光电子技术(第五章)

1、 n1 1、光电探测技术、光电探测技术 把被调制的光信号转换成电信号并将信息把被调制的光信号转换成电信号并将信息 提取出来的技术。提取出来的技术。 光探测过程可以形象地称为光频解调，光光探测过程可以形象地称为光频解调，光 探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测 量的物理量的器件。量的物理量的器件。 2、光电探测器、光电探测器 效应效应探测器探测器 光光 电电 效效 应应 外光外光 电效电效 应应 光阴极发射光电子光阴极发射光电子光电管光电管 光电子光电子 倍增倍增 倍增极倍增倍增极倍增光电倍增管光电倍增管 通道电子倍增通道电子倍增像增强管像增强管 内光

2、内光 电效电效 应应 光电导效应光电导效应光电导管或称光敏电阻光电导管或称光敏电阻 光伏光伏 效应效应 零偏的零偏的p-n结和结和PIN结结光电池光电池 反偏的反偏的p-n结和结和PIN结结光电二极管光电二极管 雪崩效应雪崩效应雪崩光电二极管雪崩光电二极管 肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒光电二极管肖特基势垒光电二极管 pnp结和结和npn结结光电三极管光电三极管 n按光按光电相互作用分类电相互作用分类 波扰动效应 光热效应 光电效应 电磁波对材料的影响 2 2、探测机理及其分类、探测机理及其分类 光电探测器 点探测器 图象探测器 n按响应区域分类按响应区域分类 光子直接对电子光子直接对电子 产

3、生扰动产生扰动 温升使材料的某温升使材料的某 些特性发生变化些特性发生变化 电磁场对材料的电磁场对材料的 扰动所引起材料扰动所引起材料 某些内特性发生某些内特性发生 变化变化 输出信号是敏感输出信号是敏感 区域的平均值区域的平均值 对敏感区域的空间对敏感区域的空间 变化所产生的响应变化所产生的响应 n 光照射到物体上使物体发射电子，光照射到物体上使物体发射电子， 或电导率发生变化，或产生电动势，这或电导率发生变化，或产生电动势，这 些因光照引起物体电学特性改变的现象，些因光照引起物体电学特性改变的现象， 统称为统称为光电效应光电效应。 n内光电效应内光电效应光子激发的载流子光子激发的载流子(电

4、子或空穴电子或空穴)将保留将保留 在材料内部。在材料内部。 n外光电效应外光电效应将电子打离材料表面，外光电效应器件将电子打离材料表面，外光电效应器件 通常有多个阴极，以获得倍增效果。通常有多个阴极，以获得倍增效果。 n 当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上 时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果 入射的光能使表面的电子获得足够的能量，电子入射的光能使表面的电子获得足够的能量，电子 就会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而就会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而 进入外界空间，这种现象称为进入外界空间，这

5、种现象称为外光电效应外光电效应。外光。外光 电效应可用两条基本定律来描述电效应可用两条基本定律来描述 ： n 斯托列托夫定律斯托列托夫定律 当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光 电流（单位时间内反射的光子数目）电流（单位时间内反射的光子数目）与入射光的与入射光的 强度成正比。强度成正比。 斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基 础。础。 外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应 n爱因斯坦定律爱因斯坦定律 如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表 面逸出功，则电

6、子将以一定的速度从发射体表面发射，面逸出功，则电子将以一定的速度从发射体表面发射， 光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线 性增长，与入射光的强度无关。性增长，与入射光的强度无关。 光电效应方程：光电效应方程： EhhhmvE 0 2 max2 1 max 入射光子入射光子 能量能量 电子的电子的 动能动能 逸出功逸出功 该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于 逸出功，才能发生光电发射。逸出功，才能发生光电发射。0 0 为产生光电发射的最低频率，即该为产生光电发射的最

7、低频率，即该 频率与材料的属性有关，与入射光强无关。频率与材料的属性有关，与入射光强无关。 逸出功逸出功 爱因斯坦定律爱因斯坦定律 n入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多 长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程： n光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从 基态跃迁到激发态；基态跃迁到激发态； n受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然 要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量

8、；要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量； n到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出 形成光电子。形成光电子。 g EhmvE-) 2 1 ( max 2 max h Eg gg c EE hc24. 1 爱因斯坦定律爱因斯坦定律 n由此得到光电发射对阴极材料的要求由此得到光电发射对阴极材料的要求： 对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射； 电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小； 材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；材料逸出功小，以使到达表面的

9、电子容易逸出； 电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射 失去的电子。失去的电子。 内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应 n光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的 现象。现象。 n当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量， 使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓 度增大，从而导致材料电导率增大。这种变化可以度增大，从而导致材料电导率增大。这种变化可以 通过测量负载电阻两端的电压来观察。该现象是通过测量负

10、载电阻两端的电压来观察。该现象是 100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早 为人们所知的现象。为人们所知的现象。 信号信号 V 负载电阻负载电阻 入射光线入射光线 +- 内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应 n利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器。利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器。 n2020世纪又先后在氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、世纪又先后在氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、 硫化铅等材料中发现光电导效应，并由此发展硫化铅等材料中发现光电导效应，并由此发展 了从了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。

11、内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应 n光子能量光子能量 n红限波长红限波长 n光电流光电流 g Eh 0 / g hcE 当光子波长大于当光子波长大于0 0 时，本征型半导体器时，本征型半导体器 件将不会出现光电导件将不会出现光电导 现象现象 通常是多子起作用，少通常是多子起作用，少 子由于其寿命相对短得子由于其寿命相对短得 多，故对光电流的贡献多，故对光电流的贡献 不大。不大。 g hc E so IqN G 内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应 n光电导增益光电导增益G由自由载流子寿命由自由载流子寿命和渡越和渡越 时间时间T的比值来决定。的比值来决定。 T G n渡越时间渡越时间

12、T是指多数载流子穿过器件电是指多数载流子穿过器件电 极的时间，它由下式决定：极的时间，它由下式决定： A V l T 2 式中式中l为电极间的距离，为电极间的距离，为多数载流子的迁移率，为多数载流子的迁移率， VA为器件所加上的偏压。为器件所加上的偏压。 so IqN G 内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应 n响应速度响应速度(由多数载流子的寿命决定由多数载流子的寿命决定 ) 22 1 so s I I 22 1 so s V V 频率为时频率为时的的 短路电流短路电流 频率为时频率为时的的 开路电压开路电压 由上面两式可知，低频时光电器件的输出基由上面两式可知，低频时光电器件的输出基

13、本上与频率无关；高频时则与频率成反比，转本上与频率无关；高频时则与频率成反比，转 折点定义在折点定义在为为1的频率。的频率。 直流短路电流直流短路电流 器件开路电压器件开路电压 内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应 n光子在材料中激发出的载流子必须在外光子在材料中激发出的载流子必须在外 加电压（电场）作用下方能作空间流动，加电压（电场）作用下方能作空间流动， 对外电路产生贡献。对外电路产生贡献。 n这种器件必须加上偏压才能正常工作。这种器件必须加上偏压才能正常工作。 内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应 n光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属

14、 组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这 种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡 层的存在引起的势垒型光伏效应。层的存在引起的势垒型光伏效应。 结区结区 pn + + + + + + + + + - - - - - - - - - E 光光 i u 短路光电短路光电 流流 开路光电开路光电 压压 光电流光电流 反向饱和电流反向饱和电流 暗电流暗电流 内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应 n光伏效应光伏效应 n载流子的激发载流子的激发光子光子 n载流子的分离载流子的分离内建电场内建电场 n光电流：光电流：

15、 / (1) d qVkT ds III IIe 光 Id暗电流，暗电流，Is为无光照射时的反向饱和电流，为无光照射时的反向饱和电流，V 为施加在器件上的电压为施加在器件上的电压( (正向为正，反向为负正向为正，反向为负) )，k为为 波耳兹曼常数，波耳兹曼常数，为近似为为近似为1 1的常数，的常数，T为绝对温度。为绝对温度。 内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应 n光伏器件的电流电压特性（光伏器件的电流电压特性（5-5） 对应的工作模式：开路、短路、反偏（光电导对应的工作模式：开路、短路、反偏（光电导 工作模式）、正偏。工作模式）、正偏。 内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应 光电信号光电信

16、号 入射光入射光 开路开路 V 负载负载 电阻电阻 + - 光电信号光电信号 反向偏压反向偏压 入射光入射光 光电导效应和光伏效应的区别光电导效应和光伏效应的区别 光电导效应必须在外加偏压下才能正常工作光电导效应必须在外加偏压下才能正常工作 光伏效应则可以不加偏压，其开路电压就反映了光辐射的信号，光伏效应则可以不加偏压，其开路电压就反映了光辐射的信号， 但光伏效应器件通常工作在但光伏效应器件通常工作在 反偏状态，即给器件加上反向电压，反偏状态，即给器件加上反向电压， 其反向电流即为光电流，此时可以说器件工作在光电导模式下。其反向电流即为光电流，此时可以说器件工作在光电导模式下。 光伏效应光伏效

17、应 光电导效应光电导效应 光伏器件工作模式光伏器件工作模式 光伏器件光伏器件 n光电池光电池 n光敏二极管光敏二极管 n光敏三极管光敏三极管 光敏二极管光敏二极管 n(1) 结构结构 n光敏二极管是利用硅结受光照后产生光敏二极管是利用硅结受光照后产生 光电流的一种光电器件。光电流的一种光电器件。 n光敏二极管的电路符号、外形见图所示。光敏二极管的电路符号、外形见图所示。 其封装有金封和塑封两种（即圆柱形和扁其封装有金封和塑封两种（即圆柱形和扁 方形）。有的光敏二极管为了提高其稳定方形）。有的光敏二极管为了提高其稳定 性，还外加了一个屏蔽接地脚，外形似光性，还外加了一个屏蔽接地脚，外形似光 敏三

18、极管。敏三极管。 n光敏二极管工作于反向偏压，其光谱响应光敏二极管工作于反向偏压，其光谱响应 特性主要由半导体材料中所掺的杂质浓度特性主要由半导体材料中所掺的杂质浓度 所决定。同一型号的光敏二极管在一定的所决定。同一型号的光敏二极管在一定的 反偏电压、相同强度和不同波长的入射光反偏电压、相同强度和不同波长的入射光 照射下，产生的光电流并不相同，但有一照射下，产生的光电流并不相同，但有一 最大值。最大值。 n不同型号的光敏二极管在同一反偏电压、不同型号的光敏二极管在同一反偏电压、 同一强度的入射光照射下，所产生的光电同一强度的入射光照射下，所产生的光电 流最大值也不相同，且光电流最大值所对流最大

19、值也不相同，且光电流最大值所对 应的入射光的波长也不相同。应的入射光的波长也不相同。 光敏二极管光敏二极管 n 图的曲线、分别是光敏二极管图的曲线、分别是光敏二极管 、的、的 光谱响应特性曲线。由图可看出，它们光谱响应特性曲线。由图可看出，它们 的光电流的最大值分别在可见光区和红的光电流的最大值分别在可见光区和红 外线区，其中二极管的外线区，其中二极管的 光谱响应值最大。光谱响应值最大。 n 由于光敏二极管的基本结构也是一个由于光敏二极管的基本结构也是一个 结，故其检测方法也与普通二极管结，故其检测方法也与普通二极管 相同，其测得的正、反向电阻也类似于相同，其测得的正、反向电阻也类似于 普通二

20、极管，但在测反向电阻遇光照时，普通二极管，但在测反向电阻遇光照时， 阻值会明显减小，否则说明管子已损坏。阻值会明显减小，否则说明管子已损坏。 n特点特点 1、最大的特点是频带宽。最大的特点是频带宽。在在P型型 半导体和半导体和N型半导体之间夹着一层型半导体之间夹着一层 （相对）很厚的本征半导体（相对）很厚的本征半导体（I层）。层）。 这样，这样，P-N结的内电场就基本上全集结的内电场就基本上全集 中于中于I层中，从而使层中，从而使P-N结空间电荷层结空间电荷层 的间距加宽，因此结电容变小。响应的间距加宽，因此结电容变小。响应 时间变短，频带变宽。时间变短，频带变宽。 21fRC Lj 2、管子

21、的线性输出范围很宽。管子的线性输出范围很宽。 因为因为I层（相对）很厚，在反偏压下层（相对）很厚，在反偏压下 运用可承受较高的反向电压。运用可承受较高的反向电压。 不足：不足： I层电阻很大，管子的输出电层电阻很大，管子的输出电 流小，一般为零点几流小，一般为零点几AA至数至数AA。 雪崩光敏二极管是利用雪崩光敏二极管是利用P-NP-N结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种 光伏器件。光伏器件。 它具有响应度高，响应速度快的特点，通常工作在很高的反偏状态它具有响应度高，响应速度快的特点，通常工作在很高的反偏状态100100200V200V， 接近于

22、反向击穿电压。接近于反向击穿电压。 当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达10106 6，即产生所谓的自持雪崩。频，即产生所谓的自持雪崩。频 率响应很高，带宽可达率响应很高，带宽可达100GHz100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。适用于光纤。是目前响应最快的一种光敏二极管。适用于光纤 通信、激光测距及其他微弱光的探测等。通信、激光测距及其他微弱光的探测等。 n 原理：原理：根据光电效应，当光入射到根据光电效应，当光入射到PN结时，结时， 光子被吸收而产生电子光子被吸收而产生电子空空 穴对穴对如果电压增加到使电场达到如果电压增加到使电场达到200

23、kV/cm以上，初始电子以上，初始电子(一次电子一次电子)在高电在高电 场区获得足够能量而加速运动场区获得足够能量而加速运动高速运动的电子和晶格原子相碰撞，高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子使晶格原子 电离，产生新的电子电离，产生新的电子空穴对空穴对新产生的二次电子再次和原子碰撞新产生的二次电子再次和原子碰撞 如此多次碰如此多次碰 撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图。，见图。 n雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管 频率响应很高，带宽可达频率响应很高，带宽可达100GHz。是目前响。是目前响 应最快的一种光敏二极管。适用于光纤通信、激应最快的一

24、种光敏二极管。适用于光纤通信、激 光测距及其他微弱光的探测等。光测距及其他微弱光的探测等。 n光敏二极管阵列光敏二极管阵列 将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起， 用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息， 并 将 这 些 信 息 转 换 为 电 信 号 的 器 件 。并 将 这 些 信 息 转 换 为 电 信 号 的 器 件 。 http:/ ages/chap3-2-3.htm n体积小，稳定性好；体积小，稳定性好； n灵敏度高，响应速度快；灵敏度高，响应速度快； n易于获得定向性；易于获得定向性； n

25、光谱响应在可见和红外区。光谱响应在可见和红外区。 灵敏度比光敏二极管高，是光灵敏度比光敏二极管高，是光 敏二极管的数十倍，故输出电流要敏二极管的数十倍，故输出电流要 比光敏二极管大得多，一般为毫安比光敏二极管大得多，一般为毫安 级。级。 但其它特性不如光敏二极管好，但其它特性不如光敏二极管好， 在较强的光照下，光电流与照度不在较强的光照下，光电流与照度不 成线性关系。频率特性和温度特性成线性关系。频率特性和温度特性 也变差，故也变差，故光敏三极管多用作光电光敏三极管多用作光电 开关或光电逻辑元件开关或光电逻辑元件。 外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应 内光电效应内光电效应光电导效应光

26、电导效应 n内光电效应内光电效应光伏效应光伏效应 n 热释电效应热释电效应指的是某些晶体的电极化强指的是某些晶体的电极化强 度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。 n 基于该效应制成的光电转换器件有基于该效应制成的光电转换器件有红外红外 探测器，热电激光量热计，夜视仪探测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种以及各种 光谱光谱仪仪接收器等。接收器等。 n结构结构 n器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料 某种有赖于温度的参量的变化某种有赖于温度的参量的变化，检测该变化，可以，检测该变化，可以 探知辐射的存在和强弱。

27、这一过程比较缓慢，因此探知辐射的存在和强弱。这一过程比较缓慢，因此 一般热电探测器件的响应时间多为一般热电探测器件的响应时间多为msms量级。量级。 n热释电器件相当于一个以热电晶体为电介质的平热释电器件相当于一个以热电晶体为电介质的平 板电容器。入射辐射可引起电容器电容的变化，因板电容器。入射辐射可引起电容器电容的变化，因 此，可利用这一特性来探测变化的辐射。此，可利用这一特性来探测变化的辐射。 对光辐射的转换过程：对光辐射的转换过程： 第一步按系统的热力学特性来确定入射辐射所引第一步按系统的热力学特性来确定入射辐射所引 起的温度升高；起的温度升高； 第二步探测器件因温升引起器件物理特性的变

28、化第二步探测器件因温升引起器件物理特性的变化 而输出各种电信号。而输出各种电信号。 n优点：优点： n光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都 有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。 n工作时无需制冷。工作时无需制冷。 n缺点：灵敏度低，响应时间较长。缺点：灵敏度低，响应时间较长。 n1、比较理想的热探测器，其机械强度、响应灵敏度、比较理想的热探测器，其机械强度、响应灵敏度、 响应速度都很高。响应速度都很高。 n2、只能测量变化的辐射，辐射恒定时无输出。、只能测量变化的辐射，辐射恒定时无输出。 n3、输出是背景与

29、热辐射体的温差，而不是热辐射体的、输出是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的 实际温度。测温时，需先用辅助探测器测出背景温度。实际温度。测温时，需先用辅助探测器测出背景温度。 n4、各种、各种热释电材料都存在一个居里温度，使用范围小热释电材料都存在一个居里温度，使用范围小 于居里温度。于居里温度。 n 居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。 n 低于低于居里温度居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的 磁场很难改变。当温度高于居里温度时磁场很难改变。当温度高于居里温度时, ,该物质成为顺

30、磁体，该物质成为顺磁体， 磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度 约为约为1010的负的负6 6次方。如铁的居里温度是次方。如铁的居里温度是770, 770, 铁硅合金的居里铁硅合金的居里 温度是温度是690690等。等。 n 利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，我利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，我 们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅 的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105105度的磁性材

31、料。度的磁性材料。 当锅里的水分干了以后，食品的温度将从当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100100度上升。当温度度上升。当温度 到达大约到达大约105105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失， 磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会 把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。 光谱范围：光谱范围：一般热释电在一般热释电在0.220m； 用用 途：途：主要用于防盗报警和安全报警装置、自主要用于防盗报警和安全报警装置、自 动门

32、、自动照明装置、火灾报警等一些自动控制系动门、自动照明装置、火灾报警等一些自动控制系 统中。统中。 特特 点：点：光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量 级的电磁辐射几乎都有相同的响应。（与测辐射计、级的电磁辐射几乎都有相同的响应。（与测辐射计、 温差热电堆等比较）频率特性好，室温下工作，无温差热电堆等比较）频率特性好，室温下工作，无 需致冷，需致冷， 体积小，重量轻，坚固。体积小，重量轻，坚固。 噪声噪声 外部原因外部原因 内部原因内部原因 人为噪声人为噪声 自然噪声自然噪声 散粒噪声散粒噪声 产生复合噪声产生复合噪声 光子噪声光子噪声 热噪声热噪声 低频噪声低

33、频噪声 温度噪声温度噪声 放大器噪声放大器噪声 n依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒散粒 噪声噪声、产生产生复合噪声复合噪声、热噪声热噪声和和低频噪声低频噪声。 n上述噪声是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消上述噪声是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消 除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。 n因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带， 或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件

34、，是一种或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种 随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机 的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号较弱信号较弱时，光时，光 电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。 n无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起 伏（以光电子发射为例）。由于起伏单元是电子电荷量伏（以光电子发射为例）。由于起伏单元是电子电荷量e，故，故 称为散粒噪

35、声，这种噪声存在于所有光电探测器中。称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。 n热激发散粒均方噪声电流为热激发散粒均方噪声电流为 n其有效值为其有效值为 n相应的噪声电压为相应的噪声电压为 n如果探测器具有内增益如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以，则上式还应乘以M。 n光电探测器是依靠内场把电子光电探测器是依靠内场把电子空穴对分开，空穴对电流贡献不大，主要空穴对分开，空穴对电流贡献不大，主要 是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器。是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器。 feii dn 2 2 feiI dn 2 2 2fReiV dn n电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流

36、子电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子 数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起 伏电动势。伏电动势。 n这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪热噪 声声，或称为，或称为约翰逊（约翰逊（JohnsonJohnson）噪声）噪声。 n热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而 引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。 n光电探测器本质上可用一个电流源来等价，这就意味着

37、光电探测器本质上可用一个电流源来等价，这就意味着 探测器有一个等效电阻探测器有一个等效电阻R。 n电阻中自由电子的随机热运动将引起电阻器电阻中自由电子的随机热运动将引起电阻器R两端随机两端随机 起伏的电压。起伏的电压。 R fKT in 4 2 电阻电阻R的热噪声电流为的热噪声电流为: fKTRiRu nn 4 222 fKTRuV nn 4 2 RfKTRiI nn /4 2 n 对于光电导探测器，载流子热激发是电子对于光电导探测器，载流子热激发是电子空穴对。空穴对。 电子和空穴在运动中，电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存与光伏器件重要的不同点在于存 在严重的复合过程，而复合过

38、程本身也是随机的。在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。 n 因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子 复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪 声，但为强调声，但为强调产生产生和和复合复合两个因素，取名为两个因素，取名为产生产生复合复合 散粒噪声散粒噪声，简称为，简称为产生产生复合噪声复合噪声。 n1/f 噪声又称为噪声又称为闪烁或低频噪声闪烁或低频噪声。 n这种噪声是由于这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质 的存在的存在，当电流流过

39、时在微粒间发生微火花放电而引起的微，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微 电爆脉冲。电爆脉冲。 n几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约 1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率 f 成反比，成反比， 故称为低频噪声或故称为低频噪声或1/f 噪声。噪声。 n实验发现，探测器表面的工艺状态实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等缺陷或不均匀等)对这对这 种噪声的影响很大，所以有时也称为种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声表面噪声或过剩噪声。 n一般说，只要限制低频

40、端的调制频率不低于一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1千赫兹，这千赫兹，这 种噪声就可以防止。种噪声就可以防止。 高频高频中频中频低频低频 1/f低频噪声低频噪声 产生产生复合噪声复合噪声 热噪声热噪声 单位带宽噪声电流均方值对数单位带宽噪声电流均方值对数 logB 拐点拐点 （1KHz） 拐点拐点 （1MHz） n发射噪声：发射噪声：只要有电流通过，便会产生发射噪声，只要有电流通过，便会产生发射噪声， 这是由电子电荷的离散性所决定的，这种离散性将这是由电子电荷的离散性所决定的，这种离散性将 造成电流的微小起伏。造成电流的微小起伏。 n暗电流噪声：暗电流噪声：即使没有光信号照到光电倍增管中

41、，即使没有光信号照到光电倍增管中， 由于热电子发射也会形成暗电流噪声，这种暗电流由于热电子发射也会形成暗电流噪声，这种暗电流 噪声系基于外光电效应器件的主要噪声。噪声系基于外光电效应器件的主要噪声。 n倍增噪声：倍增噪声：由于倍增极二次电子发射过程的随机性由于倍增极二次电子发射过程的随机性 产生的，它使得倍增极的增益在附近有一定的起伏。产生的，它使得倍增极的增益在附近有一定的起伏。 n热噪声：热噪声：由阳极负载电阻所产生。由阳极负载电阻所产生。 fiei f 2 n2.1 2.1 响应度响应度R R 定量定量描述光电器件输出电信号与输入的光信号描述光电器件输出电信号与输入的光信号 之间的关系之

42、间的关系。 n探测器输出信号电压探测器输出信号电压Vs与输入光功率与输入光功率P的比值。的比值。 n单位一般为单位一般为V/W或或A/W。 n该值是直流状态下的测试值。该值是直流状态下的测试值。 HA I P I fTR HA V P V fTR ss ss , , 探测器探测器 面积面积 光源的光源的 辐射度辐射度 2.2 2.2 光谱响应光谱响应 （光电探测器最基本的参数，通常用相对光谱响应来描光电探测器最基本的参数，通常用相对光谱响应来描） n表征表征响应度响应度R随波长随波长变化的特性参数。由于许多光探测器是基于光变化的特性参数。由于许多光探测器是基于光 电效应而工作的，因而存在一个最

43、低频率电效应而工作的，因而存在一个最低频率0，只有入射光频率大于，只有入射光频率大于0才能才能 有响应信号输出，相应存在一个探测波长极限有响应信号输出，相应存在一个探测波长极限c，在，在 c时探测器对于时探测器对于 某一频率（波长）光的响应与探测器对该波长的吸收速率，即单位时间某一频率（波长）光的响应与探测器对该波长的吸收速率，即单位时间 内入射的光子数密度成正比，因而内入射的光子数密度成正比，因而 c时，其响应随着波长的增加而呈时，其响应随着波长的增加而呈 线性上升。而线性上升。而 c时，光谱响应曲线迅速下降到零。时，光谱响应曲线迅速下降到零。 相对输出相对输出 波长波长 随波长线性增随波长

44、线性增 长区长区 峰值区峰值区 急剧下降区急剧下降区 c 2.3 2.3 能量阈能量阈P Pth th n从响应度从响应度R的定义式的定义式 n可见，如果可见，如果P0，应有，应有Is =0 n实际情况是，当实际情况是，当P0时，光电探测器的输出电流并不为零。时，光电探测器的输出电流并不为零。 n这个电流称为这个电流称为暗电流或噪声电流暗电流或噪声电流 n它是瞬时噪声电流的有效值。它是瞬时噪声电流的有效值。 n显然，这时响应度显然，这时响应度R 巳失去意义，我们必须定义一个新参巳失去意义，我们必须定义一个新参 量来描述光电探测器的这种特性。量来描述光电探测器的这种特性。 P I R s n考虑

45、到这个因素之后，一个光电探测器完成光电转换过程的模型考虑到这个因素之后，一个光电探测器完成光电转换过程的模型 如图所示。如图所示。 光电 效应 s i n i s P b P 内部 噪声 信号加 噪声 电流 增益 放大器过程 输出 图中的光功率图中的光功率Ps和和Pb分别为信号和背景光功率。可见，即分别为信号和背景光功率。可见，即 使使Ps和和Pb都为零，也会有噪声输出。都为零，也会有噪声输出。噪声的存在，限制了探测噪声的存在，限制了探测 微弱信号的能力。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等于噪声电等于噪声电 流流in，那么就

46、认为刚刚能探测到光信号存在。，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。 n依照这一判据，定义探测器的能量阈依照这一判据，定义探测器的能量阈Pth为为 )(瓦 i n th R i P 若若Ri=10A/W，in=0.01A，则能量阈，则能量阈Pth0.001W。也。也 就是说，小于就是说，小于0.001微瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所微瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所 以，以，能能量阈是探测器所能探测的最小光信号功率量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。 2.3 2.3 能量阈能量阈P Pth th n同一个问题，还有另一种更通用的表述方法，这就是同一个问题，还有另一种更通用的表述方法，这

47、就是 等效噪声功率等效噪声功率NEP。它定义为单位信噪比时的信号光。它定义为单位信噪比时的信号光 功率。信噪比功率。信噪比SNR定义为定义为 n s u u SNR(电压信噪比电压信噪比) n s i i SNR(电流信噪比电流信噪比) 显然，显然，NEP越小，表明探测器探测微弱信号的能力越越小，表明探测器探测微弱信号的能力越 强。所以强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。是描述光电探测器探测能力的参数。 1)SNR( NEP i s i s s n i s s s i n th P SNR P i i R i i i R i P 产生单位信噪比所需的入射功率产生单位信噪比所需的入射功

48、率 n给出了探测器能够探测的最小光功率给出了探测器能够探测的最小光功率 ，表征探测器的，表征探测器的 探测能力。探测能力。NEP越小，探测能力越强。越小，探测能力越强。 由于噪声频谱很窄，为减小噪声影响，一般将探由于噪声频谱很窄，为减小噪声影响，一般将探 测器后面的放大器做成窄带通的，其中心频率为调测器后面的放大器做成窄带通的，其中心频率为调 制频率，这样，信号将不受损失而噪声可以被滤去，制频率，这样，信号将不受损失而噪声可以被滤去， 从而使从而使NEP减小减小 nNEP越小，探测器探测能力越高，不符合人越小，探测器探测能力越高，不符合人 们们“越大越好越大越好”的习惯，于是取的习惯，于是取N

49、EP的倒数的倒数 并定义为探测度并定义为探测度D，即，即 n这样，这样，D值大的探测器就表明其探测力高。值大的探测器就表明其探测力高。 )( NEP 1 1 瓦D 2.5 2.5 归一化探测度归一化探测度D*(读作读作D星星) 是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光 调制频率调制频率f 变化的特性参数。是表征光探测器频率特性的重变化的特性参数。是表征光探测器频率特性的重 要参数。当器件的输出信号功率降到零频时的一半，即信号要参数。当器件的输出信号功率降到零频时的一半，即信号 幅度下降到零频的幅度下降到零频的0.707时，可得到器件的上限

50、截止频率时，可得到器件的上限截止频率fc 响应度响应度 频率频率 R(f) Ra 0.707Ra R(f) f 2 1 Z f n暗电流：暗电流：指没有信号和背景辐射时通过指没有信号和背景辐射时通过 探测器的电流。探测器的电流。 n工作温度：工作温度：对于非冷却型探测器指环境对于非冷却型探测器指环境 温度，对于冷却型探测器指冷却源标称温度，对于冷却型探测器指冷却源标称 温度。温度。 n响应时间：响应时间：指探测器将入射辐射转变为指探测器将入射辐射转变为 信号电压或电流的驰豫时间。信号电压或电流的驰豫时间。 n光敏面积：光敏面积：指灵敏元的几何面积。指灵敏元的几何面积。 n光电探测器还有其它一些

51、特性参数，在光电探测器还有其它一些特性参数，在 使用时必须注意到，例如使用时必须注意到，例如光敏面积光敏面积，探，探 测器测器电阻电阻，电容电容等。等。 n特别是特别是极限工作条件极限工作条件，正常使用时都不，正常使用时都不 允许超过这些指标，否则会影响探测器允许超过这些指标，否则会影响探测器 的正常工作，甚至使探测器损坏。的正常工作，甚至使探测器损坏。 n通常规定了通常规定了工作电压工作电压、电流电流、温度温度以及以及 光照功率允许范围光照功率允许范围，使用时要特别加以，使用时要特别加以 注意。注意。 3、各种光子探测器件的性能比较、各种光子探测器件的性能比较 和应用选择和应用选择 n1、接

52、收光信号的方式、接收光信号的方式 n2、各种光子探测器件的性能比较、各种光子探测器件的性能比较 n3、应用选择、应用选择 n判断信号的有无判断信号的有无 n如光电开关、光电报警等。这类光电系统检测由被如光电开关、光电报警等。这类光电系统检测由被 测对象造成的投射到光电器件上的光信号的通过或测对象造成的投射到光电器件上的光信号的通过或 者截断。者截断。 n这时不关心光电器件的线性，而是关注其灵敏度。这时不关心光电器件的线性，而是关注其灵敏度。 n系统中的光信号按一定调制频率交替变化系统中的光信号按一定调制频率交替变化 这种光电系统中的光强度信号被调制在一定的频这种光电系统中的光强度信号被调制在一

53、定的频 带内或某一调制频率下。带内或某一调制频率下。 所选光电器件的截止频率光信号的调制频率。所选光电器件的截止频率光信号的调制频率。 n检测光信号的幅度大小检测光信号的幅度大小 被测对象本身光辐射的强度发生变化；被测对象本身光辐射的强度发生变化； 被测对象因对光的反射率、透过率发生变化；被测对象因对光的反射率、透过率发生变化； 光电器件接收到的光照度亦随之变化。光电器件接收到的光照度亦随之变化。 n 为准确检测出这种变化，选择器件需注意：为准确检测出这种变化，选择器件需注意： 灵敏度适当、线性好、响应快、动态范围合适。灵敏度适当、线性好、响应快、动态范围合适。 如光敏二极管、光电倍增管。如光

54、敏二极管、光电倍增管。 n检测光信号的色度差异检测光信号的色度差异 被测对象造成光电器件接受到的色温发生变化；被测对象造成光电器件接受到的色温发生变化； 被测对象本身的表面颜色发生变化。被测对象本身的表面颜色发生变化。 n选择光谱特性合适的光电器件。选择光谱特性合适的光电器件。 n在时间响应和频率特性，即动态特性方在时间响应和频率特性，即动态特性方 面：面： 光电倍增管和光敏二极管较好；光电倍增管和光敏二极管较好； PINPIN光敏二极管和雪崩光敏二极管最好。光敏二极管和雪崩光敏二极管最好。 n光电特性方面：光电特性方面： 光电倍增管、光敏二极管和光电池的线性都光电倍增管、光敏二极管和光电池的

55、线性都 较好。较好。 n灵敏度方面：灵敏度方面： 光电倍增管、雪崩光敏二极管最好，光敏电光电倍增管、雪崩光敏二极管最好，光敏电 阻和光敏晶体管较好。阻和光敏晶体管较好。 n需要说明的是，灵敏度高不一定就是输需要说明的是，灵敏度高不一定就是输 出电流大。输出电流大的器件有大面积出电流大。输出电流大的器件有大面积 光电池、光敏电阻、光电池、光敏电阻、雪崩光敏二极管和雪崩光敏二极管和 光敏晶体管。光敏晶体管。 n外加偏压：外加偏压： 外加偏压最低的是光敏二极管和光敏晶体管，外加偏压最低的是光敏二极管和光敏晶体管， 光电池不需加电源便可工作；光电池不需加电源便可工作； n暗电流：暗电流： 光电倍增管和

56、光敏二极管最小，光电池不加光电倍增管和光敏二极管最小，光电池不加 电源时无暗电流，加反向偏压后暗电流比光电源时无暗电流，加反向偏压后暗电流比光 电倍增管和光敏二极管要大；电倍增管和光敏二极管要大； n长期工作的稳定性方面：长期工作的稳定性方面： 光敏二极管和光电池最好；光敏二极管和光电池最好； 其次是光电倍增管和光敏晶体管；其次是光电倍增管和光敏晶体管； n光谱响应方面：光谱响应方面： 光电倍增管和光敏电阻最宽；光电倍增管和光敏电阻最宽； 光电倍增管的响应偏在紫外方面，光敏电阻光电倍增管的响应偏在紫外方面，光敏电阻 的响应偏向红外方面；的响应偏向红外方面； 器件 波长响应范围/nm 光电特性

57、直线性 受光 面积 稳定性 外形 尺寸 价 格 主要特点 短波峰值长波 光电管紫外红外好大良大大微光测量 光电倍增管紫外红外最好大良大大 快速、精密 微光测量 光敏电阻400640900差大一般中中 多元阵列光 开关 Si光电池4008001200好最大最好中中 象限光电池 输出功率大 Se光电池350550700好最大一般中中 光谱接近人 的视觉范围 Si光敏二极管4007501000好小最好最小低 高灵敏度、 小型、高速 Si光敏三极管4007501000较好小良小低有电流放大 n光电器件必须和辐射信号以及光学系统在光谱光电器件必须和辐射信号以及光学系统在光谱 特性上相匹配。特性上相匹配。

58、 如测量波长在紫外波段，则可选光电倍增管或专门的如测量波长在紫外波段，则可选光电倍增管或专门的 紫外半导体光电器件；紫外半导体光电器件； 如果信号是可见光，则可选光敏电阻、硅光电器件或如果信号是可见光，则可选光敏电阻、硅光电器件或 光电倍增管；光电倍增管； 对于红外信号，可选光敏电阻；对于红外信号，可选光敏电阻； 近红外波段可选硅材料光电器件或光电倍增管。近红外波段可选硅材料光电器件或光电倍增管。 n光电器件与入射辐射能量在空间上对准。光电器件与入射辐射能量在空间上对准。 a a、光电器件的光敏面要与入射辐射在空间上、光电器件的光敏面要与入射辐射在空间上 匹配好。匹配好。 太阳能电池光敏面大太

59、阳能电池光敏面大用于杂散光或没有达到聚集状态的光用于杂散光或没有达到聚集状态的光 束的接收。束的接收。 光敏电阻（光调可变电阻）光敏电阻（光调可变电阻）通过光路和机械设计控制光照通过光路和机械设计控制光照 在全部电阻体上，有效利用全部光敏面。在全部电阻体上，有效利用全部光敏面。 光敏二极管和光敏晶体管的感光面只是结附近的一个极小的面光敏二极管和光敏晶体管的感光面只是结附近的一个极小的面 积积用透镜把光聚焦到感光的光敏点上。用透镜把光聚焦到感光的光敏点上。 n光电器件的光电转换特性要与入射辐射光电器件的光电转换特性要与入射辐射 相匹配。相匹配。 通常使入射辐射通量的变化中心处通常使入射辐射通量的

60、变化中心处 于光电器件的线性范围内，以确保获得良于光电器件的线性范围内，以确保获得良 好的线性检测。好的线性检测。 n对于微弱光信号，器件要有高的灵敏度，对于微弱光信号，器件要有高的灵敏度， 以保证一定的信噪比和足够强的输出电信以保证一定的信噪比和足够强的输出电信 号。号。 n光电器件的响应特性要与光信号的信号光电器件的响应特性要与光信号的信号 频率、调制形式和波形相匹配，以保证输频率、调制形式和波形相匹配，以保证输 出波形没有频率失真和良好的时间响应。出波形没有频率失真和良好的时间响应。 n这种情况主要是选择响应时间短或者上限这种情况主要是选择响应时间短或者上限 频率高的器件，同时在电路上也