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1、 光电子学第五章 光辐射的探测 第二十讲湖南大学物理与微电子科学学院，王玲玲 2016 年 3 月 物理与微电子科学学院School of Physics and Microelectronics Science问题一：光电效应及特点？ 光照物体使其发射电子，材料电学性质变（电导率，发射电子 ，产生感应电动势）光电效应（太阳能电池）。 1. 外光电效应：光辐射，产生电子发射。 2. 内光电效应：光照物质电子能量态变，表面不发射电子。 第十九讲要点回顾第十九讲要点回顾 pvmax光电子逸出最大v phW，光电发射，入射光下限（上限） 红限， 红限（长波限）。 入射光子 能量电子动 能逸出功入射光
2、子足够能量，至少=逸出功，发生光发射。 p 入射光截止，无论光强多大，照射t多长，都不发射光电子。 1.光入射物体，电子吸收光子能量，基态跃到激发态； 2.电子受激处出发向表面运动，同其他电子或晶格撞失部分能；3.达表面电子克服势垒束缚，逸出形成光电子。 第十九讲要点回顾第十九讲要点回顾 问题二：爱因斯坦定律说明什么问题？ IK饱和光I；v入射光通量；SK常数 光电发射体灵敏度； p 光I入射光强。入射光红限值（红限, ），产生光。 斯托列托夫定律光电管，光电倍增管检测基础。第十九讲要点回顾第十九讲要点回顾 问题三：斯托列托夫说明什么问题？ 光入射半导体，材料内激发新载流子，电导率变。 第十九
3、讲要点回顾第十九讲要点回顾 问题四：光电导效应及原理？光照产生电压现象。结区pn +- E光 IV短路光I开路光V光I反向I暗I第十九讲要点回顾第十九讲要点回顾 问题五：光伏效应及原理？光热效应热释电效应测辐射热计效应 温差电效应入射光照材料受热电阻率 变测辐射热计效应 。 金属半导体 p 光辐射强度变物质T变P 变。 自发极化驰豫10-12s，P跟上 变。自由电荷中和极化电荷 过程长，数s，表征光辐射信 息P被中和前测到。第十九讲要点回顾第十九讲要点回顾 问题六：热释电与测辐射热计效应？ 一接 头吸 热 另接 头放 热 两不同金属两处相接，结点不同T ，I 不断流过电路。 图1 接触电势差原
4、理图 +AB 均匀导体热电效应。 I流动向T差，导体吸（放）热速率：温差较大 温差较小 第十九讲要点回顾第十九讲要点回顾 问题七：温差电效应? u 两不同金属热电偶，输直流I， 方向不同，电偶结点产生吸（放）热。 问题八：光电探测与热探测性能比较？光电探测： p 选择好 p 响应快 热探测： p 无选择 p 响应t长，ms 第十九讲要点回顾第十九讲要点回顾 光辐射的探测 55-4 光辐射的探测方法 5-2 光探测的基本物理效应 5-1 物质中的光吸收 5-3 光辐射探测过程中的噪声 第十八讲要点第十八讲要点 噪声来源 描述噪声 作用参量 1 3 2 噪声特征 瞬时值平均0 均方值确定 光辐射探
5、测，光信号转换、传输及处理。 除有用信号，受t无规起伏非信号干扰噪声。 探测系统，防干扰，抑噪声。 光辐射探测系统，光信号弱，了解和研究噪声。 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法 光探测系统： 1. 光辐射探测器； 2. 后续电路（前置放大器、主放大电路）； 噪声源： 1. 与信号光检测有关噪声； 2. 与电路有关电路噪声。 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 噪 声量 子 噪声 暗 电
6、 流 噪声 倍 增 噪声 背 景 噪声 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 量子噪声 暗电流噪声 量子噪声（散粒噪声，不可消除） p 单位t 达检测器信号光子数随机性，与信号电平有关。 p 信号越大，单位t到探测器光子数多，起伏越大，光I 起伏大， 噪声大。 p 噪声产生：与光子统计特性有关，不可消除，决定噪声最小极 限。 p 起伏：光子随机性及 光电子随机性引起散粒噪声。 1. 与信号检测过程有关的噪声 2. 与电路有关的电路噪声 5-1物质中的
7、光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法 载流子在产生复合过程中形成噪声 与频率有关噪声 伴随光信号从传输介质中引入背景噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 暗I 噪声（散粒） p 无光照（暗I），过检测器I，随机起伏 散粒噪声。 p 与暗I 噪声类漏I 噪声： u 器件表面不完善（缺陷及污染）致。 p 内部I 增益器件倍增噪声：u 倍增过程统计特征产生附加散粒噪声。 p 除、，另： 载流子产生复合噪声、 与 有关噪声、 伴随光信号从传输介质中引入背景噪声。 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本
8、物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法 量子噪声 暗电流噪声 1. 与信号检测过程有关的噪声 2. 与电路有关的电路噪声 载流子在产生复合过程中形成噪声 与频率有关噪声 伴随光信号从传输介质中引入背景噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 量子噪声（散粒，不可消）：单位t 达检测器信号光子数随机性， 信号电平有关； 散粒噪声：量子噪声起伏，光子及光电子随机性引起； 暗I 噪声：无光照，过检测器I，随机起伏，散粒噪声； 漏I 噪声：器件表面不完善（缺陷及污染）引起； 倍增噪声：内部I 增益器件，倍增统计产生附加散粒噪声；
9、载流子产生复合噪声：光激发产生载流子和载流子复合随机性 过程，引起I 随机起伏形成； 与有关噪声：低频（红）和高频（蓝）噪声，白噪声； 背景噪声：伴随光信号从传输介质引入。 归纳： 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法 量子噪声 暗电流噪声 1. 与信号检测过程有关的噪声 2. 与电路有关的电路噪声 载流子在产生复合过程中形成噪声 与频率有关噪声 伴随光信号从传输介质中引入背景噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 探测器后放大电路噪声源： R 噪声 前置放大器噪声； p 后者对信
10、号影响大。 各种噪声： 有些略； 有些分析原因，抑制或消除。 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 与信号检测过程有关的噪声 2. 与电路有关的电路噪声 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 噪声随机信号，不能预见精确性； 规律可循，找规律，解决办法。 光探测器及系统噪声，何时幅度多大，偶然。 随机起伏量遵循统计分布律，统计概率求统计参量。1. 噪声的统计特性 2. 噪声的功率谱密度 3. 噪声的相关性 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-
11、4光辐射的探测方法一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 常见噪声，概率： 泊松分布（离散）； 高斯分布（连续）； 连续变物理量（V，I）噪声遵循高斯分布； 离散物理量（光子，电子数）噪声概率泊松分布描述大量 独立事件统计特性规律。 如，光子达光接收面概率泊松分布（独立）： 光子达光探测器接收面概率 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性 2. 噪声的功率谱密度 3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量
12、pn 瞬时到达值， 平均值。n 很大值，繁琐。 近似，高斯代替泊松分布，误差不大。高斯分布： 实际到达值对平均值偏离，测光量子数平均值 ，n 随 机起伏量，无法测。n可正，可负，不用n表示起伏，n2表示。不 同n不同概率，n2对不同n有不同概率， n均方值 ： (5-3-3)表明， 由光量子平均数 表示。 泊松分布 高斯分布 高斯分布 均方值 连续 独立 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法1. 噪声的统计特性 2. 噪声的功率谱密度 3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几
13、个参量 均方值表示随机起伏大小。无规变物理量，瞬时值平均0，均方值定 ，该物理量变规律。噪声V(I )平方值长t 平均： 噪声上式定。均方根噪声V(I )有效值。 噪声V均方值 瞬时值平均0 均方值完全定 p (5-3-4)或(5-3-5)均方噪声功率，1 R产生均方噪声功率。 5-1物质中的光吸收5-2光探测的基本物理效应5-3光辐射探测过程中的噪声5-4光辐射的探测方法噪声I均方值 1. 噪声的统计特性 2. 噪声的功率谱密度 3. 噪声的相关性 一、噪声的来源 二、噪声的主要特征 三、几种主要的噪声电流 四、描述噪声作用的几个参量 高斯分布 均方值 非周期起伏信号用功率谱密度，知噪声频率分布特征， 抑制探测系统噪声提供依据。 随t 变信号，傅里叶变换，时域频域。同信号傅里叶变换与反变换 ： pSN( )噪声功率 谱，功率
