光电子技术课件：6_1 光电探测器的物理效应

1、6.1 光电探测器的物理效应,光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件,光子探测器 热探测器,光辐射量,光电探测器,电量,探测器件,热电探测元件,光子探测元件,气体光电探测元件,外光电效应,内光电效应,一、光子效应和光热效应,光子效应(photonic effect ),指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。,特点:,对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。,光热效应(photothermal effect ),探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，

2、而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。,特点:,原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。,在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。,二、光电发射效应,光电发射效应,：光电发射体的功函数,电子离开发射体表面时的动能,在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。,光电发射体,能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光阴极。,爱因斯坦方程,截止频率,截止波长,三、光电导效应,光电导现象半导体材料的“体”效应,光电导过程,光辐射照射外加电压的半导体，如果光波

3、长满足如下条件：,是禁带宽度,是杂质能带宽度,光敏电阻,显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量 ，我们称之为光电导。相应和杂质半导体就分别称为本征光电导和杂质光电导。,光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量 和,这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生载流子。,四、光伏效应,光伏现象半导体材料的“结”效应,例如：雪崩二极管,光照零偏pn结产生开路电压的效应,光照反偏,光伏效应,光电池,光电信号是光电流,结型光电探测器的工作原理,光电二极管,五、温差电效应,当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个

4、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。,提高测量灵敏度 若干个热电偶串联起来使用 热电堆,| |值是温度的函数温度升高| |减小。,热电体的| |决定了面电荷密度 的大小，当发生变化时，面电荷密度也跟着变化,六、热释电效应,热释电材料电介质,一种结晶对称性很差的压电晶体,在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩),升高到Tc值时，自发极化突然消失，TC称为居里温度,热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在11000秒量级,热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。,七、光电转换定律,光辐射量转换为光电流量的过程 光电转换,D探测器的光电转换因子, 探测器的量子

5、效率,光电转换定律：,*光功率P正比于光电场的平方 平方律探测器非线性器件(本质)。,*光电探测器对入射功率响应(光电流) 一个光子探测器可视为一个电流源。,光电检测器件的特点,光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。以下是属于内光电效应的有（ ）。,A、光电发射效应 B、光 电 导 效 应 C、光生伏特效应 D、光 磁 效 应,BCD,在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于( ),A、外光电效应 B、内光电效应 C、光电发射

6、 D、光导效应,BD,以下几种探测器属于热探测器的有：（ ）。,A、热电偶型 B、热释电型 C、高莱气动型 D、热敏电阻型,ABCD,4.2 光电探测器的性能参数,一、积分灵敏度R,灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。,光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系if (P)，称为探测器的光电特性。,灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即,(线性区内) (安/瓦),(线性区内) (伏/瓦),R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为电表测量的电流、电压有效值。 光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。,光功率谱密度P由于光电探测器

7、的光谱选择性，在其它条件下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为i，于是光谱灵敏度R定义为,R是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测器)，光子探测器则是选择性探测器。,通常给出的是相对光谱灵敏度S定义为,Rm是指R的最大值，S为无量纲，随变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。,二、光谱灵敏度R,引入相对光谱功率密度函数，它的定义为,注意到,和,有,积分上式，有,注意到,得,式中：,称为光谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。,三、频率灵敏度Rf(响应频率fc和响应时间t),若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流if将随调频f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf，,i

8、f是光电流时变函数的付里叶变换，通常,称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。,频率灵敏度,这就是探测器的频率特性，R f随f 升高而下降的速度与值大小关系很大。,一般规定，R f下降到,从上式可见：,当ffc时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。 如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。,频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。,探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这一辐射功率相应的稳定值i。,当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。,一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由,决定。,光电流是两端电压u、光功率P、光波长

9、和光强调制频率f的函数，即,以u，P，为参变量，iF（f）的关系称为光电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。,同样，i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。,iF ()及其曲线称为光谱特性曲线。,而iF (u)及其曲线称为伏安特性曲线。,当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。,量子效率：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。,四、量子效率,对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1,实际上， 1,量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。,如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光电

10、、光谱以及频率特性，那么量子效率则是对同一个问题的微观宏观描述。,这里给出量子效率和灵敏度关系,对某一波长来说，其光谱量子效率 ：,c是材料中的光速。量子效率正比于灵敏度而反比于波长。,五、通量阈Pth和噪声等效功率NEP,从灵敏度R的定义式,可见，如果P0，应有i=0,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，记为,它是瞬时噪声电流的有效值。 显然，这时灵敏度R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。,光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率。 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

11、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。,依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为,(电压信噪比),例：若Ri=10A/W，in=0.01A，则通量阈Pth0.001W。即小于0.001微瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所以，通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。,采用另一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率NEP（Noise Equivalent Power） 。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为,(电流信噪比),于是有 ：,NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。,NEP越小

12、，探测器探测能力越高，不符合人们“越大越好”的习惯，于是取NEP的倒数并定义为探测度D，即,六、归一化探测度D*,这样，D值大的探测器就表明其探测力高。,常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。,主要是探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响甚大。,探测器的噪声功率N f，所以,于是由D的定义知,另一方面，探测器的噪声功率N A,所以,又有,把两种因素一并考虑，,定义,称为归一化探测度。,这时就可以说：D*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D*值时注明响应波长、光辐射调制频率f及测量带宽f，即D*(, f ,f )。

13、,七、其它参数,光电探测器还有其它一些特性参数，在使用时必须注意到，例如光敏面积，探测器电阻，电容等。 特别是极限工作条件，正常使用时都不允许超过这些指标，否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。 通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围，使用时要特别加以注意。,光敏电阻,光电池,光电检测器件的性能参数,4.3 光电探测器的噪声,主要分为:有形噪声和无规噪声 前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。 后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。 例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，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

14、。 起伏噪声对有用信号的影响。 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。,一、噪声的概念,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，发现正弦电压信号上出现许多无规起伏，使正弦信号变得模糊不清(图(b)。 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，这叫做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，

15、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，实现微弱光信号的探测，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。,二、噪声的描述,噪声电压随时间无规则起伏情况。 显然，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。,但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时间的平均值，再开方，就得

16、到所谓方均根噪声电压un，即 这正是我们用电压表所测量到的那种有效电压。 虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，但其方均根电压却具有确定值。 这就是噪声电压(噪声电流也一样)服从统计规律的反映。 由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这些因素又彼此独立，所以总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和，即,为此，把探测器输出的方均根噪声电压(电流)称为探测器的噪声电压(电流)。 显然，探测噪声的存在，就使得探测器对光信号的探测本领受到一个限制。 所以定量估计探测器的噪声大小就显得很重要了。 由于许多时域问题往往在频域中讨论可能更为方便，方法是付里叶变换。 若噪声电压为un(t)，则其付里叶变换

17、对为,成立的条件是un(t)绝对可积，即 显然，无限延续的噪声电压并不能满足上式。 因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。 为了克服这个困难，但还要使用付里叶变换的方法，办法是引入噪声电压的自相关和功率谱。,自相关定义为： 意思是对噪声电压进行卷积运算并求时间平均值。 显然它满足绝对可积条件，因而它的变换谱存在，即 在自相关定义中，令t0，则,式中 表示噪声电压平方的平均值， 它的物理意义：噪声电压消耗在1电阻上的平均功率。 同样，在(3)式中令t0，则有： 式中使用了 的关系。 为了表述得更清楚一些，还可以从(4)式出发，并令 再应用付里叶变换对，可以证明：,比较上式，就有 或 它们

18、是单位频带噪声电压消耗在1电阻上的平均功率，称为噪声电压的功率谱。 实际上，探测器的测量带宽是有限的，用f表示，那么当g( f )常数(这种噪声又称为白噪声)时: 于是，求噪声 或Vn的问题就转化为求解噪声功率谱g(f)的问题了.,三、光电探测器的噪声源,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噪声、产生复合噪声、热噪声和低频噪声。 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。 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，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，

19、所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。,按噪声产生的原因，可分为以下几类,1.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成的起伏（以光电子发射为例）。 由于起伏单元是电子电荷量e，故称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。 热激发散粒方均噪声电流为 其有效值为 相应的噪声电压为 如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以M。 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，主要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器,2.产生复合噪声 对光电导探测器，载流子热激发是电子空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏

20、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。 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声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生复合散粒噪声，简称为产生复合噪声，记为Ig-r和Vg-r即 M是光电导的内增益。,3.光子噪声 以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为热激发直流电流Id为零。 由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。 因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光子起伏，故称为光子

21、噪声。 它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大。于是我们只要把id用ib和is代替，即可得到光子噪声的表达式。,即光子散粒噪声电流 这适用于光电发射和光伏情况，如果有内增益，则再乘以M。 而光电子产生复合噪声 这里ib和is又可用光功率Pb和Ps表示出来 考虑到id、ib和is的共同作用，光电探测器的总散粒噪声可统一表示为,总散粒噪声可统一表示为 S =2 (光电发射和光伏)或S=4 (光电导) M内增益系数(无内增益=1) B (测量带宽),4.热噪声,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