，其S/NS/N的大小與入射信號(hào)輻射功率及接收的大小與入射信號(hào)輻射功率及接收面積有關(guān)。如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，面積有關(guān)。如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，S/NS/N就大，但性能不就大，但性能不

35、一定就好。因此用一定就好。因此用S/NS/N評(píng)價(jià)器件有一定的評(píng)價(jià)器件有一定的局限性局限性。 452222NsLNLsNsIIRIRIPPNSNSNSdBIIIINSlg20lg10)(22噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP)(NEP)定義：信號(hào)功率與噪聲功率之比為定義：信號(hào)功率與噪聲功率之比為1(1(即即S SN N1)1)時(shí)，入射到探測(cè)器上的時(shí)，入射到探測(cè)器上的輻射通量輻射通量( (單位為瓦單位為瓦) )l一個(gè)良好的探測(cè)器件的一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEPNEP約為約為1010-11-11W W。NEPNEP越小越小，噪聲越小，器件的性能越好，噪聲越小，器件的性能越好l 應(yīng)指明測(cè)量條件，如應(yīng)指明測(cè)

36、量條件，如光譜分布光譜分布、頻率、溫度等頻率、溫度等作用：作用：確定光電探測(cè)器件的探測(cè)極限確定光電探測(cè)器件的探測(cè)極限 46NSNEPe/舉例：光纖通信、衛(wèi)星之間通信4 4探測(cè)率探測(cè)率D D與比探測(cè)率與比探測(cè)率D D* *l只用只用NEPNEP無(wú)法無(wú)法比較兩個(gè)不同來(lái)源的光探器比較兩個(gè)不同來(lái)源的光探器的優(yōu)劣。引的優(yōu)劣。引入兩個(gè)新的性能參數(shù)入兩個(gè)新的性能參數(shù)探測(cè)率探測(cè)率D D和比探測(cè)率和比探測(cè)率D D* *探測(cè)率探測(cè)率D D定義為定義為NEPNEP的倒數(shù)，即的倒數(shù)，即l它描述的特性是：它描述的特性是：光電探測(cè)器在它的噪聲電平之上光電探測(cè)器在它的噪聲電平之上產(chǎn)生一個(gè)可觀測(cè)的電信號(hào)的本領(lǐng)產(chǎn)生一個(gè)可觀測(cè)的

37、電信號(hào)的本領(lǐng)，即光電探測(cè)器能響，即光電探測(cè)器能響應(yīng)的入射光功率越小，則其探測(cè)率越高。應(yīng)的入射光功率越小，則其探測(cè)率越高。l探測(cè)率探測(cè)率D D與與光敏面積光敏面積A Ad d、測(cè)量帶寬測(cè)量帶寬有關(guān)。有關(guān)。47/1NVs VDNEP2 2）比探測(cè)率比探測(cè)率D D* *為了能方便地對(duì)不同來(lái)源的光電探測(cè)器進(jìn)行比較，將為了能方便地對(duì)不同來(lái)源的光電探測(cè)器進(jìn)行比較，將V VN N除以除以 ，則，則D D就與就與A Ad d和帶寬無(wú)關(guān)了。也就是和帶寬無(wú)關(guān)了。也就是歸一化到歸一化到測(cè)量帶寬為測(cè)量帶寬為1Hz1Hz、光探測(cè)器、光探測(cè)器光敏面積為光敏面積為1cm1cm2 2。這種歸一化的探測(cè)率一般稱為比探測(cè)率，通常

38、用。這種歸一化的探測(cè)率一般稱為比探測(cè)率，通常用D D* *記之。根據(jù)定義，記之。根據(jù)定義，D D* *的表達(dá)式為的表達(dá)式為: : 48fAd)(121WHzcm/*SNdVVDAf5.5.光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)1 1）定義：）定義：不同波長(zhǎng)的光輻射照射到探測(cè)器光敏面時(shí)，探測(cè)器的不同波長(zhǎng)的光輻射照射到探測(cè)器光敏面時(shí)，探測(cè)器的響應(yīng)率響應(yīng)率和和比探測(cè)率比探測(cè)率等特性參量等特性參量隨隨光輻射波長(zhǎng)光輻射波長(zhǎng)變化變化的特的特性。性。2 2）單色靈敏度和單色探測(cè)率，）單色靈敏度和單色探測(cè)率，峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)3 3）光子探測(cè)器光子探測(cè)器的光譜響應(yīng)的光譜響應(yīng)與波長(zhǎng)有關(guān)，與波長(zhǎng)有關(guān)，截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)4 4）熱探測(cè)器熱探

39、測(cè)器的光譜響應(yīng)的光譜響應(yīng)與與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，與輻射功率有關(guān)。，與輻射功率有關(guān)。49 6 6. .響應(yīng)速度響應(yīng)速度 1 1）響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)）響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)入射輻射入射輻射響應(yīng)快慢響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。的一個(gè)參數(shù)。2 2）當(dāng)入射輻射到光電探測(cè)器后或）當(dāng)入射輻射到光電探測(cè)器后或入射輻射遮斷后，光電探測(cè)器的入射輻射遮斷后，光電探測(cè)器的輸輸出上升到穩(wěn)定值出上升到穩(wěn)定值或或下降到照射前的下降到照射前的值值所需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。常用所需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。常用時(shí)時(shí)間常數(shù)間常數(shù) 的大小來(lái)表示。的大小來(lái)表示。當(dāng)用一個(gè)輻射脈沖照射光電探測(cè)器當(dāng)用一個(gè)輻射脈沖照射光電探測(cè)器，如果這個(gè)脈沖的上升和

40、下降時(shí)間，如果這個(gè)脈沖的上升和下降時(shí)間很短，如方波，則光電探測(cè)器的輸很短，如方波，則光電探測(cè)器的輸出由于出由于器件的惰性器件的惰性而有延遲，把從而有延遲，把從1010上升到上升到9090峰值處所需的時(shí)間峰值處所需的時(shí)間稱為探測(cè)器的稱為探測(cè)器的上升時(shí)間上升時(shí)間，而把從，而把從9090下降到下降到1010處所需的時(shí)間稱為處所需的時(shí)間稱為下下降時(shí)間降時(shí)間。 50頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)l入射光輻射的頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)將會(huì)有較大的影響。入射光輻射的頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)將會(huì)有較大的影響。光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻頻率響應(yīng)率響應(yīng)

41、。對(duì)光子探測(cè)器，其頻率響應(yīng)特性相當(dāng)于低通濾波器，。對(duì)光子探測(cè)器，其頻率響應(yīng)特性相當(dāng)于低通濾波器，探測(cè)器響應(yīng)率：探測(cè)器響應(yīng)率：51l 為頻率是為頻率是 時(shí)的響應(yīng)度；時(shí)的響應(yīng)度；lR0為頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；為頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；l為探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間。為探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間。l當(dāng)當(dāng) 時(shí)，可得放大器時(shí)，可得放大器的的上限截止頻率上限截止頻率 l顯然，時(shí)間常數(shù)顯然，時(shí)間常數(shù)決定了光電探?jīng)Q定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬。測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬。2120)2(1)(fRfR)( fRf707.021)(0RfR12f上lf1/2,R(f)與與f成反比成反比lF1/2,R(f)與與f 無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。l一般光子探測(cè)器的時(shí)間常量

42、一般光子探測(cè)器的時(shí)間常量很小，可達(dá)很小，可達(dá)微秒甚至納秒量級(jí)，所以在很寬頻率范圍微秒甚至納秒量級(jí)，所以在很寬頻率范圍內(nèi)頻率響應(yīng)曲線是平坦的。內(nèi)頻率響應(yīng)曲線是平坦的。l對(duì)于熱探測(cè)器，對(duì)于熱探測(cè)器，R(f)與與f關(guān)系也可用上式，關(guān)系也可用上式，不過(guò)熱探測(cè)器的時(shí)間常量很大，因此頻響不過(guò)熱探測(cè)器的時(shí)間常量很大，因此頻響曲線的平坦范圍很窄（一般為幾十曲線的平坦范圍很窄（一般為幾十Hz）l其他注意問(wèn)題其他注意問(wèn)題u響應(yīng)率、比探測(cè)率和探測(cè)器噪聲隨探測(cè)溫度變響應(yīng)率、比探測(cè)率和探測(cè)器噪聲隨探測(cè)溫度變化化u探測(cè)器的噪聲電壓隨調(diào)制頻率變化探測(cè)器的噪聲電壓隨調(diào)制頻率變化u探測(cè)器的阻抗及其隨溫度的變化探測(cè)器的阻抗及其隨

43、溫度的變化u探測(cè)器的最佳偏置條件探測(cè)器的最佳偏置條件例 ： 已 知 某 探 測(cè) 器 的 面 積 為例 ： 已 知 某 探 測(cè) 器 的 面 積 為 3 3 4 c m4 c m2 2，D D* *=10=101111cmHzcmHz1/21/2w w-1-1，光電儀器的帶寬為，光電儀器的帶寬為300Hz300Hz，該儀器，該儀器所能探測(cè)的光輻射的所能探測(cè)的光輻射的最小輻射功率最小輻射功率？解：由解：由D D* *的定義：的定義：當(dāng)當(dāng)Vs/VVs/VN N=1=1時(shí)，得到最小探測(cè)功率，時(shí)，得到最小探測(cè)功率，所以：所以： 其中：其中：A Ad d=3=34cm4cm2 2，D D* *=10=101

44、111cmHzcmHz1/21/2w w-1-1，=300Hz=300Hz代入，得該儀器所能探測(cè)的光輻射的最小輻射功率代入，得該儀器所能探測(cè)的光輻射的最小輻射功率minmin=6=61010-10-10W W54/*SNdVVDAfmin1*dDAf2.3 光電探測(cè)器的噪聲光電探測(cè)器的噪聲噪聲問(wèn)題噪聲問(wèn)題l光電探測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上是光信號(hào)的變換、傳輸及處理光電探測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上是光信號(hào)的變換、傳輸及處理的系統(tǒng)。它除了包含光探測(cè)器外，還配有電子學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)。它除了包含光探測(cè)器外，還配有電子學(xué)系統(tǒng)( (例如低噪聲前置放大器等例如低噪聲前置放大器等) )、光學(xué)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)在工作時(shí)，總

45、會(huì)受到一些無(wú)用信號(hào)的干擾，這些非信在工作時(shí)，總會(huì)受到一些無(wú)用信號(hào)的干擾，這些非信號(hào)的成分統(tǒng)稱為噪聲。號(hào)的成分統(tǒng)稱為噪聲。 l主要噪聲源主要噪聲源：1 1）光電變換）光電變換器件器件中光電子隨機(jī)起伏的干擾；中光電子隨機(jī)起伏的干擾； 2 2）輻射光場(chǎng)在傳輸過(guò)程中受到）輻射光場(chǎng)在傳輸過(guò)程中受到通道通道的影響的影響 3 3）背景光背景光的干擾；的干擾； 4 4）放大器放大器引入的干擾等。引入的干擾等。55一、光電系統(tǒng)中的噪聲一、光電系統(tǒng)中的噪聲廣義上講，任何疊加在信號(hào)上的不希望的隨機(jī)擾廣義上講，任何疊加在信號(hào)上的不希望的隨機(jī)擾動(dòng)或干擾統(tǒng)稱為噪聲。這些干擾及擾動(dòng)主要來(lái)自動(dòng)或干擾統(tǒng)稱為噪聲。這些干擾及擾動(dòng)

46、主要來(lái)自兩方面：兩方面：(1)(1)來(lái)自被研究系統(tǒng)的來(lái)自被研究系統(tǒng)的外部外部(2)(2)來(lái)自被研究系統(tǒng)來(lái)自被研究系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?nèi)部56探測(cè)器探測(cè)器噪噪 聲聲光子噪聲光子噪聲電路噪聲電路噪聲(1)(1)來(lái)自被研究系統(tǒng)的外部來(lái)自被研究系統(tǒng)的外部通常由電、磁、機(jī)械、雜散光等因素所引起，這通常由電、磁、機(jī)械、雜散光等因素所引起，這種干擾絕大多數(shù)是種干擾絕大多數(shù)是“人為的人為的”，如，如電源電源50H z50H z干擾干擾；工業(yè)設(shè)備電火花干擾工業(yè)設(shè)備電火花干擾等。等。但這種干擾多但這種干擾多具有一定規(guī)律性具有一定規(guī)律性。采取適當(dāng)?shù)拇胧┎扇∵m當(dāng)?shù)拇胧? (如屏蔽、濾波、遠(yuǎn)離噪聲源等如屏蔽、濾波、遠(yuǎn)離噪聲源等)

47、)可以將其可以將其減小或消除減小或消除。 57(2)(2)來(lái)自被研究系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)自被研究系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)自被研究系統(tǒng)內(nèi)部的材料、器件或固有的物來(lái)自被研究系統(tǒng)內(nèi)部的材料、器件或固有的物理過(guò)程的理過(guò)程的自然擾動(dòng)自然擾動(dòng)。例如：例如：導(dǎo)體中帶電粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的導(dǎo)體中帶電粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲熱噪聲這些過(guò)程是這些過(guò)程是隨機(jī)過(guò)程隨機(jī)過(guò)程，它既不能預(yù)知其精確大小，它既不能預(yù)知其精確大小及規(guī)律。及規(guī)律。不能完全消除不能完全消除，但可以得知其遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但可以得知其遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、也、也可以可以通過(guò)一些措施予以通過(guò)一些措施予以控制控制。 58l噪聲影響對(duì)信號(hào)特別是噪聲影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)微弱信號(hào)的正確

48、探測(cè)。的正確探測(cè)。l一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力極限探測(cè)能力往往由探測(cè)系統(tǒng)往往由探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。的噪聲所限制。l所以在精密測(cè)量、通訊、自動(dòng)控制、核探測(cè)等領(lǐng)域所以在精密測(cè)量、通訊、自動(dòng)控制、核探測(cè)等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。 59噪聲的度量噪聲的度量l噪聲是一種噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào)，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。任何一個(gè)宏觀測(cè)量的物理量都是微觀過(guò)程的落現(xiàn)象。任何一個(gè)宏觀測(cè)量的物理量都是微觀過(guò)程的統(tǒng)計(jì)平均統(tǒng)計(jì)平均值值。研究噪聲一般采用。研究噪聲一般采用長(zhǎng)周期測(cè)定其均方值長(zhǎng)周

49、期測(cè)定其均方值( (即噪聲功率即噪聲功率) )的方的方法，在數(shù)學(xué)上即用隨機(jī)量的起伏方差來(lái)計(jì)算。法，在數(shù)學(xué)上即用隨機(jī)量的起伏方差來(lái)計(jì)算。l對(duì)于對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，通常采用先計(jì)算噪聲電壓，通常采用先計(jì)算噪聲電壓( (電流電流) )的平方值的平方值，然后將其對(duì)時(shí)間作平均，來(lái)求噪聲電壓，然后將其對(duì)時(shí)間作平均，來(lái)求噪聲電壓( (電流電流) )的均方值，即的均方值，即： 上式表示噪聲電壓上式表示噪聲電壓( (電流電流) )消耗在消耗在11電阻電阻上的平均功率通稱為噪上的平均功率通稱為噪聲功率。聲功率。6022)(tuUnn22)(tiinn二、噪聲的功率譜密度和相關(guān)性二、噪聲的功率譜密度和相關(guān)性

50、l噪聲的頻譜分布（噪聲功率譜密度）噪聲的頻譜分布（噪聲功率譜密度）單位頻譜單位頻譜的噪聲功率的噪聲功率S Sn n( (f f) )l噪聲功率（電壓、電流）可由噪聲功率（電壓、電流）可由噪聲功率譜密度噪聲功率譜密度S Sn n( (f f) )在頻域積分得到。在頻域積分得到。l如果如果S Sn n( (f f) )與頻率無(wú)關(guān)，則對(duì)于一個(gè)具有帶寬與頻率無(wú)關(guān)，則對(duì)于一個(gè)具有帶寬f f的的探測(cè)系統(tǒng)：探測(cè)系統(tǒng)：612()nniSff一般從一般從S Sn n( (f f) )分布規(guī)律可知噪聲的頻率特性。有利于抑分布規(guī)律可知噪聲的頻率特性。有利于抑制噪聲制噪聲l白噪聲白噪聲：平坦頻率特性，噪聲特性為正態(tài)高

51、斯分布：平坦頻率特性，噪聲特性為正態(tài)高斯分布l有色噪聲有色噪聲：u1/f1/f噪聲噪聲（紅噪聲），（紅噪聲）， S Sn n( (f f) 1/f,) 1/f,低頻噪聲低頻噪聲u藍(lán)噪聲藍(lán)噪聲, , S Sn n( (f f) f) f2 2，高頻噪聲，高頻噪聲注意：注意：減小探測(cè)器和探測(cè)系統(tǒng)的噪聲：減小探測(cè)器和探測(cè)系統(tǒng)的噪聲：一是噪聲功率譜密度一是噪聲功率譜密度S Sn n( (f f) )要小要小二是盡量減小系統(tǒng)的帶寬，只要保證不影響信號(hào)的特二是盡量減小系統(tǒng)的帶寬，只要保證不影響信號(hào)的特征頻率即可。征頻率即可。62噪聲的相關(guān)性噪聲在不同時(shí)刻的取值是隨機(jī)的，兩個(gè)不同噪噪聲在不同時(shí)刻的取值是隨機(jī)

52、的，兩個(gè)不同噪聲仍然存在一定的關(guān)系。聲仍然存在一定的關(guān)系。u不相關(guān)的噪聲源不相關(guān)的噪聲源u相關(guān)時(shí)引入相關(guān)系數(shù)相關(guān)時(shí)引入相關(guān)系數(shù)u在大多數(shù)情況下，探測(cè)器和探測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)在大多數(shù)情況下，探測(cè)器和探測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)噪聲源基本是彼此獨(dú)立的噪聲源基本是彼此獨(dú)立的三、光電探測(cè)器噪聲三、光電探測(cè)器噪聲在光電探測(cè)器中在光電探測(cè)器中固有噪聲固有噪聲主要有：主要有：熱噪聲熱噪聲散粒噪聲散粒噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲(g(gr r噪聲噪聲) )溫度噪聲溫度噪聲 噪聲。噪聲。 64f11.1.熱噪聲熱噪聲1 1）產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因l熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起的。

53、任何一個(gè)處于動(dòng)引起的。任何一個(gè)處于熱平衡條件熱平衡條件下的電阻，下的電阻，即使沒(méi)有外加電壓，也都有一定量的噪聲。即使沒(méi)有外加電壓，也都有一定量的噪聲。lABAB兩極間的電阻為兩極間的電阻為R R，在絕對(duì)溫度，在絕對(duì)溫度T T時(shí)，體內(nèi)的時(shí)，體內(nèi)的電子處于不斷的熱運(yùn)動(dòng)中，是一團(tuán)毫無(wú)秩序可言電子處于不斷的熱運(yùn)動(dòng)中，是一團(tuán)毫無(wú)秩序可言的電子運(yùn)動(dòng)。的電子運(yùn)動(dòng)。65ABSl 從時(shí)間平均來(lái)說(shuō)，這兩種方向的電子數(shù)一定相等，不從時(shí)間平均來(lái)說(shuō)，這兩種方向的電子數(shù)一定相等，不會(huì)有電流通過(guò)會(huì)有電流通過(guò)ABAB。但是如果考慮。但是如果考慮流過(guò)流過(guò)S S面的電子數(shù)的面的電子數(shù)的均方偏差均方偏差，這樣在，這樣在ABAB兩端

54、就應(yīng)出現(xiàn)一兩端就應(yīng)出現(xiàn)一電壓漲落電壓漲落。2 2）度量度量l 這一電壓漲落直到這一電壓漲落直到19281928年才為瓊斯年才為瓊斯(Johnson)(Johnson)的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。同時(shí)奈奎斯持所證實(shí)。同時(shí)奈奎斯持(Nyquist)(Nyquist)推導(dǎo)出推導(dǎo)出熱噪聲功率熱噪聲功率為：為：式中式中k k為玻爾茲曼常量，為玻爾茲曼常量， 為測(cè)量帶寬。為測(cè)量帶寬。l 如用如用噪聲電流噪聲電流表示則為表示則為66fRkTUnJ 42fRfkTinJ42l通常也用通常也用熱噪聲電流熱噪聲電流( (電壓電壓) )均方根均方根值來(lái)進(jìn)行計(jì)值來(lái)進(jìn)行計(jì)算：算：l熱噪聲屬于熱噪聲屬于白噪聲頻譜白噪聲頻譜，一般

55、說(shuō)來(lái)，一般說(shuō)來(lái)，高端極限高端極限頻率頻率為：為： f fH H0 015kT15kT10101313HzHz在室溫下在室溫下(T(T290k)290k)， f fH H6 610101212HzHz，一般電，一般電子學(xué)系統(tǒng)工作頻率遠(yuǎn)低于該值，故可認(rèn)為熱噪聲子學(xué)系統(tǒng)工作頻率遠(yuǎn)低于該值，故可認(rèn)為熱噪聲為白噪聲頻譜。為白噪聲頻譜。 672/124RfkTinJ2/ 124fRkTUnJl例如：室溫條件下例如：室溫條件下R R1k1k的電阻，在的電阻，在 1Hz1Hz帶寬帶寬內(nèi)的均方根熱噪聲電壓值約為內(nèi)的均方根熱噪聲電壓值約為4nV4nV；l若工作帶寬為若工作帶寬為500kHz500kHz的系統(tǒng)，放大

56、器增益為的系統(tǒng)，放大器增益為10104 4，則，則在放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約在放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約28mV28mV。l在在微弱信號(hào)探測(cè)微弱信號(hào)探測(cè)中，是一個(gè)不可忽視的量。中，是一個(gè)不可忽視的量。？如何減小熱噪聲如何減小熱噪聲光電探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要問(wèn)題光電探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要問(wèn)題1 1）熱噪聲功率與探測(cè)器工作溫度）熱噪聲功率與探測(cè)器工作溫度T T的有關(guān)的有關(guān)制冷制冷。特別是對(duì)一些紅外探測(cè)器。特別是對(duì)一些紅外探測(cè)器。2 2）同時(shí)在滿足信號(hào)不失真的條件下，盡量）同時(shí)在滿足信號(hào)不失真的條件下，盡量縮短工作頻縮短工作頻帶帶。 68f2 2散粒噪聲散粒噪聲1 1）產(chǎn)生原因）產(chǎn)生原因探測(cè)器

57、的散粒噪聲是由于探測(cè)器在光輻射作用或熱激發(fā)探測(cè)器的散粒噪聲是由于探測(cè)器在光輻射作用或熱激發(fā)下，下，光電子或光生載流子的隨機(jī)產(chǎn)生光電子或光生載流子的隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。由于隨所造成的。由于隨機(jī)起伏是一個(gè)一個(gè)的帶電粒子或電子引起的，所以稱為機(jī)起伏是一個(gè)一個(gè)的帶電粒子或電子引起的，所以稱為散粒噪聲。散粒噪聲。l存在于存在于光電子發(fā)射器件光電子發(fā)射器件、光生伏特器件光生伏特器件。l電子管中任一短時(shí)間電子管中任一短時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)的電子決不會(huì)總是內(nèi)發(fā)射出來(lái)的電子決不會(huì)總是等于平均數(shù)，而是等于平均數(shù)，而是圍繞這一平均數(shù)有一漲落圍繞這一平均數(shù)有一漲落。 692 2）度量度量以電子管為例，電子管陰極任一短時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)的電子絕不以電子管為例，電子管陰極任一短時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)的電子絕不會(huì)總是等于平均數(shù)，而是圍繞這一平均數(shù)有一漲落。從漲落的會(huì)總是等于平均數(shù)，而是圍繞這一