《光源与光电探测器》PPT课件.ppt

1、光电信息技术,张永爱,物理与信息工程学院,第1章 光源与光电探测器,光源应用,科学研究 共用应用,能把光辐射量转换为另一种便于测量的物理量的器件,光辐射量,光电探测器,电信号,光探测器,光子探测器,光电探测器的物理效应,光子效应,光热效应,热探测器,4.1 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，还是人造的，都称为光源。天然光源是自然界中存在的，如太阳、恒星等，在天文学电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。人造光源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，电光源是最常见的光源。,4.1

2、.1 光源的基本特性参数,1. 辐射效率和发光效率,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,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,2. 光谱功率分布,4.1.1 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。,表1 常用光源的发光效率,4.1.1 光源的基本特性参

3、数,图中（a）称为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯。图（b）称为带状光谱，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、高压钠灯就属于这种分布。图（c）为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱，图（d）是混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成，一般荧光灯的光谱就属于这种分布。,典型的光谱功率分布,4.1.1 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求来决定。在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。在紫外分光光度计中，通常使用氚灯

4、、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源，在光纤技术中，通常使用发光二极管和半导体激光器等光源,4.1.1 光源的基本特性参数,3. 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不相同的，若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，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发光强度曲线，即配光曲线。,超高压球形氙灯的光强分布,在有的情况下，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。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。,4.1.1 光源的基本特性参数,4. 光源的色温,黑体的温度

5、决定了它的光辐射特性。对非黑体辐射，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,（2）色温,4.1.1 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色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。辐射源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,（3）相关色温。,对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑

6、体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示，在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。,4.1.1 光源的基本特性参数,5. 光源的颜色,光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。 用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。 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）与该物体在完全辐射体照射下所呈现颜色的 一致性，称为该光源的显色性。,4.1.2 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的估算，即可以精确掌握和控

7、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；,（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。,任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性与温度有关。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。,（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。,4.1.2 热辐射源,热辐射源应用,科学研究 共用应用,4.1.2 热辐射源,1. 太阳,太阳可看成是一个直径为1.392 109 m的光球。它到地球的年平均

8、距离是1.491011m因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.5330。,大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。其平均辐亮度为2.01l07Wm-2sr-1平均亮度为1.95109cdm-2。,太阳的光谱能量分布曲线,4.1.2 热辐射源,射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太阳辐射在光谱和空间分布、能量大小、偏振状态等都发生了变化。大气的吸收光谱比较复杂，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳氢化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了大阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质，在标准海平面上太阳的光谱

9、辐射照度曲线，其中的阴影部分表示大气的光谱吸收带,4.1.2 热辐射源,2. 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,4.1.2 热辐射源,3. 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。,4.1.2 热辐射源,图(a)所示为BDQ型发光强度标准

10、灯，用来传递和复现发光强度单位(cd)的量值。发光强度标准灯是通过精确控制流过灯丝的直流电流，复现在规定的色温下和在灯丝平面中心的法线方向上的光强度。,图(b)是BDT型光通量标准灯，用来传递和复现光通量值光通量标准灯的灯丝是旋转对称的，这样使电压与灯参数的变化曲线其光分布在各旋转方向尽可能一致。,图(c)为BW型温度标准灯，它的发光体是一条狭长的钨带，当通以电流时，钨带炽热发光。主要工作在80025000C 范围内，复现和验定光学高温计及某些以光学高温计作标准的温度源，也可以代替能量标准灯使用。,4.1.3 气体放电光源,4.2 光电探测器的性能参数与噪声,4.2.1 光电探测器的性能参数,

11、响应度是光电探测器输出信号与输入辐射功率之间关系的度量。描述的是光电探测器的光电转换效能。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测器上的平均光功率之比,1. 响应度 -灵敏度,R V和R I分别称为光电探测器的电压响应度和电流响应度，由于光电探测器的响应度随入射辐射的波长变化而变化，因此又有光谱响应度和积分响应度,光电探测器本质是一个外电压偏置的电流输出器件，通过负载电阻可改变为电压输出器件。,4.2.1 光电探测器的性能参数,2. 光谱响应度,光谱响应度又叫单色响应度，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，探测器输出强弱的不同。光谱响应度用R表示，是光电

12、探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,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。,4.2.1 光电探测器的性能参数,3.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。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为,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，所以输出光电流为,可得积分响应度为,4.2.1 光电探测器的性能参数,4. 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参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探

13、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响应时间。,上升时间和下降时间,4.2.1 光电探测器的性能参数,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器响应度与入射辐射调制频率的关系，其表达式为,5频率响应,一般规定，R f下降到,可得到放大器的上限截止频率,光电探测器的频率响应曲线,4.2.1 光电探测器的性能参数,信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即,6信噪比（S/N）,若用分贝

14、（dB）表示，则为,信号功率 相同方可比较,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有关，若入射辐射强，接收面积大，S/N就大，但性能不一定好-局限性,4.2.1 光电探测器的性能参数,它定义为器件在特定带宽内（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探测极限（以输入能量为瓦或流明表示）时使用。,7等效噪声输入（ENI）,4.2.1 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

15、噪声等效功率（NEP）,一个良好的探测器NEP约为1011W，NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。,NEP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。,4.2.1 光电探测器的性能参数,9探测率D与比探测率D*,只用NEP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*,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

16、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,4.2.1 光电探测器的性能参数,主要是探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响甚大。,通常情况下,为了比较比较各种探测器的性能，需除去A、 的差别 所带来的影响,归一化参数来表示,4.2.1 光电探测器的性能参数,归一化探测度,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 )。,4.2.1 光电探测器的性能参数,10噪声等效带宽,噪声

17、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。,4.2.1 光电探测器的性能参数,噪声带宽可表示为：,11.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。,4.2.1 光电探测器的性能参数,12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

18、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N为,量子流速率N即为每秒入射的光量子数,4.2.1 光电探测器的性能参数,每秒产生的光电子数,量子效率为,4.2.1 光电探测器的性能参数,13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,max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。,4.2.1 光电探测器的性能参数,4.2.2 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

19、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。,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。,4.2.2 光电探测器的噪声,按噪声产生的原因，可分为以下几类,噪声,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,4.2.2 光电探测器的噪声,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

20、e，故称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。,理论计算结果给出热激发散粒噪声的功率谱为,i是流过探测器的平均暗电流，M是探测器的内增益，q是电子电荷电量。,4.2.2 光电探测器的噪声,散粒噪声的电流为：,f是测量带宽,相应的噪声电压为,按照式中平均电流i产生的具体物理过程，有,Id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,如果用背景光功率Pb和信号光功率Ps显式表示，则有,S2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,4.2.2 光电探测器的噪声,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

21、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。,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，其本质也是散粒噪声，为强调产生和复合两个过程，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,2.产生复合噪声,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2f1时，此时,这种情况为白噪声,4.2.2 光电探测器的噪声,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

22、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。为强调光子起伏，故为光子噪声,4.2.2 光电探测器的噪声,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起伏电动势。,光电探测器有一个等效电阻R，电阻中自由电子的随机运动将引起电压起伏热噪声,其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。,K-玻尔兹曼常数，T-绝对温度,4.2.2 光电探测器的噪声,5. 1/f噪声(低频噪声),该噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火

23、花放电而引起的微电爆脉冲。,几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声或1/f 噪声。,实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。,4.2.2 光电探测器的噪声,Kf与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数； 与流过元件的电流有关，通常2； 与元件材料性质有关，大部分材料1， 与元件阻值有关1.41.7之间。,1/f 噪声的经验规律为 ：,4.3 光子探测器,4.3 光子探测器,光电探测器通常分为两类: (1)光子探测器（利用各种光子效应）；（2）

24、热探测器（利用温度变化效应）。,光子效应：光电子发射、光电导、光生伏特、光电磁等,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。,4.3 光子探测器,光热效应:温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、 气体体积和压强变化等。,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，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。,原则上对光波频率没有选择性，响应

25、速度一般比较慢。,4.3 光子探测器,基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中的电子能逸出材料表面，这各种器件称为外光电效应器件,基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应器件。,4.3.1 光电子发射探测器,应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器,在光电子发射探测器中，入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功。光电子发射的能量转换公式为,为使价带中的电子能跃迁到导带上，必须使入射

26、光子的能量大于禁带宽度Eg，即,使材料具有光电发射的截止波长c,4.3.1 光电子发射探测器,1.光电倍增管的工作原理,图是光电倍增管的工作原理图。图中K为光电发射阴极，D为聚焦板，D1D10为倍增极（或打拿极），A为收集电子的阳极。倍增极间的电压逐级增加，极间电压约为80150V。,4.3.1 光电子发射探测器,阴极在光照下发射光电子，光电子被极间电场加速聚焦，从而以足够高的速度轰击倍增极，倍增极在高速电子轰击下产生更多的电子，即所谓二次电子，使电子数目增大若干倍。如此逐级倍增使电子数目大量增加，最后被阳极收集形成阳极电流。当光信号变化时，阴极发射的光子数目发生相应变化。由于各倍增极的倍增因

27、子基本是常数，所以阳极电流亦随入射光信号的变化而变化。,1. 光电倍增管的工作原理,4.3.1 光电子发射探测器,2光电倍增管的性能,光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。负电子亲和势材料是目前最好的光电阴极材料。倍增极二次电子发射特性用二次系数描述，即,值主要取决于倍增极材料和极间电压,n为倍增极级数；N为发射的电子数； n表示第n级倍增每一个入射电子所能产生的二次电子倍数，即该级的电流增益；如果倍增极的总数为n，且各级性能相同，考虑到电子的传输损失，则光电倍增管的电流增益M为,4.3.1 光电子发射探测器,式中：iA为阳极电流；iK为阴极电流；f为第一倍增极对阴极发射电子的收

28、集率；g为各倍增极之间的电子传递效率，良好的电子光学设计可始f、g值在0.9以上。,n和值愈大，M值就愈高，但过多的倍增极不仅使倍增管加长，而且使电子渡越效应变得严重，从而严重影响倍增管频率特性和噪声特性。,值主要取决于倍增极材料和极间电压。材料一定，总电流增益与极间电压关系密切，工作电压微小变化将使M值有明显的波动，这将使光电倍增管的工作不稳定。但也表明，可用调整外加电压的办法来调整总的电流增益，从而使光电倍增管工作在最佳工作状态。因此，要求光电倍增管电源必须是可调的电子稳压电源。,4.3.2 光电导探测器,光电导探测器是利用光电导效应原理工作的探测器,光电导效应是半导体材料的一种体效应，无

29、需形成p-n结，所以又称为无结光电探测器。,此器件在光照下会改变自身的电阻值（光照越强， 器件自身的电阻越有效）-光敏电阻,一般室温下工作，适用与可见光和近红外辐射探测,本征光敏电阻：,非本征光敏电阻：,在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测,4.3.2 光电导探测器,4.3.2 光电导探测器,1.光敏电阻的结构,组成：它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。,光敏电阻在电路中的符号,4.3.2 光电导探测器,1.光敏电阻的结构,1）刻线式,在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏

30、电阻材料层后制成。其结构如下图所示,2）涂膜式,在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结构下图,4.3.2 光电导探测器,1.光敏电阻的结构,3）梳状式,以CdS光敏电阻为例,掺杂半导体薄膜沉积在绝缘基底上，然后薄膜面镀Au或Cu等金属，形成一定形状的电极（梳状），这种结构使得间距很近，电极间具有较大的光敏面积，从而获得较高的灵敏度，为了防止潮湿对灵敏度的影响，整个管子采用密封结构。,4.3.2 光电导探测器,2. 光敏电阻的工作特性,1）光敏响应特性,电导探测器的光谱响应特性，主要由材料和工艺过程 决定，不同的材料，其光敏响应特性不同。,4.3.2 光电导探测器,光谱特性曲线覆盖了整个可

31、见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。,可见光区光敏电阻的光谱特性,4.3.2 光电导探测器,2. 光敏电阻的工作特性,2）光照特性,在一定的偏置电压条件下，光敏电阻的光照特性呈非线性关系。,回路电流,-非线性关系,u-光敏电阻两端电压,： 光照指数,：电压指数,4.3.2 光电导探测器,2. 光敏电阻的工作特性,光照特性曲线,在低偏压，弱光照条件下，1，1,（ip关系呈线性关系）,4.3.2 光电导探测器,2. 光敏电阻的工作特性,3）稳定性,光电导探测器的光学性

32、能和电学性能受温度影响较大，随温度升高有的亮阻上升，有的下降，通常用光电导探测器的温度系数来衡量这一性能：,不同材料的器件，光电导探测器有不同的温度系数，一般来说，在弱光照和强光照时Tc较大，中等光照时较小。,4.3.2 光电导探测器,3. 光电转换规律,图中V表示外加偏置电压，l、b和d分别表示n型半导体得三维尺 寸，光功率P在x方向均匀入射，假定光电导材料的吸收系数为， 表面反射率为R，则光功率在材料内部沿x方向的变化规律为,相应的光生面电流密度j(x)为,式中e为电子电荷，v为电子在外电场方向的漂移速度，n（x）为在x处的电子密度。,4.3.2 光电导探测器,流过电极的总电流为,稳态下，

33、电子产生率复合率，可求出n(x)。若电子的平均寿命为，则电子的复合率为n(x)/，而电子的产生率等于单位面积、单位时间吸收的光子数乘以量子效率，得,为电子的平均寿命，为量子效率,有效量子效率,M为电荷放大系数,M为电荷放大系数，un是电子迁移率，V为外加偏压，l为结构尺寸。,4.3.2 光电导探测器,4. 光电导探测电路,电路中的参数Vb和RL均会影响输出信号的电压值，那么，如何选择Vb和RL？,4.3.2 光电导探测器,从图可见，负载电阻RL两端的直流压降为,当光辐射照到探测器上时，探测器电阻Rd就发生变化，负载电阻RL两端压降也就发生变化，这个电压的变化量就是信号电压Vs,当上式等于0时，

34、有RLRd，信号电压为极大值。,4.3.2 光电导探测器,从电路图可见，在偏压Vb作用下，通过探测器电流I为,Vb,max并不是最佳偏压。,在探测器上消耗的功率P为,经验数据探测器的功耗不应超过0.1W/cm2，若探测器的面积为Ad，则消耗功率不应超过0.1Ad，与最大允许电压关系为：,4.3.2 光电导探测器,信号、噪声电压随偏流变化图,信号电压呈线性增长直到接近 额定消耗功率为止。 从噪声电压图线看，在偏流较 低时，噪声电压没有信号电压 增长得快；偏流较大时，噪声 电压比信号电压增长得快，因 而信噪比曲线出现极值状态。 但曲线变化比较平缓，信噪比 较大且范围宽；,4.3.2 光电导探测器,

35、5.几种典型的光电导探测器,光电导探测器按晶体结构可分为多晶和单晶两类。多晶类多是薄 膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，单晶类中常见的有锑化铟 （InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅和掺杂型几种。,（1）CdS和CdSe 低造价的可见光辐射探测器（CdS：0.30.8m，CdSe：0.30.9m）。它们的主要特点是高可靠性和长寿命，因而广泛用于自动化技术中。光电导增益比较高(103104)响应时间比较长(大约50ms),（2）PbS：近红外辐射探测器 在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探测器，室温下的禁带宽度为0.37eV，相应的长波限为3m。响应时间约20-100s，广泛用于

36、遥感技术和武器红外制导技术,4.3.2 光电导探测器,（3）PbTe。 在常温下对4m以内的红外光灵敏，冷却到90K，可在5m范围 内使用。响应时间约为104105s。,（4）InSb 这也是一种良好的近红外（峰值波长约为6m）辐射探测器；在77k下,噪声性能大大改善，响应时间短（大约0.4us）,（5）HgCdTe探测器 HgCdTe是由半导体CdTe和半金属HgTe采用半导体合金法混合而 成的合金系统。,4.3.2 光电导探测器,（4）根据不同用途,选用不同特性的光敏电阻。,6. 使用注意事项,（1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配；,（2）要防止光敏电阻受杂散光的影响；

37、,（3）要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过 允许值；,4.3.3 光伏探测器,利用pn结的光伏效应制成的光电探测器-光伏探测器,与光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂些，PN结受光照射时，即使没有外加偏压，PN结自身也会产生一个开路电压，这时如果将PN结两端短接，便有短路电流通过回路。因此利用利用光生伏特效应制成的结型器件有光电池和光电二极管之分，而光电二极管又有两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。,pn结型光电器件,光照下,正偏置,零偏置,反偏置,单向导电,无光电效应,光电效应,4.3.3 光伏探测器,1. 两种工作模式,光伏探测器及其工作模式示意图,4.3.

38、3 光伏探测器,一个PN结光伏探测器用图（a）中的符号表示，它等效为一个普通二极管和一个恒流源（光电流源）的并联，如图b）所示。在零偏压时（图（c），称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时（图（d），即外加p端为负，n端为正的电压时，称为光导工作模式。,4.3.3 光伏探测器,普通二极管的伏安特性：,光伏探测器的总电流：,e电子电荷 u探测器两端电压，,K波尔兹曼常数 T绝对温度，,-光电流,4.3.3 光伏探测器,将上式i-u作图，其曲线称为光伏探测器的伏安特性曲线,4.3.3 光伏探测器,第三象限是反偏压状态。这时iD=iS，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流(对应于光功率P

39、=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS)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，对应于光导工作模式-相应探测器-光电二极管。,第一象限是正偏压状态，iD 本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。,4.3.3 光伏探测器,在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式-相应探测器-光电池。,4.3.3 光伏探测器,2两种工作模式的比较,光导模式工作时，光电二极管加反偏压，可以大大提高器件的频率特性。此

40、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,光电池是一种不需要加偏压的能把光能直接转换成电能的pn结光电器件，,-采用光伏工作模式的光伏探测器,光电池分类,测量光电池-当作光电探测器使用,太阳能电池-用作电源,它的工作模式是光伏工作模式-光伏电池。,4.3.3 光伏探测器,太阳能光电池主要用作向负载提供

41、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，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。,测量光电池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,4.3.3 光伏探测器,如图所示，当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流IL，且负载电阻RL上产生电压降为

42、U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL有关，即,1）光电池的工作原理,当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以得到如下图所示的伏安特性曲线。,4.3.3 光伏探测器,光电池的伏安特性曲线,从曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为,其中，光电池输出电流IL 包括光生电流、扩散电流 与暗电流等三部分,4.3.3 光伏探测器,光电池的等效电路,2）光电池的等效电路,-光电流,-二极管电流,-p-n结漏电流,Rsh-等效泄露电阻,Cj结电容,Rs引线管芯接触电阻,RL负载电阻,4.3.3 光伏探测器,Rsh很大，,很小，若不计,影响，则,若将RL短接，忽略RS的影响

43、，则U1=0（二极管的压），iD=0。,表明：光电池在短路工作状态下，光电池的短路电流 与入射的光功率成正比 （ ）,在这状态下工作的光电池可用做光电探测器,4.3.3 光伏探测器,3）短路电流和开路电压,负载电阻RL所获得的功率PL与负载电阻的阻值有关，当RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率PL=0；当RL=（电路为开路）时，IL=0，输出功率PL=0；,在短路和开路两种工作状态，光电池均无电功率输出， 当负载电阻为某一Rm时，才得到最大电输出功率Pm。,Rm称为特定照射光功率条件下最佳负载电阻，初略值,4.3.3 光伏探测器,由,当RL趋近无穷大时，i=0，光电池输出电压U1即开路电

44、压,4.3.3 光伏探测器,4）光电池的工作特性,（1）光谱特性,光电池的光谱特性主要 由材料决定，材料不同， 光谱特性不同。,由图可见，Se光电池在可见光范围内具有高的灵敏度，峰值响应波长在500um左右。特别适用于可见光应用。 Si光电池的光谱响应范围要宽，峰值响应波长在850um 左右，可见光和近红外波段都有广泛应用。,4.3.3 光伏探测器,（2）频率特性,对于光电池来说，由于载流子在pn结区内的 扩散漂移，产生与复合都要一定的时间。,光电池的频率特性一般说来不是太好，主要有 以下几个原因：,1）光敏面积一般做的较大，因而极间结电容cj较大， 则响应时间变大，给定RL，,2）光电池工作

45、在第四象限，有较小的正偏压存在，所以光电池的内阻很低，而且随入射功率变化而变化。光功率很小时，内阻变大，频率特性变坏。,4.3.3 光伏探测器,（3）温度特性,光电池的温度特性曲线主要指光照射光电池时 开路电压Voc与短路电流Isc随温度变化的情况。,开路电压与短路电流均随温度 而变化，它关系到应用光电池 的仪器设备的温度漂移，影响 到测量或控制精度等主要指标。,当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定， 或采取温度补偿措施,4.3.3 光伏探测器,4.3.3 光伏探测器,4.3.3 光伏探测器,4.3.4 其他光子探测器,光子牵引探测器,光子牵引探测器是一种非势垒光伏效应探测器。它和HgC

46、dTe光电二极管一样适用于10.6m的激光波长探测。但是HgCdTe光电二极管只能在微弱光信号下使用，而光子牵引探测器则适用于强光探测。因此它广泛用于CO2脉冲激光器输出的探测,这种探测器的优点是响应快，可在损伤阈值高及室温下工作，不需要电源。缺点是灵敏度低，典型器件的单位带宽等效噪声功率为103W，只有在强光下才能使用。,P型锗的光子牵引探测器示意图,4.3.4 其他光子探测器,光电磁探测器,光电磁效应,将半导体置于强磁场中，当半导体表面受到光辐射照射时，在表面产生电子空穴对，并且浓度逐渐增大，电子和空穴便向体内扩散，在扩散过程中，受到强磁场的洛伦兹力的作用，使空穴和电子的偏转方向相反，从而

47、在半导体内产生一个电场，阻碍着电子和空穴的继续偏转，如果这时将半导体两端短路，则产生短路电流；开路时，则有开路电压。这种现象叫做光电磁效应。利用这种效应制成的光电探测器叫做光电磁探测器（PME器件）。,4.3.4 其他光子探测器,Josephson结探测器,PbPbOPb隧道结的伏安特性曲线,在两超导薄膜之间被一层（厚约10）电介质隔开，这种结构称为Jesephson结，或超导隧道结。若通过隧道结的电流小于某一临界值，在结上没有电位降，则在隧道结的伏安特性曲线中存在一个零电压的电流。若通过隧道结的电流超过临界值，在结上将产生电位降，这时在伏安特性曲线中，将沿着测量负载线跳到正常电子隧道的曲线上

48、，如图449所示。这种在隧道结中有隧道电流通过而不产生电位降的现象，称之为直流Josephson效应,4.3.4 其他光子探测器,若在隧道结上维持一个有限电位降V，在隧道结两超导体之间将有一个频率为f的交流电流通过，频率f和电压V之间有下述关系,E为电子电荷，h为普朗克常数,若隧道结受到光辐射照射时，在一系列分立的电压值上可感应出额外直流电流，则在隧道结的直流伏安特性曲线上，出现常电压电流阶梯现象。阶梯处电压Vn和外加辐照信号频率f的关系为,n为阶梯级数。产生这种现象的原因是，由于隧道结受到辐射照射时，在结上可感应出交流电压，而这交流电压反过来对结上的Josephson电流进行调制，从而产生许

49、多使电流增大的边带。利用Josephson结效应可研制出从射频到远红外宽广频率范围内、灵敏度为皮瓦的探测器。在射电天文、毫米波通信等方面有实际应用。,4.4 热探测器,热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。它基于材料吸收了光辐射能量以后温度升高的现象，这一现象称为光热效应，光热效应的特点是入射光辐射与物质中晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这与光子将能量直接转移给电子的光电效应有本质的不同。光热效应与入射的光子的性质没有关系，取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成分无关，即对入射辐射的响应无波长选择性,光热效应可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的变化效应、气体体积和压强

50、的变化效应等等，利用这些效应可制作各种热探测器。,1 温差热电偶和热电堆,在用不同的导体或半导体组成的具有温度梯度的电路中，会有电动势产生，这就是温差电势。通过这两点的闭合回路中就有电流流过，这个现象称为温差电效应。,（1）塞贝克（Seebeck）效应,当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的两个结点置于不同温度（两结点间的温差为时），在两点之间就产生一个电动势V12，这个电动势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝克效应。所产生的电动势称为温差电动势，回路称为热电偶或温差电池。 是由于受热不均匀的两节点的接触电位差不同所致,定义温差电动势率为,1 温差热电偶和热电堆,物理意义：单位温差所

51、产生的电动势的净增量,1 温差热电偶和热电堆,（2）珀耳帖（Peltier）效应,珀耳帖应被认为是塞贝克效应的逆效应。当电流流过两个不同材料的导体或半导体组成的回路的时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同的节点处分别出现吸热、放热现象。这一效应是热力学可逆的。热交换速率与通过的电流成正比，这种现象称为珀耳帖效应。在每一接头上热量流出率或流入率与通过的电流I间的关系可表示为,1 温差热电偶和热电堆,（3）汤姆逊（Tomson）效应,在单一均质导体或半导体中存在着与珀耳帖效应相同的现象。如果通有电流的材料有温差存在，也就是说，当电流通过具有一定温度梯度的均质导体或半导体时，就会可逆地吸收热或放出热，这一现象称为汤姆逊效应。单位时间单位体积吸收或放出热量为,物理意义：单位温差通过单位电流吸热或放热的速率,1 温差热电偶和热电堆,光辐射入射到导体或半导体上便产生温度梯度，从而产生温差电势，由电动势的高低可测出接收端所吸收的光辐射的能量或功率。,当由两种不同金属或半导体臂状物在两端分别连接成的闭合回路为温差电偶，如图所示。设J1点为光敏面，J2、J3为环境温度Td，光照产生的J1点的温升为Td，此温差产生的Seebeck效应会使电路产生开路电势,当形成闭合回路时，电流将与V0方向相同，此电流将会引起Peltier效应，会使此温差电偶的热端J1变冷，使冷端变热，