_第4章+光电探测器概述及光电导探测器

2 4 KT f 2 In Gt [1 (2f t ) 2 ]
院 光
18
电
成
温度噪声也具有白噪声的性质。
技 术
Gt
学 院
一、光电探测器的特性参数
学
原理：光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典 型的利用光电导效应制成的光电探测器件。当光 照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使 非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度 增大，因而导致材料电导率增大。
学 院
一、光电探测器的特性参数
成
都
信
类似有：
息
I p ( ) S I ( ) e ( )
V p ( ) SV ( ) e ( )
8
工
程
学
光谱响应度：就是指不同波长处的响应能力， 又称为光谱灵敏度。 如果探测器对波长为λ的光辐射通量Φ 产生的 输出电流为Ip，则其光谱响应度为：
成
热释电
信
技 术
光探测器的物理效应通常分为两类：光电效应和光热效应。
相应的探测器
光电管 光电倍增管 像增强器 光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器
学 院
一、光电探测器的特性参数
工
Q(t )
程
而入射的瞬时光辐射能量为：
学
N Q(t ) / h

t 0 t
信
息
工
程
学
院 光
13
外的测量值。 信噪比：SNR
S N
电
0
光电探测器的噪声
信号的随机起伏
学
院 光
白噪声和1/f噪声
成
都
信
通常把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得到噪 声功率随频率变化关系，这就是噪声的功率谱s(f)。 根据噪声的功率谱与频率的关系，常见有两种典型情况：一种 是功率谱大小与频率无关的噪声，通常称为白噪声；一种噪声 是功率谱与1/f成正比，称为1/f 噪声。
都
信
息
工
程
学
院 光
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电
技 术
i 4eI ( / )f
学 院
一、光电探测器的特性参数
程
都
式中Gt为器件的热导；τt＝Ct/Gt是器件的热时间常数，Ct是器 件的热容；T是周围温度（K）。 2 4 KT f 2 2 I 在低频时， （2f t） 《1 n
信
息
工
学
(4)1/f噪声（电流噪声） 因导电元件内微粒的不均匀性和不必要的微量杂质存在， 当电流流过时，在元件微粒间发生微火化放电而引起的微电爆 脉冲就是1/f噪声的起源。 CI f 2 1/f噪声的经验公式为: in f (5)温度噪声 温度噪声主要存在于热探测器中。在热探测器中，不是 由于辐射信号的变化，而是由器件本身吸收和传导等的热交换 引起的温度起伏称为温度噪声，其表达式为
息
工
程
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电
技 术
学 院
一、光电探测器的特性参数
息
成
都
信
工
程
光电测量系统噪声分类
学
院 光
15
一般光电检测系统的噪声可分为三类： （1）光子噪声 包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。 （2）探测器噪声 包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声； 1/f 噪声；温度噪声。 （3）信号放大及处理电路噪声
工
程
学
院 光
电
技 术
学 院
一、光电探测器的特性参数

成
都
信
息
线性度——探测器的输出光电流 与输入光的辐射通量成比例的程 度和范围。线性区的下限由暗电 流和噪声等因素决定，而上限通 常由饱和效应可过载决定。
工
程
学
院 光
7

光照特性——光电流与入射在光电器件上的光照度 之间的关系。
电
技 术
2.光电特性和光照特性 光电特性——当光电器件上的电压一定时，光电流与 入射在光电器件上的光通量之间的关系。
息
工
程
成
都
信
院 光
19
电
无光照时,光敏电阻的阻 值很大，电路中的电流 很小；
有光照时，光生载流子 迅速增加，阻值急剧减 小，在电路中形成电流。
技 术
光敏电阻
学 院
二、光电导器件
组成：它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜
M
院 光

tr
20
电
和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑 料外壳内 。电极和光电导体之间呈欧姆接触。
t0
成
都
信
息
院 光
4
光电转换定律 光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的电学量， 所以光电探测器实质上是一种光－电转换器件。 考虑能量为的光子入射到光电探测器上所产生的光电流， 如果光子能量大于探测器材料的禁带宽度，在观察时间t内， 它产生的平均光电子数为N，则根据量子理论分析的结果， N与入射的平均光辐射能量成正比，即
技 术
实际器件的响应都具有滞后现象（惰性）。
学 院
一、光电探测器的特性参数
噪声N：除探测信号之
技 术
6.探测器的探测能力
u n (t )
学 院
t
一、光电探测器的特性参数
成
都
显然，无法用预先确知的时间 函数来描述它。 为了提高信噪比，可 长时间看，噪声电压从零向上 增大信号值或减小噪 涨和向下落的机会是相等的， 声大小。 其时间平均值一定零。所以用 时间平均值无法描述噪声大小。 然而，噪声本身是统计独立的， 所以能用统计的方法来描述。
电
技 术
学 院
一、光电探测器的特性参数
成
都
信
息
工
程
（1）热噪声(又称电阻噪声或白噪声) 凡有功耗电阻的元件都有热噪声，它来源于电阻内部自由电 子或电荷载流子的不规则的热动。热噪声与温度 T成正比；与 测量仪器的电子带宽Δf成正比，与频率无关。 热噪声均方电流In2和热噪声均方电压Vn2分别由下式决定 In2＝4KTΔf/R Vn2＝4KTΔfR 式中:K是玻尔兹曼常数；T是温度(K)；R是器件电阻值；Δf为 所取的通带宽度(频率范围)。因此，所取的带宽愈大，噪声功 率也愈大。当然并不是带宽无限增大，噪声功率也会无限增大。 在常温下，上式只适合于1012Hz频率以下范围。
P(t )dt
电
技 术
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一、光电探测器的特性参数
成
都
式中P为入射光辐射的平均功率。此式描述了光－电转换的基本 定律。 从光电转换定律可知： ①光电探测器输出的光电流与入射平均光功率成正比，因此， 一个光子探测器可视为一个电流源。 ②由于平均光功率与光电场强度的平方成正比，所以光电探测 器输出的光电流也与光电场强度的平方成正比。也就是说，光 电探测器的响应具有平方律特性。因此，通常称光电探测器为 平方律探测器，或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。
学
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可见光波段最灵敏的光电导器件 峰值波长0.52µm，掺铜和氯后向远红外区域延伸 时间常数与入射照度有关（100lx为几十ms) 用于自动控制灯光、自动调光调焦、自动照相机
电
技 术
常见光敏电阻 1. 硫化镉（CdS）光敏电阻
学 院
二、光电导器件
成
锑化铟（InSb）光敏电阻 液氮温度（77K）时峰值波长（5µm)，刚好在中红外 波段大气窗口3～5µm范围内 响应时间为1µs 室温下长波极限可达7.5µm 4. 碲镉汞（HgCdTe）光敏电阻 是目前所有探测器中性能最优良、最有前途的探测器 对热红外波段8-14 m大气窗口波段的探测更为重要 ，峰值波长为10.6 m，可与CO2激光器的激光波长相 匹配 是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，由于配 制Cd组分（x量，一般为1.8-0.4）的不同，可得到不 同的禁带宽度，从而制造出波长响应范围不同的Hg1xCdxTe探测器，1-3 m 、3-5 m 、 8-14 m 是近、中和热红外探测器中性能最优良的探测器
电
光电导（本征或非本征） 光电管或光敏电阻
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3
内光电效应
程
学
光生伏特 pn结和pin结（反偏） 雪崩、肖特基势垒 光电磁 光子牵引 相应的探测器
（b）光热效应 效应
息
工
都
测辐射热计 负电阻温度系数 正电阻温度系数
热敏电阻测辐热计 金属测辐射热计 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器
温差电
程
学
院 光
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电
当光辐射突然照射或消失时，探测器的输出信
技 术
5.响应时间
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一、光电探测器的特性参数
这些上升或下降的时间就表示了器件惰性的大
小。
成
都
信
息
工
程
学
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衰减弛豫（下降时间）定义为响应值下降至稳 定值的1 e 时所需的时间，此值约为37%。
电
起始弛豫（上升时间）定义为响应值上升至稳 定值时所需的时间1 1 e，此值约为63%；
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成
LOGO
都
信
息
工
程
学
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电
光电检测技术
技 术
学 院
光电导探测器
成
都
信
息
工
光敏电阻应用实例
程
光敏电阻偏臵电路
学
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电
光电探测器的特性参数
技 术
学 院
第4章 光电探测器概述及光电导探测器
光探测器的物理基础
（a）光电效应
效应
光阴极发射光电子 外光电效应 光电子倍增 打拿极倍增
学
院 光
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电
技 术
4. 等效噪声功率和探测率
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一、光电探测器的特性参数
成
都
信
式中A为器件接收面积，Δf为工作带宽。 D越高，探测器的灵敏度越高，性能越好。
息
工
程
为对不同面积和不同工作带宽的器件进行比较 ，因此引入归一化探测率 D* （比探测率），其 值为 D D A f
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信
息
工
程
学
院 光
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e K e e IP P(t ) P h t h
电
技 术
式中，P(t)是光辐射的瞬时功率。一般来说，它是一个随机量， 如果P(t)在观察时间t内没有明显的改变，则W(t)P(t) t。由此 可得光电探测器输出的平均光电流表达式：
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一、光电探测器的特性参数
参数，是单位入射功率相应的信噪比，并称之 为探测度： D 1 NEP
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技 术
• 用NEP的倒数作为衡量探测器最小可探测能力的
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一、光电探测器的特性参数
探测器对变化信号响应快慢的能力。

成
都
信
对周期变化的光强，光电器件的弛豫时间如果 比周期长得多，那么就不能反映光强的变化。
息
工
号不会立即到达最大值或下降为零，而是出现 变化缓慢的上升沿和下降沿。上升或下降的时 间就是弛豫时间，或称为响应时间或时间常数 （惰性）。这种弛豫现象表现了光电探测器对 光强变化反应的快慢。
院 光
电
技 术
3.光谱特性 光电流或输出电压与入射光波长之间的关系。
学 院
一、光电探测器的特性参数
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都
• 是可测的信号功率最小值； • 是单位信噪比的入射光功率； • NEP越小，探测器越灵敏。
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程
探测器无信号输入时，也会有噪声输出。 若假设此有效噪声值是相当功率的输入信号 造成的，则此功率值可作为探测器的噪声水 平的衡量。 IN IN IN IN NEP NEP SI I p P SV Vp P
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工
程
学
技 术
结构与材料
自由载流子寿命
有效渡越时间
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二、光电导器件
成
都
近红外波段灵敏1~3.5μm ， 在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此 ，常用于火灾的探测等领域。 特性与工作温度有关 响应时间太长（室温下为100～300µs）
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工
程
2. 硫化铅（PbS）光敏电阻
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电
技 术
学 院
一、光电探测器的特性参数
成
(2)散粒噪声 一种由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。对于内 光电效应探测器:(1)光生载流子(电子，空穴对)的产生和复合 过程的随机性，每一瞬时通过PN结的载流子数总有微小的不规 则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引起散粒噪声。(2) 此外，光辐射中光子到达率的起伏在某些探测器光电转换后也 表现为散粒噪声。散粒噪声由下式决定： In2＝2eIΔf 式中：I为器件输出平均电流。 可以看出，散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。 (3)产生—复合噪声 在平衡状态时，载流子产生和复 i 2 4eI ( / c )f 合的平均数是一定的，但其瞬间载流子 n 1 4 2 f 2 2 的产生数和复合数是有起伏的，于是载 如果频率低，满足wτ<<1时， 流子浓度的起伏引起光电器件电导率起 伏。在外加电压下，电导率的起伏使输 2 出电流中带有产生－复合噪声。 n c
成
I P q / hc 0.54mA
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都
且已知入射光功率 P 2mW ，试计算该光电阴极输出信号光电流的大小。
信
例：设某光电阴极的量子效率为 25% ，输入光的波长为 1.35 m
息
光探测器性能参数 1．量子效率η 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。 I=αр=（ηe/ hυ）P α：光电转换因子，α=ηe/ hυ； P/ hυ：单位时间内入射到探测器表面的光子数 I/e：单位时间内被光子激励的光电子数 η=Ihυ/ep ：单位时间内探测器传输出的光电子数与 入射到探测器表面的光子数之比。 对于理想的探测器，η=1，实际上 η<1。 显然，量子效率越高越好，量子效率是一个微观参数。