光電檢測技術中基礎知識

1、關于光電檢測技術中的基礎知識第1頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四輻射度學的基本物理量輻射通量e:單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的輻射能量Q，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時間變化率。單位：瓦 定義式？輻射強度e：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位W/Sr 輻射亮度Le ：面輻射源單位投影面積定向發(fā)射的輻射強度。單位：W/m2Sr輻射出射度e ：擴展輻射源單位輻射面所輻射的通量（也稱輻射本領）。單位：W/m2輻射照度Ee：單位受照面上接受的輻射通量。單位W/m2第2頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光度學的基本物理量光通量v:

2、單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的光能量，又稱光功率Pv，是光能的時間變化率。單位：流明lm發(fā)光強度v：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的光通量。單位cd 光亮度Lv ：輻射表面定向發(fā)射的光強度。單位：cd/m2光出射度v ：面光源單位面積所輻射的光通量（也稱發(fā)光本領）。單位：lm/m2光照度Ev：投射在單位面積上的光通量。單位lx第3頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第4頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1、兩者的相同點：光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應的。輻射度量和光度量都是波長的函數(shù)。2、兩者的不同點：符號不同：輻射度量下標

3、為e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下標為v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。單位不同（略）研究范圍不同，光度量只在可見光區(qū)（nm)才有意義。第5頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外50500lx陰天室內(nèi)550lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機熒光屏100lx閱讀書刊時所需的照度5060lx在40W白熾燈下1m遠處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx

4、第6頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四其它基本概念見P51、點源2、擴展源（朗伯源、余弦輻射體）3、漫反射面（散射面）4、定向輻射體（激光）第7頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四導體、半導體和絕緣體半導體的特性半導體的能帶結(jié)構(gòu)見P8本征半導體與雜質(zhì)半導體平衡和非平衡載流子載流子的輸運過程半導體的光吸收效應返 回第8頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1、自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。2、固體按導電能力可分為：導體、絕緣體和介于兩者之間的半導體。3、電阻率10-6 10-3歐姆厘米范圍內(nèi)導體電阻率1012歐姆厘米以上絕緣

5、體電阻率介于導體和絕緣體之間半導體第9頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1、半導體電阻溫度系數(shù)一般是負的，而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，可制成熱電探測器件。2、導電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導率為510-6/(歐姆厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導率為2 /(歐姆厘米)3、半導體導電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。第10頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1、本征半導體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體。2、在絕對零度時，幾乎不導電。3、在純凈的半導體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導體的導電性質(zhì)。4

6、、摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。5、施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮?，使半導體成為電子導電的n型半導體。見P106、受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空穴導電的p型半導體。 見P10第11頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四處于熱平衡狀態(tài)的半導體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。半導體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，這種處于非熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為

7、非平衡載流子濃度。處于非平衡狀態(tài)的半導體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。 2、平衡載流子濃度3、非平衡載流子濃度1、非平衡載流子第12頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四非平衡載流子的產(chǎn)生光注入：其它方法：用光照使得半導體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。當光子的能量大于半導體的禁帶寬度時，光子就能把價帶電子激發(fā)到導帶上去，產(chǎn)生電子空穴對，使導帶比平衡時多出一部分電子，價帶比平衡時多出一部分空穴。產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。？ ？光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導致半導體電導率增加。電注入、高能粒子輻照等。

8、第13頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四擴散漂移復合第14頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1、物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。2、吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收3、本征吸收由于光子作用使電子由價帶躍遷到導帶4、只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時，才能發(fā)生本征激發(fā)第15頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四見P12第16頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1、絕對黑體的概念見P142、基爾霍夫定律3、譜朗克輻射公式 4、斯忒藩-玻耳茲曼

9、定律5、維恩位移定律第17頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電效應1、光電效應的定義光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應光電效應包括外光電效應和內(nèi)光電效應2、光電效應的分類3、外光電效應的定義物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物(又叫光電發(fā)射效應)4、內(nèi)光電效應的定義物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會逸出物體外部多發(fā)生在半導體5、光熱效應的定義第18頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四內(nèi)光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應光電導效應：半導體受

10、光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象光生伏特效應：光照在半導體PN結(jié)或金屬半導體接觸上時，會在PN結(jié)或金屬半導體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。PN結(jié)的光生伏特效應：當用適當波長的光照射PN結(jié)時，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當于PN結(jié)上加一個正電壓。半導體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。第19頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 光熱效應：材料受光照射后，光子能量與晶 格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化熱釋電效應：介質(zhì)的極化強度隨溫度變化而變化，引起電

11、荷表面電荷變化的現(xiàn)象輻射熱計效應：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象溫差電效應：由兩種材料制成的結(jié)點出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流第20頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1、光電檢測器件的分類2、光電檢測器件中的噪聲3、光電檢測器的特性參數(shù)第21頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電檢測器件的類型光電檢測器件是利用物質(zhì)的光電效應把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件.光電檢測器件分為兩大類:光子(光電子)檢測器件熱電檢測器件第22頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電檢測器件光子（光電子）器件熱電器件真空器件固

12、體器件光電管光電倍增管真空攝像管 變像管 像增強管光敏電阻光電池光電二極管 光電三極管 光纖傳感器 電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計/熱敏電阻熱釋電探測器第23頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電檢測器件的特點光子器件熱電器件響應波長有選擇性，一般有截止波長，超 過該波長，器件無響應。響應波長無選擇性，對可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短， 一般為納秒到幾百微秒響應慢，一般為幾毫秒第24頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.4.1.光電探測器中的噪聲 從示波器中可以看到，在一定波長的光照下光電探測器輸

13、出的光電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機的起伏，見下圖所示。 圖中的直流信號值 這種隨機的、瞬間的幅度不能預知的起伏，稱為噪聲。 一般用均方噪聲電流來表示噪聲值的大小： 噪聲電流的均方值 代表了單位電阻上所產(chǎn)生的功率，它是確定的可測得的正值。 第25頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 把噪聲這個隨機時間函數(shù)進行頻譜分析，就得到噪聲功率隨頻率變化關系，即噪聲功率譜S(f)。S(f)數(shù)值定義為頻率f的噪聲在1 電阻上所產(chǎn)生的功率，即S(f)= 。 左下圖所示，根據(jù)功率譜與頻率的關系，常見噪聲分為兩種：功率譜大小與頻率無關的稱白噪聲；功率譜與f近似成反比的稱為lf噪聲。

14、一般光電檢測系統(tǒng)的噪聲包括右上圖所示三種：(1) 光子噪聲 包括：信號輻射產(chǎn)生的噪聲和背景輻射產(chǎn)生的噪聲。(2)探測器噪聲 包括：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復合噪聲、1f噪聲和溫度噪聲。(3)信號放大及處理電路噪聲 第26頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四噪聲在實際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確探測。一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測量、通信、自動控制等領域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。第27頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電探測器常見的噪聲(

15、5種)熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復合噪聲1/f噪聲溫度噪聲第28頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1、熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運動造成的噪聲。導體或半導體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機運動(相當于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導體兩端會產(chǎn)生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關，熱噪聲又稱為白噪聲。第29頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 因載流子熱運動引起的電流起伏或電壓起伏稱為熱噪聲。 熱噪聲均方電流和熱噪聲均方電壓分別由下式?jīng)Q定 式中 k是玻爾茲曼常數(shù)； T是溫度(K)

16、； R是器件電阻值； f為所取的通帶寬度(頻率范圍)。 載流子熱運動速度取決于溫度，所以熱噪聲功率與溫度有關。在溫度一定時，熱噪聲只與電阻和通帶有關，故熱噪聲又稱白噪聲。在常溫下適合于1012 Hz頻率以下范圍第30頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2、散粒噪聲 隨機起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲,也叫散彈噪聲。入射到光輻射探測器表面的光子是隨機起伏的；光電子從光電陰極表面的逸出的是隨機的；PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子也是隨機的；它們都是一種散粒噪聲源。散粒噪聲電流的表達式為 式中，q為電子電荷； I為器件輸出平均電流； f為所取的帶寬。散粒噪聲也是與頻率無關、與帶寬有關的白噪

17、聲。 散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結(jié)勢壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。第31頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3、產(chǎn)生-復合噪聲半導體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復合。在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復合的平均數(shù)是一定的但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復合數(shù)是有起伏的。載流子濃度的起伏引起半導體電導率的起伏。產(chǎn)生-復合噪聲電流均方值式中, I為器件輸出總的平均電流； N0為總的自由載流子數(shù)； 為載流子壽命； f為測量噪聲的頻率。第32頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4、1f噪聲（閃爍噪聲或低

18、頻噪聲） 這種噪聲的功率譜近似與頻率成反比，故稱1/f 噪聲。其噪聲電流的均方值近似為 式中 , 接近于2； 在0.81.5之間； c是比例常數(shù)。 、 、c值由實驗測得。在半導體器件中1f噪聲與器件表面狀態(tài)有關。多數(shù)器件的1/f 噪聲在300Hz以上時已衰減到很低水平，所以頻率再高時可忽略不計。頻率越低噪聲越大第33頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四5、溫度噪聲由于器件本身溫度變化引起的噪聲稱為溫度噪聲。溫度噪聲電流的均方值為式中,Gt為器件的熱導； CtGt是器件的熱時間常數(shù)， Ct是器件的熱容； T是溫度(K)。在低頻時， 1 ；上式可簡化為低頻時溫度噪聲也具有白噪聲

19、的性質(zhì)。？ 第34頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 上述各種噪聲源的功率譜分布可用下圖表示。 由圖可見；在頻率很低時，lf 噪聲起主導作用；當頻率達到中間頻率范圍時，產(chǎn)生-復合噪聲比較顯著；當頻率較高時，只有白噪聲占主導地位，其它噪聲影響很小了。？ 五種噪聲都與f有關，f 是等效噪聲帶寬，簡稱為帶寬。若光電系統(tǒng)中的放大器或網(wǎng)絡的功率增益為A(f)，功率增益的最大值為Am(下圖所示)，則噪聲帶寬為第35頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.4.2. 光電探測器的特性參數(shù) 1.響應率 探測器的輸出信號電壓Vs或電流Is與入射的輻射通量 之比，稱為電壓響

20、應率或電流響應率Sv Sv的單位為vw，SI的單位為AW。2.光譜響應率 探測器在波長為的單色光照射下，輸出的電壓Vs( )或電流Is( )與入射的單色輻射通量 ( )之比稱為光譜響應率。即 Sv( )或SI( )隨波長的變化關系稱為探測器的光譜響應曲線。響應率與光譜響應率的區(qū)別是什么？第36頁，共42頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3.等效噪聲功率（NEP） 如果投射到探測器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）正好等于探測器本身的噪聲電壓（或電流），則這個輻射功率就叫做“噪聲等效功率”。通常用符號“NEP”表示式中 稱為信噪比。 噪聲等效功率是信噪比為1的探測器探測到的最小輻射功率。其值愈小，探測器所能探測到的輻射功率愈小，探測器愈靈敏。4.探測率與比探測率（D與D） 等效噪聲功率NEP與人們的習慣不一致。所以，通常用NEP的倒數(shù)，即探測率D作為探測器探測最小光信號能力的指標。探測率D的表達式為對于探測器，D越大越好。 比探測率又稱歸一化探測率，也叫探測靈敏度。實質(zhì)上就是當探測器的敏感元件面積為單位面積（A0lcm2），放大器的帶寬f1Hz時，單位功率的輻射所獲得