光电检测技术常用器件及应用幻灯片

S ( f ) 为调制频率为f 时的响应率 S 0 为调制频率为零时的响应率
为时间常数（等于RC）
S0 0.707S0
fc
1
2
1
2RC
f
fc
S( f
) S0 [1(1)2]1/2
S0 2
0.707S0
上限截止频率
时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽
二、噪声特性
在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并 不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它 实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。
光电检测器件
光子器件
热电器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
固体器件
光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 电荷耦合器件
CCD
热电偶/热电堆
热辐射计/热敏电 阻
热释电探测器
光电检测器件的特点
光子器件
热电器件
响应波长有选择性，一般有截 响应波长无选择性，对可见光
止波长，超 过该波长，器件 无响应。
到远红外的各种波长的辐射同
样敏感
响应快，吸收辐射产生信号需 响应慢，一般为几毫秒 要的时间短， 一般为纳秒到 几百微秒
1 光电效应
光电效应：光电效应是物理学中一个重要而 神奇的现象，在光的照射下，某些物质内 部的电子会被光子激发出来而形成电流， 即光生电 。
以一定的速度 从表面逸出
光的波动说无法很好的解释光电效应
光电效应的特点
1．每一种金属在产生光电效应是都存在 一极限频率（或称截止频率），即照射光 的频率不能低于某一临界值。相应的波长 被称做极限波长（或称红限波长）。当入 射光的频率低于极限频率时，无论多强的 光都无法使电子逸出。
2．光电效应中产生的光电子的速度与光 的频率有关，而与光强无关
电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比
电流响应率
SV
Vo Pi
光电探测器件输出电流与入射光功率之比
SI
Io Pi
响应度是随入射光波长变化而变化的
２．光谱响应度：即单色灵敏度 探测器在波
长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与
入射的单色光功率之比．
SV
(
)
Vo () Pi ()
SI ()
光是由一份份光子组成，光 的传播是一份份光子的传播， 一个光子的能量为E=hr(h为 普朗克常数6.67*10^-34,r为光 的频率)，因此，只要一个光 子能量大于金属的逸出功 （电子脱离金属原子做的 功），电子就会从金属表面 1905年，爱因斯坦26 脱离；于是，只需光照射到 岁时提出光子假设， 金属表面就会产生光电子。 成功解释了光电效应， 因此获得1921年诺贝 尔物理奖
光电探测器常见的噪声
热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声
1、热噪声
或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造 成的噪声。
导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作 随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零， 但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根 电压，称为热噪声电压。
热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正 比，与频率无关.属于白噪声
3．光电效应的瞬时性。实验发现，只要光 的频率高于金属的极限频率，光的亮度无 论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即 几乎在照到金属时立即产生光电流。响应 时间不超过十的负九次方秒（弱，即只 影响在单位时间内由单位面积逸出的光电 子数目。在光颜色不变的情况下，入射光 越强，饱和电流越大，即一定颜色的光， 入射光越强，一定时间内发射的电子数目 越多。
I i 1
T
i(t)dt
T0
用均方噪声来表示噪声值大小
i(t)21 T[i(t)i(t)]2dt T0
噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对
信号特别是微弱信号的正确探测。
一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系 统的噪声所限制。
所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小 和消除噪声是十分重要的问题。
入射光
光电流
1 0.9 0.1
tr
t t
tf
５．频率响应：光电探测器的响应随入射光 的调制频率而变化的特性称为频率响应．
– 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程， 所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大 的影响。
光电探测器响应率与入射调制频率的关系
S(f )
S0
[1(2f)2]1/2
光电池、光敏二极管、光敏三极管
2、光电检测器件的基本特性参数
响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度
一、响应特性
１．响应度（或称灵敏度）：是光电探测器 输出信号与输入光功率之间关系的度量。 描述的是光电探测器件的光电转换效率。
– 响应度是随入射光波长变化而变化的 – 响应度分电压响应率和电流响应率
Io () Pi ( )
３．积分响应度：检测器对各种波长光连续 辐射量的反应程度．
４．响应时间：响应时间τ是描述光电探测 器对入射光响应快慢的一个参数
– 上升时间：入射光照射到光电探测器后，光 电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。
– 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出 下降到稳定值所需要的时间。
光电检测技术常用 器件及应用幻灯片
优选第三章光电检测技术常用器 件及应用
光电检测器件的类型
光电检测器件是利用物质的光电效应把 光信号转换成电信号的器件.
光电检测器件分为两大类:
– 光子(光电子)检测器件---------光电效应 – 热电检测器件-------光热效应
不同之处：对光信号的响应无波长选择性
光电效应的类型
1、光电子发射：物体受光照后向外发射
电子．
有光电子从表 面逸出
光电管、光电倍增管
2、光电导效应：半导体受光照后，内部
产生光生载流子，使半导体中载流子数显 著增加而电阻减少．
光敏电阻
3、光生伏特效应：光照在半导体PN结或
金属—半导体接触面上时，会在PN结或金 属—半导体接触的两侧产生光生电动势。
2、散粒噪声
散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是 随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随 机的，PN结中通过结区的载流子数也是随 机的。
散粒噪声也是白噪声，与频率无关。
散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大 多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具 有支配地位。
例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声 的主要原因。