第二章 光源与光电探测器

1、光电信息技术光电信息技术周雄图周雄图物理与信息工程学院物理与信息工程学院 知识回顾：知识回顾：辐射在光波导中的传输辐射在光波导中的传输 介质波导是光波导器件和集成光路中用于限制和传导光波的基本光学回路。平面波导：只在横截面内的一个方向上限制光波，条形波导：在横截面的两个方向上限制光波。 在平面波导中，横向折射率分布为阶梯状的波导称为平板波导，横向折射率分布是渐变形的波导称为渐变形波导。n2n3=n1 知识知识回顾回顾光纤：光纤：光导纤维，由能传导光波的玻璃纤维构成阶跃折射率分布渐变折射率分布。 知识回顾：知识回顾：波导辐射模衬底辐射模导波模导波模存在的必要条件是：0 20 3k nk n光波导

2、中的导波模和辐射模光波导中的导波模和辐射模 第第2章章 光源与光电探测器光源与光电探测器2.1 光电效应当光照射到物体上使物体发射电子，或导电率发生变化，或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。1）物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应。这种效应多发生于金属和金属氧化物；2）物质受到光照后所产生的光电子旨在物质的内部运动而不会逸出物质外部的现象称为内光电效应。包括光电导效应电导率发生变化；光生伏特效应产生光电动势。2.1 光电效应 外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，后者则在物质内部参与导电。2.1.1 光

3、电导效应光照变化引起半导体材料电导率的变化现象称光电导效应材料吸收光子能量后导致导带电子和价带空穴数目增加，形成非平衡附加载流子，使非传导态电子变为传导态电子，使载流子浓度显著增大，因而导致材料电导率增大。本征光电导本征光电导：来自带间跃迁的非平衡载流子引起的；杂质光电导：来自杂质能级上电子或空穴的电离引起的。光照光电导体IP电极电极V1. 附加电导率附加电导率是指由于光照引起半导体电导率的增加量，若以和0分别表示半导体在光照下和无光照时的电导率，则附加电导率可用来表示0在光照下半导体的电导率为()npq np无光照时半导体的暗电导率为000npqpnnn0n，pp0p， n 和p分别为光照下

4、增加的电子的浓度和空穴浓度，u迁移率。于是光电导为光电导的相对值为对光电导率有贡献的载流子主要是多数载流子。在本征半导体中，光激发的电子和空穴数量虽然相等，但是在复合前，光生少数载流子往往被陷住，对光电导无贡献。根据这种情况，附加电导率应改写为0npqpn000npnppnpnnpnqpq或2. 直线性光电导与抛物线性光电导通常把在恒定光照下的光电导数值称为定态光电导，其与光照间的关系就是半导体材料的光电导灵敏度。光电导与光照间的关系:有些半导体(Ge、Si等)在低光强照射下，定态光电导率与光强呈线性关系直线性光电导有些半导体(如Tl2S)定态光电导率与光强的平方根成正比抛物线性光电导还有些半

5、导体（如CdS、ZnS等），在低光强下是直线性光电导，在强光下是抛物线性光电导。2. 直线性光电导与抛物线性光电导当当照度很低时，曲线近似为线照度很低时，曲线近似为线性；随照度的增高，线性关系性；随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，变坏，当照度变得很高时，曲曲线近似为抛物线形。线近似为抛物线形。两种光电导反映着两种简单的复合规律，光电导率的变化直接体现为n和p的变化，其值由光生载流子的产生过程和复合过程的动态平衡过程决定。设I表示以光子数计算的光强，为吸收系数，为量子产额（P98）则电子空穴对的产生率为对于直接复合，其净复合率为在低光强照射下(小注入情况)，电子-空穴对的净复合率为Q

6、I200U r npp rp 00pUr npp定态条件下，光生载流子的产生率等于它的复合率，即有于是定态光电导为在较高光强情况下（大注入情况pn0p0），净复合率Ur(p)2，据定态条件则有定态光电导与光强呈线性关系，并与、有关，其中、表征光和半导体的相互作用，决定着光生载流子的激发过程，而、表征载流子与物质之间的相互作用，决定载流子运动和复合过程。抛物线光电导情况pI Sn nP PqI 2IrppIr 或3.光电导体的灵敏度灵敏度：通常指在一定条件下，单位照度所引起的电流。光电导的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可用光电增益G来表示。根据定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推

7、导出/LGt为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子-空穴对数为光生载流子的寿命tL为载流子在光电导两极间的渡越时间一般有2/LtllU式中， 为光电导两极间距； 为迁移率；U为外加电压电压l2/GU l非平衡载流子寿命 越大，迁移率 越大，光电导的灵敏度就越高。4.光电导的弛豫过程光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。光电导上升和下降所需的时间一般称为弛豫时间弛豫现象表现着光强变化时，光生载流子的积累和消失过程。附加载流子的产生率和它的复合率之差即为单位时间内附加载流子浓度的变化。对弱光强照射（即小注入情况），

8、复合率为p/，在光照过程中，p的增加率为d ppIdt解此方程并利用初始条件：当t0时，p0，其解为1exptpI说明在弱光照情况下，光生载流子浓度按指数规律上升，当t时，则pI，这是光生载流子的定态。此式若取消光照，于是产生率为零，决定光生载流子浓度衰减的方程为d ppdt exptpI 说明光电导按指数规律下降。解方程得5.光电导的光谱分布半导体的光电导与入射光的波长有密切的关系，通常有某一波长为峰值，往长波方向和短波方向光电导会下降。所谓“等能量”就是指不同的波长下所用的光能量流是相等的。由于短波的每一个光子的能量较大，因此，在相同的光能量流的情况下，短波方面的光子数目较少。不同半导体光

9、电导材料，由于有不同的禁带宽度，对应有不同的光谱相应曲线。每一条曲线都有一个峰值，峰值的长波方面曲线迅速下降，这是因为只有光子能量大于材料禁带宽度，才能激发产生电子空穴对，引起本征光电导。在长波部分，当光子能量小于材料的禁带宽度时，就不足以将电子从价带激发到导带，这时光电导就迅速下降，因此光谱分布存在一长波限。可以从各条曲线的长波限来确定半导体材料的禁带宽度。 典型的锗掺金杂质光电导光谱分布曲线。曲线在0.7eV附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗禁带宽度（0.68eV）,这时光电导为杂质光电导，当杂质光电导光谱曲线继续向左延伸时，在某一波长的曲线迅速下降，

10、这就是杂质光电导的长波限。 常用光电导材料常用光电导材料 光电导器件材料禁带宽度/eV光谱响应范围/nm峰值波长/nm硫化镉（硫化镉（CdS）2.45400800 可见光可见光515550硒化镉（CdSe)1.74680750720730硫化铅（硫化铅（PbS）0.405003000 近红外近红外2000 碲化铅（PbTe）0.3160045002200硒化铅（PbSe）0.2570058004000硅（Si）1.12 4501100850锗（Ge）0.66 55018001540锑化铟（锑化铟（InSb）0.16 60070005500碲镉汞碲镉汞Hg1-xCdxTe）1000300002.

11、1.2 光生伏特效应光生伏特效应是把光能变为电能的一种效应。它是光照使不均匀或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。如何使产生光生电子和空穴在空间分开、移动和积累？在不均匀的半导体中，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN结、不同的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场。当光照这种晶体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和积聚而产生电位差。在均匀半导体中没有内建电场。当光照这种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不相等，使得在不均匀光照时，由于两

12、种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷的分开，从而出现光生电势。这种现象称为丹倍效应。此外，如果外加磁场，也可以使得扩散中的两种载流子向相反方向偏转，产生光生电动势光电磁效应。P1031、由势垒效应产生的光生伏特效应以PN结为例：PN、异质结或肖特基势垒、异质结或肖特基势垒光生电子光生空穴1、由势垒效应产生的光生伏特效应（P104）只要入射光子能量比半导体禁带宽度大，在结区、P区和N区都会引起本征激发而产生电子空穴对，N区的光生空穴和P区的光生电子会向结区扩散，只要在载流子寿命时间内到达结区，强大的内建电场就会把P区的光生电子拉向N区，把N区的光生空穴拉向P区，因而导致在N区边界有光生光生电子积

13、累，在P区边界有光生空穴积累，产生一个与内建电场相反的光生电场，使原来的势垒高度降低，相当于在PN结上加上一个正向电压V，这就是光生电动势，与外电路相连，就有电流流过，PN结起电池作用。原来的势垒降低到qVDqV，因此克服这个势垒的载流子将注入另一区，在那里变成少数载流子。开路情形，所有被内建电场分开的光生载流子集聚于PN结，最大限度地补偿势垒，建立起最高地光电压开路电压。在短路时，被内建电场分开地载流子沿外电路流动短路电流。ln1scsIk TVqIIln1s co csk TqIVI或者光电压当I0时，可以确定开路电压Voc为一般来说，当外接有限负载时，结上的光电压可以达到某一电压V值，而

14、流经负载的光电流将由于相反的方向（PN结正向）注入电流形式的漏电而小于短路光电流ISC。因此在某个光电压V时的光电流等于exp1scsqVIkTII2.1.3 光电发射效应如果被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用下形成光电流，这就是光电发射效应或叫做外光电效应。光电管、光电倍增管等一些特种光电器件，都是建立在外光电效应的基础上。光电子发射效应的主要定律和性质有如下几点。斯托列托夫定律（光电发射第一定律） ：当入射光线的频率成分不变时（同一波长的单色光或者相同频率成分的光线），光电阴极的饱和光电发射电流Ik与被阴极所吸收的光通量k成正比。即kkkSISk为表征光电发射灵敏度的系数。爱因

15、斯坦（Einstein）定律 （光电发射第二定律）发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系复合爱因斯坦公式0max212hem v0为光电阴极逸出功一个光子的全部能量h都有辐射能转变为光电子的能量。因此光线愈强，也就是作用于阴极表面的量子数愈多，这样就会有较多的电子从阴极表面逸出。同时，入射光线的频率愈高，也就是说每个光子的能量愈大，阴极材料中处于最高能级的电子在取得这个能量并克服势垒作用逸出界面之后，其具有的动能:较大。光电发射的红限在入射光线频率范围内，光电阴极存在着临界波长。当光波波长等于这个临界波长时，光电子刚刚能从阴极逸出。这

16、个波长通常称为光电发射的“红限”，或称为光电发射的阈值波长（光电阴极的长波阈0）。显然，在红限出光电子的初速（即动能）应该为零。所以临界波长为00001.24cchm分别计算当用380nm和780nm可见光照射材料表面时，能发生光电发射的材料最大表面逸出功是多少？光电发射的瞬时性光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要特性。光电发射瞬时性的理由是由于它不牵涉到电子在原子内迁移到亚稳态能级的物理过程。光电发射延迟时间不超过31013秒，可以认为光电子发射是无惯性的，因此外光电效应有很高的频响。光发射过程包括3个基本阶段：（1）电子吸收光子后产生激发，即得到能量；(2)得到光子能量的电子（受激电子）从

17、发射体内向真空界面运动（电子传输）；（3）这种受激电子越过表面势垒向真空逸出。电子激发阶段的情况取决于材料的光学性质。凡是光发射材料，都应具有光吸收能力。光学吸收系数应当尽量大，使得受激电子产生在离表面较近的地方，也就是说，激发深度较浅。 5.金属的光电发射（P107）金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数达90%以上），吸收效率很低。光电子与金属中大量的自由电子碰撞，在运动中丧失很多能量，只有很靠近表面的光电子，才有可能到达表面克服势垒逸出。金属中光电子逸出深度很浅，只有几纳米，逸出功大多为3eV，能量小于3eV（410nm）的可见光来说，很难产生光电发射。6.半导体的光电发射（P107）

18、半导体光电逸出参量：电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级（真空中静止电子能量）与导带底能级EC之差。它有表面电子亲和势a（是材料参量，与掺杂、表面能带弯曲等因素无关）与体内电子亲和势ae（不是材料参量，可随表面能带弯曲变化）之分。 知识回顾：知识回顾：光电效应光电效应因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。 外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，后者则在物质内部参与导电。 知识回顾：知识回顾：光电效应光电效应光照变化引起半导体材料电导率的变化现象称光电导效应光照光电导体IP电极电极V当当照度很低时，曲线

19、近似为线照度很低时，曲线近似为线性；随照度的增高，线性关系性；随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，变坏，当照度变得很高时，曲曲线近似为抛物线形。线近似为抛物线形。200U r npp rp 知识回顾：知识回顾：光电效应光电效应光生伏特效应是把光能变为电能的一种效应。它是光照使不均匀或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。光生电子光生空穴 知识回顾：知识回顾：光电效应光电效应0max212hem v00001.24cchm斯托列托夫定律（光电发射第一定律） ：当入射光线的频率成分不变时（同一波长的单色光或者相同频率成分的光线），光电阴极的饱和光电发射电流Ik与被阴极所

20、吸收的光通量k成正比。即（光电发射第二定律）发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系复合爱因斯坦公式如果被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用下形成光电流，这就是光电发射效应或叫做外光电效应。2.1.4 温差电效应 当两种不同的配对材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。2.1.5 热释电效应热释电效应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，它是通过所谓的热释电材料实现的。PS：电极化矢量。表面束缚电荷密度S |PS|。2.5.6 光子牵引效

21、应当一束光子能量还不足以引起电子空穴产生的激光照射在一块样品上时，可以在光束方向上于样品的两端建立起电位差，电位差的大小与光功率成正比。这称为光子牵引效应当光子与材料中的载流子相互碰撞时，可以将动量传递给载流子，因而在光束方向引起载流子的定向运动，在端面形成电荷积累，产生附加电场。当附加电场对载流子的电场力同光子产生的冲力平衡时，便建立起稳定的电位差。由于电子和空穴产生的光牵引电位差符号相反，因此对本征半导体，这种效应极微弱。要观察光子牵引效应，必须选用n型半导体或p型半导体。在前面那些与载流子产生有关的光电效应中，都是光子能量传递给电子，而光子牵引效应却不顾及载流子的产生，将光子的动量传递给

22、电子。用光子牵引效应制成的探测器有快速的响应（约10-9秒）2.2 2.2 科学研究科学研究共共用应用用应用2.2 2.2 光电信息技术中常用的光源光电信息技术中常用的光源一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。造的，都称为光源。天然光源天然光源是自然界中存在的，如是自然界中存在的，如太阳、恒星等，在天文学电探测中，常常会遇到这些太阳、恒星等，在天文学电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。光辐射的测量。人造光源人造光源是人为将各种形式能量（热是人为将各种形式能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能的器件，其中利能、电能、化学

23、能）转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。在一般光电测用电能产生光辐射的器件称为电光源。在一般光电测量系统中，量系统中，电光源是最常见的光源电光源是最常见的光源。2.2.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数1. 辐射效率辐射效率和发光效率和发光效率 在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率21( )eeedPP相应地，对于可见光范围，某一光源的发光效率v为所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就是该光源的光效率，即780380( ) ( )vmevKVdpP2. 光谱光谱功率分布功率分

24、布 2.2.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分析。光源种类光源种类发光效率发光效率(lm.W(lm.W-1-1) )光源种类光源种类发光效率发光效率(lm.W(lm.W-1-1) )普通钨丝灯普通钨丝灯8-188-18高压汞灯高压汞灯30-4030-40白炽白炽/ /卤钨灯卤钨灯14-3014-30LEDLED灯灯100100普通荧光灯普通荧光灯35-6035-60球形氙灯球形氙灯30-

25、4030-40日光灯灯日光灯灯约约5050金属卤化物灯金属卤化物灯60-8060-80表表1 常用光源的发光效率常用光源的发光效率 2.2.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数图中（a）称为线状光谱线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成，如低低压汞灯压汞灯。图（b）称为带状光谱带状光谱，它由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯高压汞灯、高压钠灯高压钠灯就属于这种分布。图（c）为连续光谱连续光谱，所有热辐射光源热辐射光源的光谱都是连续光谱，图（d）是混合光谱混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成，一般荧光灯一般荧光灯的光谱就属于这种分布。典型的光谱功率分布 2.2.1

26、光源的基本特性参数光源的基本特性参数在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要求来决定。在求来决定。在目视光学系统目视光学系统中，一般采用中，一般采用可见光谱辐可见光谱辐射射比较丰富的光源。对于比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源彩色摄影用光源，为了获得，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源日光色的光源，如卤如卤钨灯、氙灯钨灯、氙灯等。在等。在紫外分光光度计紫外分光光度计中，通常使用氚灯、中，通常使用氚灯、紫外汞氙灯等紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源紫外辐射较强的光源，在，在光纤技术光纤技术中，中，通常使用通

27、常使用发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器等光源等光源 2.2.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数3. 空间光强分布空间光强分布 对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的，若在空间某一截面上，自原点向各径向不相同的，若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即发光强度曲线，即配光曲线配光曲线。超高压球形氙灯的光强分布在有的情况下，为了提高光的利

28、用率，一般选择在有的情况下，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高发光强度高的方的方向作为向作为照明方向照明方向。为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在。为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况。表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况。 2.2.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数3. 空间光强分布空间光强分布 2.2.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数4. 光源的色温光源的色温 黑体的温度决定了它的光辐射特性。对非黑体

29、辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似地表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。 （1）分布温度辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。这种辐射体的光谱辐亮度可表示为11),(/512vTcveecTL（2）色温）色温 2.2.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数若辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜若辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。辐射。辐射源源发射光的颜色可以由多种光

30、谱分布产生，所以色温相发射光的颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同（3）相关色温。）相关色温。对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示，在均匀色度色都不相同，这时的光源用相关色温表示，在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下黑体辐射下黑体辐射的色的色坐标点坐标点最接近最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。 2.2.1 光源的基本特性参数

31、光源的基本特性参数 2.2.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数5. 光源的颜色光源的颜色 光源的颜色包含了两方面的含义，即光源的颜色包含了两方面的含义，即色表色表和和显色性显色性。用用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。比如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。比如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在完全辐体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体照射下所呈现颜色的射体照射下所呈

32、现颜色的 一致性，称为该光源的一致性，称为该光源的显色性显色性。 2.2.2 热辐射源热辐射源（1）它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确）它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制它们的发光或辐射性质；的估算，即可以精确掌握和控制它们的发光或辐射性质；（2）它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围）它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强。但在通常情况下，紫外辐很宽，因此使用的适应性强。但在通常情况下，紫外辐射含量很少，这又限制了这类光源的使用范围；射含量很少，这又限制了这类光源的使用范围；（3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光

33、源的光获得很高的稳定度。任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量量，其辐射特性与温度有关，其辐射特性与温度有关。物体靠加热保持一定温度，。物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。使其内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。 （3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光获得很高的稳定度。 2.2.2 热辐射源热辐射源科学研究科学研究共共用应用用应用 2.2.2 热辐射源热辐射源1. 太阳太阳 太阳可看成是一个直径为太阳可看成是一个直径为1.392 109 m的光球。它到地球的年平的光球。它到地球的年平均距离是均距离

34、是1.491011m因此从地球上观看太阳时，太阳的张角因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有只有0.5330。大气层外的太阳光大气层外的太阳光谱能量分布相当于谱能量分布相当于5900K左右的左右的黑体黑体辐射辐射。其平均辐亮其平均辐亮度为度为2.01l07Wm-2sr-1平均亮度为平均亮度为1.95109cdm-2。太阳的光谱能量分布曲线 2.2.2 热辐射源热辐射源2. 黑体模拟器黑体模拟器 在许多军用红外光电信息技术和光电系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。黑体模拟器的结构黑体模拟器的结构 2.2.2 热辐射源热辐射源太阳光

35、模拟器太阳光模拟器 2.2.2 热辐射源热辐射源3. 白炽灯白炽灯 白炽灯是照明工程和光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体射曲线相差约0.5%，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2%。此外，白炽灯使用和量值复现方便，它的发光特性稳定，寿命长，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。（P176） 2.2.3 气体放电光源（气体放电光源（P177） 2.2.4 发光二极管（发光二极管（P182） 2.2.5 激光器（激光器（P191）2.3 光电探测器的性能参数与噪声光电探测器的性能参数与噪声2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数响应响

36、应度是光电探测器度是光电探测器输出信号与输入辐射功率输出信号与输入辐射功率之间关系之间关系的度量。描述的是光电探测器的的度量。描述的是光电探测器的光电转换效能光电转换效能。定义。定义为光电探测器的输出均方根电压或电流与入射到光电探为光电探测器的输出均方根电压或电流与入射到光电探测器上的测器上的平均光功率平均光功率之比之比 1. 响应响应度度 -灵敏度灵敏度,(/)SVV WPVR,(/)SIA WPIR R V和和R I分别称分别称为光电探测器的为光电探测器的电压响应度电压响应度和和电流电流响应度响应度，由于光电探测器的响应度随入射辐射的波，由于光电探测器的响应度随入射辐射的波长变化而变化，因

37、此又有光谱响应度和长变化而变化，因此又有光谱响应度和积分响应度积分响应度 光电探测器本质是一个外电光电探测器本质是一个外电压偏置的电流输出器件，通压偏置的电流输出器件，通过负载电阻可改变为电压输过负载电阻可改变为电压输出器件。出器件。 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数2. 光谱光谱响应度响应度 光谱响应度又叫光谱响应度又叫单色响应度单色响应度，它表示不同波长的单位，它表示不同波长的单位辐射功率，辐射入射到一个探测器的敏感元上，探测辐射功率，辐射入射到一个探测器的敏感元上，探测器输出强弱的器输出强弱的不同。光谱响应度用不同。光谱响应度用R表示，是光电探表示，是光电探测器的输出

38、电压或者输出电流与入射到探测器上单色测器的输出电压或者输出电流与入射到探测器上单色辐射通量（光通量）之比辐射通量（光通量）之比 ,(/)SIA WIR, (/)SVRVWVR是常数时，相应探测器称为是常数时，相应探测器称为无选择性探测器无选择性探测器(如光热探测器如光热探测器)，光子探测器则是选择性探测器。，光子探测器则是选择性探测器。 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数3.积分响应度积分响应度积分响应度积分响应度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为种波长的辐射光源，总光通量为0( )d光电探

39、测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度。由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，度。由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为所以输出光电流为0011( )( )ssIIdRd可得积分响应度为可得积分响应度为010()()RdRd 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数4. 响应时间响应时间 响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，参数。即当入射辐射到光电探测器后或

40、入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为需时间称为响应时间响应时间。上升时间和下降时间上升时间和下降时间 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数由于由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。光电探光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。利用时间常数可得到光电探测

41、器响应度与入射辐射调制频率的关利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率的关系，其表达式为系，其表达式为5频率响应频率响应 2/120)2(1)(fRfRRCf2121上00707. 02/RR一般规定，一般规定，R f下降到下降到可得到放大器的上限截止频率可得到放大器的上限截止频率 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 知识回顾：知识回顾：光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数响应响应度是光电探测器度是光电探测器输出信号与输入辐射功率输出信号与输入辐射功率之间关系之间关系的度量的度量。1. 响应响应度度 -灵敏度灵敏度,(/)SVV WPVR,(/)SIA WPI

42、R电压响应度电压响应度电流响应度电流响应度2. 光谱光谱响应响应度：度：单色响应度单色响应度 ,(/)SIA WIR, (/)SVRVWVR是常数时，相应探测器称为是常数时，相应探测器称为无选择性探测器无选择性探测器(如光热探测器如光热探测器)，光子探测器则是选择性探测器。，光子探测器则是选择性探测器。 知识回顾：知识回顾：光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数积分响应度积分响应度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为种波长的辐射光源，总光通量为0( )d010()()RdRd4. 响应时间响应时间 5频率响应

43、频率响应 RCf2121上 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数信噪比信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载负载电阻电阻RL上上产生的信号功率与噪声功率之比，即产生的信号功率与噪声功率之比，即6信噪比（信噪比（S/N） 2222NSLNLSNSIIRIRIPPNS若用分贝（若用分贝（dB）表示，则为）表示，则为NSNSdBIIgIIgNS20110122 信号功率相同方可比较单个光电探测器，其单个光电探测器，其S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关，若有关，若入射辐射强，接收面积大，入射辐射强，

44、接收面积大，S/N就大，但性能不一定好就大，但性能不一定好-局限性局限性 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 它它定义为器件定义为器件在特定带宽内（在特定带宽内（1Hz）产生的）产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量输入通量，此时，其他参数，如频率、温度等应，此时，其他参数，如频率、温度等应加以规定。这个参数是在确定光电探测器件的加以规定。这个参数是在确定光电探测器件的探探测极限测极限（以输入能量为瓦或流明表示）时使用。（以输入能量为瓦或流明表示）时使用。7等效噪声输入（等效噪声输入（ENI） 2.3.1 光电探测器

45、的性能参数光电探测器的性能参数刚刚能探测到信号的存在。刚刚能探测到信号的存在。 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数或称最小可探测功率Pmin。它定义为探测器输出的信号功率与噪声功率之比为1时所需的入射到探测器上的辐射通量（单位为瓦），即8噪声等效功率（噪声等效功率（NEP） /eN E PSNNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。信号辐射功率小于噪声等效功率，则探测器信号输出小于噪声，意味着探测器将无法感知目标辐射。噪声等效功率实际上就是探测器能够探知的最小目标辐射，标志着一个探测器的灵敏度、噪声等效功率越小，探测器灵敏度越高。 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性

46、能参数9探测率探测率D与比探测率与比探测率D* 只用NEP（涉及到信噪比）无法比较两个不同来源的光探器的优劣。为此，引入两个新的性参数探测率D和比探测率D*/1SNVVDNEPP探测率D又称探测度，是探测器接收单位功率辐射所能获得的信噪比，是NEP的倒数，作为探测器探测最小辐射信号能力的指标。D愈大，光电探测器的性能愈好。所描述的特性是：光电探测器在它的电平之上产生一个可观测的电信号的本领。即光电探测器能响应的入射光功率越小，其探测能力越高 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数“D值大的探测器其探测能力一定好值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。的结论并不充分。主要主要

47、是是探测器光敏面积探测器光敏面积A和测量带宽和测量带宽f对对D值影响甚大值影响甚大。通常情况下通常情况下 fANEP为了比较比较各种探测器的性能，需除去为了比较比较各种探测器的性能，需除去A、 的差别的差别所带来的影响所带来的影响 f归一化参数来表示归一化参数来表示 fANEPNEP* 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数121*() /*DA fNEPNEPfADD*归一化探测度 D*大的探测器其探测能力一定好。大的探测器其探测能力一定好。考虑到光谱的响应特性，一般给出考虑到光谱的响应特性，一般给出D D* *值时注明值时注明响应波长响应波长、光辐射调制频率、光辐射调制频率f

48、 f及测量带宽及测量带宽ff，即即D D* *( (, f ,f , f ,f ) )。 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数10噪声等效带宽噪声等效带宽 噪声等效带宽fN是在噪声计算中所讨论的带宽。反映系统对噪声的选择性。噪声等效带宽定义为一个矩形噪声功率增益曲线的频率间隔。 矩形噪声功率增益曲线与频率坐标图围成的面积等于实际噪声功率增益曲线与频率坐标间的面积。此矩形的高为实际最大功率增益。 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数噪声带宽可表示为：0200011vNGfdff dfvfAGA11.暗电流暗电流Id 即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过的电

49、流（加电源时）。一般测量其直流值或平均值。G(f)是功率增益；G0是最大功率增益；Av(f)是电压增益；Av0是最大电压增益。 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数12量子效率量子效率 量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它是在某一特定波长上在单位时间内光电探测器输出的光电子数与这一特定波长入射光子数之比。 量子流速率量子流速率N为为hcdhvdNee量子流速率量子流速率N即为每秒入射的光量子数即为每秒入射的光量子数 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数每秒产生的光电子数每秒产生的光电子数qdRqIeS量子效率为量子效率为qhcRNqIS/)( 2.3.1

50、 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数13线性度线性度 线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。线性度是辐射功率的复杂函数，是指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度，通常用非线性误差来度量12maxIImax为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差，I1和I2分别为线性区中最小和最大响应值。 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 2.3.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 2.3.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁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

51、出材料表面等过程，都是一系列到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现载流子独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现载流子是不确定的，所以随机起伏将不可避免地与信号同时是不确定的，所以随机起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在出现。尤其在信号较弱信号较弱时，光电探测器的噪声会显著时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。地影响信号探测的准确性。 是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消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。 2.3.2

52、 光电探测器的噪声光电探测器的噪声按噪声产生的原因，可分为以下几类按噪声产生的原因，可分为以下几类 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 低频噪声低频噪声 2.3.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声1、散粒噪声、散粒噪声无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造无光照下，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）。成的起伏（以光电子发射为例）。由于由于起伏单元是电子电荷量起伏单元是电子电荷量e，故称为，故称为散粒噪声散粒噪声，这种，这种噪声存在于噪声

53、存在于所有所有光电探测器中。光电探测器中。理论计算结果给出热激发散粒噪声的功率谱为理论计算结果给出热激发散粒噪声的功率谱为2gfqiMi是流过探测器的平均暗电流，是流过探测器的平均暗电流，M是探测器的内增益，是探测器的内增益，q是电子电荷电量。是电子电荷电量。 2.3.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声散粒噪声的电流为：2nqifIf是测量带宽相应的噪声电压为22nqifVR按照式中平均电流i产生的具体物理过程，有dbsiiiiId是热激发暗电流，ib和is分别为背景和信号电流它们服从下式的转换关系 qitPth如果用背景光功率Pb和信号光功率Ps显式表示，则有122nbsdqqS qfiI

54、PPMhhS2是光电发射和光伏过程，S4是光电导、产生复合过程，M1是光伏过程，M1是光电倍增管、雪崩过程 2.3.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声 对光电导探测器，载流子热激发是电子对光电导探测器，载流子热激发是电子空穴对。电子和空穴空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。而复合过程本身也是随机的。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，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，其其本质也是散粒噪声本质也是散粒噪声，为，为强调产生和复合两个过程

55、强调产生和复合两个过程，取名为产，取名为产生生复合散粒噪声，简称为产生复合散粒噪声，简称为产生复合噪声，记为复合噪声，记为Ig-r和和Vg-r即即2.产生复合噪声产生复合噪声 2412grqitfIf i是流过器件的平均电流，为载流子平均寿命，t为载流子在器件两极间平均漂移时间，f为频率。如果频率很低，且满足2fRL2 2.4.3 光伏探测器光伏探测器第三象限是反偏压状态。这时第三象限是反偏压状态。这时iD=iS，它是普通二极管，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流中的反向饱和电流，现在称为暗电流(对应于光功率对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流，数值很小，这时的光电流(等于

56、等于i-iS)是流过探测是流过探测器的主要电流，此情况下的外回路特性与光电导相似，器的主要电流，此情况下的外回路特性与光电导相似，对应于光导工作模式对应于光导工作模式-相应探测器相应探测器-光电二极管。光电二极管。第一象限是正偏压状态，第一象限是正偏压状态，i iD D 本来就很大，所以光电流本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。有意义。i+RLVi+V 2.4.3 光伏探测器光伏探测器L LiRL150150 2.4.3 光伏探测器光伏探测器2两种工作模式的比较两种工作模式的比较 （P213）光导模式工作时，

57、光电二极管加反偏压，可以大大提高器件的频率特性。此外反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线性区上限。但反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声，且频率低于1KHz时还有1/f噪声，这又限制了探测能力的下限。 因光伏式二极管无偏压工作，故暗电流造成的散粒噪声小，且无1/f噪声，有高得多的信噪比。光伏式二极管主要应用于超低噪声、低频及仪器方面。光导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。光电池光电池 光电池是一种不需要加偏压的能把光能直接转换成电光电池是一种不需要加偏压的能把光能直接转换成电能的能的pn结光电器件，结光电器件，-采用光伏工作模式的光伏探测器采用光伏工作模式的光伏探测器光电池分类光电池分类

58、测量光电池测量光电池-当作光电探测器使用当作光电探测器使用 太阳能电池太阳能电池-用作电源用作电源 它的工作模式是光伏工作模式它的工作模式是光伏工作模式-光伏电池。光伏电池。 2.4.3 光伏探测器光伏探测器太阳能太阳能光电池光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积是光电转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、重量轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能小、重量轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源

59、，且，且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。 测量测量光电池光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。广泛用于红外辐射探测器、光电开关广泛用于红外辐射探测器、光电开关 2.4.3 光伏探测器光伏探测器如图如图所示，当光作用于所示，当光作用于PNPN结时，耗尽区内的光生电子与结时，耗尽区内

60、的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向空穴在内建电场力的作用下分别向N N区和区和P P区运动，在闭区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流合的电路中将产生如图所示的输出电流I IL L，且负载电阻，且负载电阻R RL L上产生电压降为上产生电压降为U U。显然，。显然，PNPN结获得的偏置电压结获得的偏置电压U U与光与光电池输出电流电池输出电流I IL L与负载电阻与负载电阻R RL L有关，即有关，即 1）光电池的工作原理）光电池的工作原理LLUI R当以输出电流的当以输出电流的I IL L为电流和电为电流和电压的正方向时，可以得到如下压的正方向时，可以得到如下图所示的伏安特性