第4節(jié)-光電效應(yīng)-光電探測(cè)器的噪聲和特性

第一章光電檢測(cè)應(yīng)用基礎(chǔ)輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念郎伯余弦定律黑體輻射定律光電效應(yīng)光電探測(cè)器的噪聲和特性√下頁(yè)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)返回第4節(jié)光電效應(yīng)光電探測(cè)器的噪聲和特性光電效應(yīng)

光電探測(cè)器的噪聲和特性光電導(dǎo)效應(yīng)PN結(jié)光伏效應(yīng)光電發(fā)射光電探測(cè)器噪聲光電探測(cè)器特性熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲1/f噪聲溫度噪聲響應(yīng)率光譜響應(yīng)等效噪聲功率比探測(cè)率時(shí)間常數(shù)線性一、光電效應(yīng)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(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)1、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的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程：半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體:價(jià)帶中電子導(dǎo)帶價(jià)帶中留空穴摻雜半導(dǎo)體:施主能級(jí)到導(dǎo)帶產(chǎn)生電子或價(jià)帶到受主能級(jí)產(chǎn)生空穴激發(fā)光照(hυ)電導(dǎo)率變化2、PN結(jié)光伏效應(yīng)（1）結(jié)電場(chǎng)的形成pn結(jié)：1.pp(NA)＞＞pn

，nn(ND)＞＞np；2.p區(qū)和n區(qū)多子分別向?qū)Ψ綌U(kuò)散；3.界面p區(qū)側(cè)留下固定離化受主負(fù)電荷，n區(qū)側(cè)留下固定的離化施主正電荷；該正負(fù)電荷稱為空間電荷，存在正負(fù)空間電荷的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。4.正--負(fù)電荷間產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)稱為空間電荷區(qū)自建電場(chǎng)；5.自建電場(chǎng)使空間電荷區(qū)內(nèi)的電子和空穴產(chǎn)生與其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)；6.隨擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)正、負(fù)電荷量逐漸增加，空間電荷區(qū)逐漸變寬，自建電場(chǎng)也隨之逐漸增強(qiáng)，同時(shí)電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)也不斷加強(qiáng);7.電子和空穴各自的擴(kuò)散（擴(kuò)散流）與漂移（漂移流）相抵消時(shí)，正、負(fù)空間電荷量、正、負(fù)空間電荷區(qū)寬度、自建電場(chǎng)、空間電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴分布達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成穩(wěn)定分布。8.電中性決定了空間電荷區(qū)內(nèi)正、負(fù)空間電荷量相等。（2）光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。3、光電發(fā)射（外光電效應(yīng)）在光照的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。光子的能量：（1）1)光電發(fā)射定律發(fā)生外光電效應(yīng)時(shí)光子的能量hv與逸出功A以及逸出電子動(dòng)能滿足能量守恒原理:（2）(2)則為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程或光電發(fā)射第一定律。表明：光子的動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系。當(dāng)一束光（多個(gè)光子）入射時(shí)，光電流與入射光通量滿足：（3）說(shuō)明：光強(qiáng)越大，逸出的電子數(shù)越多。2)物質(zhì)的逸出功和紅限頻率（4）說(shuō)明：存在一個(gè)紅限頻率或長(zhǎng)波限。3)半導(dǎo)體材料的閾值波長(zhǎng)對(duì)于半導(dǎo)體材料，能夠有效吸收光子的電子大多處于價(jià)帶頂附近，所以光電子發(fā)射的逸出功為：（5）Eg為半導(dǎo)體的禁帶寬度,EA為電子親合勢(shì)。所以半導(dǎo)體材料的光電發(fā)射能量閾值為：（6）所以長(zhǎng)波限：（7）二、光電探測(cè)器的噪聲和特性光電檢測(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:光子(光電子)檢測(cè)器件熱電檢測(cè)器件光電檢測(cè)器件光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1、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?。海?）（9）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。（2）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（1）熱噪聲導(dǎo)體和半導(dǎo)體溫度無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)碰撞無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)宏觀表現(xiàn)為電流或電壓①產(chǎn)生原因：載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)②熱噪聲：這種由載流子的熱運(yùn)動(dòng)引起的電流起伏或電壓起伏稱為熱噪聲。熱噪聲電流和電壓的均方值為：（10）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)，熱噪聲又稱為白噪聲（2）散粒噪聲散粒噪聲：入射到光探測(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。散粒噪聲電流表達(dá)式：（11）（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。載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。產(chǎn)生-復(fù)合電流均方值：（11）（4）1/f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)。

1/f噪聲：這種噪聲的功率譜近似的與頻率成反比，故稱為1/f噪聲，或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。噪聲電流均方值近似表達(dá)為：（12）（5）溫度噪聲溫度噪聲：由器件本身的溫度變化引起的噪聲稱為溫度噪聲。溫度噪聲電流均方值表達(dá)為：（13）光電探測(cè)器噪聲功率譜

工作區(qū)3、光電探測(cè)器的特性參數(shù)響應(yīng)率(或響應(yīng)度或靈敏度)光譜響應(yīng)率(或光譜響應(yīng)度)等效噪聲功率(NEP)探測(cè)率與比探測(cè)率(歸一化探測(cè)率)時(shí)間常數(shù)線性(1)響應(yīng)率（或響應(yīng)度或稱靈敏度）是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光通量(光功率)之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。--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)率和電流響應(yīng)率電壓響應(yīng)率：光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光通量(光功率)之比。（14）·電流響應(yīng)率：光電探測(cè)器件輸出電流與入射光通量(光功率)之比。（15）（2）光譜響應(yīng)率(或光譜響應(yīng)度)光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光通量（光功率）之比。（16）（3）等效噪聲功率(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）。（17）·NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。·

一般一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為10-11W。其中：為信噪比（4）探測(cè)率與比探測(cè)率(歸一化探測(cè)率)探測(cè)率D：為噪聲等效功率的倒數(shù)?！そ?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（19）（18）D*越大，靈敏度越高；D*與探測(cè)器的敏感面積、放大器的帶寬無(wú)關(guān)；（5）時(shí)間常數(shù)響應(yīng)時(shí)間τ是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。定義：當(dāng)探測(cè)器的輸出上升達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時(shí)間或下降達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的37%所需的時(shí)間稱為時(shí)間常數(shù)。（20）：上限截止頻率,定義為幅頻特性下降到最大值0.707(3dB)時(shí)的調(diào)制頻率，也稱為探測(cè)器的上限頻率。探測(cè)器本身是阻抗元件，有電阻R和電容C(6)頻率響應(yīng)定義：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?！す怆娞綔y(cè)器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系：（21）S(f)為調(diào)制頻率為f時(shí)的響應(yīng)率;S0為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率,

為時(shí)間常數(shù)（等于RC）（22）時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬(7)線性·線性度：它是描述光電探測(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