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1、光电信息技术光电信息技术张永爱张永爱物理与信息工程学院物理与信息工程学院第第1章章 光源与光电探测器光源与光电探测器光源应用科学研究科学研究共共用应用用应用物质物质物质物质成分分析成分分析成分分析成分分析材料材料材料材料结构研究结构研究结构研究结构研究光电检测光电检测光电检测光电检测照明工程照明工程照明工程照明工程能把光辐射量转换为另一种便于测量的物理量的器件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辐射量光电探测器光电探测器电信号光探测器光探测器光子探测器光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光子效应光子效应光热效应光热效应热探测器4.1 4.1 光电信息技术中常用的光源光电
2、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。造的，都称为光源。天然光源天然光源是自然界中存在的，如是自然界中存在的，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。光辐射的测量。人造光源人造光源是人为将各种形式能量（热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，量系统中，电光源是
3、最常见的光源电光源是最常见的光源。4.1.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数1. 辐射效率辐射效率和发光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. 光谱光谱功率分布功率分布4.1.1 光源的基本特性参数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
4、后的光谱功率分布称为相对光谱功率分析。光源种类光源种类发光效率发光效率(lm.W(lm.W-1-1) )光源种类光源种类发光效率发光效率(lm.W(lm.W-1-1) )普通钨丝灯普通钨丝灯8-188-18高压汞灯高压汞灯30-4030-40卤钨灯卤钨灯14-3014-30高压钠灯高压钠灯90-10090-100普通荧光灯普通荧光灯35-6035-60球形氙灯球形氙灯30-4030-40三基色荧光灯三基色荧光灯55-9055-90金属卤化物灯金属卤化物灯60-8060-80表表1 常用光源的发光效率常用光源的发光效率4.1.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数图中（a）称为线状光谱线状光谱
5、，由若干条明显分隔的细线组成，如低低压汞灯压汞灯。图（b）称为带状光谱带状光谱，它由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯高压汞灯、高压钠灯高压钠灯就属于这种分布。图（c）为连续光谱连续光谱，所有热辐射光源热辐射光源的光谱都是连续光谱，图（d）是混合光谱混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成，一般荧光灯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。在求来决定。在目视光学系统目视光学系统中，一般采用中，一般采用可见光谱辐可
6、见光谱辐射射比较丰富的光源。对于比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源彩色摄影用光源，为了获得，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源日光色的光源，如卤如卤钨灯、氙灯钨灯、氙灯等。在等。在紫外分光光度计紫外分光光度计中，通常使用氚灯、中，通常使用氚灯、紫外汞氙灯等紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源紫外辐射较强的光源，在，在光纤技术光纤技术中，中，通常使用通常使用发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器等光源等光源 4.1.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数3. 空间光强分布空间光强分布对于各向异性光源，其发光强度在空间各对于各向异性光源，其发光强度在
7、空间各方向上是不相同的，若在空间某一截面上，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，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该矢量的长度与该方向的发光强度成正比方向的发光强度成正比。将各矢量的端点。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即度曲线，即配光曲线配光曲线。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，一般选择在有的情况下，为了提高光的利用率，一般选择发光发光强度高强度高的方向作为的方向作为照明方向照明方向。为了进一步利用背面方。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，反光向的光辐射
8、，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光源的基本特性参数4. 光源的色温光源的色温黑体的温度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）色温4.1.1 光源的基本特性参数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若辐
9、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。辐射色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。辐射源源发射光的颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相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。）相关色温。对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑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图中，如果光源的色坐标点与
10、某一温度下黑体辐射下黑体辐射的色的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。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光源的基本特性参数5. 光源的颜色光源的颜色 光源的颜色包含了两方面的含义，即光源的颜色包含了两方面的含义，即色表色表和和显色性显色性。用用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表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。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
11、产生的颜色感觉）与该物体在完全辐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射体照射下所呈现颜色的 一致性，称为该光源的一致性，称为该光源的显色性显色性。4.1.2 热辐射源热辐射源（1）它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确）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制它们的发光或辐射性质；的估算，即可以精确掌握和控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）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，
12、这又限制了这类光源的使用范围；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量，其辐射特性与温度有关。物体靠加热保持一定温度，。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。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 热辐射源热辐射源热辐射源应用科学研究科学研究共共用应用用应用照明照明照明照明光学系统光学系统光学系统光学系
13、统-光源光源光源光源光电探测光电探测光电探测光电探测-光源光源光源光源光度或辐射度光度或辐射度光度或辐射度光度或辐射度标准光源标准光源标准光源标准光源4.1.2 热辐射源热辐射源1. 太阳太阳太阳可看成是一个直径为太阳可看成是一个直径为1.392 109 m的光球。它到地球的年平的光球。它到地球的年平均距离是均距离是1.491011m因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有有0.5330。大气层外的太阳光大气层外的太阳光谱能量分布相当于谱能量分布相当于5900K左右的左右的黑体黑体辐射。辐射。其平均辐亮其平均辐亮度为度为2.01l07Wm-2sr-1平均亮度为
14、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，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，其中氧都发生了变化。大气的吸收光谱比较复杂，其中氧(O2)、水汽水汽(H2O)、臭氧、臭氧(O3)，二氧化碳，二氧化碳(CO2)、一氧化碳、一氧化碳(CO)和其它碳氢化合物和其它碳氢化合物(如如CH4)等，都在不同程度上吸等，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
15、收收了大阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质介质，在在标准海平面上太阳的光谱辐射照度标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线，曲线，其中的阴影其中的阴影部分表示大气的光谱吸收带部分表示大气的光谱吸收带4.1.2 热辐射源热辐射源2. 黑体模拟器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。黑体模拟器的结构黑体模拟器的结构4.1.2 热辐射源热辐射源3. 白炽灯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
16、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 热辐射源热辐射源图(a)所示为BDQ型发光强度标准灯，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
17、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 气体放电光源气体放电光源4.2 光电探测器的性能参数与噪声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光电探测器的性能参数响应响应度是光电探测器输出信号与输入辐射功率之间关系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的度量。描述的是光电探测器的光电转换效能。定义。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测器上的平均光功率之比 1. 响应响应度度 -灵敏度灵敏度 R
18、 V和和R I分别称为光电探测器的电压响应度和电流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。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光电探测器的性能参数2. 光谱光谱响应度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光谱响应度又叫单色响应度，它表示不同波长的单位辐射
19、功率，辐射入射到一个探测器的敏感元上，探测器输射功率，辐射入射到一个探测器的敏感元上，探测器输出强弱的出强弱的不同。光谱响应度用不同。光谱响应度用R表示，是光电探测器的表示，是光电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（光通量）之比R是常数时，相应探测器称为是常数时，相应探测器称为无选择性探测器无选择性探测器(如光热探测器如光热探测器)，光子探测器则是选择性探测器。，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光电探测器的性能参数3.积分响应度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。
20、对包含有各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，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，所以输出光电流为所以输出光电流为可得积分响应度为可得积分响应度为4.2.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数4. 响应时间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
21、射到光电探测器后或入射辐射遮断后，参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所光电探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需时间称为响应时间响应时间。上升时间和下降时间上升时间和下降时间4.2.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数由于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。测器的响应随入
22、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，其表达式为系，其表达式为5频率响应频率响应一般规定，一般规定，R f下降到下降到可得到放大器的上限截止频率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光电探测器的性能参数信噪比信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载负载电阻电阻RL上上产生的信号功率与噪声功率之比，即产生的信号功率与噪声功率之比，即6信噪比（信噪比（S/N）若用分贝（若
23、用分贝（dB）表示，则为）表示，则为信号功率相同方可比较单个光电探测器，其单个光电探测器，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，有关，若入射辐射强，接收面积大，S/N就大，但性能不一定好就大，但性能不一定好-局限性局限性4.2.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数它它定义为器件在特定带宽内（定义为器件在特定带宽内（1Hz）产生的均方）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、温度等应加以通量，此时，其他参数，如频率、温度等应加以规定。这
24、个参数是在确定光电探测器件的探测极规定。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。限（以输入能量为瓦或流明表示）时使用。7等效噪声输入（等效噪声输入（ENI）4.2.1 光电探测器的性能参数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噪声等效功率（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
25、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光电探测器的性能参数9探测率探测率D与比探测率与比探测率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
26、光电探测器的性能参数“D值大的探测器其探测能力一定好值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。的结论并不充分。主要主要是探测器光敏面积是探测器光敏面积A和测量带宽和测量带宽f对对D值影响甚大。值影响甚大。通常情况下通常情况下 为了比较比较各种探测器的性能，需除去为了比较比较各种探测器的性能，需除去A、 的差别的差别所带来的影响所带来的影响 归一化参数来表示归一化参数来表示 4.2.1 光电探测器的性能参数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。大的探测器其探测能力一定好。考虑到光谱的响应特性，一般给出考虑到光谱的响应特性，一般给出D D* *值时注明值时注明响应波长
27、响应波长、光辐射调制频率、光辐射调制频率f f及测量带宽及测量带宽ff，即即D D*(*(, f ,f , f ,f ) )。4.2.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数10噪声等效带宽噪声等效带宽 噪声等效带宽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光电探测器的性能参数噪声带宽可表示为：11.暗电流暗电流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）
28、。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光电探测器的性能参数12量子效率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。量子流速率量子流速率N为为量子流速率量子流速率N即为每秒入射的光量子数即为每秒入射的光量子数4.2.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数每秒产生的光电子数每秒产生的光电子数量子效率为量子效率为4.2.1 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数13线性度线性度线性度是描述探测器的
29、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光电探测器的性能参数4.2.2 光电探测器的噪声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带跃迁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独立事件，是一种随机的过程。每一
30、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。尤其在出现。尤其在信号较弱信号较弱时，光电探测器的噪声会显著时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。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。的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。4.2.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声按噪声产生的原因，可分为以下几类按噪声产生的原因，可分为以下几类 噪声噪声 外部原因外部原因 内部原因内部原因 人为噪声
31、人为噪声 自然噪声自然噪声散粒噪声散粒噪声 产生复合噪声产生复合噪声 光子噪声光子噪声 热噪声热噪声 低频噪声低频噪声 4.2.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声1、散粒噪声、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）。成的起伏（以光电子发射为例）。由于由于起伏单元是电子电荷量起伏单元是电子电荷量e，故称为，故称为散粒噪声散粒噪声，这种，这种噪声存在于噪声存在于所有所有光电探测器中。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，是流
32、过探测器的平均暗电流，M是探测器的内增益，是探测器的内增益，q是电子电荷电量。是电子电荷电量。4.2.2 光电探测器的噪声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 光电探测器的噪声光电探测器的噪声对光电导探测器，载流子热激发是电子对光电导探测器，载流子热激发是电子空穴对。电子和空穴空穴对。电子和空穴在运动中，
33、与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，在运动中，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。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，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，其其本质也是散粒噪声本质也是散粒噪声，为强调产生和复合两个过程，取名为产生，为强调产生和复合两个过程，取名为产生复合散粒噪声，简称为产生复合散粒噪声，简称为产生复合噪声，记为复合噪声，记为Ig-r和和Vg-r即即2.产生复合噪声产生复合噪声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
34、率很低，且满足2fRL24.3.3 光伏探测器光伏探测器第三象限是反偏压状态。这时第三象限是反偏压状态。这时iD=iS，它是普通二极管，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流中的反向饱和电流，现在称为暗电流(对应于光功率对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流，数值很小，这时的光电流(等于等于i-iS)是流过探测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，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对应于光导工作模式-相应探测器相应探测器-光电二极管。光电二极管。第一象限是正偏压状态，第一象限是正偏压状态，i iD D 本来就很大，所以光电流本来
35、就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。有意义。i+RLVi+V4.3.3 光伏探测器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在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为在第四象限中，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。反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。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这时探测器的输出是通
36、过负载电阻这时探测器的输出是通过负载电阻这时探测器的输出是通过负载电阻R R R RL L上的电压或流过上的电压或流过上的电压或流过上的电压或流过R R R RL L L L上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式-相应相应相应相应探测器探测器探测器探测器-光电池。光电池。光电池。光电池。iRL4.3.3 光伏探测器光伏探测器2两种工作模式的比较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
37、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 光电池是一种不需要加偏压的能把光能直接转换成电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能的pn结光电器件，结光电器件，-采用光伏工作模式的光伏探测器采用光伏工作模式的光伏探测器光电池分类光电池分类测量光电池测量光电池-当作光电探测器使用当作光电探测器使用 太阳能电池太阳能电池-用作电源用作电源 它的工作
38、模式是光伏工作模式它的工作模式是光伏工作模式-光伏电池。光伏电池。4.3.3 光伏探测器光伏探测器太阳能太阳能光电池光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要主要用作向负载提供电源，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转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源，且，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。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
39、。 测量测量光电池光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的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。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、光电开关广泛用于红外辐射探测器、光电开关 4.3.3 光伏探测器光伏探测器如图如图所示，当光作用于所示，当光作用于PNPN结时，耗尽区内的光生电子与结时，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空穴在内建电场力的作用下分别向N N区和区和P P区运动，在闭区运动
40、，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流合的电路中将产生如图所示的输出电流I IL L，且负载电阻，且负载电阻R RL L上产生电压降为上产生电压降为U U。显然，。显然，PNPN结获得的偏置电压结获得的偏置电压U U与光与光电池输出电流电池输出电流I IL L与负载电阻与负载电阻R RL L有关，即有关，即 1）光电池的工作原理）光电池的工作原理当以输出电流的当以输出电流的I IL L为电流和电为电流和电压的正方向时，可以得到如下压的正方向时，可以得到如下图所示的伏安特性曲线。图所示的伏安特性曲线。4.3.3 光伏探测器光伏探测器光电池的伏安特性曲线光电池的伏安特性曲线从曲线可以看出，负从曲
41、线可以看出，负载电阻载电阻RL所获得的功所获得的功率为率为其中，光电池输出电流其中，光电池输出电流IL包括光生电流、扩散电流包括光生电流、扩散电流与暗电流等三部分与暗电流等三部分4.3.3 光伏探测器光伏探测器光电池的等效电路光电池的等效电路2）光电池的等效电路）光电池的等效电路-光电流光电流 -二极管二极管电流流 -p-n-p-n结漏漏电流流 Rsh-等效泄露电阻等效泄露电阻 Cj结电容结电容 Rs引线管芯接触电阻引线管芯接触电阻 RL负载电阻负载电阻 RLUU1RsRshishCjiDi4.3.3 光伏探测器光伏探测器R Rshsh很大，很大，很小，若不很小，若不计影响，影响，则 若将若将
42、R RL L短接，忽略短接，忽略R RS S的影响，则的影响，则U U1 1=0=0（二极管的压），（二极管的压），i iD D=0=0。则流过光电池的短路电流则流过光电池的短路电流 就是光电流就是光电流 表明：光电池在短路工作状态下，光电池的短路电流表明：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 光伏探测器光伏探测器3）短路电流和开路电压）短路电流和开路电压负载电阻负载电阻R RL L所获得的功率所获得的功率P PL L与负载电阻的阻值有关，当与负载电阻的阻
43、值有关，当R RL L=0=0（电路为短路）时，（电路为短路）时，U=U=0 0，输出功率，输出功率P PL L=0=0；当；当R RL L=（电路为开路）时，（电路为开路）时，I IL L= =0 0，输出功率，输出功率P PL L=0=0；在短路和开路两种工作状态，光电池均无电功率输出，在短路和开路两种工作状态，光电池均无电功率输出，当负载电阻为某一当负载电阻为某一Rm时，才得到最大电输出功率时，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 光伏探测器光伏探测器由由 当当RL趋近无穷大时，趋近无穷大时，
44、i=0，光电池输出电压，光电池输出电压U1即开路电压即开路电压 4.3.3 光伏探测器光伏探测器4）光电池的工作特性）光电池的工作特性 （1）光谱特性）光谱特性光电池的光谱特性主要光电池的光谱特性主要由材料决定，材料不同，由材料决定，材料不同，光谱特性不同。光谱特性不同。 由图可见，由图可见，SeSe光电池在可见光范围内具有高的灵敏度，光电池在可见光范围内具有高的灵敏度，峰值响应波长在峰值响应波长在500um500um左右。特别适用于可见光应用。左右。特别适用于可见光应用。SiSi光电池的光谱响应范围要宽，峰值响应波长在光电池的光谱响应范围要宽，峰值响应波长在850um850um左右，可见光和
45、近红外波段都有广泛应用。左右，可见光和近红外波段都有广泛应用。4.3.3 光伏探测器光伏探测器（2）频率特性）频率特性对于光电池来说，由于载流子在对于光电池来说，由于载流子在pn结区内的结区内的扩散扩散漂移，产生与复合都要一定的时间。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：以下几个原因： 1）光敏面积一般做的较大，因而极间结电容）光敏面积一般做的较大，因而极间结电容cj较大，较大，则响应时间变大，给定则响应时间变大，给定RL， 2）光电池工作在第四象限，有较小的正偏压存在，所）光电池工作在第四象限，有较小的
46、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。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。光功率很小时，内阻变大，频率特性变坏。4.3.3 光伏探测器光伏探测器（3）温度特性）温度特性光电池的温度特性曲线主要指光照射光电池时光电池的温度特性曲线主要指光照射光电池时开路电压开路电压Voc与短路电流与短路电流Isc随温度变化的情况。随温度变化的情况。 开路电压与短路电流均随温度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而变化，它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响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。到测量或控制
47、精度等主要指标。当光电池作为测量元件时，最好能保持当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，温度恒定，或采取温度补偿措施或采取温度补偿措施4.3.3 光伏探测器光伏探测器4.3.3 光伏探测器光伏探测器4.3.3 光伏探测器光伏探测器4.3.4 其他光子探测器其他光子探测器光子牵引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HgCdTe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
48、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 其他光子探测器其他光子探测器光电磁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 其他光子探测器其他
49、光子探测器Josephson结探测器结探测器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，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
50、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 热探测器热探测器热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。它
51、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 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 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
52、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 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 物理意义：单位温差所产生的电动势的净增量1 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 （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
53、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 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 （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 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 光辐射入射到导体
54、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，在热结点J1处吸收的热量Q1为1 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 式中12为珀尔帖系数，它与Seebeck系数12有如下关系由于有Q1，会使J1点的温度下降（Td），式中Zt为热
55、结J1处敏感元的热阻。此温度降低量相当于附加一个Seebeck电势Vp因此，总的电势应等于：由入射辐射使J1升温而产生的电势V0与珀尔帖效应引起的电势之和Rd为探测器电阻，RL为负载电阻1 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 由上式可得上式表明，珀尔帖效应相当于在电路中加了一个动态电阻Rdn由上式可得若敏感面上入射功率为P，敏感面表面的吸收率为，则在敏感面上的稳定状态时的热流平衡方程为1 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 将上式代入，得在求开路电压时，可不涉及珀尔帖效应，此时温升可用T0表示探测器对常值入射辐射功率P的响应率R为为得到更高的响应率，应选择具有高值12的温差电偶臂的材料，光
56、敏面具有高的吸收率。1 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 增大热阻也将可以成比例地增大响应率。对传导性热传输，热阻Zt为增大温差电偶臂L、减小热导系数k和电偶臂界面A均可以增大Zt，从而增大温差电偶的响应率。为研究温差电偶的动态响应，设输入辐射为P，此时敏感面结点J1系统的热流动平衡方程为（未计珀尔帖效应）Cd为热容。若P为一阶跃量P0，解上面的一阶线性微分方程，可得其解为式中，CdZt为时间常数，要增加系统快速响应，就要减小时间常数；要增大热阻Zt，就要减小敏感元件与周围环境的热交换。1 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 为了研究温差电偶系统对交变的输入量的影响，将热流动平衡方程写为
57、：式中，CdZt，PZtP由自动控制原理可知，它们的传递函数为其频率特性为1 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 其幅频特性为其对数幅频特性为1 温差温差热电偶和热电堆热电偶和热电堆 温差电堆示意图将若干个热电偶串联构成热电堆。优点：每个节上产生的电压相加提高输出电压；串联连接使热电偶电阻增加，易于放大器匹配；串联连接还可降低热电偶的相应时间。2 测测辐射热计辐射热计测辐射热计是利用入射辐射使敏感元件的温度提高后从而使电阻随之改变而测出辐射的热探测器。对温度敏感的电阻（也称热敏电阻）材料有两类，一类是金属材料；另一类是半导体材料。材料电阻随温度的变化可用下式表示式中T称为材料的电阻温度系数。
58、金属材料的与温度成反比在室温下金属材料的T0.0033。半导体材料与T2成反比而为2 测测辐射热计辐射热计测辐射热计原理图由两个相同的热敏电阻R1和R2和两个负载电阻构成桥式电路，两个热敏电阻中的一个作为热辐射接收元件，另一个作为环境温度补偿元件2 测测辐射热计辐射热计在无入射辐射时，电桥平衡，输出电压V=0。此时当R1受到辐射时，会产生温升T，阻值变化R，此时电桥不平衡，输出信号电压V为式中U为电源电压。在辐射量不大时，若选择四个电阻的阻值相同，则上式变为3 热热释电探测器释电探测器 根据结构的对称性，晶体可分为32类，在这32类中有20类属于压电晶体，有10个具有唯一的极性轴，称为极性晶体
59、。对压电晶体施加压力能够产生电极化。极性晶体在外电场和外加压力均为零的情况下，晶体内正负电荷中心并不重合而出现电偶极矩，因而也就具有自发电极化。单位体积内产生的自发偶极矩称为自发极化强度矢量，常用Ps表示。又因为Ps是温度的函数，故极性晶体也称为热释电晶体。晶体的这种性质也被称为热释电效应。3 热热释电探测器释电探测器 在通常情况下，这些束缚电荷不表现出电性，因为它被表面吸附的杂散电荷和通过自身导电作用引进的自由电荷所中和，即当温度变化时，由于Ps的弛豫时间很小（约1ps），1、2就跟不上通常应用条件下温度的变化，此时晶体表面的电中性条件被破坏，表面呈现带电现象，就在外电路中产生电流。即3 热热释电探测器释电探测器 a）温度不变束缚电荷与吸附电荷相平衡；b）温度变化时电荷不平衡；c）温度变化时的等效电荷温度变化时的热释电现象3 热热释电探测器释电探测器 如果在沿垂直于极化强度Ps方向将晶体切成薄片，在其两表面沉淀金属电极时，随着入射辐射的变化，晶体片温度也会变化，它的两个电极间就会出现一个电压VsA是金属电极的面积，R0是晶体薄片的电阻，p是热释电系数。e是时间常数。
