光电探测器.ppt

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第第4讲讲光电探光电探测器测器广学明德海纳厚为热电探测器特点：

热电探测器特点：

响应波长无选择性响应波长无选择性响应波长无选择性响应波长无选择性，它对从可见，它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。

光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。

响应慢响应慢响应慢响应慢，吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。

吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。

光电探测器特点：

光电探测器特点：

响应波长有选择性响应波长有选择性响应波长有选择性响应波长有选择性，存在某一截，存在某一截止波长止波长00，超过此波长，器件没有响应。

超过此波长，器件没有响应。

响应快响应快响应快响应快，一般在纳秒到几百微秒。

一般在纳秒到几百微秒。

光电成像器件光电成像器件光电成象器件是指光电成象器件是指能够输出图象信息的一类器件能够输出图象信息的一类器件，例如使不，例如使不可见光图象变为可见光图象的器件，使光学图象变为电视信号的可见光图象变为可见光图象的器件，使光学图象变为电视信号的器件等。

器件等。

光电探测器件是利用物质的光电效应光电探测器件是利用物质的光电效应把把光信号转换成电信号的器件光信号转换成电信号的器件。

它是光电。

它是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。

用提取某些必要的信息。

第第44讲讲光电探测器光电探测器1.1.响应度（或灵敏度响应度（或灵敏度）光电探测器的输出电压或输出电流光电探测器的输出电压或输出电流（或光电导或光电导）与入射与入射光功率光功率（或光照度或光照度）之比，它描述器件的光电转换效能。

之比，它描述器件的光电转换效能。

第一节、基本特性参数第一节、基本特性参数一、响应方面的参数一、响应方面的参数光谱响应度光谱响应度光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上的单光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上的单色辐射通量之比色辐射通量之比，光谱响应度愈大，表示光电探测器愈灵敏。

光谱响应度愈大，表示光电探测器愈灵敏。

积分响应度积分响应度光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称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度积分响应度。

积分灵敏度表示探测器对积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量连续辐射通量的反应的反应程度。

程度。

22响应时间响应时间当入射辐射到光电探测器当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探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降到照射前的值所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33频率响应频率响应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为频率响应。

二、噪声方面的参数二、噪声方面的参数从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它的从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，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，而无法肯定是否有辐射入时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有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“噪声噪声”引起的。

如果对这些随时间而起伏的电压引起的。

如果对这些随时间而起伏的电压（流流）按时间取按时间取平均值，则平均值等于零。

但这些值的平均值，则平均值等于零。

但这些值的均方根不等于零，这个均均方根不等于零，这个均方根电压方根电压（流流）称为探测器的噪声电压称为探测器的噪声电压（流流）。

热噪声：

热噪声：

也称约翰逊噪声，也称约翰逊噪声，载流子无规则的热运动造成的噪声。

载流子无规则的热运动造成的噪声。

热噪声存在于任何电阻中。

热噪声存在于任何电阻中。

热噪声存在于任何电阻中。

热噪声存在于任何电阻中。

热噪声与温度成正比。

热噪声与温度成正比。

热噪声与温度成正比。

热噪声与温度成正比。

热噪声与频率无关。

热噪声与频率无关。

热噪声与频率无关。

热噪声与频率无关。

热噪声是各种频率分量组成，就像白热噪声是各种频率分量组成，就像白光是各种波长的光组成一样，所以热噪声也称为光是各种波长的光组成一样，所以热噪声也称为白噪声白噪声。

11、器件的噪声、器件的噪声散粒噪声：

散粒噪声：

也称散弹噪声，也称散弹噪声，穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。

在每个时间间隔内，穿过势垒区的载流子的数或从阴极成的噪声。

在每个时间间隔内，穿过势垒区的载流子的数或从阴极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。

散粒噪声也是到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。

散粒噪声也是白噪声白噪声。

产生复合噪声：

产生复合噪声：

产生复合噪声：

产生复合噪声：

载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下起伏，这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流。

起伏，这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流。

起伏，这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流。

起伏，这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流。

它不是白噪声。

它不是白噪声。

它不是白噪声。

它不是白噪声。

1/f噪声噪声（闪烁噪声或低频噪声）：

闪烁噪声或低频噪声）：

由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲称为称为1/f噪声。

噪声。

频率越低，这种噪声越大，所以也称为低频噪声，频率越低，这种噪声越大，所以也称为低频噪声，它是属于它是属于“红红”噪声。

噪声。

22、噪声参数：

、噪声参数：

信噪比信噪比（SN）：

信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。

它是信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。

它是在负载电阻在负载电阻RRLL上上产生的信号功率与噪声功率之比产生的信号功率与噪声功率之比，即若用分贝若用分贝（dB）dB）表示，则为表示，则为利用利用SSNN评价两种光电探测器性能时，必须在评价两种光电探测器性能时，必须在信号信号辐射功率相同辐射功率相同的情况下才能比较。

的情况下才能比较。

但对单个光电探测器，其但对单个光电探测器，其SSNN的大小与入射信号的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。

如果入射辐射强，接收面辐射功率及接收面积有关。

如果入射辐射强，接收面积大，积大，SSNN就大，但性能不一定就好。

因此用就大，但性能不一定就好。

因此用SSNN评评价器件有一定的局限性。

价器件有一定的局限性。

等效噪声输入等效噪声输入等效噪声输入等效噪声输入（ENlENl）：

它定义为器件在特定带宽内器件在特定带宽内（1（1Hz）Hz）产生的均方根信号电流恰好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探测极限（以输入通量为瓦或流明表示）时使用。

噪声等效功率噪声等效功率（NEP）：

或称最小可探测功率最小可探测功率PPminmin。

它定义为信号功率与噪声功率之比信号功率与噪声功率之比为为1（1（即即SSNN=1）=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（单位为瓦单位为瓦）。

即探测率探测率DD：

只用只用NEPNEP无法比较两个不同来源的光探器的优劣。

为此，引入无法比较两个不同来源的光探器的优劣。

为此，引入两个新的性能参数两个新的性能参数探测率探测率DD和比探测率和比探测率DD*。

探测率探测率DD定义为定义为NEPNEP（噪声等效功率）的倒数噪声等效功率）的倒数，即，即显然，显然，DD愈大，光电探测器的性能就愈好。

探测率愈大，光电探测器的性能就愈好。

探测率DD所提供的信所提供的信息与息与NEPNEP一样，也是一项特征参数。

不过它所描述的特性是：

光电一样，也是一项特征参数。

不过它所描述的特性是：

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，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，即光即光即光即光电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。

电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。

电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。

电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。

归一化探测率归一化探测率DD*：

为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的光电探测为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的光电探测器件进行比较，使用了归一化探测率（比探测率）器件进行比较，使用了归一化探测率（比探测率）DD*。

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。

11、量子效率、量子效率（）：

在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量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。

子数之比。

一般一般（）反映的是入射辐射与最初的光敏面的相互作反映的是入射辐射与最初的光敏面的相互作用。

若用。

若（）1（理论上），则入射一个光量子就能发射一理论上），则入射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子孔穴对。

实际上个电子或产生一对电子孔穴对。

实际上（）410nm的的可可见见光光来来说说，很难产生光电发射，很难产生光电发射，量子效率低；量子效率低；量子效率低；量子效率低；金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？

金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？

金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？

金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？

半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？

半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？

半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？

半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？

光吸收系数比金属大；光吸收系数比金属大；光吸收系数比金属大；光吸收系数比金属大；体体体体内内内内自自自自由由由由电电电电子子子子少少少少，散散散散射射射射能能能能量量量量变变变变小小小小故故故故量量量量子子子子效效效效率率率率比比比比金金金金属大；属大；属大；属大；光发射波长延伸至可见光、近红外波段。

光发射波长延伸至可见光、近红外波段。

光发射波长延伸至可见光、近红外波段。

光发射波长延伸至可见光、近红外波段。

70707070年代后期，发展了年代后期，发展了年代后期，发展了年代后期，发展了负电子亲和势（负电子亲和势（负电子亲和势（负电子亲和势（NEANEANEANEA）光电阴极，光电阴极，光电阴极，光电阴极，长波可至长波可至长波可至长波可至1.61.6mm。

（1）

（1）使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散电子散射掉，提高信噪比；上，而将其他部分的杂散电子散射掉，提高信噪比；

（2）

（2）使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间，以保证光电倍增管的快速响应。

相等的渡越时间，以保证光电倍增管的快速响应。

光电阴极光电阴极聚焦极聚焦极33电子光学系统电子光学系统倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。

因由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。

因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。

此倍增系