光电探测器概述.ppt

概述 光辐射探测系统由信息源、传输介质和接收系 统组成。接收光学系统把信息源光辐射和背景及 其它杂散光经传输介质一起会聚在光探测器上。 光辐射所携带的信息，如：光谱能量分布、辐射 通量、光强分布、温度分布等由光探测器转变成电 信号测量出来，经电子线路处理后，可供分析、记 录、存储或直接显示，从而识别被测目标。 因此，光探测器是实现光电转换的关键部件，它 的性能好坏对整个光辐射探测的质量起着至关重要 的作用。 2-1 发展简况与分类 1826-热电偶探测器 1880-金属薄膜测辐射计 1946-热敏电阻 五十年代-热释电探测器 六十年代-三元合金光探测器（HgCdTe） 七十年代-光子牵引探测器 八十年代-量子阱探测器 近年来的发展方向： 阵列光电探测器、 光电探测器集成化 电荷耦合器件（CCD, charged coupled device） 2.1.1 发展简况 热电偶温度计 热释电探测器 光电二极管、三极管 光电池 光电二极管阵列 Si /PIN光电二极管 热电阻、热电偶 热敏电阻 热释电探测器 耦合式GaAs/AlGaAs 多量子阱红外探测器结构 (CCD) Charged coupled device 2.1.2 光辐射探测器分类 光辐射探测器件是利用各种光电效应，或光热效应使 入射光辐射强度转换成电学信息或电能的仪器。 按用途分：成像、非成像探测器； 按光谱响应分：紫外光、可见光、近红外、 中红外、远红外探测器； 按结构分：单元、多元、阵列光探测器； 按工作转换机理分：光子（光电）、热探测器 光电探测器件的工作原理是基于光电效应 ，而热探测器需要经过加热物体的中间过程 ，因此，前者反应速度快。 光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质 在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。当 光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会 被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大 ，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表 面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射 ，又称为外光电效应。 有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电 子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现象 称为内光电效应。 半导体的特点：由于原子间的相互作用而使能级分 裂，离散的能级形成能带。分为价带、导带和禁带。 半导体的能带结构 价带：晶体中原子的内层 电子能级相对应的能带被电 子所填满，这种能带称为价 带； 导带：价带以上未被电子 填满或者是空的能带称为导 带； 禁带：导带和价带之间的 能隙称为禁带。导带底和价 带顶的能级间隙就是禁带宽 度Eg 。 Eg 价带 导带 禁带 费米能级EF 纯净（本征）半导体在绝对零度的理想状态下有 一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的 导带，二者之间是禁带。这是半导体是一个不导电 的绝缘体。 但是本征半导体的禁带宽度Eg较小，在热运动活 其它外界激发的作用下，价带的电子激发跃迁至导 带，这时导带有了电子，价带有了空穴，使本征半 导体形成导电特性。电子和空穴都是电流的载流者 ，统称为“载流子” 半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。 本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体 称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定 。 半导体类型 杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体 中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）， 使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。 N型半导体 N型半导体：由于杂质原子的最 外层有5个价电子，所以除了与周围 硅原子形成共价键外，还多出一个 电子。在常温下，由于热激发，就 可使它们成为自由电子，显负电性 。这N是从“Negative（负）”中取 的第一个字母。 结论： N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入 的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电 性能也就越强。 l 多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 度，称为多数载流子，简称多子。 l 少子：空穴为少数载流子，简称少子。 l 施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。 P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混入 了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，使 之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。 u空穴的产生：由于杂质原子的 最外层有3个价电子，当它们与周 围的硅原子形成共价键时，就产生 了一个“空位”（空位电中性）， 当硅原子外层电子由于热运动填补 此空位时，杂质原子成为不可移动 的负离子，同时，在硅原子的共价 键中产生一个空穴 ，由于少一电 子，所以带正电。P型取“Positve （正）”一词的第一个字母。 P型半导体 结论： 1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质 使多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大 大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高， 少子的浓度就愈低。 2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发 形成的，与温度有关。 多子：P型半导体中，多子为空穴。 少子：为电子。 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。 P型半导体杂质浓度越高，费米能级越低，N型半导 体杂质浓度越高，费米能级越高。 PN结的能带结构 价带 导带 能隙 EF 结区P区N区 PN结的形成 n 当型半导体和型半导体结合在一起时，由于交界 面处存在载流子浓度的差异，电子和空穴都要从浓度高的 地方向浓度低的地方扩散。 n 电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使区和 区中原来的电中性条件破坏了。区一侧因失去空穴而 留下不能移动的负离子，区一侧因失去电子而留下不能 移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电 荷，它们集中在区和区交界面附近形成了一个很薄的 空间电荷区，即PN的结。 n 这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了， 或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。 n 区一侧呈现负电荷，区一侧呈现正电荷，因此空间电荷 区出现了方向由区指向区的电场，由于这个电场是载流子扩 散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。它对多 数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层 。 n 内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带 来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的 少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）一旦靠近PN结，便 在内电场的作用下漂移到对方，这种少数载流子在内电场作用 下有规则的运动称为漂移运动，结果使空间电荷区变窄。 n 因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少 子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄 ，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 n 在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐 渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后扩散运动 和漂移运动达到动态平衡，交界面形成稳定的空间电荷区，即 PN结处于动态平衡。 结的单向导电性 （1） 外加正向电压 （正偏） PN结上加正向电压，外电场与 内电场方向相反，扩散与漂移运动 平衡被破坏。外电场驱使P区空穴进 入空间电荷区抵消一部分负电荷， 同时N区自由电子进入空间电荷区抵 消一部分正电荷，则空间电荷区变 窄，内电场被削弱，多子的扩散运 动增强，形成较大的扩散电流（由P 区流向N区的正向电流）。在一定范 围内，外电场愈强，正向电流愈大 ，这时PN结呈现的电阻很低，即PN 结处于导通状态。 发光二极管 （2） 外加反向电压 （反偏） 在PN结上加反向电压，外电场 与内电场的方向一致，扩散与漂 移运动的平衡同样被破坏。外电 场驱使空间电荷区两侧的空穴和 自由电子移走，于是空间电荷区 变宽，内电场增强，使多数载流 子的扩散运动难于进行，同时加 强了少数载流子的漂移运动，形 成由N区流向P区的反向电流。由 于少数载流子数量很少，因此反 向电流不大，PN结的反向电阻很 高，即PN结处于截止状态。 光电二极管 外加反偏电压于结内电场方向一致，没有光照时，反向电流很小（一般小 于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量 传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对， 称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，电子被拉向n区，空穴 被拉向p区而形成光电流，使反向电流明显变大。同时势垒区一侧一个扩散长度 内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。光 的强度越大，反向电流也越大。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生 的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这 个电信号随着光的变化而相应变化。 光电探测器（1） 光电子发射探测器（光电子发射效应或外光电效应 ） 金属氧化物或 半导体表面 光子能量大于 逸出功 材料内束缚能级的 电子逸出表面 自由电子 光辐射 光电导探测器（光电导效应或内光电效应） 半导体材料 光子能量大于 禁带宽度 材料内不导电束缚 状态的电子空穴 自由电子空穴光辐射 电导率变化 光电探测器（2） 光伏探测器（光生伏特效应或内光电效应） 金属氧化物或 半导体表面 光子能量 足够大 材料内束缚能级的 电子逸出表面 电子空穴对光辐射 光电磁探测器（光电磁效应或内光电效应） 垂直磁场中的 半导体材料 光子能量 足够大 本征吸收产生 电子空穴对载流子 浓度梯度光辐射 光磁电动势 光电池、光电二极管、雪崩光电二极管、PIN管及光电晶体管 光生电动势 光电探测器特点 选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长 于长波限的入射辐射不能产生所需的光子 效应，因此无法被探测。 波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波 长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论 响应率应正比于波长。 热探测器（光热效应） 热探测器 材料产生温升 物理性质变化 光辐射 温差电动 （温差电效应 ） 电阻率变化 （测辐射热计 效应） 自发极化强度变化 （热释电效应） 气体体积和 压强变化 热电偶 热敏电阻、电阻测辐射热计 高莱管 热释电探测器 热探测器特点 非选择性探测器，光热效应与入射光子的性质无关 ，即光电信号取决于入射辐射功率与入射辐射的光 谱成份无关。 不需制冷可在室温下工作比光子探测器有更 宽的光 谱响应范围，可在X射线和毫米波段使用。但响应时 间比光子探测器长。且取决于热探测器热容量的大 小和散热的快慢。 2-2 光电探测器的响应性能参数 光电探测器的定义 定义：光子探测器是指入射在光探测器上的光辐射 能，它以光子的形式与光子探测器材料内受束缚的 电子相互作用（光电子效应），从而逸出表面或释 放出自由电子和自由空穴来参与导电的器件。 光电磁 效应 光电子 发射效应 光电导 效应 光生伏特 效应 内光电效应 外光电效应 2.2.1 光电探测器的工作条件 1. 辐射源的光谱分布 （如单色、黑体、调制） 2. 电路的通频带和带宽 （噪声的影响） 3. 工作温度： 295K、195K、77K、20.4K 、 4.2K 4. 光敏面尺寸：1cm2 5. 偏置情况 光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要而 制定的特性参数。 它是在不断总结各种光电探测器的共同基础上而给以 科学定义的，所以这一套性能参数科学地反映了各种 探测器的共同因素。 依据这套参数，可以评价探测器性能的优劣，比较不 同探测器之间的差异，从而达到根据需要合理选择和 正确使用光电探测器的目的。 显然，了解各种性能参数的物理意义十分重要。 2.2.2 响应性能参数 1. 响应率（度）RV 、RI u 单位入射光功率作用下探测器的输出电压（流） ，即灵敏度。 器件对全色入射辐射的响应能 力，定义为器件的输出信号与输入辐射功率之比 ，用R来表示。 输出信号用电压表示： 输出信号用电流表示： 2. 单色灵敏度（光谱响应度） u 光电探测器在单位单色辐射通量（光通量）照射 下得到输出电压（流）；即探测器的输出电压（流 ）与入射到探测器上单色辐射通量（光通量）之比 。 器件对单色入射辐射的响应能力。 光谱响应宽度 峰值响应度 实用表示法 用光谱量子效率来表示光谱响应率，定义： NP：入射辐 射量子数 NS：由NP 产生的 信号量子数 由于光谱量子效率和光谱响应率R表示的是同一事 件，所以它们之间必有联系： e：电子电量 c：真空光速 h：普朗 克常数 注意：光谱响应率和光谱量子效率仅由器件的响应 特性所决定，而与光源无关。 由上式可绘出R曲线，称为等量子效率曲线。 R关系曲线即光谱响应随波长的变化关系，因 此，R曲线也称为光谱响应特性曲线。 由上式可得 3. 积分响应度 R 探测器对连续辐射通量（光通量）的响应程度； 即探测器的输出电压（流）与入射到探测器上总 辐射通量（光通量）之比。 4. 时间响应特性 探测器对变化信号响应快慢的能力。 理想器件的响应脉冲与辐射脉冲是一致的。 （b）响应脉冲（a）辐射脉冲 实际器件的响应都具有滞后现象（惰性）： （a）辐射脉冲 （a）辐射脉冲 （b）响应脉冲 （b）响应脉冲 描述时间响应特性的参数：弛豫时间和幅频特性。 弛豫时间：响应落后于作用信号的现象称为弛豫。 弛豫时间也称为时间常数。 弛豫时间的定义1： （1）起始弛豫（上升时间常数） 器件的响应从零上升至稳定 值的90%时所需的时间t1； （2）衰减弛豫（下降时间常数） 当信号撤去后，器件的响应 从稳定值下降至稳定值的10%时所 需的时间t2 。 （1）起始弛豫定义为响应值上升至稳定值的时所需的时间 ，约为63%； （2）衰减弛豫定义为响应值下降至稳定值的 时所需的时 间，约为37%。 弛豫时间的定义2： 这些上升或下降的时间就表示了器件惰性的大小 。 响应时间 上升时间 ： 10%-90%； 下降时间 ： 90%-10% ； 表示探测器对入射辐射响应快慢的参数；用时间 常数 表示 1 0.9 0.1 t t 入射光 响应时间： 5. 频率响应 R（f） 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变 化的特性； 频率是 f 时的响应度； 频率是零时的响应度； 时间常数（ ） 。 上限截止频率： f 2.2.3 其它参数 定义：在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 1. 量子效率() 表达式： 反映了入射辐射与最初的光敏元的相互作用 2. 线性度 I1 I2 I max t l探测器的输出光电压（流）与输入光功率成线 性变化的程度和范围。用非线性误差 描述。 l一般，在弱光照射下探测器输出光电流都能在较 大范围内与输入光功率成线性关系；强光照射下 一般趋于平方根关系。 光电效应发生的条件：E=h Eg (半导体禁带宽度) 截止波长： 截止波长 本征半导体 的长波限 2-3 光电探测器的噪声参数 显然，噪声un(t)表示了u(t)偏离us(t)的程度。 信号在传输和处理过程中总会受到一些无用信号的 干扰，人们常称这些干扰信号为噪声。 光电探测器在进行光电转换过程中，同样要引入噪 声，称为光电探测器的噪声。 若us(t)表示信号，经过传输或变换后输出u(t)，则： un(t)表示噪声 一、噪声概念 前两种又称为有形噪声，一般可以预知，因而总可 以设法减少和消除。最后一种噪声来自物理系统内 部，表现为一种无规则起伏，称为无规噪声。 根据噪声产生的原因，大体上可以把噪声分为人为 噪声、自然干扰和物理系统内部的起伏干扰三类。 例如，电阻中自由电子的热运动，真空管中电子的 随机发射，半导体中载流子随机的产生和复合等， 这些随机因素把一种无规则起伏施加给有用信号。 二、噪声分类 探 测 器 放 大 器 示波器 (a) (b) (c) 光 起伏噪声对有用信号的影响，如图所示。假定入射 光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变 放大量的理想放大器。 当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形 。 降低入射光功率时，增大放大率，则正弦电压信号上出现许多无规起伏， 使信号变得模糊不清。 再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小，而杂乱无章的变化愈来愈大 。最后只剩下了无规则的起伏，完全看不出什么正弦变化，此时噪声完全埋 没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。 从上面讨论中，我们应该建立这样的观念： 上述现象并不是探测器不好所致，它是探测器所固 有的不可避免的现象。 任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它 输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电 压起伏。 这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微 观世界服从统计规律的反映。 从这个意义上说，实现光信号的探测，就是从噪声 中如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研 究的中心课题之一。 噪声 外部原因 内部原因 人为噪声 自然噪声 散粒噪声 产生复合噪声 光子噪声 热噪声 低频噪声 温度噪声 放大器噪声 光电系统噪声分类 主要来源： 系统外部，通常由电、磁、机械等因素引起。如 电源50Hz干扰、工业设备电火花干扰等，具有一 定规律性，采取适当措施（如屏蔽、滤波、远离 噪声源等）可将其减小或消除； 系统内部材料、器件或固有的物理过程的自然 扰动。如：任何导体中带电粒子无规则运动引起 的热噪声、光探测过程中光子计数统计引起的散 粒噪声等。 光辐射探测系统是光电信息的变换、传输及处理 的系统，除光探测器外，还有各种光学、机械和 电子系统，整个系统在工作时总会受到无用信号 的干扰。 如：光电变换中光电子随即起伏的干扰、背景光 的干扰及放大器引入的干扰等。 光电器件中的噪声是物理过程中固 有的，为了提高信噪比，可增大信号 值或减小噪声大小。一般应尽可能减 小噪声以提高信噪比。 实际情况是，当P0时，光电探测器的输出电流并 不为零。这个电流称为暗电流或噪声电流，它是瞬 时噪声电流的有效值。记为： 从灵敏度R的定义式： 可见，如果P0，应有Is=0 u考虑到噪声因素后，一个光电探测器完成光电转 换过程的模型如图所示： 图中的光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率。 可见，即使Ps和Pb都为零，也会有噪声输出。 噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。 通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电 流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。 2.3.1 噪声的基本概念 概率分布密度（时域） 功率谱密度（频域） 白噪声 色噪声 白噪声在整个频谱内每个频点的能量为常数 且基本恒定，不管对信号进行低通还是高通 处理，均不能有效地滤除白噪声，因为它存 在于整个频带范围内。 白色包含了所有的颜色，因此白噪声的特点就是包含各种噪声。白噪声 定义为在无限频率范围内功率密度为常数的信号，这就意味着还存在其 它“颜色”的噪声，下面是常见的色噪声：粉红噪声、红噪声、橙色噪 声、蓝噪声、紫噪声、棕色噪声、灰色噪声、黑噪声。 噪声的描述 噪声电压随时间无规则起伏情况重画如下。 )(tun )0(g )(tg t t 0 0 (a)(b) 无法用预先确知的时间函数来描述它。然而，噪声本 身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述。 长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相 等的，其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无 法描述噪声大小。 2. 光电系统噪声的分类 电学噪声 探测器噪声 光 学 噪 声 介 质 光 学 系 统 光 调 制 器 光 电 探 测 器 电 子 电 路 目 标 或 光 源 4. 噪声的影响 & 弱信号的探测 & 系统的极限探测能力 2.3.2 光电探测器的噪声 原因：载流子随机涨落 特点：白噪声 电子的粒子性 表达式： 1. 散粒噪声 随机事件有：物体辐射的或接收的 光子数；阴极发射的电子数；半导 体中的载流子数；光电倍增器的倍 增系数等。 2. 热噪声 原因：载流子随机性出现 特点：白噪声 载流子的运动性 表达式： 注意：散粒噪声和热噪声都是与频率无关的 “白噪”声。即：散粒噪声和热噪声的大小 与频率的高低无关。 3. 温度噪声 原因：它是由于材