光電探測器的物理基礎(chǔ)

1、1,1.1.3 光電探測器的性能參數(shù),光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測器的性能進(jìn)行設(shè)計的，而探測器的性能由特定工作條件下的一些參數(shù)來表征。實(shí)際參量參考參量測量條件,2,一、光電探測器的工作條件,光電探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)，在給出性能參數(shù)時，要注明有關(guān)的工作條件。這一點(diǎn)很重要，因為只有這樣，光電探測器才能互換使用。主要工作條件有：1．輻射源的光譜分布 2．電路的通頻帶和帶寬3．工作溫度4．光敏面尺寸5．偏置情

2、況,3,1.輻射源的光譜分布,很多光電探測器（特別是光子探測器），其響應(yīng)是輻射波長的函數(shù)。僅對一定的波長范圍內(nèi)的輻射有信號輸出，稱為光譜響應(yīng)，它決定了探測器探測特定目標(biāo)的有效程度。在說明探測器的性能時，一般都需要給出測定性能時所用輻射源的光譜分布。如果輻射源是單色輻射，則需給出輻射波長。假如輻射源是黑體，那么要指明黑體的溫度。當(dāng)輻射經(jīng)過調(diào)制時，則要說明調(diào)制頻率。,4,2.電路的通頻帶和帶寬,因噪聲限制了探測器的極限性能(后面將詳細(xì)討

3、論)。噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根，有些噪聲還是頻率的函數(shù)。在描述探測器的性能時，必須明確通頻帶和帶寬。,5,3.工作溫度,許多探測器，特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測器，無論是信號還是噪聲，都和工作溫度有密切關(guān)系，所以必須明確工作溫度。通用的工作溫度是： 室溫(295K)、

4、 干冰溫度(195K)、 液氮溫度(77K)、 液氫溫度(20.4K) 液氦溫度(4.2K),6,4.光敏面尺寸,探測器的信號和噪聲都和光敏面積有關(guān)，大部分探測器的信噪比與光敏面積的平方根成

5、比例。參考面積一般為1cm2。,7,5.偏置情況,大多數(shù)探測器需要某種形式的偏置。例如：光電導(dǎo)探測器和電阻測輻射熱器需要直流偏置電源信號和噪聲往往與偏置情況有關(guān)，因此要說明偏置的情況。此外，對于受背景光子噪聲限制的探測器，應(yīng)注明光學(xué)視場和背景溫度。對于非密封型的薄膜探測器，要標(biāo)明濕度。,8,二、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù),1.響應(yīng)率(或稱響應(yīng)度)Rv或RI2.單色靈敏度3.積分靈敏度4.響應(yīng)時間 5.頻率響應(yīng)6.光譜響應(yīng)

6、,9,1.響應(yīng)率(或稱響應(yīng)度)Rv或RI,1）響應(yīng)率是描述探測器靈敏度的參量。它表征探測器輸出信號與輸入輻射之間關(guān)系的參數(shù)。又稱為光電探測器的靈敏度。2）定義：光電探測器的輸出均方根電壓Vs或電流Is與入射到光電探測器上的平均光功率之比。Rv＝Vs／Φs RI＝is／Φs 分別稱為光電探測器的電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率。3）測量響應(yīng)率的輻射源一般是500K的黑體。 4）單色靈敏度和積分靈敏度。,10,2

7、．單色靈敏度,1）如果使用波長為λ的單色輻射源，則稱為單色響應(yīng)率或單色靈敏度，又叫光譜響應(yīng)度，用Rλ表示，2）定義：光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測器上單色輻射通量(光通量)之比。 (V/W) (A/W) 式中， Φ(λ)為入射的單色輻射通量或光通量。如果Φ(λ)為光通量，則Rλv的單位為V／lm。,,

8、,11,3.積分靈敏度,積分靈敏度表示探測器對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為： 光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分靈敏度。,,12,由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出光電流為： 可得積分靈敏度為： 式中， 、 分別為光電探測器的長波限和短波限。由于采用不

9、同的輻射源，甚至具有不同色溫的同一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時應(yīng)指明采用的輻射源及其色溫。,,,,,13,4.響應(yīng)時間,1）響應(yīng)時間是描述光電探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。2）當(dāng)入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應(yīng)時間。常用時間常數(shù)τ的大小來表示。當(dāng)用一個輻射脈沖照射光電探測器，如果這個脈沖的上升和下降時間很短，如方被，則光電探測器的輸出由

10、于器件的惰性而有延遲，把從10％上升到90％峰值處所需的時間稱為探測器的上升時間，而把從90％下降到10％處所需的時間稱為下降時間。,14,5.頻率響應(yīng),入射光輻射的頻率對光電探測器的響應(yīng)將會有較大的影響。光電探測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。利用時間常數(shù)可得到光電探測器響應(yīng)度與入射輻射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達(dá)式為：,為頻率是 時的響應(yīng)度；R0為頻率是零時的響應(yīng)度；τ為時間常數(shù)。當(dāng)

11、 時，可得放大器的上限截止頻率 顯然，時間常數(shù)決定了光電探測器頻率響應(yīng)的帶寬。,,,,,,,15,6.光譜響應(yīng),1）定義：不同波長的光輻射照射到探測器光敏面時，探測器的響應(yīng)率和比探測率等特性參量隨光輻射波長變化的特性。2）單色靈敏度和單色探測率，峰值波長3）光子探測器的光譜響應(yīng)與波長有關(guān)，截止波長4）熱探測器的光譜響應(yīng)與波長無關(guān)，與輻射功率有關(guān)。,16,三、有關(guān)噪聲方面的參數(shù),從響應(yīng)度的定義

12、來看，好象只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測出來。但當(dāng)入射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無法肯定是否有輻射入射在探測器上。這并不是探測器不好引起的，而是它所固有的“噪聲”引起的。如果對這些隨時間而起伏的電壓(流)按時間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零，這個均方根電壓(流)稱為探測器的噪聲電壓(流)。,17,1.信噪比(S／N),1）作用：判定噪聲大小。2）表示：在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號功

13、率與噪聲功率之比：分貝(dB)表示：3）注意利用S／N評價兩種光電探測器性能時，必須在信號輻射功率相同的情況下才能比較。對單個光電探測器，其S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關(guān)。如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，S/N就大，但性能不一定就好。因此用S/N評價器件有一定的局限性。,,,18,2.噪聲等效功率(NEP)（最小可探測功率Pmin）,1）定義為信號功率與噪聲功率之比為1(即S／N＝1)時，入射到探測器上的輻射

14、通量(單位為瓦)。 一個良好的探測器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。 應(yīng)指明測量條件，如光譜分布、頻率、溫度等。2）作用：確定光電探測器件的探測極限。,,19,3．探測率D與比探測率D*,只用NEP無法比較兩個不同來源的光探器的優(yōu)劣。引入兩個新的性能參數(shù)——探測率D和比探測率D*1）探測率D定義為NEP的倒數(shù)，即它描述的特性是：光

15、電探測器在它的噪聲電平之上產(chǎn)生一個可觀測的電信號的本領(lǐng)，即光電探測器能響應(yīng)的入射光功率越小，則其探測率越高。探測率D與光敏面積Ad、測量帶寬有關(guān)。,,20,2）比探測率D*為了能方便地對不同來源的光電探測器進(jìn)行比較，將VN除以 ，則D就與Ad和帶寬無關(guān)了。也就是歸一化到測量帶寬為1Hz、光探測器光敏面積為1cm2。這種歸一化的探測率一般稱為比探測率，通常用D*記之。根據(jù)定義，D*的表達(dá)式為:,,,,21,4．暗電流I

16、d,光電探測器在沒有輸入信號和背景輻射時所流過的電流（加電源時）。一般測量其直流值或平均值。,22,四、其他參數(shù),1.量子效率η（λ）2.線性度,23,1.量子效率η（λ）,1）量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)，它是在某一特定波長上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。單個光量子的能量為 ，單位波長的輻射通量為波長增量 內(nèi)的輻射通量為 在此窄帶內(nèi)的輻射通量，換

17、算成量子流速率N為:量子流速率N即為每秒入射的光量子數(shù)。,,,,,24,若IS為信號電流，e為電子電荷，每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為： 量子效率為：2）討論 入射一個光量子就能發(fā)射一個電子或產(chǎn)生一對電子一空穴對；實(shí)際上， 。一般反映的是入射輻射與最初的光敏元的相互作用。對于有增益的光電探測器(如光電倍增管等)，會遠(yuǎn)大于1，此時我們一般使用增益或放大倍數(shù)這個參數(shù)。,,,,25,2.線性度,1）定義

18、描述探測器的光電特性或光照特性曲線中輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。即在規(guī)定的范圍內(nèi)，探測器的輸出電量精確地正比于輸入光量的性能。2）線性區(qū)在規(guī)定的范圍內(nèi)，若探測器的響應(yīng)度是常數(shù)，這一規(guī)定的范圍稱為線性區(qū)。光電探測器線性區(qū)的大小與探測器后的電子線路有很大關(guān)系。線性區(qū)的下限一般由器件的暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過載決定。光電探測器的線性區(qū)還隨偏置、輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。,26,3）線性度的度量線

19、性度是輻射功率的復(fù)雜函數(shù)。是指器件中的實(shí)際響應(yīng)曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差δ來度量： 式中Δmax為實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合直線之間的最大誤差；I2、I1分別為線性區(qū)中的最小和最大響應(yīng)值。在光電檢測技術(shù)中，線性度是應(yīng)認(rèn)真考慮的問題之一，應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行選擇和控制。,,27,例：已知某探測器的面積為3×4cm2，D*=1011cmHz1/2w-1，光電儀器的帶寬為300Hz，該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功

20、率？解：由D*的定義：當(dāng)Vs/VN=1時，得到最小探測功率，所以： 其中：Ad=3×4cm2，D*=1011cmHz1/2w-1，Δ?=300Hz 代入，得該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功率Φmin=6×10-10W,,,28,1.1.4  光電探測器的噪聲,噪聲問題光電探測系統(tǒng)實(shí)際上是光信號的變換、傳輸及處理的系統(tǒng)。它除了包含光探測器外，還配有電子學(xué)系統(tǒng)(例如低噪聲前置放大

21、器等)、光學(xué)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)在工作時，總會受到一些無用信號的干擾，這些非信號的成分統(tǒng)稱為噪聲。 主要噪聲源：1）光電變換器件中光電子隨機(jī)起伏的干擾； 2）輻射光場在傳輸過程中受到通道的影響 3）背景光的干擾； 4）放大器引入的干擾等等。,29,廣義上講，任何疊加在信號上的不希望的隨機(jī)擾動或干擾統(tǒng)稱為噪聲。這些干擾及擾動主要來自兩方面：(1)來自被研究系統(tǒng)的外部(2)來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部,探測器

22、噪 聲,光子噪聲,電路噪聲,一、光電系統(tǒng)中的噪聲,30,(1)來自被研究系統(tǒng)的外部,通常由電、磁、機(jī)械、雜散光等因素所引起，這種干擾絕大多數(shù)是“人為的”，如●電源50H z干擾；●工業(yè)設(shè)備電火花干擾等。但這種干擾多具有一定規(guī)律性。采取適當(dāng)?shù)拇胧?如屏蔽、濾波、遠(yuǎn)離噪聲源等)可以將其減小或消除。,31,(2)來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部,來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部的材料、器件或固有的物理過程的自然擾動。例如：●導(dǎo)體中帶電粒子無規(guī)則運(yùn)動引起的

23、熱噪聲，●光探測過程中光子計數(shù)引起的散粒噪聲等。這些過程是隨機(jī)過程，它既不能預(yù)知其精確大小及規(guī)律。不能完全消除，但可以得知其遵循的統(tǒng)計規(guī)律、也可以通過一些措施予以控制。,32,噪聲影響對信號特別是微弱信號的正確探測。一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往由探測系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測量、通訊、自動控制、核探測等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。,33,噪聲的度量噪聲是一種隨機(jī)信號，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)

24、象。任何一個宏觀測量的物理量都是微觀過程的統(tǒng)計平均值。研究噪聲一般采用長周期測定其均方值(即噪聲功率)的方法，在數(shù)學(xué)上即用隨機(jī)量的起伏方差來計算。對于平穩(wěn)隨機(jī)過程，通常采用先計算噪聲電壓(電流)的平方值，然后將其對時間作平均，來求噪聲電壓(電流)的均方值，即： 上式表示噪聲電壓(電流)消耗在1Ω電阻上的平均功率通稱為噪聲功率。,,,,,34,二、噪聲的功率譜密度和相關(guān)性,噪聲的頻譜分布——單位頻譜的噪聲功率噪聲功率（

25、電壓、電流）可由噪聲功率譜密度Sn(f)在頻域積分得到。如果Sn(f)與頻率無關(guān)，則對于一個具有帶寬Δf的探測系統(tǒng)：白噪聲：平坦頻率特性，噪聲特性為正態(tài)高斯分布有色噪聲：1/f噪聲（紅噪聲），藍(lán)噪聲相關(guān)性：完全不相關(guān)；部分相關(guān),,35,三、光電探測器噪聲,在光電探測器中固有噪聲主要有：●熱噪聲●散粒噪聲●產(chǎn)生－復(fù)合噪聲(g－r噪聲)●溫度噪聲● 噪聲。,,36,1.熱噪聲,1）產(chǎn)生原因熱噪聲是由耗散元件中

26、電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動引起的。任何一個處于熱平衡條件下的電阻，即使沒有外加電壓，也都有一定量的噪聲。AB兩極間的電阻為R，在絕對溫度T時，體內(nèi)的電子處于不斷的熱運(yùn)動中，是一團(tuán)毫無秩序可言的電子運(yùn)動。,37,從時間平均來說，這兩種方向的電子數(shù)一定相等，不會有電流通過AB。但是如果考慮流過S面的電子數(shù)的均方偏差，這樣在AB兩端就應(yīng)出現(xiàn)一電壓漲落。2）度量這一電壓漲落直到1928年才為瓊斯(Johnson)的實(shí)驗所證實(shí)。同時奈奎斯持(N

27、yquist)推導(dǎo)出熱噪聲功率為：式中k為玻爾茲曼常量， 為測量帶寬。如用噪聲電流表示則為,,,38,通常也用熱噪聲電流(電壓)均方根值來進(jìn)行計算：熱噪聲屬于白噪聲頻譜，一般說來，高端極限頻率為： fH＝0．15kT×1013Hz在室溫下(T＝290k)， fH＝6×1012Hz，一般電子學(xué)系統(tǒng)工作頻率遠(yuǎn)低于該值，故可認(rèn)為熱噪聲為白噪聲頻譜。,,,,39,例如：室溫條件下R＝1kΩ的

28、電阻，在 ＝1Hz帶寬內(nèi)的均方根熱噪聲電壓值約為4nV；若工作帶寬為500kHz的系統(tǒng)，放大器增益為104，則在放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約28mV。在微弱信號探測中，是一個不可忽視的量。？如何減小熱噪聲——光電探測系統(tǒng)的一個重要問題。1）熱噪聲功率與探測器工作溫度T的有關(guān)——制冷。特別是對一些紅外探測器。2）同時在滿足信號不失真的條件下，盡量縮短工作頻帶。,,40,2．散粒噪聲,1）產(chǎn)生原因探測器的散粒噪聲是由

29、于探測器在光輻射作用或熱激發(fā)下，光電子或光生載流子的隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。由于隨機(jī)起伏是一個一個的帶電粒子或電子引起的，所以稱為散粒噪聲。存在于光電子發(fā)射器件、光生伏特器件。電子管中任一短時間τ內(nèi)發(fā)射出來的電子決不會總是等于平均數(shù)，而是圍繞這一平均數(shù)有一漲落。,41,2）度量從漲落的均方偏差可求出散粒噪聲功率為：式中e為電子電荷， 為探測器工作帶寬。在無光照時的暗電流噪聲功率為：對于由光場作用的光輻射散粒噪聲：

30、式中IP為光輻射場作用于探測器產(chǎn)生的平均光電流。3）特性散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)，熱噪聲起源于熱平衡條件下電子的粒子性，因而依賴于kT，而散粒噪聲直接起源于電子的粒子性，因而與e直接有關(guān)。,,,,,42,3．產(chǎn)生—復(fù)合噪聲,1）產(chǎn)生原因 半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生與復(fù)合的隨機(jī)性而引起的平均載流子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生—復(fù)合噪聲，亦稱g-r噪聲(generation—recombination noise)。 g-r噪

31、聲主要存在于光電導(dǎo)探測器中。 g-r噪聲與前面介紹的散粒噪聲本質(zhì)是相同的，都是由于載流子數(shù)隨機(jī)變化所致，所以有時也把這種載流子產(chǎn)生和復(fù)合的隨機(jī)起伏引起的噪聲歸并為散粒噪聲。,43,2）度量除了考慮載流子由于吸收光受到激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)的隨機(jī)起伏外，還要考慮到載流子在運(yùn)動過程個復(fù)合的隨機(jī)性。經(jīng)理論推導(dǎo)g—r噪聲的表達(dá)式為： 式中，e為電子電荷， 為平均電流， 為探測器的工作帶寬， 為光電導(dǎo)探

32、測器的內(nèi)增益，它是載流子平均壽命τ0和渡 越時間τd的比值。,,,,,44,4．溫度噪聲,1）產(chǎn)生原因熱探測器通過熱導(dǎo)G與處于恒定溫度的周圍環(huán)境交換熱能。在無輻射存在時，盡管熱探測器處于某一平均溫度T0，但實(shí)際上熱探測器在T0附近呈現(xiàn)一個小的起伏，這種溫度起伏引起的熱探測器輸出起伏稱為溫度噪聲。2）度量理論推導(dǎo)，熱探測器由于溫度起伏引起的溫度噪聲功率為： 溫度噪聲功率與熱導(dǎo)成正比，與探測器工作溫度的

33、平方成正比。 溫度噪聲主要存在于熱探測器中。它最終限制了熱探測器所探測的最小輻射能量。,,,45,5．電流噪聲( 噪聲),目前對1／f噪聲的成因尚未完全清楚，但通常認(rèn)為它是由半導(dǎo)體的表面電流所引起的故又稱為電流噪聲。特點(diǎn)是噪聲功率譜密度與頻率成反比。電流噪聲的均方值可用經(jīng)驗公式表示為：式中k1為比例系數(shù)，與探測器制造工藝、電極接觸情況、半導(dǎo)體表面狀態(tài)及器件尺寸有關(guān)；a為與材料有關(guān)的常數(shù)，通常在0.8——1.3之間，大