第十二章 光电探测器(Beta2)[可修改版ppt]
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#
引言
光电探测的物理效应主要分为三类，其中光电效应应 用得最为广泛
✓ 光电效应： 入射光的光子与物质中的电子直接作用，改变电子的运动状态， 产生载流子。
✓ 光热效应： 光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收， 引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变。
✓ 波相互作用效应： 激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包 括非线性光学效应和超导量子效应。
衡量
在阶跃输入光功率条件下，光电探测器输出电流
i
为
s
is(t)i [1extp /)(]
当
is(t)0.63i时，(稳态值
称为时间常数
i
)
t
#
光电探测器的性能参数
频率响应
——探测器的响应度随入射光调制频率的变化特征 多数探测器的响应度与调制频率的关系为
(f)
0
1
(1+42f 22)2
调制频率ｆ＝０时的响应度 调制频率
光谱响应度
R v
V s Ps
或
R v
V s Ps
单位光功率单色光照射下探测器的输出信号（电压或
电流）
光谱响应
光谱响应度随波长 的变化关系称为光谱响应
光谱响应宽度:峰值一半处的波长响应范围.
#
光电探测器的性能参数
噪声等效功率 NEP NEP Ps Vn
信号噪声比
Vs /Vn v
入射光功率通常按某一频率变化，当探测器输出信号电压
第十二章 光电探测器 (Beta2)
引言
探测器:光电子系统中，因为光波具有容量大、速度快、 保密性好和抗干扰能力强等优点，常用光波调制使光 载波携带信息。对于光辐射的探测也显得尤为重要。 把光辐射的能量变成其它能量形式（如电、热等）的 信息，再通过对这些信息的测量，实现对光辐射的探 测。
光电探测器:从近代测量技术来看，电量测量不仅是最 方便，而且是最精确的，所以大部分光探测器都是直 接或间接把光辐射能量转化为电量，
当 (f ) 0.707时， 1/2f*
0
探测器的截止频率
探测器时间常数决定 了频率响应的宽度
#
光电探测器的性能参数
线性度
探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成线性 变化的程度和范围。
一般来说，
弱光 is ps 强光 is ps
#
引言 光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器 ✓ 光电导探测器 ✓ 光伏探测器
来源于电阻内部自由电子或电荷载热流噪子声的与不电规子则带热宽成运正动比，
计算公式：
而与频率无关，频谱无限宽，噪声功率
热噪声电压、电流均方值
引言
光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的
内部电子状态改变，即光子能量的大小直接影响内部电子
状态改变的大小，因而这类探测器受波长限制，存在“红
限”
截至波长 c
hc E
E在外光电效应中为表面逸出功，在内光电效应中为半导体禁
带宽度。
光热效应类探测器对光波波长没有选择性，但是由于材
料在红外波段的热效应更强，因而广泛用于对红外辐射， 特别是长波长的红外线的测量，由于温度的升高需要热积 累，所以探测器的速度较慢，而且容易受环境的影响。
n (t) 0噪声电压平均值的瞬间振幅和相位随时间呈无规则变化
___
2 n
均方值完全确定，表示单位电阻上所消耗的噪声平均功率
___
2 n
—计量噪声电压大小
___
2 n
—起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_n2
T
T记为 V n
Vn2=[(t)-_]2=T 1-2T[(t)-_]2dtT 1-2Tn2(t)dt
量子效率
Ip / e
单位时间内光子所激励的光电子数
Pi/h
单位时间内入射到探测器表面的光子数
代表入射到探测器的单个光子所能产生的光电子数目
#
光电探测器来自百度文库性能参数
时间常数
探测器的惰性：
当入射光功率发生突然变化时（如开始或停止照射），光电探
测器的输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数 来
#
外光电效应:光致发射
1)光阴极型:
普通型,
负电子亲和型
2)增益型:
气体雪崩型
光电倍增型
G—10E6
通道电子倍增型
内光电效应:光子不逸出表面
激发附加载流子 光电导效应,光伏效应,光电磁效应,登布效应, 光敏晶体管
自由载流子扰动 光子牵引,热电子辐射计,Putley探测器
局部扰动 红外量子计数器,闪烁体,感光胶片
#
引言
光电效应： 根据效应发生的部位和性质，分为：
✓ 外光电效应： 指发生在物质表面上的光电转化现象，主要包括光阴极直 接向外部发射电子的现象。典型的例子是物质表面的光电 发射。这种效应多发生于金属和金属物。
✓ 内光电效应： 指发生在物质内部的光电转化现象，特别是半导体内部载 流子光生效应。主要包括光电导效应、光生伏特效应、光 子牵引效应和光磁电效应等。这种效应多发生于半导体内。
的有效值等于噪声均方根电压值时所对应的入射光功率
探测度D D= 1 = v
探测器N探E测P 能力Vn的指标，D越大，噪声等效功率越小，探测
器性能越好
#
光电探测器的性能参数
光电流与入射光功率成正比
I P he P p
i
光电转换因子
能量为hv的一个光子在探测器中能产
i
生的具有电量为e的光电子数量
#
引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声 半导体光电探测器 ✓ 光电导探测器 ✓ 光伏探测器
光电池 光电二极管 光电三级管 半导体器件的选择 CCD探测器
光电探测器的性能参数
响应度/灵敏度
Ri
is Ps
或
Rv
Vs Ps
单位入射功率下探测器的输出信号（电压或电流）
#
光电探测器的性能参数
#
2
2
光电探测器的噪声
总起伏噪声
产生起伏噪声的电压因素很多，且彼此之间相互独立。
_____ _____ _____
n2 n12n22...
_____
_____ _____
n2 n12n22...
热噪声 暗电流噪声 散粒噪声 低频噪声
等
#
光电探测器的噪声
热噪声
热噪声与T成正比， 可通过降低探测器温度来减少热噪声
光电池 光电二极管 光电三级管 半导体器件的选择 CCD探测器
光电探测器的噪声
探测器在完成光电转化过程中，不仅给出表征被测对象的电压、电 流信号，同时也伴随着无用噪声的电压、电流信号，这是一种起伏 信号，其大小决定了探测器的探测能力
计量起伏噪声（以起伏噪声电压 n ( t为) 例，噪声电流 i n ( t )类似）
引言
光电探测的物理效应主要分为三类，其中光电效应应 用得最为广泛
✓ 光电效应： 入射光的光子与物质中的电子直接作用，改变电子的运动状态， 产生载流子。
✓ 光热效应： 光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收， 引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变。
✓ 波相互作用效应： 激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包 括非线性光学效应和超导量子效应。
衡量
在阶跃输入光功率条件下，光电探测器输出电流
i
为
s
is(t)i [1extp /)(]
当
is(t)0.63i时，(稳态值
称为时间常数
i
)
t
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光电探测器的性能参数
频率响应
——探测器的响应度随入射光调制频率的变化特征 多数探测器的响应度与调制频率的关系为
(f)
0
1
(1+42f 22)2
调制频率ｆ＝０时的响应度 调制频率
光谱响应度
R v
V s Ps
或
R v
V s Ps
单位光功率单色光照射下探测器的输出信号（电压或
电流）
光谱响应
光谱响应度随波长 的变化关系称为光谱响应
光谱响应宽度:峰值一半处的波长响应范围.
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光电探测器的性能参数
噪声等效功率 NEP NEP Ps Vn
信号噪声比
Vs /Vn v
入射光功率通常按某一频率变化，当探测器输出信号电压
第十二章 光电探测器 (Beta2)
引言
探测器:光电子系统中，因为光波具有容量大、速度快、 保密性好和抗干扰能力强等优点，常用光波调制使光 载波携带信息。对于光辐射的探测也显得尤为重要。 把光辐射的能量变成其它能量形式（如电、热等）的 信息，再通过对这些信息的测量，实现对光辐射的探 测。
光电探测器:从近代测量技术来看，电量测量不仅是最 方便，而且是最精确的，所以大部分光探测器都是直 接或间接把光辐射能量转化为电量，
当 (f ) 0.707时， 1/2f*
0
探测器的截止频率
探测器时间常数决定 了频率响应的宽度
#
光电探测器的性能参数
线性度
探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成线性 变化的程度和范围。
一般来说，
弱光 is ps 强光 is ps
#
引言 光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声
半导体光电探测器 ✓ 光电导探测器 ✓ 光伏探测器
来源于电阻内部自由电子或电荷载热流噪子声的与不电规子则带热宽成运正动比，
计算公式：
而与频率无关，频谱无限宽，噪声功率
热噪声电压、电流均方值
引言
光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的
内部电子状态改变，即光子能量的大小直接影响内部电子
状态改变的大小，因而这类探测器受波长限制，存在“红
限”
截至波长 c
hc E
E在外光电效应中为表面逸出功，在内光电效应中为半导体禁
带宽度。
光热效应类探测器对光波波长没有选择性，但是由于材
料在红外波段的热效应更强，因而广泛用于对红外辐射， 特别是长波长的红外线的测量，由于温度的升高需要热积 累，所以探测器的速度较慢，而且容易受环境的影响。
n (t) 0噪声电压平均值的瞬间振幅和相位随时间呈无规则变化
___
2 n
均方值完全确定，表示单位电阻上所消耗的噪声平均功率
___
2 n
—计量噪声电压大小
___
2 n
—起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_n2
T
T记为 V n
Vn2=[(t)-_]2=T 1-2T[(t)-_]2dtT 1-2Tn2(t)dt
量子效率
Ip / e
单位时间内光子所激励的光电子数
Pi/h
单位时间内入射到探测器表面的光子数
代表入射到探测器的单个光子所能产生的光电子数目
#
光电探测器来自百度文库性能参数
时间常数
探测器的惰性：
当入射光功率发生突然变化时（如开始或停止照射），光电探
测器的输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数 来
#
外光电效应:光致发射
1)光阴极型:
普通型,
负电子亲和型
2)增益型:
气体雪崩型
光电倍增型
G—10E6
通道电子倍增型
内光电效应:光子不逸出表面
激发附加载流子 光电导效应,光伏效应,光电磁效应,登布效应, 光敏晶体管
自由载流子扰动 光子牵引,热电子辐射计,Putley探测器
局部扰动 红外量子计数器,闪烁体,感光胶片
#
引言
光电效应： 根据效应发生的部位和性质，分为：
✓ 外光电效应： 指发生在物质表面上的光电转化现象，主要包括光阴极直 接向外部发射电子的现象。典型的例子是物质表面的光电 发射。这种效应多发生于金属和金属物。
✓ 内光电效应： 指发生在物质内部的光电转化现象，特别是半导体内部载 流子光生效应。主要包括光电导效应、光生伏特效应、光 子牵引效应和光磁电效应等。这种效应多发生于半导体内。
的有效值等于噪声均方根电压值时所对应的入射光功率
探测度D D= 1 = v
探测器N探E测P 能力Vn的指标，D越大，噪声等效功率越小，探测
器性能越好
#
光电探测器的性能参数
光电流与入射光功率成正比
I P he P p
i
光电转换因子
能量为hv的一个光子在探测器中能产
i
生的具有电量为e的光电子数量
#
引言
光电探测器的性能参数
光电探测器的噪声 半导体光电探测器 ✓ 光电导探测器 ✓ 光伏探测器
光电池 光电二极管 光电三级管 半导体器件的选择 CCD探测器
光电探测器的性能参数
响应度/灵敏度
Ri
is Ps
或
Rv
Vs Ps
单位入射功率下探测器的输出信号（电压或电流）
#
光电探测器的性能参数
#
2
2
光电探测器的噪声
总起伏噪声
产生起伏噪声的电压因素很多，且彼此之间相互独立。
_____ _____ _____
n2 n12n22...
_____
_____ _____
n2 n12n22...
热噪声 暗电流噪声 散粒噪声 低频噪声
等
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光电探测器的噪声
热噪声
热噪声与T成正比， 可通过降低探测器温度来减少热噪声
光电池 光电二极管 光电三级管 半导体器件的选择 CCD探测器
光电探测器的噪声
探测器在完成光电转化过程中，不仅给出表征被测对象的电压、电 流信号，同时也伴随着无用噪声的电压、电流信号，这是一种起伏 信号，其大小决定了探测器的探测能力
计量起伏噪声（以起伏噪声电压 n ( t为) 例，噪声电流 i n ( t )类似）