1、n1 1、光電探測技術、光電探測技術 把被調制的光信號轉換成電信號并將信息把被調制的光信號轉換成電信號并將信息提取出來的技術。提取出來的技術。 光探測過程可以形象地稱為光頻解調，光光探測過程可以形象地稱為光頻解調，光探測器就是將光輻射能量轉換成為一種便于測探測器就是將光輻射能量轉換成為一種便于測量的物理量的器件。量的物理量的器件。2、光電探測器、光電探測器效應效應探測器探測器光光電電效效應應外光外光電效電效應應光陰極發射光電子光陰極發射光電子光電管光電管光電子光電子倍增倍增倍增極倍增倍增極倍增光電倍增管光電倍增管通道電子倍增通道電子倍增像增強管像增強管內光內光電效電效應應光電導效應光電導效應光

2、電導管或稱光敏電阻光電導管或稱光敏電阻光伏光伏效應效應零偏的零偏的p-n結和結和PIN結結光電池光電池反偏的反偏的p-n結和結和PIN結結光電二極管光電二極管雪崩效應雪崩效應雪崩光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘肖特基勢壘肖特基勢壘光電二極管肖特基勢壘光電二極管pnp結和結和npn結結光電三極管光電三極管n按光按光電相互作用分類電相互作用分類波擾動效應光熱效應光電效應電磁波對材料的影響2 2、探測機理及其分類、探測機理及其分類光電探測器點探測器圖象探測器n按響應區域分類按響應區域分類光子直接對電子光子直接對電子產生擾動產生擾動 溫升使材料的某溫升使材料的某些特性發生變化些特性發生變化 電磁場對

3、材料的電磁場對材料的擾動所引起材料擾動所引起材料某些內特性發生某些內特性發生變化變化 輸出信號是敏感輸出信號是敏感區域的平均值區域的平均值 對敏感區域的空間對敏感區域的空間變化所產生的響應變化所產生的響應 n 光照射到物體上使物體發射電子，光照射到物體上使物體發射電子，或電導率發生變化，或產生電動勢，這或電導率發生變化，或產生電動勢，這些因光照引起物體電學特性改變的現象，些因光照引起物體電學特性改變的現象，統稱為統稱為光電效應光電效應。n內光電效應內光電效應光子激發的載流子光子激發的載流子(電子或空穴電子或空穴)將保留將保留在材料內部。在材料內部。 n外光電效應外光電效應將電子打離材料表面，外

4、光電效應器件將電子打離材料表面，外光電效應器件通常有多個陰極，以獲得倍增效果。通常有多個陰極，以獲得倍增效果。n 當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射的光能使表面的電子獲得足夠的能量，電子入射的光能使表面的電子獲得足夠的能量，電子就會克服正離子對它的吸引力，脫離金屬表面而就會克服正離子對它的吸引力，脫離金屬表面而進入外界空間，這種現象稱為進入外界空間，這種現象稱為外光電效應外光電效應。外光。外光電效應可用兩條基本定律來描述電效應可用兩條基本定律來描述 ：n 斯托列托夫

5、定律斯托列托夫定律 當入射光的頻率或頻譜成分不變時，飽和光當入射光的頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（單位時間內反射的光子數目）電流（單位時間內反射的光子數目）與入射光的與入射光的強度成正比。強度成正比。 斯托列托夫定律是光電管、光電倍增管的檢測基斯托列托夫定律是光電管、光電倍增管的檢測基礎。礎。 外光電效應外光電效應光電發射效應光電發射效應n愛因斯坦定律愛因斯坦定律 如果發射體內電子吸收的光子能量大于發射體表如果發射體內電子吸收的光子能量大于發射體表面逸出功，則電子將以一定的速度從發射體表面發射，面逸出功，則電子將以一定的速度從發射體表面發射，光電子離開發射體表面時的初動能隨入射光的頻率線光

6、電子離開發射體表面時的初動能隨入射光的頻率線性增長，與入射光的強度無關。性增長，與入射光的強度無關。 光電效應方程：光電效應方程：EhhhmvE02max21max入射光子入射光子能量能量電子的電子的動能動能逸出功逸出功 該式表明，入射光子必須具有足夠的能量，也就是說至少要等于該式表明，入射光子必須具有足夠的能量，也就是說至少要等于逸出功，才能發生光電發射。逸出功，才能發生光電發射。0 0 為產生光電發射的最低頻率，即該為產生光電發射的最低頻率，即該頻率與材料的屬性有關，與入射光強無關。頻率與材料的屬性有關，與入射光強無關。逸出功逸出功愛因斯坦定律愛因斯坦定律n入射光波長大于截止波長時，無論光

7、強有多大、照射時間多入射光波長大于截止波長時，無論光強有多大、照射時間多長，都不會有光電子發射。光電發射大致可分為三個過程：長，都不會有光電子發射。光電發射大致可分為三個過程：n光入射物體后，物體中的電子吸收光子能量，從光入射物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態躍遷到激發態；基態躍遷到激發態；n受激電子從受激處出發，向表面運動，其間必然受激電子從受激處出發，向表面運動，其間必然要同其他電子或晶格發生碰撞而失去部分能量；要同其他電子或晶格發生碰撞而失去部分能量；n到達表面的電子克服表面勢壘對其的束縛，逸出到達表面的電子克服表面勢壘對其的束縛，逸出形成光電子。形成光電子。gEhmvE-)21(

8、max2maxhEgggcEEhc24. 1愛因斯坦定律愛因斯坦定律n由此得到光電發射對陰極材料的要求由此得到光電發射對陰極材料的要求：對光的吸收大，以便體內有較多的電子受激發射；對光的吸收大，以便體內有較多的電子受激發射；電子受激發生在表面附近，以使碰撞損失盡量小；電子受激發生在表面附近，以使碰撞損失盡量小；材料逸出功小，以使到達表面的電子容易逸出；材料逸出功小，以使到達表面的電子容易逸出；電導率好，以便能夠通過外電源來補充光電發射電導率好，以便能夠通過外電源來補充光電發射失去的電子。失去的電子。內光電效應內光電效應光電導效應光電導效應n光電導效應是光照變化引起半導體材料電導變化的光電導效應

9、是光照變化引起半導體材料電導變化的現象。現象。n當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使得非傳導態電子變為傳導態電子，引起載流子濃使得非傳導態電子變為傳導態電子，引起載流子濃度增大，從而導致材料電導率增大。這種變化可以度增大，從而導致材料電導率增大。這種變化可以通過測量負載電阻兩端的電壓來觀察。該現象是通過測量負載電阻兩端的電壓來觀察。該現象是100多年來有關半導體與光作用的各種現象中最早多年來有關半導體與光作用的各種現象中最早為人們所知的現象。為人們所知的現象。 信號信號V負載電阻負載電阻入射光線入射光線+-內光電效應內光電效應光電導效應光電

10、導效應n利用此現象制成的光探測器稱為光電導探測器。利用此現象制成的光探測器稱為光電導探測器。n2020世紀又先后在氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、世紀又先后在氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、硫化鉛等材料中發現光電導效應，并由此發展硫化鉛等材料中發現光電導效應，并由此發展了從了從紫外、可見到紅外各個波段的輻射探測器紫外、可見到紅外各個波段的輻射探測器。內光電效應內光電效應光電導效應光電導效應n光子能量光子能量n紅限波長紅限波長n光電流光電流gEh0/ghcE當光子波長大于當光子波長大于0 0時，本征型半導體器時，本征型半導體器件將不會出現光電導件將不會出現光電導現象現象 通常是多子起作用，少通常是多子起作用

11、，少子由于其壽命相對短得子由于其壽命相對短得多，故對光電流的貢獻多，故對光電流的貢獻不大。不大。 ghcEsoIqN G內光電效應內光電效應光電導效應光電導效應n光電導增益光電導增益G由自由載流子壽命由自由載流子壽命和渡越和渡越時間時間T的比值來決定。的比值來決定。 TG n渡越時間渡越時間T是指多數載流子穿過器件電是指多數載流子穿過器件電極的時間，它由下式決定：極的時間，它由下式決定： AVlT2 式中式中l為電極間的距離，為電極間的距離，為多數載流子的遷移率，為多數載流子的遷移率，VA為器件所加上的偏壓。為器件所加上的偏壓。 soIqN G內光電效應內光電效應光電導效應光電導效應n響應速度

12、響應速度(由多數載流子的壽命決定由多數載流子的壽命決定 )221sosII221sosVV 頻率為時頻率為時的的短路電流短路電流 頻率為時頻率為時的的開路電壓開路電壓 由上面兩式可知，低頻時光電器件的輸出基由上面兩式可知，低頻時光電器件的輸出基本上與頻率無關；高頻時則與頻率成反比，轉本上與頻率無關；高頻時則與頻率成反比，轉折點定義在折點定義在為為1的頻率。的頻率。 直流短路電流直流短路電流 器件開路電壓器件開路電壓 內光電效應內光電效應光電導效應光電導效應n光子在材料中激發出的載流子必須在外光子在材料中激發出的載流子必須在外加電壓（電場）作用下方能作空間流動，加電壓（電場）作用下方能作空間流動

13、，對外電路產生貢獻。對外電路產生貢獻。n這種器件必須加上偏壓才能正常工作。這種器件必須加上偏壓才能正常工作。內光電效應內光電效應光伏效應光伏效應n光伏效應指光照使不均勻半導體或半導體與金屬光伏效應指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產生電位差的現象。產生這組合的不同部位之間產生電位差的現象。產生這種電位差的機理有多種，主要的一種是由于阻擋種電位差的機理有多種，主要的一種是由于阻擋層的存在引起的勢壘型光伏效應。層的存在引起的勢壘型光伏效應。結區結區pn+-E光光iu短路光電短路光電流流開路光電開路光電壓壓光電流光電流反向飽和電流反向飽和電流暗電流暗電流內光電效應內光電效應光伏效應

14、光伏效應n光伏效應光伏效應n載流子的激發載流子的激發光子光子n載流子的分離載流子的分離內建電場內建電場n光電流：光電流：/(1)dqVkTdsIIIIIe光 Id暗電流，暗電流，Is為無光照射時的反向飽和電流，為無光照射時的反向飽和電流，V為施加在器件上的電壓為施加在器件上的電壓( (正向為正，反向為負正向為正，反向為負) )，k為為波耳茲曼常數，波耳茲曼常數，為近似為為近似為1 1的常數，的常數，T為絕對溫度。為絕對溫度。 內光電效應內光電效應光伏效應光伏效應n光伏器件的電流電壓特性（光伏器件的電流電壓特性（5-5） 對應的工作模式：開路、短路、反偏（光電導對應的工作模式：開路、短路、反偏（

15、光電導工作模式）、正偏。工作模式）、正偏。內光電效應內光電效應光伏效應光伏效應光電信號光電信號入射光入射光開路開路V負載負載電阻電阻+-光電信號光電信號反向偏壓反向偏壓入射光入射光光電導效應和光伏效應的區別光電導效應和光伏效應的區別光電導效應必須在外加偏壓下才能正常工作光電導效應必須在外加偏壓下才能正常工作光伏效應則可以不加偏壓，其開路電壓就反映了光輻射的信號，光伏效應則可以不加偏壓，其開路電壓就反映了光輻射的信號，但光伏效應器件通常工作在但光伏效應器件通常工作在 反偏狀態，即給器件加上反向電壓，反偏狀態，即給器件加上反向電壓，其反向電流即為光電流，此時可以說器件工作在光電導模式下。其反向電流

16、即為光電流，此時可以說器件工作在光電導模式下。 光伏效應光伏效應光電導效應光電導效應光伏器件工作模式光伏器件工作模式光伏器件光伏器件n光電池光電池n光敏二極管光敏二極管n光敏三極管光敏三極管光敏二極管光敏二極管n(1) 結構結構 n光敏二極管是利用硅結受光照后產生光敏二極管是利用硅結受光照后產生光電流的一種光電器件。光電流的一種光電器件。n光敏二極管的電路符號、外形見圖所示。光敏二極管的電路符號、外形見圖所示。其封裝有金封和塑封兩種（即圓柱形和扁其封裝有金封和塑封兩種（即圓柱形和扁方形）。有的光敏二極管為了提高其穩定方形）。有的光敏二極管為了提高其穩定性，還外加了一個屏蔽接地腳，外形似光性，還

17、外加了一個屏蔽接地腳，外形似光敏三極管。敏三極管。n光敏二極管工作于反向偏壓，其光譜響應光敏二極管工作于反向偏壓，其光譜響應特性主要由半導體材料中所摻的雜質濃度特性主要由半導體材料中所摻的雜質濃度所決定。同一型號的光敏二極管在一定的所決定。同一型號的光敏二極管在一定的反偏電壓、相同強度和不同波長的入射光反偏電壓、相同強度和不同波長的入射光照射下，產生的光電流并不相同，但有一照射下，產生的光電流并不相同，但有一最大值。最大值。n不同型號的光敏二極管在同一反偏電壓、不同型號的光敏二極管在同一反偏電壓、同一強度的入射光照射下，所產生的光電同一強度的入射光照射下，所產生的光電流最大值也不相同，且光電流

18、最大值所對流最大值也不相同，且光電流最大值所對應的入射光的波長也不相同。應的入射光的波長也不相同。 光敏二極管光敏二極管n 圖的曲線、分別是光敏二極管圖的曲線、分別是光敏二極管、的、的光譜響應特性曲線。由圖可看出，它們光譜響應特性曲線。由圖可看出，它們的光電流的最大值分別在可見光區和紅的光電流的最大值分別在可見光區和紅外線區，其中二極管的外線區，其中二極管的光譜響應值最大。光譜響應值最大。n 由于光敏二極管的基本結構也是一個由于光敏二極管的基本結構也是一個結，故其檢測方法也與普通二極管結，故其檢測方法也與普通二極管相同，其測得的正、反向電阻也類似于相同，其測得的正、反向電阻也類似于普通二極管，

19、但在測反向電阻遇光照時，普通二極管，但在測反向電阻遇光照時，阻值會明顯減小，否則說明管子已損壞。阻值會明顯減小，否則說明管子已損壞。 n特點特點 1、最大的特點是頻帶寬。最大的特點是頻帶寬。在在P型型半導體和半導體和N型半導體之間夾著一層型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體（相對）很厚的本征半導體（I層）。層）。這樣，這樣，P-N結的內電場就基本上全集結的內電場就基本上全集中于中于I層中，從而使層中，從而使P-N結空間電荷層結空間電荷層的間距加寬，因此結電容變小。響應的間距加寬，因此結電容變小。響應時間變短，頻帶變寬。時間變短，頻帶變寬。21fRCLj 2、管子的線性輸出范圍很寬。管子

20、的線性輸出范圍很寬。因為因為I層（相對）很厚，在反偏壓下層（相對）很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓。運用可承受較高的反向電壓。 不足：不足： I層電阻很大，管子的輸出電層電阻很大，管子的輸出電流小，一般為零點幾流小，一般為零點幾AA至數至數AA。 雪崩光敏二極管是利用雪崩光敏二極管是利用P-NP-N結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種光伏器件。光伏器件。 它具有響應度高，響應速度快的特點，通常工作在很高的反偏狀態它具有響應度高，響應速度快的特點，通常工作在很高的反偏狀態100100200V200V，接近于反向擊穿電壓。接近于反向擊穿電壓。

21、 當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達10106 6，即產生所謂的自持雪崩。頻，即產生所謂的自持雪崩。頻率響應很高，帶寬可達率響應很高，帶寬可達100GHz100GHz。是目前響應最快的一種光敏二極管。適用于光纖。是目前響應最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測距及其他微弱光的探測等。通信、激光測距及其他微弱光的探測等。n 原理：原理：根據光電效應，當光入射到根據光電效應，當光入射到PN結時，結時， 光子被吸收而產生電子光子被吸收而產生電子空空穴對穴對如果電壓增加到使電場達到如果電壓增加到使電場達到200 kV/cm以上，初始電子以上，初始電子(一

22、次電子一次電子)在高電在高電場區獲得足夠能量而加速運動場區獲得足夠能量而加速運動高速運動的電子和晶格原子相碰撞，高速運動的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子使晶格原子電離，產生新的電子電離，產生新的電子空穴對空穴對新產生的二次電子再次和原子碰撞新產生的二次電子再次和原子碰撞 如此多次碰如此多次碰撞，產生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增撞，產生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，見圖。，見圖。n雪崩光敏二極管雪崩光敏二極管 頻率響應很高，帶寬可達頻率響應很高，帶寬可達100GHz。是目前響。是目前響應最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激應最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測距及其他微弱光的

23、探測等。光測距及其他微弱光的探測等。n光敏二極管陣列光敏二極管陣列 將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并 將 這 些 信 息 轉 換 為 電 信 號 的 器 件 。并 將 這 些 信 息 轉 換 為 電 信 號 的 器 件 。http:/ 靈敏度比光敏二極管高，是光靈敏度比光敏二極管高，是光敏二極管的數十倍，故輸出電流要敏二極管的數十倍，故輸出電流要比光敏二極管大得多，一般為毫安比光敏二極管大得多，一般為毫安級。級。 但其它特性不如光敏二極管好，但其它特性不如光

24、敏二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不在較強的光照下，光電流與照度不成線性關系。頻率特性和溫度特性成線性關系。頻率特性和溫度特性也變差，故也變差，故光敏三極管多用作光電光敏三極管多用作光電開關或光電邏輯元件開關或光電邏輯元件。外光電效應外光電效應光電發射效應光電發射效應內光電效應內光電效應光電導效應光電導效應n內光電效應內光電效應光伏效應光伏效應n 熱釋電效應熱釋電效應指的是某些晶體的電極化強指的是某些晶體的電極化強度隨溫度變化而釋放表面吸附的部分電荷。度隨溫度變化而釋放表面吸附的部分電荷。n 基于該效應制成的光電轉換器件有基于該效應制成的光電轉換器件有紅外紅外探測器，熱電激光量熱計，夜視

25、儀探測器，熱電激光量熱計，夜視儀以及各種以及各種光譜光譜儀儀接收器等。接收器等。n結構結構n器件吸收入射輻射功率產生溫升，溫升引起材料器件吸收入射輻射功率產生溫升，溫升引起材料某種有賴于溫度的參量的變化某種有賴于溫度的參量的變化，檢測該變化，可以，檢測該變化，可以探知輻射的存在和強弱。這一過程比較緩慢，因此探知輻射的存在和強弱。這一過程比較緩慢，因此一般熱電探測器件的響應時間多為一般熱電探測器件的響應時間多為msms量級。量級。n熱釋電器件相當于一個以熱電晶體為電介質的平熱釋電器件相當于一個以熱電晶體為電介質的平板電容器。入射輻射可引起電容器電容的變化，因板電容器。入射輻射可引起電容器電容的變

26、化，因此，可利用這一特性來探測變化的輻射。此，可利用這一特性來探測變化的輻射。對光輻射的轉換過程：對光輻射的轉換過程：第一步按系統的熱力學特性來確定入射輻射所引第一步按系統的熱力學特性來確定入射輻射所引起的溫度升高；起的溫度升高；第二步探測器件因溫升引起器件物理特性的變化第二步探測器件因溫升引起器件物理特性的變化而輸出各種電信號。而輸出各種電信號。n優點：優點：n光譜響應范圍特別寬，從紫外到紅外幾乎都光譜響應范圍特別寬，從紫外到紅外幾乎都有相同的響應，光譜特性曲線近似為一條平線。有相同的響應，光譜特性曲線近似為一條平線。n工作時無需制冷。工作時無需制冷。n缺點：靈敏度低，響應時間較長。缺點：靈

27、敏度低，響應時間較長。n1、比較理想的熱探測器，其機械強度、響應靈敏度、比較理想的熱探測器，其機械強度、響應靈敏度、響應速度都很高。響應速度都很高。n2、只能測量變化的輻射，輻射恒定時無輸出。、只能測量變化的輻射，輻射恒定時無輸出。n3、輸出是背景與熱輻射體的溫差，而不是熱輻射體的、輸出是背景與熱輻射體的溫差，而不是熱輻射體的實際溫度。測溫時，需先用輔助探測器測出背景溫度。實際溫度。測溫時，需先用輔助探測器測出背景溫度。n4、各種、各種熱釋電材料都存在一個居里溫度，使用范圍小熱釋電材料都存在一個居里溫度，使用范圍小于居里溫度。于居里溫度。n 居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。

28、居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。n 低于低于居里溫度居里溫度時該物質成為鐵磁體，此時和材料有關的時該物質成為鐵磁體，此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高于居里溫度時磁場很難改變。當溫度高于居里溫度時, ,該物質成為順磁體，該物質成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度約為約為1010的負的負6 6次方。如鐵的居里溫度是次方。如鐵的居里溫度是770, 770, 鐵硅合金的居里鐵硅合金的居里溫度是溫度是690690等。等。n 利用這個特點，人們開發出了很多控制元件。例如，我利用這個特點，人們開發出

29、了很多控制元件。例如，我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105105度的磁性材料。度的磁性材料。當鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從當鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100100度上升。當溫度度上升。當溫度到達大約到達大約105105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源

30、開關被斷開，停止加熱。把它們分開，同時帶動電源開關被斷開，停止加熱。 光譜范圍：光譜范圍：一般熱釋電在一般熱釋電在0.220m； 用用 途：途：主要用于防盜報警和安全報警裝置、自主要用于防盜報警和安全報警裝置、自動門、自動照明裝置、火災報警等一些自動控制系動門、自動照明裝置、火災報警等一些自動控制系統中。統中。 特特 點：點：光譜響應范圍寬，對于從紫外到毫米量光譜響應范圍寬，對于從紫外到毫米量級的電磁輻射幾乎都有相同的響應。（與測輻射計、級的電磁輻射幾乎都有相同的響應。（與測輻射計、溫差熱電堆等比較）頻率特性好，室溫下工作，無溫差熱電堆等比較）頻率特性好，室溫下工作，無需致冷，需致冷， 體積小

31、，重量輕，堅固。體積小，重量輕，堅固。 噪聲噪聲 外部原因外部原因 內部原因內部原因 人為噪聲人為噪聲 自然噪聲自然噪聲散粒噪聲散粒噪聲 產生復合噪聲產生復合噪聲 光子噪聲光子噪聲 熱噪聲熱噪聲 低頻噪聲低頻噪聲 溫度噪聲溫度噪聲 放大器噪聲放大器噪聲 n依據噪聲產生的物理原因，光電探測器的噪聲可大致分為依據噪聲產生的物理原因，光電探測器的噪聲可大致分為散粒散粒噪聲噪聲、產生產生復合噪聲復合噪聲、熱噪聲熱噪聲和和低頻噪聲低頻噪聲。n上述噪聲是光電轉換物理過程中固有的，是一種不可能人為消上述噪聲是光電轉換物理過程中固有的，是一種不可能人為消除的輸出信號的起伏，是與器件密切相關的一個參量。除的輸出

32、信號的起伏，是與器件密切相關的一個參量。n因為在光電轉換過程中，半導體中的電子從價帶躍遷到導帶，因為在光電轉換過程中，半導體中的電子從價帶躍遷到導帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨立事件，是一種或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨立事件，是一種隨機的過程。每一瞬間出現多少載流子是不確定的，所以隨機隨機的過程。每一瞬間出現多少載流子是不確定的，所以隨機的起伏將不可避免地與信號同時出現。尤其在的起伏將不可避免地與信號同時出現。尤其在信號較弱信號較弱時，光時，光電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準確性。電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準確性。 n無光照下，由于熱激發作用，而隨機地

33、產生電子所造成的起無光照下，由于熱激發作用，而隨機地產生電子所造成的起伏（以光電子發射為例）。由于起伏單元是電子電荷量伏（以光電子發射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測器中。稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測器中。n熱激發散粒均方噪聲電流為熱激發散粒均方噪聲電流為n其有效值為其有效值為n相應的噪聲電壓為相應的噪聲電壓為n如果探測器具有內增益如果探測器具有內增益M，則上式還應乘以，則上式還應乘以M。 n光電探測器是依靠內場把電子光電探測器是依靠內場把電子空穴對分開，空穴對電流貢獻不大，主要空穴對分開，空穴對電流貢獻不大，主要是電子貢獻。上兩式

34、也適用于光伏探測器。是電子貢獻。上兩式也適用于光伏探測器。feiidn 22feiIdn222fReiVdnn電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內部的自由載流子電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內部的自由載流子數目及運動狀態也是隨機的，由此而構成無偏壓下的起數目及運動狀態也是隨機的，由此而構成無偏壓下的起伏電動勢。伏電動勢。n這種由載流子的熱運動引起的起伏就是電阻材料的這種由載流子的熱運動引起的起伏就是電阻材料的熱噪熱噪聲聲，或稱為，或稱為約翰遜（約翰遜（JohnsonJohnson）噪聲）噪聲。n熱噪聲是由導體或半導體中載流子隨機熱激發的波動而熱噪聲是由導體或半導體中載流子隨機熱激發的波動而引起

35、的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關。引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關。n光電探測器本質上可用一個電流源來等價，這就意味著光電探測器本質上可用一個電流源來等價，這就意味著探測器有一個等效電阻探測器有一個等效電阻R。n電阻中自由電子的隨機熱運動將引起電阻器電阻中自由電子的隨機熱運動將引起電阻器R兩端隨機兩端隨機起伏的電壓。起伏的電壓。RfKTin42電阻電阻R的熱噪聲電流為的熱噪聲電流為:fKTRiRunn4222fKTRuVnn42RfKTRiInn/42n 對于光電導探測器，載流子熱激發是電子對于光電導探測器，載流子熱激發是電子空穴對。空穴對。電子和空穴在運動中，電子和空

36、穴在運動中，與光伏器件重要的不同點在于存與光伏器件重要的不同點在于存在嚴重的復合過程，而復合過程本身也是隨機的。在嚴重的復合過程，而復合過程本身也是隨機的。n 因此，不僅有載流子產生的起伏，而且還有載流子因此，不僅有載流子產生的起伏，而且還有載流子復合的起伏，這樣就使起伏加倍，雖然本質也是散粒噪復合的起伏，這樣就使起伏加倍，雖然本質也是散粒噪聲，但為強調聲，但為強調產生產生和和復合復合兩個因素，取名為兩個因素，取名為產生產生復合復合散粒噪聲散粒噪聲，簡稱為，簡稱為產生產生復合噪聲復合噪聲。n1/f 噪聲又稱為噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲閃爍或低頻噪聲。n這種噪聲是由于這種噪聲是由于光敏層的微粒不均

37、勻或不必要的微量雜質光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質的存在的存在，當電流流過時在微粒間發生微火花放電而引起的微，當電流流過時在微粒間發生微火花放電而引起的微電爆脈沖。電爆脈沖。n幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現在大約幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現在大約1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調制頻率以下的低頻頻域，而且與光輻射的調制頻率 f 成反比，成反比，故稱為低頻噪聲或故稱為低頻噪聲或1/f 噪聲。噪聲。n實驗發現，探測器表面的工藝狀態實驗發現，探測器表面的工藝狀態(缺陷或不均勻等缺陷或不均勻等)對這對這種噪聲的影響很大，所以有時也稱為種噪聲的影響很大，所以有時

38、也稱為表面噪聲或過剩噪聲表面噪聲或過剩噪聲。n一般說，只要限制低頻端的調制頻率不低于一般說，只要限制低頻端的調制頻率不低于1千赫茲，這千赫茲，這種噪聲就可以防止。種噪聲就可以防止。高頻高頻中頻中頻低頻低頻1/f低頻噪聲低頻噪聲產生產生復合噪聲復合噪聲熱噪聲熱噪聲單位帶寬噪聲電流均方值對數單位帶寬噪聲電流均方值對數logB拐點拐點（1KHz）拐點拐點（1MHz）n發射噪聲：發射噪聲：只要有電流通過，便會產生發射噪聲，只要有電流通過，便會產生發射噪聲，這是由電子電荷的離散性所決定的，這種離散性將這是由電子電荷的離散性所決定的，這種離散性將造成電流的微小起伏。造成電流的微小起伏。 n暗電流噪聲：暗電

39、流噪聲：即使沒有光信號照到光電倍增管中，即使沒有光信號照到光電倍增管中，由于熱電子發射也會形成暗電流噪聲，這種暗電流由于熱電子發射也會形成暗電流噪聲，這種暗電流噪聲系基于外光電效應器件的主要噪聲。噪聲系基于外光電效應器件的主要噪聲。 n倍增噪聲：倍增噪聲：由于倍增極二次電子發射過程的隨機性由于倍增極二次電子發射過程的隨機性產生的，它使得倍增極的增益在附近有一定的起伏。產生的，它使得倍增極的增益在附近有一定的起伏。 n熱噪聲：熱噪聲：由陽極負載電阻所產生。由陽極負載電阻所產生。 fieif2n2.1 2.1 響應度響應度R R 定量定量描述光電器件輸出電信號與輸入的光信號描述光電器件輸出電信號與

40、輸入的光信號之間的關系之間的關系。n探測器輸出信號電壓探測器輸出信號電壓Vs與輸入光功率與輸入光功率P的比值。的比值。n單位一般為單位一般為V/W或或A/W。n該值是直流狀態下的測試值。該值是直流狀態下的測試值。HAIPIfTRHAVPVfTRssss,探測器探測器面積面積光源的光源的輻射度輻射度2.2 2.2 光譜響應光譜響應（光電探測器最基本的參數，通常用相對光譜響應來描光電探測器最基本的參數，通常用相對光譜響應來描）n表征表征響應度響應度R隨波長隨波長變化的特性參數。由于許多光探測器是基于光變化的特性參數。由于許多光探測器是基于光電效應而工作的，因而存在一個最低頻率電效應而工作的，因而存

41、在一個最低頻率0，只有入射光頻率大于，只有入射光頻率大于0才能才能有響應信號輸出，相應存在一個探測波長極限有響應信號輸出，相應存在一個探測波長極限c，在，在 c時探測器對于時探測器對于某一頻率（波長）光的響應與探測器對該波長的吸收速率，即單位時間某一頻率（波長）光的響應與探測器對該波長的吸收速率，即單位時間內入射的光子數密度成正比，因而內入射的光子數密度成正比，因而 c時，其響應隨著波長的增加而呈時，其響應隨著波長的增加而呈線性上升。而線性上升。而 c時，光譜響應曲線迅速下降到零。時，光譜響應曲線迅速下降到零。 相對輸出相對輸出波長波長隨波長線性增隨波長線性增長區長區峰值區峰值區急劇下降區急劇

42、下降區c2.3 2.3 能量閾能量閾P Pththn從響應度從響應度R的定義式的定義式n可見，如果可見，如果P0，應有，應有Is =0n實際情況是，當實際情況是，當P0時，光電探測器的輸出電流并不為零。時，光電探測器的輸出電流并不為零。 n這個電流稱為這個電流稱為暗電流或噪聲電流暗電流或噪聲電流n它是瞬時噪聲電流的有效值。它是瞬時噪聲電流的有效值。n顯然，這時響應度顯然，這時響應度R 巳失去意義，我們必須定義一個新參巳失去意義，我們必須定義一個新參量來描述光電探測器的這種特性。量來描述光電探測器的這種特性。PIRsn考慮到這個因素之后，一個光電探測器完成光電轉換過程的模型考慮到這個因素之后，一

43、個光電探測器完成光電轉換過程的模型如圖所示。如圖所示。光電效應sinisPbP內部噪聲信號加噪聲電流增益放大器過程輸出 圖中的光功率圖中的光功率Ps和和Pb分別為信號和背景光功率。可見，即分別為信號和背景光功率。可見，即使使Ps和和Pb都為零，也會有噪聲輸出。都為零，也會有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。微弱信號的能力。 通常認為，如果信號光功率產生的信號光電流通常認為，如果信號光功率產生的信號光電流is等于噪聲電等于噪聲電流流in，那么就認為剛剛能探測到光信號存在。，那么就認為剛剛能探測到光信號存在。n依照這一判據，定義探測器的能量閾依照這一判據，定義探

44、測器的能量閾Pth為為)(瓦inthRiP 若若Ri=10A/W，in=0.01A，則能量閾，則能量閾Pth0.001W。也。也就是說，小于就是說，小于0.001微瓦的信號光功率不能被探測器所得知，所微瓦的信號光功率不能被探測器所得知，所以，以，能能量閾是探測器所能探測的最小光信號功率量閾是探測器所能探測的最小光信號功率。 2.3 2.3 能量閾能量閾P Pththn同一個問題，還有另一種更通用的表述方法，這就是同一個問題，還有另一種更通用的表述方法，這就是等效噪聲功率等效噪聲功率NEP。它定義為單位信噪比時的信號光。它定義為單位信噪比時的信號光功率。信噪比功率。信噪比SNR定義為定義為nsu

45、uSNR(電壓信噪比電壓信噪比) nsiiSNR(電流信噪比電流信噪比) 顯然，顯然，NEP越小，表明探測器探測微弱信號的能力越越小，表明探測器探測微弱信號的能力越強。所以強。所以NEP是描述光電探測器探測能力的參數。是描述光電探測器探測能力的參數。1)SNR(NEPisissnisssinthPSNRPiiRiiiRiP產生單位信噪比所需的入射功率產生單位信噪比所需的入射功率n給出了探測器能夠探測的最小光功率給出了探測器能夠探測的最小光功率 ，表征探測器的，表征探測器的探測能力。探測能力。NEP越小，探測能力越強。越小，探測能力越強。 由于噪聲頻譜很窄，為減小噪聲影響，一般將探由于噪聲頻譜很

46、窄，為減小噪聲影響，一般將探測器后面的放大器做成窄帶通的，其中心頻率為調測器后面的放大器做成窄帶通的，其中心頻率為調制頻率，這樣，信號將不受損失而噪聲可以被濾去，制頻率，這樣，信號將不受損失而噪聲可以被濾去，從而使從而使NEP減小減小nNEP越小，探測器探測能力越高，不符合人越小，探測器探測能力越高，不符合人們們“越大越好越大越好”的習慣，于是取的習慣，于是取NEP的倒數的倒數并定義為探測度并定義為探測度D，即，即n這樣，這樣，D值大的探測器就表明其探測力高。值大的探測器就表明其探測力高。)(NEP11瓦D2.5 2.5 歸一化探測度歸一化探測度D*(讀作讀作D星星) 是描述光探測器響應度在入

47、射光波長不變時，隨入射光是描述光探測器響應度在入射光波長不變時，隨入射光調制頻率調制頻率f 變化的特性參數。是表征光探測器頻率特性的重變化的特性參數。是表征光探測器頻率特性的重要參數。當器件的輸出信號功率降到零頻時的一半，即信號要參數。當器件的輸出信號功率降到零頻時的一半，即信號幅度下降到零頻的幅度下降到零頻的0.707時，可得到器件的上限截止頻率時，可得到器件的上限截止頻率fc響應度響應度頻率頻率R(f)Ra0.707RaR(f)f21Zfn暗電流：暗電流：指沒有信號和背景輻射時通過指沒有信號和背景輻射時通過探測器的電流。探測器的電流。n工作溫度：工作溫度：對于非冷卻型探測器指環境對于非冷卻

48、型探測器指環境溫度，對于冷卻型探測器指冷卻源標稱溫度，對于冷卻型探測器指冷卻源標稱溫度。溫度。n響應時間：響應時間：指探測器將入射輻射轉變為指探測器將入射輻射轉變為信號電壓或電流的馳豫時間。信號電壓或電流的馳豫時間。n光敏面積：光敏面積：指靈敏元的幾何面積。指靈敏元的幾何面積。n光電探測器還有其它一些特性參數，在光電探測器還有其它一些特性參數，在使用時必須注意到，例如使用時必須注意到，例如光敏面積光敏面積，探，探測器測器電阻電阻，電容電容等。等。n特別是特別是極限工作條件極限工作條件，正常使用時都不，正常使用時都不允許超過這些指標，否則會影響探測器允許超過這些指標，否則會影響探測器的正常工作，

49、甚至使探測器損壞。的正常工作，甚至使探測器損壞。n通常規定了通常規定了工作電壓工作電壓、電流電流、溫度溫度以及以及光照功率允許范圍光照功率允許范圍，使用時要特別加以，使用時要特別加以注意。注意。 3、各種光子探測器件的性能比較、各種光子探測器件的性能比較和應用選擇和應用選擇n1、接收光信號的方式、接收光信號的方式n2、各種光子探測器件的性能比較、各種光子探測器件的性能比較n3、應用選擇、應用選擇n判斷信號的有無判斷信號的有無n如光電開關、光電報警等。這類光電系統檢測由被如光電開關、光電報警等。這類光電系統檢測由被測對象造成的投射到光電器件上的光信號的通過或測對象造成的投射到光電器件上的光信號的

50、通過或者截斷。者截斷。n這時不關心光電器件的線性，而是關注其靈敏度。這時不關心光電器件的線性，而是關注其靈敏度。n系統中的光信號按一定調制頻率交替變化系統中的光信號按一定調制頻率交替變化這種光電系統中的光強度信號被調制在一定的頻這種光電系統中的光強度信號被調制在一定的頻帶內或某一調制頻率下。帶內或某一調制頻率下。所選光電器件的截止頻率光信號的調制頻率。所選光電器件的截止頻率光信號的調制頻率。n檢測光信號的幅度大小檢測光信號的幅度大小被測對象本身光輻射的強度發生變化；被測對象本身光輻射的強度發生變化；被測對象因對光的反射率、透過率發生變化；被測對象因對光的反射率、透過率發生變化；光電器件接收到的

51、光照度亦隨之變化。光電器件接收到的光照度亦隨之變化。 n 為準確檢測出這種變化，選擇器件需注意：為準確檢測出這種變化，選擇器件需注意： 靈敏度適當、線性好、響應快、動態范圍合適。靈敏度適當、線性好、響應快、動態范圍合適。 如光敏二極管、光電倍增管。如光敏二極管、光電倍增管。n檢測光信號的色度差異檢測光信號的色度差異被測對象造成光電器件接受到的色溫發生變化；被測對象造成光電器件接受到的色溫發生變化；被測對象本身的表面顏色發生變化。被測對象本身的表面顏色發生變化。n選擇光譜特性合適的光電器件。選擇光譜特性合適的光電器件。n在時間響應和頻率特性，即動態特性方在時間響應和頻率特性，即動態特性方面：面：

52、光電倍增管和光敏二極管較好；光電倍增管和光敏二極管較好；PINPIN光敏二極管和雪崩光敏二極管最好。光敏二極管和雪崩光敏二極管最好。n光電特性方面：光電特性方面：光電倍增管、光敏二極管和光電池的線性都光電倍增管、光敏二極管和光電池的線性都較好。較好。n靈敏度方面：靈敏度方面：光電倍增管、雪崩光敏二極管最好，光敏電光電倍增管、雪崩光敏二極管最好，光敏電阻和光敏晶體管較好。阻和光敏晶體管較好。n需要說明的是，靈敏度高不一定就是輸需要說明的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大。輸出電流大的器件有大面積出電流大。輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、光電池、光敏電阻、雪崩光敏二極管和雪崩光敏二極管和光

53、敏晶體管。光敏晶體管。n外加偏壓：外加偏壓：外加偏壓最低的是光敏二極管和光敏晶體管，外加偏壓最低的是光敏二極管和光敏晶體管，光電池不需加電源便可工作；光電池不需加電源便可工作；n暗電流：暗電流：光電倍增管和光敏二極管最小，光電池不加光電倍增管和光敏二極管最小，光電池不加電源時無暗電流，加反向偏壓后暗電流比光電源時無暗電流，加反向偏壓后暗電流比光電倍增管和光敏二極管要大；電倍增管和光敏二極管要大；n長期工作的穩定性方面：長期工作的穩定性方面：光敏二極管和光電池最好；光敏二極管和光電池最好；其次是光電倍增管和光敏晶體管；其次是光電倍增管和光敏晶體管；n光譜響應方面：光譜響應方面：光電倍增管和光敏電

54、阻最寬；光電倍增管和光敏電阻最寬；光電倍增管的響應偏在紫外方面，光敏電阻光電倍增管的響應偏在紫外方面，光敏電阻的響應偏向紅外方面；的響應偏向紅外方面；器件波長響應范圍/nm光電特性直線性受光面積穩定性外形尺寸價格主要特點短波峰值長波光電管紫外紅外好大良大大微光測量光電倍增管紫外紅外最好大良大大快速、精密微光測量光敏電阻400640900差大一般中中多元陣列光開關Si光電池4008001200好最大最好中中象限光電池輸出功率大Se光電池350550700好最大一般中中光譜接近人的視覺范圍Si光敏二極管4007501000好小最好最小低高靈敏度、小型、高速Si光敏三極管4007501000較好小良

55、小低有電流放大n光電器件必須和輻射信號以及光學系統在光譜光電器件必須和輻射信號以及光學系統在光譜特性上相匹配。特性上相匹配。如測量波長在紫外波段，則可選光電倍增管或專門的如測量波長在紫外波段，則可選光電倍增管或專門的紫外半導體光電器件；紫外半導體光電器件；如果信號是可見光，則可選光敏電阻、硅光電器件或如果信號是可見光，則可選光敏電阻、硅光電器件或光電倍增管；光電倍增管；對于紅外信號，可選光敏電阻；對于紅外信號，可選光敏電阻；近紅外波段可選硅材料光電器件或光電倍增管。近紅外波段可選硅材料光電器件或光電倍增管。n光電器件與入射輻射能量在空間上對準。光電器件與入射輻射能量在空間上對準。a a、光電器

56、件的光敏面要與入射輻射在空間上、光電器件的光敏面要與入射輻射在空間上匹配好。匹配好。太陽能電池光敏面大太陽能電池光敏面大用于雜散光或沒有達到聚集狀態的光用于雜散光或沒有達到聚集狀態的光束的接收。束的接收。光敏電阻（光調可變電阻）光敏電阻（光調可變電阻）通過光路和機械設計控制光照通過光路和機械設計控制光照在全部電阻體上，有效利用全部光敏面。在全部電阻體上，有效利用全部光敏面。光敏二極管和光敏晶體管的感光面只是結附近的一個極小的面光敏二極管和光敏晶體管的感光面只是結附近的一個極小的面積積用透鏡把光聚焦到感光的光敏點上。用透鏡把光聚焦到感光的光敏點上。n光電器件的光電轉換特性要與入射輻射光電器件的光

57、電轉換特性要與入射輻射相匹配。相匹配。 通常使入射輻射通量的變化中心處通常使入射輻射通量的變化中心處于光電器件的線性范圍內，以確保獲得良于光電器件的線性范圍內，以確保獲得良好的線性檢測。好的線性檢測。n對于微弱光信號，器件要有高的靈敏度，對于微弱光信號，器件要有高的靈敏度，以保證一定的信噪比和足夠強的輸出電信以保證一定的信噪比和足夠強的輸出電信號。號。n光電器件的響應特性要與光信號的信號光電器件的響應特性要與光信號的信號頻率、調制形式和波形相匹配，以保證輸頻率、調制形式和波形相匹配，以保證輸出波形沒有頻率失真和良好的時間響應。出波形沒有頻率失真和良好的時間響應。n這種情況主要是選擇響應時間短或

58、者上限這種情況主要是選擇響應時間短或者上限頻率高的器件，同時在電路上也要注意匹頻率高的器件，同時在電路上也要注意匹配好動態參數。配好動態參數。n光電器件還應和后繼電路在電特性上相光電器件還應和后繼電路在電特性上相互匹配，以保證最大的轉換系數、線性范互匹配，以保證最大的轉換系數、線性范圍、信噪比以及快速的動態響應等。圍、信噪比以及快速的動態響應等。n注意選好器件的規格和使用的環境條件，注意選好器件的規格和使用的環境條件，以使器件具有長期工作的可靠性。以使器件具有長期工作的可靠性。n當工作條件超過最大限額時，器件的特性會急劇當工作條件超過最大限額時，器件的特性會急劇惡化，特別是超過電流容限值后，其

59、損壞往往是惡化，特別是超過電流容限值后，其損壞往往是永久性的。使用的環境溫度和電流容限一樣，當永久性的。使用的環境溫度和電流容限一樣，當超過溫度的容限值后，往往會引起緩慢的特性惡超過溫度的容限值后，往往會引起緩慢的特性惡化。化。n大多數的光電器件都需要經過檢測與轉換電路才能實現大多數的光電器件都需要經過檢測與轉換電路才能實現光電信號的變換，通常的光電檢測電路由光電檢測器件、光電信號的變換，通常的光電檢測電路由光電檢測器件、輸入電路和前置放大器組成。輸入電路和前置放大器組成。n核心：光電檢測器件，是溝通光學量和電子系統的接口核心：光電檢測器件，是溝通光學量和電子系統的接口環節。環節。n重要環節：

60、前置放大及耦合電路。重要環節：前置放大及耦合電路。n中間環節：輸入電路，為光電器件提供正常的電路工作中間環節：輸入電路，為光電器件提供正常的電路工作條件，同時也完成與前置放大及耦合電路的電路匹配。條件，同時也完成與前置放大及耦合電路的電路匹配。光電檢測器件光電檢測器件輸入電路輸入電路前置放大器前置放大器n1、光電轉換能力強、光電轉換能力強n n 將光信號轉變為適合的電信號，是實現光電檢測的將光信號轉變為適合的電信號，是實現光電檢測的先決條件。所以光電轉換能力的高低對整個光電檢測系先決條件。所以光電轉換能力的高低對整個光電檢測系統具有至關重要的影響和作用。因此，具備較強的光電統具有至關重要的影響