第四章 光电探测器概述

1、发展简况与分类光电探测器性能参数噪声的统计特性光电探测器的噪声发展简述（一）p 热探测器：最早出现p 1826 ： 热电偶p 1880 ：金属薄膜测辐射计p 1946 ：金属氧化物热敏电阻测辐射热计。p 特点： 探测率低， 时间常数大发展简述（二）p 光子探测器：发展较早，技术最成熟p 特点 ：应用广泛，波长范围从紫外到红外。p 种类：光电倍增管，光电二极管，铅锡、V族化合物、锗掺杂三元合金等。发展简述（三）p 从单个探测器向阵列（线阵和面阵）光辐射探测器发展；p 集成化方向的发展：把光电探测器，场效应管（FET）置于一个基片上，如PIN，体积小，性能好，成本低，稳定性高；p 电荷耦合器件（C

2、CD）探测器分类（一）p 光子探测器材料：半导体效应：入射光子和材料电子发生各种相互作用的光电子效应u外光电效应：光电子发射效应u内光电效应：光电导效应，光生伏特效应，光电磁效应 一、光电子发射探测器p产生条件：当入射光子能量 阴极材料的逸出功时;p 典型器件：真空光电管，充气光电管，光电倍增管(可检测极微弱光辐射信号);p 特点：主要探测可见光，个别可扩展到1.25 m,近红外。红外系统中应用不多。/hc二、光电导探测器p产生条件：本征光电导，入射光子能量 本征半导体禁带宽度Eg；p光敏电阻：硫化镉 CdS，硒化镉CdSe，用于可见光范围；p红外光电导探测器：铅盐薄膜类，PbS、PbSe、P

3、bTe等，可以工作在三个大气窗口（13 m，35 m，814 m）。h三、光伏特探测器p产生条件：本征光伏效应为主，半导体受 光照后产生电动势；p种类：p结型光伏特探测器；pPIN结光电二极管；p雪崩光电二极管；p肖特基势垒光电二极管。h光子探测器的特点p波长选择性探测器p 探测器的响应率和波长成正比0Eo()h能量长波限越短，光子数越少一定时，Po,探测器分类（二）p 光热探测器光热效应：材料吸收光辐射能量后温度升高，可产生材料的某些物理性质变化；特点：光热效应和波长无关。一、测辐射温差热电偶和热电堆p温差电效应：当由两种不同材料制成的两个结点出现温差时，在该两点间就有电动势产生，通过这两点

4、的闭合回路中就有电流流过。p温差电效应包括：塞贝克效应；珀耳帕效应；汤姆逊效应。二、电阻测辐射热器p当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导体材料电阻会降低。利用材料的电阻变化 制成的热探测器。p电阻温度系数：和材料的种类和温度有关；描述R时温度变化灵敏度的基本参数；金属R=BT(B是比例系数)1TdRR dT三、热释电探测器p由热释电晶体制成。所谓热释电晶体，是指它们具有自发电极化的特性，其自发电极化强度随温度升高而下降。p特点：T升高，自发极化强度下降；T=TC，自发极化强度=0极化晶体发生相变或退极化。 TC叫居里温度，晶体不同， TC也不同热探测器的特点p对一切波长都具有相同

5、的响应，是非选择性探测器；p工作时一般无需致冷（低温测辐射探测器除外）；p响应时间长，大小取决于热电探测器热容量的大小和散热的快慢。光电探测器的性能参数工作条件：辐射源光谱分布 电路的通频带和带宽工作温度光敏面尺寸偏置情况一、有关响应方面的性能参数响应率（响应度）RV或RI，描述探测器灵敏度的参量，它表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数。讨论：测量响应率的辐射源一般是500K的黑体；如果使用波长单色辐射源，则称为单色响应率；可见光波段称为光电探测器的灵敏度一、有关响应方面的性能参数单色灵敏度积分响应度SvSIVR(V / W )()IR(A / W )()0100110SS0R dR(

6、)dR= : ( )dII ( )dR( )d 其中一、有关响应方面的性能参数响应时间：当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输入上升到稳定值或下降到照射前值所需要的时间。频率响应：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。表征：同时间常数，它决定了光电探测器频率响应的带宽RC二、有关噪声方面的参数探测器具有固有噪声，这些噪声的时间平均值为零，但其均方根不为零，这个均方根电压（电流）称为探测器的噪声电压（流）。信噪比（S/N）：在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比22SSLS22NNLN2SS2dBNNPIRISNPIRIIIS10 lg20 lgN

7、II二、有关噪声方面的参数等效噪声输入(ENI)器件在特定带宽内(1Hz)产生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，此时，其它参数，如频率温度等应加以规定。在确定光电探测器件的探测极限时使用。二、有关噪声方面的参数噪声等效功率(NEP) 最小可探测功率探测率D和比探测率DeNEPS/ N(=1)-1SNV / V1DWNEPP（）d1 / 21dA/D *A()N E PSNfVVfcmH zWP二、有关噪声方面的参数噪声等效功率(NEP) 最小可探测功率探测率D和比探测率DeNEPS/ N(=1)-1SNV / V1DWNEPP（）d1 / 21dA/D *A()N E PS

8、NfVVfcmH zWP三、其它参数量子效率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。eeddNhhc/( )( )SSIIqRhcIRNq 三、其它参数线性度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。线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系线性区的下限由暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定；线性区随偏量、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。u噪声的统计特性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。线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系线性区的下限由暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定；线性区

9、随偏量、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。u噪声的统计特性噪声的统计特性什么是噪声？特点和分析方法什么是噪声？特点和分析方法(抑制噪声的方法抑制噪声的方法)包括：概率分布包括：概率分布 功率谱密度功率谱密度 相关函数相关函数 常见噪声的统计特征常见噪声的统计特征 u噪声的概率分布噪声的概率分布噪声的特点：连续型随机信号噪声的特点：连续型随机信号 产生原因：电子热运动；产生原因：电子热运动； 电路中的随机扰动；电路中的随机扰动； 半导体器件中载流子的不规则运动。半导体器件中载流子的不规则运动。均属于噪声的统计特性均属于噪声的统计特性u概率论基本知识概率论基本知识 已知已知t时刻噪声电压的概率

10、分布密度为时刻噪声电压的概率分布密度为噪声电压取值在噪声电压取值在 和和 之间的概率为：之间的概率为：u由于噪声是随机过程，它的统计特征量为由于噪声是随机过程，它的统计特征量为数学期望：数学期望：()Np1N2N2112()()NNNNNNNppd()NNNNEpd方差方差u几个概念几个概念广义平稳随机过程：光电系统处于稳定状态时，噪声的方差和数广义平稳随机过程：光电系统处于稳定状态时，噪声的方差和数学期望一般不再随时间变化。学期望一般不再随时间变化。狭义平稳随机过程：噪声的概率分布密度不随时间变化狭义平稳随机过程：噪声的概率分布密度不随时间变化22NNNDEE2NE：噪声的二阶中心矩2()(

11、)NNNNNDEpdND各态经历：统计平均可以用时间平均来计算各态经历：统计平均可以用时间平均来计算*光电系统的噪声是各态经历的广义平稳随机过程。光电系统的噪声是各态经历的广义平稳随机过程。u以热噪声为例：以热噪声为例： 符合高斯分布符合高斯分布TNNNTT1Elim(t)dt2TT222NNNTT1Elim(t)dt2TNp()2NN2NN(a)1p()exp22数学期望：数学期望： 热噪声平均值，一般为热噪声平均值，一般为0方差：方差： 热噪声的交流功率，热噪声的交流功率， 越大，越大， 噪噪声越强。声越强。在在 时的概率：时的概率：u噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度噪声功率谱密度噪声功率

12、谱密度 :表示单位频谱的噪声功率表示单位频谱的噪声功率NEa2NND2N0NN002021()1exp()22NNNNNNNNpd ( )NS f20(,)()limNNfiffSff噪声功率噪声功率 :在频域在频域 之间噪声频谱分量的之间噪声频谱分量的平均功率。平均功率。 讨论：讨论： 如果放大器带宽为如果放大器带宽为(f1,f2)，则上式积分上下限应改为，则上式积分上下限应改为f1,f2; 和光电探测器相连接的低噪声放大器带宽不应太宽；和光电探测器相连接的低噪声放大器带宽不应太宽；21( )( )2NNNiSf dfSw dw2Ni( ,)f ffu光电系统中的噪声分类：光电系统中的噪声分

13、类：白噪声：白噪声：SN(f)=常数常数低频噪声，红噪声，如低频噪声，红噪声，如1/f噪声噪声高频噪声，蓝噪声高频噪声，蓝噪声u噪声的相关函数噪声的相关函数重点研究噪声在不同时刻取值之间的相关性。重点研究噪声在不同时刻取值之间的相关性。自相关函数自相关函数定义定义 由于各态经历的平稳随机过程，统计平均可用时间平由于各态经历的平稳随机过程，统计平均可用时间平均来表示，与时间起点无关。均来表示，与时间起点无关。讨论：几个重要性质讨论：几个重要性质 仅与时间差仅与时间差 有关，与计算时间有关，与计算时间t的起点无关的起点无关1212(,)()()nRttE n tn t1( ) ( ) ()lim(

14、 ) ()2TnTTRE n t n tn t n tdtT( )nR 随随 的增加逐渐衰减，表示在时间上相关性的增加逐渐衰减，表示在时间上相关性逐渐减少。特别是对零均值噪声，可以证明逐渐减少。特别是对零均值噪声，可以证明 当当 时，时， 是一种偶函数，即是一种偶函数，即 ，因此自相，因此自相关函数又可以写为关函数又可以写为当当 时，时， 具有最大值，且具有最大值，且特别当特别当 时，时，( )nR( )nR( )0nR( )nR1( )( ( ) ()lim( ) ()2TnTTRE n t n tn t n tdtT0( )()nnRR2(0)lim( ) ( )TnTTRn t n t

15、dtE n 0E n 2(0) nnRD n 和和 关系关系 维纳维纳-辛钦定理：辛钦定理： 条件：条件：由于由于 均为偶函数，故上式又可写为：均为偶函数，故上式又可写为：1( )()2()( )jwnnjwnnRSwedwSwRed( )nR( )R( )S f dfd 及R( ), ( )SnS ( )00R( )2S(f) cosdfS(w)2R( ) cosd u噪声的互相关函数噪声的互相关函数定义：定义：对于具有各态经历的平稳随机过程：对于具有各态经历的平稳随机过程：讨论讨论 : 仅与时间差仅与时间差 有关，而与计算时间有关，而与计算时间t的起点的起点无关；无关；1212( , )

16、( ) ( )xyRt tE x t y t12( ,)( )xyxyRt tR1( )lim( ) ()2TxyTTRx t y tdtT1( )lim() ( )2TyxTTRx ty t dtT( )xyR( )()xyyxRR ，当两个随机过程互不相关时，则，当两个随机过程互不相关时，则一定有一定有 。例如，被检测信号与系统。例如，被检测信号与系统的观察噪声之间不存在相关性，因此采用互相关的观察噪声之间不存在相关性，因此采用互相关方法有利于抑制观察噪声。方法有利于抑制观察噪声。从数学角度可以定义互功率谱密度从数学角度可以定义互功率谱密度(2)利用互相关函数从噪声中检测微弱信号的方法，利

17、用互相关函数从噪声中检测微弱信号的方法，见图见图2-12。( )(0)(0)xyxyRRR( )( )0 xyyxRRxyxy1R ( )=( )2S ( )=( )jxyjxySedRedyxyx1R ( )=( )2S ( )=( )jyxjyxSedRed如如S(t)为正弦信号，为正弦信号，y(t)为同频为同频正弦信号，而正弦信号，而S(t) ，y(t)和和n(t)不相关不相关当当T足够长时足够长时 因此因此实际应用中由于实际应用中由于T有限，所以仍有一些噪声。有限，所以仍有一些噪声。1( )lim ( )( ) ()( )( )2TxySynyTTRS tn t y tdtRRTnyR

18、 ( )0 xySyR ( ) R ( )u白噪声白噪声定义：定义：其中其中N0为白噪声的单边为白噪声的单边功率谱密度，常数。功率谱密度，常数。自相关函数：自相关函数： 不同时刻取值不相关，在白噪声中提取信号极为有用。不同时刻取值不相关，在白噪声中提取信号极为有用。白噪声的自相关函数计算：白噪声的自相关函数计算：因信号与噪声互不相关，故因信号与噪声互不相关，故 ，T足够长时足够长时0()2NNS0( )( )2nNR 1( )lim ( )( ) ()()( )( )( )( )2TSSnnSnTTRS tn tS tn tdtRRRRT( )( )0SnnSRR( )0nR( )( )SRR

19、相关时间相关时间性质：性质：白噪声的白噪声的 大，大， 大，表示噪声不同时刻的相关性越大。大，表示噪声不同时刻的相关性越大。减小减小 ，要求延时电路：，要求延时电路：0( )( )(0)( )nnennRRdRR( )0(0)0neR时e( )nR( )nReu光电探测器的噪声光电探测器的噪声种类：散粒噪声，热噪声，产生种类：散粒噪声，热噪声，产生-复合噪声复合噪声(g-r噪声噪声)，温度噪，温度噪 声，声，1/f噪声。噪声。讨论以下几个问题：产生机理，统计特性，减小噪声对信号讨论以下几个问题：产生机理，统计特性，减小噪声对信号提取影响的方法。提取影响的方法。一、散粒噪声一、散粒噪声1.产生机

20、理产生机理 光电探测器的散粒噪声是由于光电探测光电探测器的散粒噪声是由于光电探测器在光辐射作用或热激发下，光电子或器在光辐射作用或热激发下，光电子或载流子随机产生造成的。如图载流子随机产生造成的。如图2-21所示。所示。经计算，由此引起的外电路感应电流经计算，由此引起的外电路感应电流脉冲：脉冲：( )( )dQe dxei tv tdtd dtd( )v t 瞬时速度 的频谱函数：的频谱函数：2.统计特征：散粒噪声的功率谱密度：统计特征：散粒噪声的功率谱密度：讨论：讨论： 与探测器工作频率无关，具有白噪声的频谱特性与探测器工作频率无关，具有白噪声的频谱特性当探测器的工作带宽为当探测器的工作带宽

21、为 时，时，如果如果 是探测器的暗电流是探测器的暗电流 ，则无光照的暗电流噪声，则无光照的暗电流噪声功率：功率：由入射光引起的由入射光引起的 散粒噪声散粒噪声 电子计数噪声电子计数噪声 ：光辐射作用于光电探测器产生的平均光电流。：光辐射作用于光电探测器产生的平均光电流。( )i t0()( )djteiv t edted22( )( )22NNSfifNeeI( )NSf22NieIf2d( )2NdifeIf22NppieIfpIfIdI二、热噪声二、热噪声1.机理机理热噪声是由耗散元件中电荷载流子热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的，如图的随机热运动引起的，如图2-22。任何有

22、电路的材料都有热噪声。任何有电路的材料都有热噪声。设电阻器的体积设电阻器的体积V=Ad，其中，其中A为截面积，为截面积，d为长度，为长度， m为电子质量为电子质量电阻样品的电导率由固体物理学可知为电阻样品的电导率由固体物理学可知为式中式中0是电子热运动的平均碰撞时间。因此电阻样品的是电子热运动的平均碰撞时间。因此电阻样品的电阻值为电阻值为mNe02ANemdAdAdR02一个电子在相邻两次碰撞期间在外一个电子在相邻两次碰撞期间在外电路中引起的电路中引起的 电流脉冲是：电流脉冲是：2.统计特性统计特性热噪声的功率谱密度：热噪声的功率谱密度：考虑到考虑到 ,上式可写为上式可写为其中其中K:波尔兹曼

23、常数，波尔兹曼常数，T: 温度，温度，R:电阻值电阻值0( )00,xevti tdtt )1 (4)()(2022022mdkTNVefSfiNNJ1RkTANemdkTfSfiNNJ4/4)()(022对于带宽有限的光电探测器系数：对于带宽有限的光电探测器系数：另外，热噪声电流均方根值和电压均方根值：另外，热噪声电流均方根值和电压均方根值：说明：说明：热噪声功率密度具有平均特性，属白噪声频谱。热噪声功率密度具有平均特性，属白噪声频谱。高端极限频率高端极限频率 为：为：室温下，电子学工作频率远低于此，可认为是白噪声。室温下，电子学工作频率远低于此，可认为是白噪声。3.减少噪声的方法减少噪声的

24、方法减少噪声响应是一个重要问题。减少噪声响应是一个重要问题。减小工作温度：液氮，液氖，液氦温度条件下。减小工作温度：液氮，液氖，液氦温度条件下。24( )NJkTfifR21/24()NJkT fiR21/2(4)NJvkTR fHf130.1510KTHZ41,1,4,500,28,10NJNJkKfHZVnVfKHZ VmVA三、产生三、产生-复合噪声复合噪声1.机理机理半导体中由于载流子产生和复合的随机性而引起载流子平均半导体中由于载流子产生和复合的随机性而引起载流子平均浓度的起伏所产生的噪声称为产生浓度的起伏所产生的噪声称为产生-复合噪声，又称复合噪声，又称g-r噪声。噪声。设光生载流子的持续时间为设光生载流子的持续时间为 ，则它在外回路中产生的感应则它在外回路中产生的感应电流脉冲为：电流脉冲为：2.统计特性：统计特性： G-r噪声的功率谱密度：噪声的功率谱密度： ：半导体光电导探测器的内增益。：半导体光电导探测器的内增益。0