光电子技术第4章-光辐射的探测技术ppt精选课件

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1、 1 第4章光辐射的探测技术 4 1光探测器的物理效应4 2光探测器的性能参数4 3光探测器的噪声4 4光电导探测器 光敏电阻4 5pn结光伏探测器的工作模式4 6硅光电池 太阳电池4 7硅光电二极管4 8光热探测器4 9直接探测系统的性能分析4 10光频外差探测的基本原理 2 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 光探测器 能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件 光电探测器 把光辐射量转换为电量 电流或电压 的光探测器 光电探测器的物理效应 光子效应 光热效应 光压效应等 3 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 1 光子效应和光热效应 光子效应概念特点 频率

2、选择性 响应速度快 分类 4 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 1 光子效应和光热效应 光热效应概念特点 对光波频率的选择性相对较小 响应速度一般比较慢 容易受环境温度变化的影响 分类 5 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 2 光电发射效应 概念 光电发射效应光电发射体光阴极 爱因斯坦方程 光电发射效应发生的条件 或 由 产生光电发射的入射光波的截止波长 6 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 3 光电导效应 光电导效应 半导体材料的电导 半导体和金属的导电机构 在热平衡下 无论何种半导体材料 下式一定成立 即 在外电场E作用下 载流子产生漂移运动

3、 形成电流 漂移速度v和电场E之比定义为载流子迁移率 即 载流子的漂移运动效果用半导体的电导率 描述 半导体材料的电导 迁移率的物理意义是载流子在单位电场中的迁移速度 半导体的电导 电阻 8 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 3 光电导效应 光电导产生原理 条件 长波限 光电导效应的原理和电流增益 对本征情况 若光辐射每秒产生电子 空穴对N 半导体的电导 电导率 光生载流子 非平衡载流子 eN表示光辐射每秒钟激发的电荷量 由于 G的增量将使外回路电流产生增量 i 即 光电导体的电流增益 以N型半导体为例 光电导效应的原理和电流增益 渡越时间 意义 10 第4章光辐射的探测技术4

4、 1光电探测器的物理效应 4 光伏效应 光导现象是半导体材料的体效应 光伏现象是半导体材料的 结 效应 pn结的零偏状态 pn结的正向偏置 pn结的反向偏置 pn结的伏安特性 零偏状态下pn结的结电阻 Pn结在无光照射时的情况 11 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 4 光伏效应 如光照p区 激发出光生电子 空穴对 由于p区的多数载流子是空穴 光照前热平衡空穴浓度本来就比较大 因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小 但光生电子对p区的电子浓度影响很大 从p区表面 吸收光能多 光生电子多 向区内自然形成电子扩散趋势 如果p区的厚度小于电子扩散长度 那么大部分光生电子都能扩散进pn结

5、一进入pn结 就被内电场扫向n区 这样 光生电子空穴对就被内电场分离开来 空穴留在p区 电子通过扩散流向n区 这时用电压表就能量出p区正 n区负的开路电压u0 称为光生伏特效应 如果用一个理想电流表接通Pn结则有电流ic通过 称为短路光电流 显然 光照pn结产生电压的效应 称为光伏效应 Pn结在零偏状态但有光照射的情况 12 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 4 光伏效应 如光照p区 激发出光生电子 空穴对 由于p区的多数载流子是空穴 光照前热平衡空穴浓度本来就比较大 因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小 但光生电子对p区的电子浓度影响很大 从p区表面 吸收光能多 光生电子多 向

6、区内自然形成电子扩散趋势 如果p区的厚度小于电子扩散长度 那么大部分光生电子都能扩散进pn结 一进人pn结 就被内电场扫向n区 这样 光生电子空穴对就被内电场分离开来 空穴留在p区 电子通过扩散流向n区 这时用电压表就能量出p区正 n区负的开路电压u0 称为光生伏特效应 如果用一个理想电流表接通Pn结则有电流ic通过 称为短路光电流 显然 光照pn结产生电压的效应 称为光伏效应 Pn结在偏置状态且有光照射的情况 13 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 5 温差电效应 将两种不同材料的导体一端连接在一起 而将另一端分开与外电路连接 如果把连接的这一端与另一个吸收红外线的小黑体接在

7、一起 则当这个小黑体吸收红外线加热连接的那一端时 在分开的那一端将产生温差电动势 电动势的大小与入射的红外辐射能量存在一个确定的关系 按照这种原理制成的红外探测器叫温差热电堆探测器 这种探测器响应波长范围较宽 灵敏度较高 但不易在灵敏度较高的同时大规模集成 且热响应时间过长 约需30 50毫秒 14 15 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 6 热释电效应 部分晶体沿某一特定的方向切割成薄片 两表面涂上电极制成一个平板电容器以后 当晶体温度发生变化时 电容器两端产生电压 如果将该电容器接上负载电阻 则输出电流满足经验公式 其中Ae为极板面积 T为晶体温度 p为一个与材料性质有关的

8、常数 上述效应就是热释电效应 根据热释电效应设计的热敏型探测器就是热释电探测器 热释电材料可分为三类 单晶热释电晶体 陶瓷热释电晶体 薄膜热释电晶体 热释电探测器是目前热探测器内的佼佼者 与光子探测器相比 它有光谱响应宽及室温工作的特点 从紫外到亚毫米波段其光谱响应几乎不变 因而有很好的前景 17 第4章光辐射的探测技术4 1光电探测器的物理效应 7 光电转换定律 由基本物理观点 i应该正比于P 探测器的光电转换因子 探测器的量子效率 光电转换定律 光电转换定律的说明 1 一个光子探测器可视为一个电流源 2 因为光功率P正比于光电场的平方 故常常把光电探测器称为平方律探测器 或者说 光电探测器

9、本质上是一个非线性器件 18 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 19 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 光电探测器和其他器件一样 有一套根据实际需要而制定的特性参数 它是在不断总结各种光电探测器的共同特征基础上而给以科学定义的 所以这一套性能参数科学地反映了各种探测器的共同因素 依据这套参数 人们就可以评价探测器性能的优劣 比较不同探测器之间的差异 从而达到根据需要合理选择和正确使用光电探测器的目的 显然 了解各种性能参数的物理意义是十分重要的 20 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 1 积分灵敏度R 探测器的光电特性 光电流i 或光电压u 和入

10、射光功率P之间的关系 灵敏度R 也常称为响应度 它是光电探测器光电转换特性的量度 定义为探测器的光电特性曲线的斜率 电流灵敏度 电压灵敏度 积分灵敏度 21 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 2 光谱灵敏度R 光谱灵敏度 电流灵敏度 22 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 2 光谱灵敏度R 光谱灵敏度 无选择性探测器 选择性探测器 相对光谱灵敏度 器件的光谱灵敏度主要取决于材料 结构 环境等因素 光谱利用系数 光谱功率密度函数 光谱灵敏度曲线 23 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 3 频率灵敏度Rf 光电流if随调制频率f的升高而下降 这时的灵

11、敏度称为频率灵敏度Rf 定义为 if是光电流时变函数的傅里叶变换 通常 探测器的响应时间或时间常数 由材料 结构和外电路决定 探测器的频率特性截止响应频率 综上所述 光电流是两端电压u 光功率P 光波长 光强调制频率f的函数 即 频率特性曲线 光谱特性曲线 光电特性曲线 伏安特性曲线 24 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 4 量子效率 量子效率与灵敏度的关系 电流灵敏度 光谱量子效率 25 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 5 通量阈Pth和噪声等效功率NEP 暗电流或噪声电流 电流灵敏度 光电转换模型 如图 一个判据 通常认为 如果信号光功率产生的信号光电流

12、is等于噪声电流in 那么就认为刚刚能探测到光信号存在 通量阈 探测器所能探测的最小光信号功率 噪声等效功率NEP 单位信噪比时的信号光功率 26 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 6 归一化探测度D 探测度D NEP小 探测器探测能力越高 不符合人们 越大越好 的习惯 探测器光敏面积A和测量带宽 f对D值影响大 噪声等效功率NEP 单位信噪比时的信号光功率 探调器的噪声功率 归一化探测度D 27 第4章光辐射的探测技术4 2光电探测器的性能参数 7 其它参数 光电探测器还有其他一些特性参数 例如光敏面积 探测器电阻 电容等 正常使用时不允许超过指标 否则会影响探测器的正常工作

13、 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 28 第4章光辐射的探测技术4 3光电探测器的噪声 噪声 光电探测器的噪声 1 噪声概念 噪声的分类 人为噪声 自然干扰 物理系统内部的起伏干扰 有形噪声 无规则噪声 起伏噪声对有用信号的影响 入射光强减弱 噪声是探测器所固有的不可避免的现象 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 29 第4章光辐射的探测技术4 3光电探测器的噪声 2 噪声描述 噪声无法用预先确知的时间函数来描述 噪声本身是统计独立的 平均值的统计特点 均方根噪声电压 总的噪声功

14、率等于各种独立的噪声功率之和 因此把探测器输出的均方根噪声电压 电流 称为探测器的噪声电压 电流 30 第4章光辐射的探测技术4 3光电探测器的噪声 3 光电探测器的噪声 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 热噪声 低频噪声 辐射噪声等几类 第4章光辐射的探测技术4 3光电探测器的噪声 3 光电探测器的噪声 散粒噪声 散粒噪声存在于任何光电探测器 暗电流 背景电流和信号光电流都包含散粒噪声 散粒噪声是一种白噪声 光电探测器的光电转换过程是一个光电子计数的随机过程 光电转换定律是这一随机过程的统计平均结果由于电子电荷量e数量随机起伏而引起的噪声称为散粒噪声 32 第4章光

15、辐射的探测技术4 3光电探测器的噪声 3 光电探测器的噪声 从本质上讲 光电探测器的光电转换过程是一个光电子计数的随机过程 光电转换定律是这一随机过程的统计平均结果 散粒噪声 式中i指流过探测器的平均电流 M是探测器内增益 于是 散粒噪声电流in或电压un为 暗电流 背景电流和信号光电流 暗电流噪声 背景噪声和信号光子噪声 由于电子电荷量e数量随机起伏而引起的噪声称为散粒噪声 可以证明 散粒噪声功率谱 3 光电探测器的噪声 热噪声 第4章光辐射的探测技术4 3光电探测器的噪声 又称约翰逊 Johnson 噪声 它是温度为T的电阻R中电子的热运动引起的 表现为在电阻两端产生的起伏电压 产生原因

16、任何有电阻的材料都有热噪声 载流子处于不断的热运动之中 频繁地与物质的分子相碰撞 载流子的每一次自由运动都产生一个瞬时电流 特点 噪声随温度的增高而增加 所以又称为热噪声 约翰逊噪声在整个频率范围单位带宽内的大小是一样的 因而它是一种白噪声 34 3 光电探测器的噪声 热噪声 第4章光辐射的探测技术4 3光电探测器的噪声 又称约翰逊 Johnson 噪声 它是温度为T的电阻R中电子的热运动引起的 表现为在电阻两端产生的起伏电压 产生原因 任何有电阻的材料都有热噪声 载流子处于不断的热运动之中 频繁地与物质的分子相碰撞 载流子的每一次自由运动都产生一个瞬时电流 特点 在长的时间间隔看来 电流的总和必然等于0 但在短的时间间隔内 这些电流的随机起伏形成噪声电流 因载流子的均方速度与绝对温度成正比 噪声随温度的增高而增加 所以又称为热噪声 约翰逊噪声在整个频率范围单位带宽内的大小是一样的 因而它是一种白噪声 计算 1928年 Nyquist给出了约翰逊噪声电压 V的表达式 式中k为玻耳兹曼常数 T是像元的温度 R是像元的电阻 f为测量仪器或放大器的带宽 35 3 光电探测器的噪声 1 f噪声