光电信号检测光电信号检测 第二章第二章 光电探测器概述光电探测器概述9/19/20241 §2§2－－1 1 发展简况与分类发展简况与分类一、发展简述一、发展简述Ø最早最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探热探测器测器其中，热电偶早在其中，热电偶早在1826年年就已发明出来就已发明出来Ø从上世纪五十年代开始人们对从上世纪五十年代开始人们对热释电探测器热释电探测器进行了一系列研进行了一系列研究工作，发现它具有许多独特的优点，因此近年来有关热释究工作，发现它具有许多独特的优点，因此近年来有关热释电探测器的研究工作特别活跃，发展异常迅速电探测器的研究工作特别活跃，发展异常迅速Ø1970年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引光子牵引探测器探测器Ø八十年代中期，出现了利用掺杂的八十年代中期，出现了利用掺杂的GaAs／／AlGaAs材料、基材料、基于导带跃迁的新型光探测器于导带跃迁的新型光探测器——量子阱探测器量子阱探测器这种器件工这种器件工作于作于8—12μm波段，工作温度为波段，工作温度为77K。
由于这种器件在军事由于这种器件在军事和民用中的重要性，发展非常迅速和民用中的重要性，发展非常迅速9/19/20242 Ø随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动了了阵列阵列(线阵和面阵线阵和面阵)光辐射探测器的发展光辐射探测器的发展Ø目前，光电探测器的另一个发展方向是目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化集成化，，即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片上这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、上这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、提高稳定性并便于装配到系统中去提高稳定性并便于装配到系统中去Ø电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要方也是近年来研究的一个重要方面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测器面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测器阵列与阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输器件结合起来，可实现信息的传输9/19/20243 光电子效应光电子效应————大多数是半导体材料大多数是半导体材料–内光电效应内光电效应：： 基于光电导、光伏特和光电磁效应，基于光电导、光伏特和光电磁效应，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，材料中出在吸收了大于红外波长的光子能量以后，材料中出现光生自由电子和空穴的现象称为内光电效应。
现光生自由电子和空穴的现象称为内光电效应–外光电效应：外光电效应： 基于光电子发射效应，在吸收了大于基于光电子发射效应，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，材料中的电子逸出材料红外波长的光子能量以后，材料中的电子逸出材料表面的现象称为外光电效应表面的现象称为外光电效应二、二、光电探测器分类光电探测器分类按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光子效应的子效应的光子探测器光子探测器，另一类是利用温度变化效应的，另一类是利用温度变化效应的热探热探测器9/19/20244 分类分类效应效应探测器探测器光光电电探探测测器器光光子子探探测测器器外光外光电效电效应应光电子发射效应光电子发射效应光电管光电管光电子倍增效应光电子倍增效应光电倍增管、像增强管光电倍增管、像增强管内光内光电效电效应应光电导效应光电导效应光敏电阻光敏电阻光生伏特效应光生伏特效应光电池、光电二极管、光电三极管、雪崩光电池、光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、肖特基势垒光电二极管等光电二极管、肖特基势垒光电二极管等光磁电效应光磁电效应光电磁探测器光电磁探测器热热探探测测器器热释电效应热释电效应热释电探测器热释电探测器温差电效应温差电效应热电偶、热电堆热电偶、热电堆测辐射热效应测辐射热效应热敏电阻热敏电阻9/19/20245 1 1．光子探测器．光子探测器•在光电探测器的发展中，最受重视的是入在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料中的电子发生各种相互作用射光子和材料中的电子发生各种相互作用的的光电子效应光电子效应。
•几乎所有情况下，所用的材料都是半导体几乎所有情况下，所用的材料都是半导体在众多的光电子效应中，只有在众多的光电子效应中，只有光电子发射光电子发射效应效应、、光电导效应光电导效应、、光生伏特效应光生伏特效应和和光电光电磁效应磁效应得到广泛的应用得到广泛的应用9/19/20246 (1)(1)光电子发射探测器光电子发射探测器 •利用光电子发射效应的制成探测器称为光电子发射探测器利用光电子发射效应的制成探测器称为光电子发射探测器•光电子发射效应也称光电子发射效应也称外光电效应外光电效应入射辐射的作用是使电子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，即产生光电子发射从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射•条件：条件：产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功因此，光电子发射有个功因此，光电子发射有个长波限长波限，光子能量，光子能量hc／／λ 低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射阳极接收光电低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。
•主要有主要有真空光电管真空光电管、、充气光电管充气光电管和和光电倍增管光电倍增管应用最广的应用最广的是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号流增益，能检测极微弱的光辐射信号•波段：波段：可见光和近红外（可见光和近红外（μmμm））•特点：特点：响应快、灵敏度高响应快、灵敏度高9/19/20247 •光电导效应：入射辐射与光电导效应：入射辐射与晶格原子晶格原子或或杂质原子杂质原子的的束缚电子束缚电子相互作用，产生自由电子－空穴对（本征光电导）、自由相互作用，产生自由电子－空穴对（本征光电导）、自由电子或空穴（非本征光电导），从而使半导体材料的电导电子或空穴（非本征光电导），从而使半导体材料的电导增加的效应增加的效应•本征光电导：本征光电导： λ0：长波限（截止波长）；：长波限（截止波长）；Eg：禁带宽度：禁带宽度（（2 2）光电导探测器）光电导探测器导带导带价带价带光激发光激发电子电子空穴空穴本征光电导本征光电导本征光电导本征光电导9/19/20248 •非本征光电导非本征光电导：当入射光子没有足够能量产生自由电子一：当入射光子没有足够能量产生自由电子一空穴对，但能激发杂质中心时，激发产生自由电子空穴对，但能激发杂质中心时，激发产生自由电子(n型半型半导体导体)或自由空穴或自由空穴(p型半导体型半导体)，便形成非本征光电导或称，便形成非本征光电导或称杂质光电导。
杂质光电导•非本征光电导的长波限是非本征光电导的长波限是 •Ei：杂质电离能：杂质电离能导带导带价带价带光激发光激发电子电子空穴空穴受主能级受主能级施主能级施主能级非本征光电导非本征光电导非本征光电导非本征光电导9/19/20249 •可见光及近红外波段的光电导探测器可在室温可见光及近红外波段的光电导探测器可在室温(295K)下工下工作；作；•长波限较长长波限较长(4～～5μm)的探测器，需要致冷到干冰温度的探测器，需要致冷到干冰温度(195K)；；•许多种光电导探测器，需要致冷到液氮温度许多种光电导探测器，需要致冷到液氮温度(77K)；；•工作在工作在8～～14μm大气窗口的光电导探测器都要致冷到大气窗口的光电导探测器都要致冷到77K；；•长波限更长的探测器要求在更低的温度下工作，如长波限更长的探测器要求在更低的温度下工作，如Ce：：Au非本征光电导探测器要求非本征光电导探测器要求60K的工作环境的工作环境•结论：长波限越长，工作温度越低结论：长波限越长，工作温度越低光电导探测器应用的光电导探测器应用的电路电路：入射：入射辐射使光电导探测器的电导发生辐射使光电导探测器的电导发生变化，从而在负载两端产生随入变化，从而在负载两端产生随入射辐射变化的输出信号。
射辐射变化的输出信号9/19/202410 •内光电效应内光电效应•光生伏特效应：半导体材料受光照射产生电动势的现象光生伏特效应：半导体材料受光照射产生电动势的现象•类型：类型： （几乎都是本征型）（几乎都是本征型）–光电二极管光电二极管–雪崩光电二极管雪崩光电二极管–pn结、结、pin结、肖特基势垒等结、肖特基势垒等•材料：与光电导探测器基本相同材料：与光电导探测器基本相同3 3）光伏探测器）光伏探测器9/19/202411 •原理：原理：当入射光子在当入射光子在p—n结及其附近产生电子－结及其附近产生电子－空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子漂移到漂移到n区，空穴漂移到区，空穴漂移到p区如果在外电路中把区如果在外电路中把p区和区和n区短接，就产生反向的短路信号电流假区短接，就产生反向的短路信号电流假若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在n区和区和p区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应应，简称光伏效应9/19/202412 •结型光伏探测器工作时可结型光伏探测器工作时可不加偏不加偏置电置电压压。
•如果如果加上加上反向反向偏压偏压，则入射辐射会使反向电流增加，，则入射辐射会使反向电流增加，这时观测到的光电信号是光电流加偏压工作的探这时观测到的光电信号是光电流加偏压工作的探测器也常称作光电二极管测器也常称作光电二极管•光电二极管的伏安特性曲线如图在图中标注了开光电二极管的伏安特性曲线如图在图中标注了开路光电压和短路光电流以说明两种不同的工作状态路光电压和短路光电流以说明两种不同的工作状态入射辐射入射辐射入射辐射入射辐射光信号光信号光信号光信号电流电流 I暗电流暗电流饱和电流饱和电流光电流光电流无光照无光照电压电压V开路电压开路电压短路光电压短路光电压9/19/202413 (4) (4)光电磁探测器光电磁探测器 •原理原理：能量足够的光子入射到半导体样品上，通过本征吸收：能量足够的光子入射到半导体样品上，通过本征吸收而产生电子一空穴对，在半导体样品内形成光生载流子浓度而产生电子一空穴对，在半导体样品内形成光生载流子浓度梯度，于是光生载流子将从浓度大的表面向浓度小的体内扩梯度，于是光生载流子将从浓度大的表面向浓度小的体内扩散在扩散过程中光生载流子切割磁力线由于带相反电荷散在扩散过程中光生载流子切割磁力线。
由于带相反电荷的电子和空穴朝相同的方向运动以及磁场产生的洛伦兹力的的电子和空穴朝相同的方向运动以及磁场产生的洛伦兹力的作用，电子和空穴分别向样品的两端偏转，于是在样品两端作用，电子和空穴分别向样品的两端偏转，于是在样品两端产生累积电荷，从而建立起一个电场产生累积电荷，从而建立起一个电场•即在材料的两端产生电势差由即在材料的两端产生电势差由于这个电势差是光与磁同时作用于这个电势差是光与磁同时作用而产生的，故称其为光电磁效应而产生的，故称其为光电磁效应根据这个效应制作的探测器是光根据这个效应制作的探测器是光电磁探测器电磁探测器•因这种探测器工作时必须使用磁因这种探测器工作时必须使用磁场，使用很不方便，因此应用不场，使用很不方便，因此应用不如前面几种广泛如前面几种广泛入射辐射入射辐射B B- -+ +9/19/202414 光子探测器的特点光子探测器的特点•是一种是一种选择性探测器选择性探测器，要产生光子效应，光子的，要产生光子效应，光子的能量要超过某一确定的值，即能量要超过某一确定的值，即光子的波长要短于光子的波长要短于长波限长波限波长长于长波限的入射辐射不能产生所波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应，因而也就不能被探出来。
需的光子效应，因而也就不能被探出来•波长短于长波限的入射辐射，波长短于长波限的入射辐射，当功率一定时，波长越短，当功率一定时，波长越短，光子数就越少因此理论上光子数就越少因此理论上光子探测器的光子探测器的响应率响应率( (即单位即单位辐射功率所产生的光信号辐射功率所产生的光信号) )应应与与波长成正比波长成正比响应率响应率波长波长9/19/202415 2 2．热探测器．热探测器•光热效应光热效应：材料吸收了光辐射能量以后温度升高的：材料吸收了光辐射能量以后温度升高的现象称为光热效应现象称为光热效应•原理原理：入射光辐射与物质中的：入射光辐射与物质中的晶格晶格相互作用，晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加因吸收光能而增加振动能量振动能量，这又引起物质的温度，这又引起物质的温度上升，从而导致与温度有关的材料的某些上升，从而导致与温度有关的材料的某些物理性质物理性质的变化的变化这与光子将能量直接转移给电子的光电效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应有本质的不同•光热效应与入射辐射的光子的性质没有关系因此，光热效应与入射辐射的光子的性质没有关系因此，热效应一般热效应一般与波长无关与波长无关，即光电信号，即光电信号取决于入射辐取决于入射辐射功率射功率而与入射辐射的光谱成份无关，即对光辐射而与入射辐射的光谱成份无关，即对光辐射的响应无波长选择性，这是假定了辐射的吸收机理的响应无波长选择性，这是假定了辐射的吸收机理本身与波长无关，在大多数情况下，这一假定并不本身与波长无关，在大多数情况下，这一假定并不严格成立。
严格成立9/19/202416 •光热效应可以产生光热效应可以产生温差电效应温差电效应、、电阻率变化电阻率变化效应效应、、自发极化强度的变化效应自发极化强度的变化效应、、气体体积气体体积和压强的变化效应和压强的变化效应等等，利用这些效应可制等等，利用这些效应可制作各种热探测器作各种热探测器•热探测器的特点：热探测器的特点：–无光谱选择性无光谱选择性–不需制冷不需制冷–响应慢响应慢–噪声限制噪声限制 9/19/202417 •温差电效应温差电效应：当由两种不同材料制成的两个结点：当由两种不同材料制成的两个结点出现温差时，在该两点间就有电动势产生，通过出现温差时，在该两点间就有电动势产生，通过该两点的闭合回路中就有电流流过，这就是温差该两点的闭合回路中就有电流流过，这就是温差电效应•温差电势温差电势：在用不同的导体或半导体组成的具有：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，这就是温温度梯度的电路中，会有电动势产生，这就是温差电势•原理：光辐射入射原理：光辐射入射→→温度梯度温度梯度→→温差电势温差电势•型式：热电偶和热电堆型式：热电偶和热电堆(1)(1)测辐射温差热电偶和热电堆测辐射温差热电偶和热电堆9/19/202418 •原理：原理：当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低。
从材料电阻变增加，而半导体材料的电阻会降低从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率利用材料的电阻变化可测定被吸收的光辐射功率利用材料的电阻变化制成的热探测器化制成的热探测器就是电阻测辐射热器就是电阻测辐射热器•用电阻温度系数用电阻温度系数 表征电阻的变化表征电阻的变化•对金属：对金属：•对半导体：对半导体： (2)(2)电阻测辐射热器电阻测辐射热器9/19/202419 •半导体材料的半导体材料的ααT T是负值，其绝对值大于金属材料的是负值，其绝对值大于金属材料的ααT T值当T＝＝300K，半导体材料的，半导体材料的ααT T值约为值约为•－，比金属材料的－，比金属材料的ααT T值大一个数量级值大一个数量级•低温超导探测器低温超导探测器•材料在超导转变温度下的电阻值随温度的变化很大材料在超导转变温度下的电阻值随温度的变化很大材料吸收光辐射后产生的材料吸收光辐射后产生的微小温升微小温升就将引起样品就将引起样品电阻电阻的显著变化的显著变化这种变化可以产生相当大的输出信号电这种变化可以产生相当大的输出信号电压•由于使样品保持在超导转变温度下的由于使样品保持在超导转变温度下的系统系统相当相当复杂复杂，，因而目前还因而目前还没有没有这类可供这类可供实用的探测器实用的探测器。
9/19/202420 •热释电晶体热释电晶体：具有自发极化的特性，其自发极化：具有自发极化的特性，其自发极化强度随温度升高而下降的晶体强度随温度升高而下降的晶体•温度升高，自发极化强度减小温度升高，自发极化强度减小3 3）热释电探测器）热释电探测器•当温度当温度T等于某一特定温度等于某一特定温度Tc时，极化晶体的自发时，极化晶体的自发极化强度为零，此称极化晶体发生极化强度为零，此称极化晶体发生相变相变或或退极化退极化极化晶体的相变分为一级相变和二极相变极化晶体的相变分为一级相变和二极相变Tc称称为居里温度为居里温度一级相变一级相变二级相变二级相变9/19/202421 •热电介质热电介质：无外加电场的作用而具有电矩，且温度：无外加电场的作用而具有电矩，且温度变化时电矩的极性改变的介质变化时电矩的极性改变的介质•热电－热电－铁电体铁电体：外加电场能使自发极化矢量方向趋：外加电场能使自发极化矢量方向趋同，去掉外电场后，其极化特性保持不变的热电介同，去掉外电场后，其极化特性保持不变的热电介质叫质叫热电－热电－铁电体铁电体热释电探测器就是用这种热电热释电探测器就是用这种热电－铁电体制成的－铁电体制成的。
•机理机理：： 当强度调制过的光辐射投射到热释电晶体当强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发电极化强度随时间的变化，结果在上时，引起自发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，因此可测定所吸收的光辐射功率化的信号电压，因此可测定所吸收的光辐射功率热探测器的特点：热探测器的特点：无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制9/19/202422 §2§2－－2 2 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数一、一、 光电探测器工作条件光电探测器工作条件•光电探测器的性能参数与其工作条件密切相光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，所以在给出性能参数时，要注明有关的关，所以在给出性能参数时，要注明有关的工作条件只有这样，光电探测器才能互换工作条件只有这样，光电探测器才能互换使用9/19/202423 1．辐射源的光谱分布．辐射源的光谱分布•很多光电探测器，特别是光子探测器，其很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应响应是辐射是辐射波长的波长的函数函数，仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。
仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出•所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布用辐射源的光谱分布•因因噪声噪声限制了探测器的极限性能，噪声电压或电流均正比于限制了探测器的极限性能，噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，而且有些噪声还是频率的函数所以在描述带宽的平方根，而且有些噪声还是频率的函数所以在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽探测器的性能时，必须明确通频带和带宽3．工作温度．工作温度 •许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，无论是信许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系所以必须明确工作号还是噪声，都和工作温度有密切关系所以必须明确工作温度最通用的工作温度是：室温温度最通用的工作温度是：室温(295K)、干冰温度、干冰温度(195K)、、液氮温度液氮温度(77K)、液氦温度、液氦温度(4.2K)以及液氢温度以及液氢温度(20.4K)9/19/202424 4 4．光敏面尺寸．光敏面尺寸 •探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探测器的信号噪声比与光敏面积的平方根成比例。
探测器的信号噪声比与光敏面积的平方根成比例参考面积一般为参考面积一般为1cm25 5．偏置情况．偏置情况 •大多数探测器需要某种形式的偏置例如光电导大多数探测器需要某种形式的偏置例如光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流偏置电源，光探测器和电阻测辐射热器需要直流偏置电源，光电磁探侧器的偏置是磁场信号和噪声往往与偏电磁探侧器的偏置是磁场信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要说明偏置的情况置情况有关，因此要说明偏置的情况6. 6. 光学视场光学视场7. 7. 背景温度（红外）背景温度（红外）9/19/202425 二、有关响应方面的性能参数二、有关响应方面的性能参数 1 1．响应率（响应度．响应率（响应度) )Rv或或RI •响应率是描述探测器响应率是描述探测器灵敏度灵敏度的参量它表征探测的参量它表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数器输出信号与输入辐射之间关系的参数•定义为光电探测器的输出均方根电压定义为光电探测器的输出均方根电压VS或电流或电流IS与入射到光电探测器上的与入射到光电探测器上的平均平均光功率之比，并分光功率之比，并分别用别用RV 和和RI 表示，即表示，即(V/W)(A/W)9/19/202426 2 2．单色灵敏度．单色灵敏度 •单色灵敏度又叫光谱响应度，用单色灵敏度又叫光谱响应度，用Rλ表示，是光电探测器的表示，是光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上输出电压或输出电流与入射到探测器上单色单色辐射通量辐射通量( (光光通量通量) )之比。
即之比即 (V/W)(A/W)9/19/202427 3 3．积分响应度．积分响应度 •积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应程度积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应程度•式中，式中，λλ0 0、、λλ1 1分别为光电探测器的长波限和短波限分别为光电探测器的长波限和短波限提供数据时应指明采用的辐射源及其色温提供数据时应指明采用的辐射源及其色温9/19/202428 4 4．响应时间．响应时间 •响应时间响应时间：：是描述光电探测器对入射辐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响应时间照射前的值所需时间称为响应时间•为衡量其长短，常用时间常数为衡量其长短，常用时间常数ττ的大小的大小来表示当用一个辐射脉冲（方波）照来表示当用一个辐射脉冲（方波）照射光电探测器，则光电探测器的输出由射光电探测器，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从于器件的惰性而有延迟，把从1010％上升％上升到到9090％峰值处所需的时间称为探测器的％峰值处所需的时间称为探测器的上升时间上升时间，而把从如，而把从如9090％下降到％下降到1010％处％处所需的时间称为所需的时间称为下降时间下降时间。
9/19/202429 5. 5. 频率响应频率响应•由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的程，所以入射光辐射的调制频率调制频率对光电探测器的响应对光电探测器的响应有较大的影响有较大的影响•定义定义：光电探测器的响应随入射辐射的：光电探测器的响应随入射辐射的调制频率调制频率变化变化而变化的特性称为频率响应，其表达式为而变化的特性称为频率响应，其表达式为•式中，式中，R(f )为频率是为频率是 f 时的响应度；时的响应度；R0为频率是零时为频率是零时的响应度；的响应度；τ＝＝RC为时间常数为时间常数9/19/202430 •当当R(f ) ／／ R0＝＝时，可得时，可得光电探测器的光电探测器的上限截上限截止频率止频率•时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽 R( f )/RR( f )/R0 01 10.7070.707R R0 0f f上上上上f f9/19/202431 三、有关噪声方面的参数三、有关噪声方面的参数•从响应度的定义来看，好像只要有光辐射存在，不从响应度的定义来看，好像只要有光辐射存在，不管它的功率如何小，都可探测出来。
但事实并非如管它的功率如何小，都可探测出来但事实并非如此•当入射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信当入射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法确定是否有光辐射入射在探测器上号，而无法确定是否有光辐射入射在探测器上•这并不是探测器不好引起的，而是它所固有的这并不是探测器不好引起的，而是它所固有的““噪噪声声””引起的•如果对这些随时间起伏的电压如果对这些随时间起伏的电压( (流流) )按时间取平均值，按时间取平均值，则则平均值等于零平均值等于零但这些值的但这些值的均方根不等于零均方根不等于零，这，这个均方根电压个均方根电压( (流流) )称为探测器的称为探测器的噪声电压噪声电压( (流流) )•噪声的特点噪声的特点：固有；探测极限；平均为零；均方根：固有；探测极限；平均为零；均方根不为零9/19/202432 1. 1. 信噪比（信噪比（S/N））•信噪比是判定噪声大小通常使用的参数，是在负信噪比是判定噪声大小通常使用的参数，是在负载电阻载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即上产生的信号功率与噪声功率之比，即•与入射辐射功率、光敏面积有关与入射辐射功率、光敏面积有关•如果入射辐射强，接收面积大，如果入射辐射强，接收面积大，S／／N就大，但性就大，但性能不一定就好。
因此用能不一定就好因此用 S／／N 评价器件有一定的评价器件有一定的局限性局限性9/19/202433 2 2．等效噪声输入．等效噪声输入( (ENI) ) •它定义为器件在特定带宽内它定义为器件在特定带宽内( (1Hz) )产生的均方根信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）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这个参数是在确定光电探测器件的探测极限探测极限( (以输以输入通量为瓦或流明表示入通量为瓦或流明表示) )时使用9/19/202434 3. 3. 噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）（最小可探测功）（最小可探测功率率Pmin））•NEP定义定义为信号功率与噪声功率之比为为信号功率与噪声功率之比为1 1（即（即S/ /N＝＝1）时，入射到探测器上的辐射通量）时，入射到探测器上的辐射通量( (单位为单位为W) )即•NEP越小，噪声越小，器件的性能越好越小，噪声越小，器件的性能越好•一般一个良好的探测器的一般一个良好的探测器的NEP＝＝10－－11 W。
•仅用仅用NEP这个指标，无法比较两个器件的优劣这个指标，无法比较两个器件的优劣 ————有局限性有局限性9/19/202435 4. 4. 探测率探测率D和比探测率和比探测率( (D*) )•NEP的倒数，的倒数，D越大，光电探测器的性能就越好越大，光电探测器的性能就越好描述光电探测器在它的噪声电平之上产生一个可观描述光电探测器在它的噪声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，则其探测率越高功率越小，则其探测率越高实验测量和理论分析表明，噪声电压实验测量和理论分析表明，噪声电压VN与光电探测器光敏与光电探测器光敏面积面积Ad的平方根成正比，与测量带宽的平方根成正比，与测量带宽Δf 的平方根成正比的平方根成正比9/19/202436 •比探测率比探测率( (D*) ) •归一化的归一化的探测率称为比探测率探测率称为比探测率（测量带宽（测量带宽1Hz，，光敏面积为光敏面积为1cm2））D*与与RV 的关系的关系9/19/202437 5 5．．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时所流过的电流( (加电源时加电源时) )。
•一般测量其直流值或平均值一般测量其直流值或平均值9/19/202438 四、其它参数四、其它参数1. 1. 量子效率量子效率η•量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它是在某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一特定波长上每秒钟内产生的光电子数每秒钟内产生的光电子数与与入射光量子数入射光量子数之之比•每秒入射光量子数：每秒入射光量子数： •每秒产生的光电子数：每秒产生的光电子数：•于是：于是：•若若ηη(λ)(λ)＝＝1(1(理论上理论上) )，则入射一个光量子就能发射一个电子或产，则入射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子一空穴对；生一对电子一空穴对；•实际上，实际上， η(λ) <1•对于有增益的光电探测器对于有增益的光电探测器( (如光电倍增管等如光电倍增管等) )，，ηη(λ)(λ)会远大于会远大于1 19/19/202439 2 2．线性度．线性度•线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线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输出信号与与输入信号输入信号保持保持线性关系线性关系的的程度程度即在规定的范围内，探即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。
在这规定测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能在这规定的范围内，探测器的响应度是常数，这一规定的范围称为的范围内，探测器的响应度是常数，这一规定的范围称为线性区•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，通常用非线性误差线接近拟合直线的程度，通常用非线性误差δδ来度量来度量•式中式中ΔΔmax为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；I1、、I2分别为线性区中最小和最大的响应值分别为线性区中最小和最大的响应值9/19/202440 §2§2－－3 3 噪声的统计特性噪声的统计特性•噪声是限制光电系统性能的决定性因素，噪声是限制光电系统性能的决定性因素，是光电信号检测中的不利因素是光电信号检测中的不利因素•噪声始终存在于光电探测系统的工作过程噪声始终存在于光电探测系统的工作过程中•了解和掌握噪声的统计特性，从而采用有了解和掌握噪声的统计特性，从而采用有效的措施对光电信号进行处理，把淹没于效的措施对光电信号进行处理，把淹没于噪声中的光信号提取出来噪声中的光信号提取出来9/19/202441 一、噪声的概率分布一、噪声的概率分布•噪声是一种随机信号，任何时刻都不能预知其精确噪声是一种随机信号，任何时刻都不能预知其精确大小。
大小散粒噪声、热噪声、产生－复合噪声、温度噪声、散粒噪声、热噪声、产生－复合噪声、温度噪声、电流噪声电流噪声））tvN(t)9/19/202442 •用数学语言描述，噪声是一种连续型随机用数学语言描述，噪声是一种连续型随机变量，即它在某一时刻可能出现各种可能变量，即它在某一时刻可能出现各种可能数值•噪声电压噪声电压vN ( t )在在 t 时刻的大小只能用概率时刻的大小只能用概率密度密度p(vN)表示，它表示噪声电压表示，它表示噪声电压vN( t )在在 t 时刻取值为时刻取值为vN的概率9/19/202443 二、噪声的功率谱密度二、噪声的功率谱密度•噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度——噪声功率的频谱分布，用噪声功率的频谱分布，用SN( f )表示表示 为在频域（为在频域（f，，f＋＋Δf）之间噪声频谱分）之间噪声频谱分量的平均功率量的平均功率 SN( f )的单位：的单位：A2/Hz9/19/202444 f/Hz1013~1014低频噪声低频噪声白噪声白噪声SN(f)高频噪声高频噪声•SN(f )常数常数——白噪声；白噪声；SN(f )不是常数不是常数——有色噪声有色噪声9/19/202445 •噪声功率噪声功率 可由噪声功率谱密度可由噪声功率谱密度SN( f )在在频域上积分得到频域上积分得到 •一般光电系统中，噪声受放大器带宽（一般光电系统中，噪声受放大器带宽（ f1 ，，f2 ）限制）限制9/19/202446 §2§2－－4 4 光电探测器的噪声光电探测器的噪声•散粒噪声散粒噪声•热噪声热噪声•产生－复合噪声产生－复合噪声•温度噪声温度噪声•电流噪声电流噪声9/19/202447 一、散粒噪声一、散粒噪声•散粒噪声是由于光电探测器在光辐射作用或热激发下，散粒噪声是由于光电探测器在光辐射作用或热激发下，光电子或载流子随机产生光电子或载流子随机产生所造成的噪声。
所造成的噪声是一个一个的是一个一个的带电粒子或电子引起的随机起伏带电粒子或电子引起的随机起伏 •若若 为暗电流为暗电流Id，则无光照时的暗电流噪声功率为：，则无光照时的暗电流噪声功率为：•若若 为光辐射产生的平均光电流为光辐射产生的平均光电流Ip，则光辐射的，则光辐射的散粒噪声散粒噪声为：为： （白噪声）（白噪声）9/19/202448 二、热噪声二、热噪声•热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的任何有电路的材料都有热噪声任何有电路的材料都有热噪声 •例：室温下，例：室温下，R＝＝1kΩ，，ΔΔf＝＝1 1Hz —— ——•若若Δf ＝＝500kHz，放大器增益为，放大器增益为104倍倍 — —•制冷的原因制冷的原因（白噪声）（白噪声）玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数9/19/202449 三、产生－复合噪声三、产生－复合噪声•半导体半导体中由于载流子产生与复合的随机性而引起中由于载流子产生与复合的随机性而引起的载流子平均浓度的起伏所产生的，又称的载流子平均浓度的起伏所产生的，又称g－－r噪噪声。
声• •τ0 载流子平均寿命；载流子平均寿命；τd ：渡越时间；：渡越时间；• 内增益内增益G＝＝ττ0 0/ /ττd（白噪声）（白噪声）9/19/202450 四、温度噪声四、温度噪声•温度噪声是温度噪声是无辐射无辐射存在时，探测器在某一温度存在时，探测器在某一温度T0附近呈附近呈现一个小的起伏引起的噪声现一个小的起伏引起的噪声 •G为热导系数为热导系数•温度噪声限制了热探测器所能探测的最小辐射能量。
温度噪声限制了热探测器所能探测的最小辐射能量白噪声）（白噪声）9/19/202451 五、电流噪声五、电流噪声（低频噪声、（低频噪声、1/1/f 噪声、闪烁噪声、过剩噪噪声、闪烁噪声、过剩噪声）声）•电流噪声是电流起伏引起的噪声，其特点是噪声功率谱密电流噪声是电流起伏引起的噪声，其特点是噪声功率谱密度与频率成度与频率成反比反比（（有色噪声有色噪声），电流噪声均方值为），电流噪声均方值为 • k1比例系数；比例系数；• a与器件有关（与器件有关（，一般为，一般为 1）；）；• b与电流有关（一般为与电流有关（一般为2））• 低频噪声（小于低频噪声（小于1kHz））f/Hz低频噪声低频噪声SN(f)1kHz9/19/202452 。