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1、光电信号检测,第二章 光电探测器概述,21 发展简况与分类,一、发展简述最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探测器。其中，热电偶早在1826年就已发明出来。从上世纪五十年代开始人们对热释电探测器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电探测器的研究工作特别活跃，发展异常迅速。1970年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引探测器。八十年代中期，出现了利用掺杂的GaAsAlGaAs材料、基于导带跃迁的新型光探测器量子阱探测器。这种器件工作于812m波段，工作温度为77K。由于这种器件在军事和民用中的重要性，发展非常迅速。,随着激光与红外技术的发展，
2、在许多情况下单个光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化，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、提高稳定性并便于装配到系统中去。电荷耦合器件(CCD)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、将光辐射探测器阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输。,光电子效应大多数是半导体材料内光电效应：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：基于光电子发射效应，在吸收了大于红外波
3、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。,二、光电探测器分类,按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光子效应的光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探测器。,1光子探测器,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的光电子效应。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，只有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应和光电磁效应得到广泛的应用。,(1)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外光电效应。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
4、子发射。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功。因此，光电子发射有个长波限，光子能量hc 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。主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。波段：可见光和近红外（1.25m）特点：响应快、灵敏度高,光电导效应：入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，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增加的效应。本征光电导：0：长波限（截止波长）
5、；Eg：禁带宽度,（2）光电导探测器,非本征光电导：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(n型半导体)或自由空穴(p型半导体)，便形成非本征光电导或称杂质光电导。非本征光电导的长波限是 Ei：杂质电离能,可见光及近红外波段的光电导探测器可在室温(295K)下工作；长波限较长(45m)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(77K)；工作在814m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Ce：Au非本征光电导探测器要求60K的工作环境。结论：长波限越长，工作温度越低。
6、,光电导探测器应用的电路：入射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射辐射变化的输出信号。,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。类型：（几乎都是本征型）光电二极管雪崩光电二极管pn结、pin结、肖特基势垒等材料：与光电导探测器基本相同。,（3）光伏探测器,原理：当入射光子在pn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，电子漂移到n区，空穴漂移到p区。如果在外电路中把p区和n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n区和p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。,结型光伏探测器工作时可不
7、加偏置电压。如果加上反向偏压，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,光信号,光信号,电流 I,暗电流,饱和电流,光电流,无光照,电压V,开路电压,短路光电压,(4)光电磁探测器,原理：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。由于带相反电荷的电子和空穴朝相同的方向运动以及磁场产生的洛
8、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。根据这个效应制作的探测器是光电磁探测器。因这种探测器工作时必须使用磁场，使用很不方便，因此应用不如前面几种广泛。,入射辐射,B,-,+,光子探测器的特点,是一种选择性探测器，要产生光子效应，光子的能量要超过某一确定的值，即光子的波长要短于长波限。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。,波长短于长波限的入射辐射，当功率一定时，波长越短，光子数就越少。因此理论上光子探测器的响应率(即单位辐
9、射功率所产生的光信号)应与波长成正比。,响应率,波长,2热探测器,光热效应：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。原理：入射光辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，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物理性质的变化。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。光热效应与入射辐射的光子的性质没有关系。因此，热效应一般与波长无关，即光电信号取决于入射辐射功率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本身与波长无关，在大多数情况下，这一假定并不严格成立。,光热效应可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自
10、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。热探测器的特点：无光谱选择性不需制冷响应慢噪声限制,温差电效应：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：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。原理：光辐射入射温度梯度温差电势型式：热电偶和热电堆,(1)测辐射温差热电偶和热电堆,原理：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就是
11、电阻测辐射热器。用电阻温度系数 表征电阻的变化对金属：对半导体：,(2)电阻测辐射热器,半导体材料的T是负值，其绝对值大于金属材料的T值。当T300K，半导体材料的T值约为0.033，比金属材料的T值大一个数量级。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。材料吸收光辐射后产生的微小温升就将引起样品电阻的显著变化。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系统相当复杂，因而目前还没有这类可供实用的探测器。,热释电晶体：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。温度升高，自发极化强度减小。,（3）热释电探测器,当温度T等于某一特定温度T
12、c时，极化晶体的自发极化强度为零，此称极化晶体发生相变或退极化。极化晶体的相变分为一级相变和二极相变。Tc称为居里温度。,一级相变,二级相变,热电介质：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。热电铁电体：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质叫热电铁电体。热释电探测器就是用这种热电铁电体制成的。机理：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。,热探测器的特点：无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制,22 光电
13、探测器的性能参数,一、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使用。,1辐射源的光谱分布很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应是辐射波长的函数，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用辐射源的光谱分布。2.电路的通频带和带宽因噪声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。所以在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽。3工作温度 许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，无论是信号还是噪声，都和工作温度
14、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(295K)、干冰温度(195K)、液氮温度(77K)、液氦温度(4.2K)以及液氢温度(20.4K)。,4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噪声比与光敏面积的平方根成比例。参考面积一般为1cm2。5偏置情况 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。6.光学视场7.背景温度（红外）,二、有关响应方面的性能参数,1响应率（响应度)Rv或RI 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输出
15、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VS或电流IS与入射到光电探测器上的平均光功率之比，并分别用RV 和RI 表示，即,2单色灵敏度 单色灵敏度又叫光谱响应度，用R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单色辐射通量(光通量)之比。即,(V/W),(A/W),3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。式中，0、1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。,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，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前
16、的值所需时间称为响应时间。为衡量其长短，常用时间常数的大小来表示。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于器件的惰性而有延迟，把从10上升到90峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从如90下降到10处所需的时间称为下降时间。,5.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程，所以入射光辐射的调制频率对光电探测器的响应有较大的影响。定义：光电探测器的响应随入射辐射的调制频率变化而变化的特性称为频率响应，其表达式为式中，R(f)为频率是 f 时的响应度；R0为频率是零时的响应度；RC为时间常数。,当R(f)R00.707时，可得光电探测器的上限截止频率时间常
17、数决定了光电探测器频率响应的带宽。,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“噪声”引起的。如果对这些随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。噪声的特点：固有；探测极限；平均为零；均方根不为零。,1.信噪比（S/N）信噪比是判定噪声大小通常使用的参数，是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即与入射辐
18、射功率、光敏面积有关如果入射辐射强，接收面积大，SN就大，但性能不一定就好。因此用 SN 评价器件有一定的局限性。,2等效噪声输入(ENI)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(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。,3.噪声等效功率（NEP）（最小可探测功率Pmin）NEP定义为信号功率与噪声功率之比为1（即S/N1）时，入射到探测器上的辐射通量(单位为W)。即NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。一般一个良好的探测器的NEP1011 W。仅用NEP这个指标，
19、无法比较两个器件的优劣 有局限性。,4.探测率D和比探测率(D*)NEP的倒数，D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。,实验测量和理论分析表明，噪声电压VN与光电探测器光敏面积Ad的平方根成正比，与测量带宽f 的平方根成正比。,比探测率(D*)归一化的探测率称为比探测率（测量带宽1Hz，光敏面积为1cm2）。,D*与RV 的关系,5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。,四、其它参数,1.量子效率量子效率是评价光电器件性能的
20、一个重要参数，它是在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。每秒入射光量子数：每秒产生的光电子数：于是：,若()1(理论上)，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；实际上，()1。对于有增益的光电探测器(如光电倍增管等)，()会远大于1。,2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。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接近拟合直线的程度，通常用非线性误差来度量式中max为实际
21、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。,23 噪声的统计特性,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。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。,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大小。（散粒噪声、热噪声、产生复合噪声、温度噪声、电流噪声）,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数值。噪声电压vN(t)在 t 时刻的大小只能用概率密度p(vN)表示，它表示噪声电压vN(t)在
22、t 时刻取值为vN的概率。,二、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SN(f)表示 为在频域（f，ff）之间噪声频谱分量的平均功率。SN(f)的单位：A2/Hz。,SN(f)常数白噪声；SN(f)不是常数有色噪声,噪声功率 可由噪声功率谱密度SN(f)在频域上积分得到 一般光电系统中，噪声受放大器带宽（f1，f2）限制,24 光电探测器的噪声,散粒噪声热噪声产生复合噪声温度噪声电流噪声,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，光电子或载流子随机产生所造成的噪声。是一个一个的带电粒子或电子引起的随机起伏。若 为暗电流Id，则无光照时的暗电流噪声功率为：若 为
23、光辐射产生的平均光电流Ip，则光辐射的散粒噪声为：,（白噪声）,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。任何有电路的材料都有热噪声。例：室温下，R1k，f1Hz 若f 500kHz，放大器增益为104倍 制冷的原因,（白噪声）,玻尔兹曼常数,三、产生复合噪声半导体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gr噪声。0 载流子平均寿命；d：渡越时间；内增益G0/d,（白噪声）,四、温度噪声温度噪声是无辐射存在时，探测器在某一温度T0附近呈现一个小的起伏引起的噪声。G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。,（白噪声）,五、电流噪声（低频噪声、1/f 噪声、闪烁噪声、过剩噪声）电流噪声是电流起伏引起的噪声，其特点是噪声功率谱密度与频率成反比（有色噪声），电流噪声均方值为,k1比例系数；a与器件有关（，一般为 1）；b与电流有关（一般为2）低频噪声（小于1kHz）,1kHz,
