课件：第三章 光电器件的特性参数

Ne 100%
N
光电子数
光子数
2）光电灵敏度(响应率、积分灵敏度)
光电器件的输入是辐射通量(或光通量)，输出是电信号(或视频信号)
定义：器件的输出均方根电压或电流与入射到器件上的平均光功率之比
等效短路状态输出的信号电流值
电流响应率
I
RI
AEm
Ed
0
A/W（或A/lm）
等效开路状态输出的信号电压值
物理描述
光电转换特性的量度 对某一波长光电转换的量度
表达式
Ri
di dp
i p
Ru
du dp
u p
R
i dP
单位
安/瓦 伏/瓦
安/瓦
探测器所能探测的最小光信息功率
PNEP
T ,
f
, f
EA VS / VN
瓦
等效噪声功率的倒数
D 1 VS PNEP EAVN
瓦-1
与噪声等效功率成倒数、光敏面积 D* Af / NEP 和噪声功率有关
f
b2
b2
(2
f
)2
df
b 2
即： f
1
2
时间常数决定了光电器件频率响应的带宽
作业
• 一个像增强器，其脉冲响应函数为负指数衰减型，荧光屏的发光寿命 为1 ms，如果向该像增强器的输入面输入强度按正弦规律变化（调制 度为100%）的入射光，试计算入射光交变频率分别为1KHz、10KHz和 100KHz时像增强器输出光的调制度（忽略背景噪声）。
光电器件的光谱灵敏度曲线——相对光谱灵敏度与波长的关系曲线 图3- 3 2DU型硅光电二极管的光谱响应曲线
课堂练习
• 一个光阴级在555nm单色光照射下，单色灵敏度为150μA/lm，试计算 其量子效率。
4）光谱匹配系数
R
I P
R ,maxdK
I maxK
光谱匹配系数
K
0S
f ' d '
条件： 线性时不变系统
p(t) exp( j2 ft)dt (t)dt
p(t) exp( j2 ft)dt
T(f )
(t) exp( j2 ft)dt p(t)dt
p(t)dt
光电器件的瞬时调制传递函数就等于归一化的脉冲响应频谱函数， 即脉冲响应函数与瞬时调制传递函数是一组傅氏变换对
b2 (2 f )2
b
幅值频率响应
A( f ) T ( f )
b
1
b2 (2f )2 1 (2f )2
相位频率响应
取 A( f ) 1 0.707 2
f 上限
1
2
4）幅频响应的等效带宽
f
1 T (0) 2
T *( f )T ( f )df
T（f）的共轭复数
如：负指数衰减型的光电成像器件
• 如果输入辐射瞬间截止，其输出的信号衰减函数为 时，则响应时 B(t)
间常数定义为
1
B0
0
B t dt
例：负指数函数衰减函数
Bt bexp(bt), t 0
惰性的时间常数为
b1 b exp(bt)dt 1
0
b
2）脉冲响应函数与瞬时调制传递函数
讨论光电器件对交变输入光信号的响应能力 通过分析器件的冲击响应函数来讨论
光电器件
微测辐射热计 直视型成像器件像 变增 像强 管器
多元器件电视型成像器件电红探CC视外测D摄焦器像平阵管面列器（件如MAMA管）
按封装分类
CCD
CMOS
光电二极管
固态器件太阳电池
热电堆
光电器件
微测辐射热计
光电倍增管
真空器件 摄 像 变像 增 像管 强 管器
第三节、光电器件的特性参数
探测率
等于噪声等效功率的倒数
D 1 VS PNEP EAVN
瓦-1
D值大的探测器就表明其探测力高?
常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D值大的探测器 其探测能力一定好”的结论并不充分。
主要是探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响甚大。
比探测率D*
把探测率D标准化(归一化)到测量带宽为1Hz、光电器件光敏面积为1cm2。
f
0
'
d
'
光谱匹配系数表示入射光功率 能被响应的百分比
5）R与Rλ的关系
R
2
1
R
d
d
0
2. 时间响应特性
1）响应时间τ：
描述光电器件对入射辐射响应快慢的一个参数
即当入射辐射到光电器件后或入射辐射遮断后， 光电器件的输出上升到稳定值或下降到照射前 的值所需时间称为响应时间。
把从10％上升到90％峰值处所需的时间称为光 电器件的上升时间，而把从90％下降到10％处 所需的时间称为下降时间
• 瞬时调制传递函数所描述的是光电成像在频率域的时间响应特性 • 定义：系统所输出的归一化时间频谱函数与理想输出（无惰性）的归
一化时间频谱函数之比
实际输出的时间响应函数的频谱
瞬时调制传递函数
T (
f
)
F h(t) F h0 (t)
h0 (t)dt
h(t)dt
积分：归一化
理想的时间响应函数的频谱
• 设输入照度为光脉冲(t)， • 则输出的时间响应函数为p(t) • 理想输出的时间响应函数为(t)
光电效应与光热效应对比
光 电 效
•单个光子对电子直接作用 光
•对光波频率选择性
热 效
•间接作用 •无频率选择性 •响应速度一般比较慢
应
应
•响应速度一般比较快
•容易受环境温度变化影响
共同点：
把光辐射量转换成电量来实现对光辐射的探测
光电器件的其他分类方法
按阵列结构分类
光电倍增管
光敏二极管
单元器件热 光电 敏堆 电阻
S N
dB
10lg
PS PN
10lg
I
2 S
I
2 N
20lg
IS IN
3）噪声等效功率（ENP）
•定义：当辐射被探测器接收时，由该辐射功率产生的输出信号均方根值正 好等于探测器本身的噪声均方根值，通常简称为NEP （ noise equivalent power ）
当大小为噪声等效功率的光辐射被器件接收时，由该辐射功率产生的
则：
g1(x,y)+g2(x,y) h1(,) h2(x,y)
位移不变性条件
设： 输入g(x,y) 输出h(,)
则： g(x+x1,y+y1) h( 1, 1)
在
1 , 1 时成立
获得幅频响应、等效带宽等参数
（1）脉冲响应函数
当光电成像器件的输入辐照度（或照度）为脉冲函数（如采用纳 秒或皮秒的窄激光脉冲作为输入光源）时，得到的输出信号是时 间的函数，取其归一化的函数定义为脉冲响应函数。
光电转换上升过程的滞后远小于下降过程的滞后
近似取上升斜率为∞，只考虑下降过程的滞后
可以将脉冲响应函数归结为三种类型 • 比例函数衰减型 • 负指数函数衰减型 • 双曲函数衰减型
定义
D* D Af
1
(cm* Hz 2 / W)
称为归一化探测率（有时也直接称为探测率）
D*大的探测器其探测能力一定好。
定量比较不同情况下探测器D的 性能RV
D*(λ, f ,Δf )。
Af
1 2
VN
几个重要参数归纳
参数
积分灵敏度R
光谱灵敏度Rλ 噪声等效功率
NEP 探测率D 归一化探测度
D*
厘米.赫 兹1/2/瓦
4. 光电器件的图像分辨特性
1） 分辨力
分辨力是以人眼作为接收器所判定的极限分辨能力 通常用光电成像系统在一定距离内能够分辨的等宽黑白条纹数来表示。 对于直视型光电成像器件，取输入像面上每毫米所能分辨的等宽黑白条 纹数表示分辨力 （lp/mm）
对于非直视型光电成像系统，取扫描线方向相当于帧高的距离内所能 分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力——电视线 表示电视分辨力的指标，可以用电视线 n，也可以用视频带宽 ΔfV
电压响应率
RV
AEm
V
Ed
0
V/W（或V/lm）
单位？
A：光敏面的有效面积
输入（辐）照度
3）单色响应度
R I
给出的是相对光谱灵敏度
S
R R ,max
单色灵敏度(单色响应率)取最大值时，对应的单色辐射波长为峰值 波长，灵敏度称为峰值波长灵敏度 在长波一端取单色灵敏度下降为峰值的一半时所对应的波长为截止 波长，或称为长波限
PNEP (T
,
f
,
f
)
EA VS
VN
VN RV
PNEP (T ,
f ,f )
EA IS
IN
IN RI
若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，
则NEP＝0.001μW
即小于0.001微瓦的信号光功率不能被探测器所感知
NEP是探测器所能探测的最小光信号功率。
NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强 NEP是描述光电探测器探测能力的重要参数
3. 光电器件的噪声特性
1）噪声 光电器件输入光功率为0时
输出信号是一些杂乱无章的变化信号 时间平均值等于零 均方根（交变信号的有效值）不等于零
IN
I
2 n
VN Vn2
噪声电流 噪声电压
2）信噪比 负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比
S N
PS PN
I
2 S
RL
I
2 N
RL
I
2 S
I
2 N
例：负指数衰减型脉冲响应函数对应的瞬时调制传递函数
B(t) b exp bt , t≥0
B(t) 0,
t＜0
3）幅频响应
例：负指数衰减型脉冲响应函数对应的瞬时调制传递函数
b exp(bt j2 ft)dt
T ( f ) 0
b exp(bt)dt
b
exp( j arctan 2 f )
量子效率
光电转换特性灵敏度（响应率）
光谱灵敏度
惰性（余辉）
光电器件参数时间响应特性瞬脉时冲调响制应传函递数函数
噪声特性噪 噪声 声等效输入
信噪比
光学成像特性分光辨学力传递函数
1. 转换特性
表示输入物理量与输出物理量之间的依从关系
1）量子效率
某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比
红– 外=h变v 像管——红外图像转换成可见光图像 – 成功地解释了光电效应
第二节 光电器件的分类
外光电效应 受激电子逸出固体表面进入真空
光
光阴极
电 效 应
光电光管子型器件
光电倍增管、变像管、摄光像管
电
内光电效应 受激电子在固体内部运动 器
光电导效应
件
光伏效应
光热效应
光热型光少电数器载件流子注入 光电容
第三章 光电器件的特性参数
第一节 光电器件的产生及发展
光电器件工作物理基础？
光电器件的发展过程 1873年，史密斯( W. Smith)首先发现了光电导现象
（1用90光0照年硒普表朗面克）( Planck )提出了光的量子属性
1918年，普朗克因为对量子理论的贡献而获得诺贝 尔奖，并以他的名字命名常数h——现代物理学中最 重要的普适恒量，在德国普朗克成为享有极高荣誉 德国科学家，2马克的硬币上印有他的头象。
fV
1 2 afhn
a：宽高比；fh：行扫描频率
2）光学传递函数
A）线性位移不变性条件（LSI条件）
i）线性条件：满足齐次性和叠加性 齐次性
设： 输入g(x,y) 输出h(,)
g1(x,y)+g2(x,y)h1(,) h2(x,y)
则：
g(x,y) h( , )
叠加性
设： 输入g1(x,y) 输出h1(,) 输入g2(x,y) 输出h2 (,)
a）比例函数衰减型
B(t)
2a B02
B0
at ,
B(t) 0,
0≤t＜ B0 a
t＜0
b）负指数函数衰减型
B(t) b exp bt , t≥0
B(t) 0,
t＜0
c）双曲函数衰减型
B(t)
a B0 2 , t≥0
a B0 t
B(t) 0,
t＜0
（2）瞬时调制传递函数
• 当光电转换过程满足线性及时间不变性等条件时，还可以用瞬时调制 传递函数来表示时间响应特性
1900.10.19 普朗克在德国物理学 会会议上提出一个黑体辐射公式
M
(T )
2πh c2
3
eh / kT
1
h 6.551034 Js
M.Planck 德国人 1858 －1947
第一节 光电器件的产生及发展
光电器件工作物理基础？ ——光电效应
光电器件的发展过程
斯11••8光托98表11理1伊85列9899电面年论万18562托673发年9哈，思器年年夫年射尔揭等萨，西件、，负瓦示人爱赫蒙勒默是电科克了成因兹提纳荷研(勒光功在H(斯出和Ha电研制制坦了e人爱llr效制wt(负成因出z类aE应了)电发c斯i了n锑k的负探子现s坦s第t)本电钾亲e实索了相i一质子n和验紫继钠)和个完。亲势证外建铯善研和实光实辐立了势多阴用了究射光砷极紫影光的碱光与化理外响电光光电物镓论辐放发电质光阴射效电发作阴可过基极应用极射使程本的的体金定量属律子 进h—t–程tp—光:/中量银/v子.k产氧u6铯生.c光o和m阴/发s极h展ow的/lnwqOVEuIJ8sOUzA.html
输出信号均方根值VS （或IS ）正好等于器件本身的噪声均方根值VN
（或IN ）
PNEP
T
,
f
,
f
EA VS / VN
（W ）NEP越大器件性能越好吗？ NEP值愈大性能愈差
黑 体 的 温 度
调 制 频 率
测 信噪比 试 带 宽
NEP的单位？
EN为E探P测是器信接噪收比的为辐1 时照所度需，的A为入探射测辐器射的功有率效工作面积 ， VS和VN分别为探测器信号与噪声的电压均方根值