光电检测与信号处理-光电探测器基础

5.响应时间: f 0 2
1
积分得到：
n(t ) n0 (1 exp( ))
t

同样停止光照时：
n(t ) n0 (t ) exp( )
t

频率响应：
n
g 1 2 2

n0 1 2 2
四、探测器的噪声
1.散射噪声:由于光电探测器在光辐射作用或热激发下,光 电子或载流子随机产生所造成的 2.热噪声:由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的. 3.产生复合噪声 4.温度噪声:无辐射存在时,探测器在某一平均温度附近呈 现一个小的起伏,这种温度引起的热探测器输出起伏称为 温度噪声. 5.电流噪声
2、光生伏特效应
在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象称为光生 伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。 1．势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，若光子能 量大于其禁带宽度Eg，使价带电子跃迁到导带，产生电子—空穴 对，由于阻挡层内电场的作用，形成光电动势的现象称为结光电 效应 2．侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光照产生 的电子—空穴对）浓度梯度的存在将会产生侧向光电效应。光照 强的部分带正电，光照弱的部分带负电。
二、光电探测器的分类
（1）、利用光电效应的光子探测器
（2）、利用温度效应的热探测器
光电效应
一、外光电效应 外光电效应：当光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸 出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的 电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：光电管和光 电倍增管。 光子能量： E=h J∙s 式中，h=普朗克常数，h=6.62610-34 J∙s；—光的频率（s-1）。 Einstein光电方程： h=mv02/2+A0 式中，m—电子质量；v0—逸出电子的初速度；A0—物体的逸 出功（或物体表面束缚能）。
基本规律： 红限频率0（又称光谱域值）：刚好从物体表面打 出光电子的入射光波频率，随物体表面束缚能的不同而 不同，与之对应的光波波长0（红限波长）为 0 =hc/ A0 式中，h=普朗克常数；c—光速；A0—物体的逸出功。 当入射光频谱成分不变时，产生的光电子（或光电 流）与光强成正比。 逸出光电子具有初始动能Ek=mv02/2，故外光电器 件即使没有加阳极电压，也会产生光电流，为了使光电 流为零，必须加负的截止电压。
（二）、热探测器
1.测辐射温差热电偶和热电堆 2.电阻测辐射热器 3.热释电探测器 4.气动探测器 5.热探测器
器件特点:利用了光热效应, 入射光辐射与物 质中的晶格相互作用,晶格因吸收光能而增 加振动能量.这又引起物质的温度上升,从而 导致与温度有关的材料的某些物理性质的变 化,光热效应与入射辐射的光子的性质无关, 因此,热效应一般与波长无关即光电信号取 决于入射辐射功率，而与入射辐射的光谱成 份无关,即对光辐射的响应无波长选择性.
3.等效响应功率和探测率: 若入射到探测器上的辐通量按某一频率变化，当 探测器输出信号电流Is（或电压Vs）等于噪声的均 方根电流（或电压）时，所对应的入射辐通量Φe 称为等效噪声功率NEP。 探测率：D=1/ NEP 4.线性:指探测器的输出光电流或电压与输入光的 辐通量成比例的程度和范围，与其工作状态有关.
（1）、光子探测器
1.光电子发射探测器:利用外光电效应,包括 真空光电管,充气光电管和光电倍增管. 2.光电导探测器:利用光电子效应,包括光敏 电阻等. 3.光伏探测器:利用内光电效应 4.光电磁探测器
器件特点：是一种选择性探测器,要产生光 子效应,光子的能量要超过某一确定的值,即 光子的波长要短于长波限,波长长于长波限 的入射辐射,不能产生所需的光子效应,因而 也就不能被探测出来.另一方面,波长短于长 波限的入射辐射,当功率一定时,波长愈短,光 子数就愈少,因此,理论上光子探测器的响应 率应与波长成正比.
光电探测与信号处理---
光电探测器基础
李盼来
河北大学---物理科学与技术学院
光电探测器基础涉及的主要内容 一、光电探测器的发展
二、光电探测器的分类
三、光电探测器的性能参数
四、光电探测器的噪声
一、光电探测器的发展
1826年发明热电偶,1880年发明金属薄膜测 辐射计,1946年出现了金属氧化物热敏电阻 测辐射热计.1947年气动探测器出现.之后出 现光子探测器.1970年出现了利用光子迁移 效应制成的光子牵引探测器.上世纪80年代 中期出现了量子阱探测器,近些年出现了电 荷耦合器件.
二、内光电效应 当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生光生 电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和 光生伏特效应。 1、光电导效应 在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态过渡到 自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导效应。基于 光电导效应的光电器件有光敏电阻。 入射光能导出光电导效应的临界波长0为 0=hc/Eg 式中，h=普朗克常数；c—光速；Eg—半导体材料禁带宽度。
一般光电系统的噪声：
光子噪声：信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合噪声，温度 噪声，1/f噪声
噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声 噪声的主导地位： 在低频时， 1/f噪声起主导作用
S(f)
白噪声
1/f噪声
在中频时，产生复合噪声起主导作用
外光电效应的两个基本定律： 1.光电发射第一定律-斯托列托夫定律：当照射到 光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱 和光电流（即单位时间内发射的光电子数目） 与入射 光强度成正比。 2.光电发射第二定律-爱因斯坦定律：光电子的最 大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强 度无关： Emax=(1/2)mυ2max=hν- hν0=hν- W
三、探测器的性能参数
1.响应率:探测器的输出信号电压Vs或电流Is与入 射的辐通量Φe之比，即
Sv=Vs/Φe 或SI=Is/ Φe 2.光谱响应率：光电探测器的输出电压或电流与 入射到探测器上单色辐射通量(光通量)之比，即 Sv(λ)=Vs(λ)/Φe(λ)或 SI(λ)=Is(λ)/ Φe(λ)
在高频时，白噪声起主导作用 噪声的克服
f
等效噪声带宽：若光电系统中的放大器或网络的 功率增益为A(f),功率增益的最大值为Am,则噪声 带宽为：
f
Am
A(f)
N(f) f
1 f Am
f
f
Leabharlann Baidu


0
A( f )df
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。