第四章. 光电探测器概述

1 Rxy ( ) lim T 2T


T
T
x(t ) y (t )dt
1 Ryx ( ) lim T 2T

T
T
x(t ) y (t )dt
讨论 : ① Rxy ( ) 仅与时间差 有关，而与计算时间t的起点 无关； ② Rxy ( ) Ryx ( )
R( ) 2 S(f) cos df
0
S(w) 2 R( ) cos d
0

噪声的互相关函数 定义： Rxy (t1, t2 ) E[ x(t1 ) y(t2 )] R 对于具有各态经历的平稳随机过程： xy (t1, t2 ) Rxy ( )


噪声的相关函数
重点研究噪声在不同时刻取值之间的相关性。

自相关函数 定义 Rn (t1 , t2 ) E[n(t1 )n(t2 )]
由于各态经历的平稳随机过程，统计平均可用时间平 均来表示，与时间起点无关。
1 T Rn ( ) E[n(t )n(t )] lim T n(t )n(t )dt T 2T 讨论：几个重要性质 ① Rn ( ) 仅与时间差 有关，与计算时间t的起点无关

响应率（响应度）RV或RI，描述探测器灵敏度 的参量，它表征探测器输出信号与输入辐射之 间关系的参数。

讨论：

测量响应率的辐射源一般是500K的黑体； 如果使用波长单色辐射源，则称为单色响应率； 可见光波段称为光电探测器的灵敏度
一、有关响应方面的性能参数

单色灵敏度
R v R I VS ( ) IS ( ) (V / W) (A / W)
二、有关噪声方面的参数

噪声等效功率(NEP) －最小可探测功率
e NEP S / N(=1)

探测率D和比探测率D＊
D V / VN 1 S NEP P （W -1）
Ad f (cm Hz1/ 2W 1 )
D*
Ad f V / VN S NEP P
三、其它参数

量子效率

T
T
n(t )n(t )dt
R ④当 0 时， n ( ) 具有最大值，且
Rn (0) lim n(t )n(t )dt E[n2 ]
T T
T
特别当 E[n] 0 时，Rn (0) D[n] n2

S n () 和 Rn ( ) 关系 维纳-辛钦定理：

以热噪声为例：p( N ) 符合高斯分布
p( N ) 1 2 2 N ( N a) 2 exp[ ] 2 N

数学期望： E[ N ] a 热噪声平均值，一般为0 方差： D[ N ] 2 N 热噪声的交流功率， 2 N 越大， 噪 声越强。
在 N N 0 时的概率：

发展简况与分类
光电探测器性能参数 噪声的统计特性 光电探测器的噪声




发展简述（一）

热探测器：最早出现

1826 ： 热电偶
1880 ：金属薄膜测辐射计 1946 ：金属氧化物热敏电阻测辐射热计。 特点：① 探测率低，② 时间常数大

发展简述（二）

光子探测器：发展较早，技术最成熟

狭义平稳随机过程：噪声的概率分布密度不随时间变化

各态经历：统计平均可以用时间平均来计算
1 T E[ N ] N lim T N (t)dt T 2T
E[
2 N
] N
2
1 T 2 lim N (t)dt T 2T T
*光电系统的噪声是各态经历的广义平稳随机过程。
声功率之比
PS IS 2 R L IS 2 S 2 2 N PN IN R L IN IS 2 I S 10 lg 2 20 lg S IN IN N dB
二、有关噪声方面的参数

等效噪声输入(ENI)

器件在特定带宽内(1Hz)产生的均方根信号电流 恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量，此 时，其它参数，如频率温度等应加以规定。

积分响应度
R ( )d R= ( )d
1
0

其中 :
R d
0

0
IS IS ( )d R ( )d
1 1
0
0
一、有关响应方面的性能参数

响应时间：当入射辐射到光电探测器后或入射 辐射遮断后，光电探测器的输入上升到稳定值 或下降到照射前值所需要的时间。

频率响应：光电探测器的响应随入射辐射的调 制频率而变化的特性称为频率响应。

表征：同时间常数 RC ，它决定了光电探测器频 率响应的带宽
二、有关噪声方面的参数

探测器具有固有噪声，这些噪声的时间平均值为零， 但其均方根不为零，这个均方根电压（电流）称为探
测器的噪声电压（流）。

信噪比（S/N）：在负载电阻RL上产生的信号功率与噪

线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系

线性区的下限由暗电流和噪声因素决定，上限由饱和
效应或过载决定；

线性区随偏量、辐射调制及调制频率等条件的变化而
变化。

噪声的统计特性

描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输
入信号保持线性关系的程度。

线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系
② Rn ( ) 随 的增加逐渐衰减，表示在时间上相关性 逐渐减少。特别是对零均值噪声，可以证明 当 时，Rn ( ) 0 ③ Rn ( ) 是一种偶函数，即 Rn ( ) Rn ( ) ，因此自相 关函数又可以写为
1 Rn ( ) E (n(t )n(t )] lim T 2T
的热探测器。

电阻温度系数： T
• • •
1 dR R dT
和材料的种类和温度有关； 描述R时温度变化灵敏度的基本参数； 金属R=BT(B是比例系数)

三、热释电探测器

由热释电晶体制成。所谓热释电晶体，是指它们具有 自发电极化的特性，其自发电极化强度随温度升高而
下降。

特点：
• • •
T升高，自发极化强度下降； T=TC，自发极化强度=0→极化晶体发生相变或退极化。 TC叫居里温度，晶体不同， TC也不同

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。
e d e d N h hc
I S / q R hc ( ) N q IS R I ( )
三、其它参数

线性度

描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输 入信号保持线性关系的程度。
2
i
讨论：
2 N
1 S N ( f )df 2




S N ( w)dw
①如果放大器带宽为(f1,f2)，则上式积分上下限应改为f1,f2; ②和光电探测器相连接的低噪声放大器带宽不应太宽；

光电系统中的噪声分类：

白噪声：SN(f)=常数

低频噪声，红噪声，如1/f噪声
高频噪声，蓝噪声

典型器件：真空光电管，充气光电管，光电倍增管(可
检测极微弱光辐射信号);

特点：主要探测可见光，个别可扩展到1.25 μ m,近红 外。红外系统中应用不多。

二、光电导探测器

产生条件：本征光电导，入射光子能量 h >本征半导 体禁带宽度Eg；

光敏电阻：硫化镉 CdS，硒化镉CdSe，用于可见光范

特点 ：应用广泛，波长范围从紫外到红外。
种类：光电倍增管，光电二极管，铅锡、Ⅲ－V族 化合物、锗掺杂三元合金等。

发展简述（三）

从单个探测器向阵列（线阵和面阵）光辐射探测器发 展；

集成化方向的发展：把光电探测器，场效应管（FET） 置于一个基片上，如PIN，体积小，性能好，成本低， 稳定性高；

在确定光电探测器件的探测极限时使用。
二、有关噪声方面的参数

噪声等效功率(NEP) －最小可探测功率
e NEP S / N(=1)

探测率D和比探测率D＊
D V / VN 1 S NEP P （W -1）
Ad f (cm Hz1/ 2W 1 )
D*
Ad f V / VN S NEP P

p( N N 0 ) 1

1 2 N


N0
N0
2N exp( 2 )d N 2 N
噪声的功率谱密度

噪声功率谱密度 SN ( f ) :表示单位频谱的噪声功率
S N ( f ) lim i N ( f , f ) f 0 f
2

噪声功率 i N :在频域 ( f , f f ) 之间噪声频谱分量的 平均功率。

热探测器的特点

对一切波长都具有相同的响应，是非选择性探 测器；

工作时一般无需致冷（低温测辐射探测器除 外）；

响应时间长，大小取决于热电探测器热容量的 大小和散热的快慢。

光电探测器的性能参数

工作条件：

辐射源光谱分布 电路的通频带和带宽


工作温度
光敏面尺寸

偏置情况
一、有关响应方面的性能参数



方差 D[ N ]
D[ N ] ( N E[ N ])2 p( N )d N


D[ N ] E[ 2 N ] E 2 [ N ]
E[ 2 N ]：噪声的二阶中心矩

几个概念

广义平稳随机过程：光电系统处于稳定状态时，噪声的方差和 数学期望一般不再随时间变化。
③ R ( ) R (0) R (0) ，当两个随机过程互不相关时，则 一定有 Rxy ( ) Ryx ( ) 0 。例如，被检测信号与系统 的观察噪声之间不存在相关性，因此采用互相关 方法有利于抑制观察噪声。 ④从数学角度可以定义互功率谱密度

概率论基本知识 已知t时刻噪声电压的概率分布密度为 p( N ) 噪声电压取值在 N 1 和 N 2 之间的概率为：

p( N1 N N 2 )


N 2
N1
p( N )d N
由于噪声是随机过程，它的统计特征量为
数学期望：
E[ N ] N p( N )d N

电荷耦合器件（CCD）

探测器分类（一）

光子探测器

材料：半导体 效应：入射光子和材料电子发生各种相互作用的光 电子效应

外光电效应：光电子发射效应 内光电效应：光电导效应，光生伏特效应，光电磁效应

一、光电子发射探测器

产生条件：当入射光子能量 hc / >阴极材料的逸出功 时;
围；

红外光电导探测器：铅盐薄膜类，PbS、PbSe、PbTe 等，可以工作在三个大气窗口（1~3 μ m，3~5 μ m， 8~14 μ m）。

三、光伏特探测器

h 产生条件：本征光伏效应为主，半导体受 光照后产生
电动势；

种类：

结型光伏特探测器；
PIN结光电二极管； 雪崩光电二极管； 肖特基势垒光电二极管。

光子探测器的特点

波长选择性探测器 探测器的响应率和波长成正比
h 能量E0 o(长波限)
o, P一定时，越短，光子数越少

探测器分类（二）

光热探测器

光热效应：材料吸收光辐射能量后温度升高，可产 生材料的某些物理性质变化；

特点：光热效应和波长无关。

线性区的下限由暗电流和噪声因素决定，上限由饱和 效应或过载决定；

线性区随偏量、辐射调制及调制频率等条件的变化而 变化。
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噪声的统计特性
什么是噪声？特点和分析方法(抑制噪声的方法) 包括：概率分布 功率谱密度 均属于噪声的统计特性 相关函数 常见噪声的统计特征 噪声的概率分布 噪声的特点：连续型随机信号 产生原因：①电子热运动； ②电路中的随机扰动； ③半导体器件中载流子的不规则运动。
一、测辐射温差热电偶和热电堆

温差电效应：当由两种不同材料制成的两个结点出现 温差时，在该两点间就有电动势产生，通过这两点的
闭合回路中就有电流流过。

温差电效应包括：
• • •
塞贝克效应； 珀耳帕效应； 汤姆逊效应。

二、电阻测辐射热器

当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而 半导体材料电阻会降低。利用材料的电阻变化 制成
1 Rn ( ) 2 S n ( w)




S n ( w) e jw dw


Rn ( ) e jw d
条件： S ( f )df 及 R( ) d 由于 R( ), S () 均为偶函数，故上式又可写为：