光电检测技术 第三章(6)

2. 响应率(响应度)
响应率(响应度)是光电探测器光电转换特性的量度， 是与量子效率η相对应的一个宏观参数。 它是指单位入射的光辐射功率所引起的反应，即探测 器的输出信号电压或电流与入射的光辐射功率P或光辐 射通量φe 之比 ，称为响应率。 一般有两种方法表示：电压灵敏度和电流灵敏度. （1） 电压灵敏度 Ru=Us/P 或 Sv=Vs/φe 单位为V／w。 （2） 电流灵敏度 Sd=Is/P 或Si=Is/φe 单位为A／w。 注意概念：如探测器的入射光是光通量信号，那么得 到的将是光照灵敏度单位为v／lm，或光照灵敏度单
如果频率低，满足wτ<<1时，
i 4eI ( / c )f
2 n
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。 1/f噪声的经验公式为:
频率响应 由于探测器存在惰性．当用一定振幅的正弦调制 光照射探测器时，若调制频率低，则响应度与调 制频率无关；若频率高。响应度就随频率升高而 降低。探测器的响应度与调制频率的关系是：
S 0 S ( f ) 1( 2f )
2
式中， S0 为调制频率 f=0 时的响应度， f 为调制频率。 当调制频率升高时， S （ t ）就下降，一般规定 S （fc）= S0/1.414时的调制频率fc为探测器的响应 频率。即fc=1/2лτ。 由此可以看出，响应时间 和响应频率是从不同角度来表征探测器的动态特 性。
6．线性度
线性是指探测器的输出光电流或电压与输入的光功 率或辐通量成比例的程度和范围。探测器线性的下限 往往由暗电流和噪声等因素决定的，而上限通常由饱 和效应或过载决定的。 实际上 , 探测器的线性范围的大小与其工作状态有 很大的关系。如偏臵电压、光信号调制频率、信号输 出电路等，可能会发生这样的情况：一个探测器的光 电流信号用运算放大器作电流电压转换输出，在很大 的范围内是线性的，而同一探测器，其光电流通过一 只 100kQ 的电阻输出，线性范围可能就很小。因此要 获得宽的线性范围，必须使探测器工作在最佳的工作 状态。 探测器的线性在光度和辐射度等测量中是一个十分 重要的参数。
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
图
光电测量系统噪声分类
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骚动。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＝4KTΔf.R 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。
（3）光电磁 光子牵引
光电磁探测器 光子牵引探测器
（b）光热效应
效 应
相应的探测器 热敏电阻测辐热计 金属测辐射热计 超导远红外探测器
（1）测辐射热计 负电阻温度系数 正电阻温度系数 超导 （2）温差电 （3）热释电
热电偶、热电堆
热释电探测器
（4）其他
高莱盒、液晶灯
2、光电探测器也可分为：
单元器件； 阵列器件； 成像器件。 单元器件只是把投射在其光接受面元上的平均光能 量变成电信号； 阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。 成像器件一般放在光学系统的像面上，能获得物面 上的图像信号。 光电检测器件还可从用途上分为用于检测微弱信号 的存在及其强弱的探测器，这时主要考虑的是器件探 测微弱信号的能力，要求器件输出灵敏度高，噪声低； 用于控制系统中作光电转换器，主要考虑的是光电转 换的效能。
§3.1光探测器的物理基础 一、光探测器的分类
1 、光探测器的物理效应通常分为两类：光电效应和光 热效应，如表3－1（a）（b）所示。
（a）光电效应
效应
外光电效应
（1）光阴极发射光电子
相应的探测器
光电管
内光电效应
（2）光电子倍增 光电倍增管 打拿极倍增 像增强器 通道电子倍增 （1）光电导（本征或非本征） 光电管或光敏电阻 （2）光生伏特 pn结和pin结（零偏） pn结和pin结（反偏） 雪崩、肖特基势垒 光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管
4． 响应时间和频率响应
响应时间 通常用响应时间τ来衡量。 当阶跃光输入时，光信号探测器在上升弦的输出电 流为： Is（t）= I0[1-exp（-t/ τ1 ）] 定义：Is（t）上升到稳态值I0的0．63倍的时间为探 测器的上升响应时间，即τ上=τ1 。
同样，光信号探测器在下降弦的输出电流为 Ix（t）= I0 exp（-t/ τ2） 定义Ix（t）下降到稳态值I0的0．37倍的时间为探测 器的下降响应时间，即τ下= τ2 。一般光电器件τ1 = τ2 。
5．等效噪声功率和探测率 如果入射到探测器上的光功率或辐通量按某 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 应的入射光功率 P 或辐通量φe 称为等效噪声功 率NEP。即 NEP=P/（Us/Un）= Un /Ru 或 NEP=φe/（Us/Un） NEP=P/（Is/In）= In /Sd 或 NEP=φe/（Is/In） 式中，（ Us/Un ）、（ Is/In ）分别称为电压和电 流信噪比。显然， NEP 值越小越好，这是表示 光电探测器探测能力的重要参数。一个较好的 光电探测器的等效噪声功率约为10-11瓦左右。
第ห้องสมุดไป่ตู้章
光电探测器概述及光电导探测器
掌握内容
光电探测器的物理基础、分类，通常需考虑特性参数； 光电检测技术中常用的光电导探测器原理和特性。
理解内容
光电导探测器的电路偏臵
了解内容 光电导探测器的使用要点、常用电路及选型依据
第三章
主要内容
§3.1光探测器的物理基础 §3.2光电探测器的特性参数 §3.3光电导探测器
3、目前，光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现。 按照现阶段各类常用光电探测器工作原理和结构又可 分类如下：
真空光电器件 光电管 光电倍增管 真空摄象管 变象管 象增强器 光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光电耦合器 光中断器 位臵传感器PSD 电荷耦合器件CCD 自扫描光电二极管 列阵SSPD
7、光电探测器的噪声
什么是噪声？
图
信号的随机起伏
图
白噪声和1/f噪声
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。
产生—复合噪声 在平衡状态时，载流子产生和复合的平均 数是一定的，但其瞬间载流子的产生数和复合数 是有起伏的，于是载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 输出电流中带有产生－复合噪声。
4eI ( / c )f i 2 2 2 1 4 f
2 n
光电探测器
固体光电器件
二、光电探测器原理
光电探测器利用材料的光电效应制成。
在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光 电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应； 电子并不逸出材料表面的为内光电效应。光电 导效应、光生伏特效应及光磁电效应均属于内光 电效应。
三、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 hv 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
§3.2 光电探测器的主要特性参数
判断光电探测器的优劣的指标，以及根据特 定的要求恰当地选择探测器的依据。
因此，最关心的问题有：
1.光电探测器的量子效率，即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； 2.根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号， 即探测器的响应率大小。 3.探测器的光谱响应范围是否同测量光信号的相对光 谱功率分布一致。 4.对某种探测器，它能探测的极限功率是多少——需 要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生 电信号的信噪比。 5.当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是 否能正确反映光信号的波形—探测器的响应时间。 6.当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅 度是否能线性地响应。
Sf
S0 1 (2f ) 2
这就是探测器的频率特性，S0为调制频率 f＝0时的灵敏度，Sf随f升高而下降的速度与 值关系很大。一般规定，Sf下降到 S0 / 2 时的 频率fc称为探测器的截止响应频率或响应频率。
fc＝1/2
当f < fc时，认为光电流能线性再现光功率 P的变化。
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 式中：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 —即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。
频率灵敏度Sf 如果入射光是强度调制的，则在其他条件不变的情 况下，光电流If将随调制频率f的升高而下降。这时的 灵敏度称为频率灵敏度Sf ，定义为： If Sf P 式中，If是光电流时变函数的傅里叶变换，通常
If I 0 ( f 0) 1 (2f ) 2
式中， 称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结 构和外电路决定。
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。
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。
光谱灵敏度 如果把光功率P换成波长可变的光功率谱密度P ， 则由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情 况下，光电流（或光电压）将是光波长的函数，记为 I （或U），于是光谱灵敏度定义为： • SI (λ)＝I /dP • SU(λ)＝U /dP • 如果SI (λ)或SU(λ)是常数，则相应的探测器称为无选 择性探测器（如光热探测器），光子探测器则是选择性 探测器。
N Q(t ) / h
而入射的瞬时光辐射能量为：
Q(t )
t 0 t
t0
P(t )dt
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Q(t)P(t) t。由此可 得光电探测器输出的平均光电流表达式：
eN e e IP P(t ) P t h h