光電檢測(cè)器件第一節(jié)第二節(jié)

光電檢測(cè)器件第一節(jié)第二節(jié)第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日3.1光電器件的類(lèi)型與特點(diǎn)3.2光電器件的基本特性參數(shù)3.3半導(dǎo)體光電器件光電導(dǎo)器件—光敏電阻光伏器件光電池光電二極管/三極管3.4真空光電器件光電管光電倍增管3.5熱電檢測(cè)器件熱敏電阻熱電偶和熱電堆熱釋電探測(cè)器件第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日3.1 光電器件的類(lèi)型與特點(diǎn)光電效應(yīng)：光照射到物體表面上使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化。光電子發(fā)射（外光電效應(yīng)）：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。光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少。光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸面上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸面的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日（一）光電檢測(cè)器件的類(lèi)型光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。光電檢測(cè)器件分為兩大類(lèi):光子(光電子)檢測(cè)器件熱電檢測(cè)器件第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日光電檢測(cè)器件光子（光電子）器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)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(jì)/熱敏電阻熱釋電探測(cè)器第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日（二）光電檢測(cè)器件的特點(diǎn)光子器件熱電器件響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一般有截止波長(zhǎng)，超過(guò)該波長(zhǎng)，器件無(wú)響應(yīng)。響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒返回第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日3.2器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線(xiàn)性度工作溫度返回第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日一、響應(yīng)特性１．響應(yīng)度（或稱(chēng)靈敏度）：是光電檢測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電檢測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效能。響應(yīng)度是隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的。響應(yīng)度分電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度。第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日電壓響應(yīng)度

光電檢測(cè)器件的輸出電壓與入射光功率之比。電流響應(yīng)度

光電檢測(cè)器件的輸出電流與入射光功率之比。第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日２．光譜響應(yīng)度：檢測(cè)器在波長(zhǎng)為λ的單色光照射下，輸出的電壓或電流與入射的單色光功率之比。它的值越大意味著檢測(cè)器越靈敏。３．積分響應(yīng)度：檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)的光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度。第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日４．響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間τ是描述光電檢測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)（如圖）。上升時(shí)間：入射光照射到光電檢測(cè)器后，光電檢測(cè)器的輸出從10%上升到穩(wěn)定值的90%所需要的時(shí)間。下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電檢測(cè)器的輸出從90%下降到10%處所需要的時(shí)間。第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日光電探測(cè)器的響應(yīng)度與入射光的調(diào)制頻率的關(guān)系

為調(diào)制頻率為f時(shí)的響應(yīng)度 為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)度 為時(shí)間常數(shù)（等于RC）

５．頻率響應(yīng)：光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱(chēng)為頻率響應(yīng)。由于光電探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過(guò)程，所以入射光的調(diào)制頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日：放大器的上限截止頻率時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬返回第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日二、噪聲特性噪聲就是指你不期望接收到的信號(hào)，是相對(duì)于你所期望的接收信號(hào)而言的，即無(wú)用的電信號(hào)。白噪聲是指功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。即所有頻率具有相同能量的隨機(jī)噪聲稱(chēng)為白噪聲。與之相對(duì)的是有色噪聲，是指功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)不均勻的噪聲。

第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日噪聲特性在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。用均方噪聲來(lái)表示噪聲值大小第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)（特別是微弱信號(hào)）的正確探測(cè)。一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。噪聲的危害第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日光電探測(cè)器常見(jiàn)的噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日1、熱噪聲或稱(chēng)約翰遜噪聲，即載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱(chēng)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(wú)關(guān)。返回第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日2、散粒噪聲散粒噪聲：入射到光電探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)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：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。返回第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)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(fù)合數(shù)是有起伏的（變化）。載流子濃度的起伏（變化）引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏（變化）。返回第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日4、1/f噪聲（頻率反比噪聲）或稱(chēng)閃爍噪聲或低頻噪聲。噪聲的功率近似與頻率成反比多數(shù)器件的1/f噪聲在200~300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日５、信噪比S/N信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日６、噪聲等效功率(NEP)定義：信號(hào)功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻射通量(單位為瓦)。這時(shí)，投射到探測(cè)器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測(cè)器本身的噪聲電壓（或電流）一般一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日噪聲等效功率是一個(gè)可測(cè)量的量。設(shè)入射輻射的功率為P，測(cè)得的輸出電壓為U0然后除去輻射源，測(cè)得探測(cè)器的噪聲電壓為UN則按比例計(jì)算，要使U0＝UN，得輻射功率為第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日７、探測(cè)率與歸一化探測(cè)率探測(cè)率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測(cè)元件的面積Ad和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比。歸一化探測(cè)率D*，即D*與探測(cè)器的敏感面積、放大器的帶寬有關(guān)。探測(cè)率與歸一化探測(cè)率差一個(gè)系數(shù)，差的是NEP與面積和放大器的乘積的平方根的系數(shù)。返回第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日三、量子效率（）量子效率：在某一特定波長(zhǎng)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。對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子，=1實(shí)際上，<1量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系：I/q：每秒產(chǎn)生的光子數(shù)P/hυ：每秒入射的光子數(shù)返回第二十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日四、線(xiàn)性度線(xiàn)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(xiàn)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(chēng)這個(gè)范圍為線(xiàn)性區(qū)。非線(xiàn)性誤差：

δ＝Δmax/(S2–S1)Δmax：實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)與理想的擬合曲線(xiàn)之間的最大偏差；S2和S1：分