光电探测器及光电导探测器

响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒 需要的时间短， 一般为纳 秒到几百微秒
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二、光电探测器原理
光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件
光辐射量
光电探测器
电量
• 光电探测器利用材料的光电效应制成。 • 外光电效应、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。
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。
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等效噪声功率和探测率
➢ 当入射功率小至使信号电流和噪声电流相等时， 信号与噪声难以分辨，器件就失去了探测辐射的 能力。因此要考虑器件的噪声，通常用噪声等效 功率NEP和探测率D*来描述器件的极限探测本领， 即最小可探测功率。
光电探测器及光电导探测器
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光电探测器及光电导探测器
❖ 光电探测器的物理基础、分类 通常需考虑特性参数； 常用的光电导探测器原理和特性。 光电探测器的噪声
❖ 光电导探测器的电路偏置
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光检测器件的分类
根据工作机理不同分为：光电探测器和热电探测器。
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光检测器件
光电器件
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
光阴极 6
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。
➢ 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
N Q(t) / h
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而入射的瞬时光辐射能量为：
Q(t) t0t P(t)dt t0
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：
IP
eK te hP(来自)e hP式中P为入射光辐射的平均功率。此式描述了光－电转换的
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光电探测器的噪声
信号的随机起伏
白噪声和1/f噪声
在系统中任何虚假的或不需要的信号统称为噪声（随机，不可
预知）。系统的噪声可分为来自外部的干扰噪声和内部噪声。
来自外部的干扰噪声又可分为人为干扰噪声和自然干扰噪声；
系统内部噪声也可分为人为噪声和固有噪声。
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光电探测器的噪声
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。
GeCd 0.06
20.7
1.1
SiAs 0.0537 23.1
CdSe
1.8
0.69
SiBi 0.0706 16.3
CdS PbSe
2.4 0.23
0.52 5.4
SiP SiIn SiMg
0.045 0.165 0.087
27.6 7.5 14.3
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光电探测器的噪声
➢ 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。 ➢ 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。
固体器件
光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光纤传感器 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
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光检测器件的特点
光电器件
热电器件
响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见
截止波长，超过该波长，器 件无响应。
光到远红外的各种波长的辐
射同样敏感
➢ 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。
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等效噪声功率和探测率
➢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。
基本定律。
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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。
➢探测率 ➢归一化探测率D*
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常见半导体及掺杂半导体的能隙Eg及最大响应波长max 材料 Eg (eV) max (m) 材料 Eg (eV) max (m)
InSb PbS Ge
Si
0.22 0.42 0.67 1/12
5.5
GeHg 0.09
13.8
3.0
GeCu 0.041 30.2
1.9
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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
光电测量系统噪声分类
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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。
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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。
① 在工作波长上具有高的响应度，即对一定的 入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；
② 具有快的响应速度，能适用于高速或宽带系统； ③ 具有低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； ④ 具有良好的线性关系，以保证信号转换不失真； ⑤ 具有体积小、工作寿命长等。