1、第四章 光源與光電探測器4.1 光電信息技術中常用的光源光電信息技術中常用的光源4.2 光電探測器的性能參數與噪聲光電探測器的性能參數與噪聲4.3 光子探測器光子探測器4.4 熱探測器熱探測器光源在科學研究和工程技術中有著廣泛的應用，在物質的成分分析、材料的結構研究、光電檢測、照明工程中，都離不開一定形式的光源。在光電信息技術中，光是信息的攜帶者，光的光譜輻射能量（或強度）、頻率、振幅均可攜帶、傳輸各種信息。而光源在光電信息技術中往往起著關鍵的作用，因此，了解常用光源的基本特性和參數，并按照實際工作需求選擇合適的光源，往往是光電信息技術工作中解決具體問題成功的關鍵。光電探測器是一種能把光輻射信

2、號轉換為電信號的器件。是光電信息技術中核心組成部分，在光電信息技術中的作用是發現信號、測量信號，并為隨后的某些應用提取某些必要的信息。目前已經有一系列工作于射線、x射線、紫外、可見光、紅外光波段的各種探測器。根據器件對輻射響應的方式不同，光電探測器可分為兩大類：一類是光子探測器，另一類是熱探測器。4.1 光電信息技術中常用的光源光電信息技術中常用的光源一切能產生光輻射的輻射源，無論是天然的，還是人造的，都稱為光源。天然光源是自然界中存在的，如太陽、恒星等，在天文學電探測中，常常會遇到這些光輻射的測量。人造光源是人為將各種形式能量（熱能、電能、化學能）轉化成光輻射能的器件，其中利用電能產生光輻射

3、的器件稱為電光源。在一般光電測量系統中，電光源是最常見的光源。 4.1.1 光源的基本特性參數光源的基本特性參數1. 輻射效率和發光效率輻射效率和發光效率 在給定波長范圍內，某一光源發出的輻射通量與產生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規定光譜范圍內的輻射效率，于是PdPeee)(21 光源的基本特性參數光源的基本特性參數相應地，對于可見光范圍，某一光源的發光效率v為所發射的光通量與產生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的光效率，即2. 光譜功率分布光譜功率分布 自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最

4、大值為1，將光譜功率分布進行歸一化，那么經過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分析。 780380( ) ( )vmevKVdpP 光源的基本特性參數光源的基本特性參數表41 常用光源的發光效率 光源的基本特性參數光源的基本特性參數圖41 四種典型的光譜功率分布 光源的基本特性參數光源的基本特性參數光源的光譜功率分布通常可分成四種情況，如圖41所示。圖中（a）稱為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細線組成，如低壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜，它由一些分開的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。圖（c）為連續光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續光譜，圖（d）是混合光

5、譜，它由連續光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。在選擇光源時，它的光譜功率分布應由測量對象的要求來決定。在目視光學系統中，一般采用可見光譜輻射比較豐富的光源。對于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計中，通常使用氚燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強的光源，在光纖技術中，通常使用發光二極管和半導體激光器等光源 光源的基本特性參數光源的基本特性參數3. 空間光強分布空間光強分布 對于各向異性光源，其發光強度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度與該方向的發光強度成正比。將各矢量的端點

6、連起來，就得到光源在該截面上的發光強度曲線，即配光曲線。圖42是超高壓球形氙燈的光強分布。在有的情況下，為了提高光的利用率，一般選擇發光強度高的方向作為照明方向。為了進一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點位于光源的發光中心上。4. 光源的色溫光源的色溫 黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對非黑體輻射，它的某些特性常可用黑體輻射的特性來近似地表示。對于一般光源，經常用分布溫度、色溫或相關色溫表示。 光源的基本特性參數光源的基本特性參數（1）分布溫度。輻射源在某一波長范圍內輻射的相對光譜分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源

7、的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為：（2）色溫。輻射源發射光的顏色可以由多種光譜分布產生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。（3）相關色溫。對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關色溫表示，在均勻色度圖中，如果光源的色坐標點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關色溫。11),(/512vTcveecTL 光源的基本特性參數光源的基本特性參數圖42 超高壓球形氙燈光強分布 熱輻射源熱輻射源5. 光源的顏色光源的顏色 光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源

8、的色表。 4.1.2 熱輻射源熱輻射源 任何物體只要其溫度大于絕對零度，就會向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關。 熱輻射光源有三個特點：（1）它們的發光特性都可以利用普朗克公式進行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們的發光或輻射性質；（2）它們發出的光通量構成連續的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應性強。但在通常情況下，紫外輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；（3）采用適當的穩壓或穩流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩定度。 熱輻射源熱輻射源 1. 太陽太陽 太陽可看成是一個直徑為1.392 109 m的光球。它到地球的年平均距離是1.491011m因此從地球上觀看太陽時，太陽的張

9、角只有0.5330。大氣層外的太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射(圖43)。其平均輻亮度為2.01l07Wm-2sr-1平均亮度為1.95109cdm-2。 射到地球上的太陽輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，使太陽輻射在光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態等都發生了變化。大氣的吸收光譜比較復雜，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳氫化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了大陽輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質在標準海平面上太陽的光譜輻射照度曲線，如圖43所示，其中的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶 熱輻射源熱輻射源圖43 太陽的光

10、譜能量分布曲線 2. 黑體模擬器黑體模擬器 在許多軍用紅外光電信息技術和光電系統中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。圖44 黑體模擬器的結構 熱輻射源熱輻射源 熱輻射源熱輻射源3. 白熾燈白熾燈 白熾燈是照明工程和光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發射的是連續光譜，在可見光譜段中部和黑體射曲線相差約0.5%，而在整個光譜段內和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，白熾燈使用和量值復現方便，它的發光特性穩定，壽命長，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標準光源。圖45是用于光計量的幾種標準光源。圖(a)所示為BDQ型發光強度標準燈，用來傳遞

11、和復現發光強度單位(cd)的量值。發光強度標準燈是通過精確控制流過燈絲的直流電流，復現在規定的色溫下和在燈絲平面中心的法線方向上的光強度。 圖(b)是BDT型光通量標準燈，用來傳遞和復現光通量值光通量標準燈的燈絲是旋轉對稱的，這樣使電壓與燈參數的變化曲線其光分布在各旋轉方向盡可能一致。 圖(c)為BW型溫度標準燈，它的發光體是一條狹長的鎢帶，當通以電流時，鎢帶熾熱發光。主要工作在80025000C 范圍內，復現和驗定光學高溫計及某些以光學高溫計作標準的溫度源，也可以代替能量標準燈使用。 熱輻射源熱輻射源圖45 幾種標準燈的外形 氣體放電光源氣體放電光源4.1.3. 氣體放電光源氣體放電光源 利

12、用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。制作時在燈中充入發光用的氣體，如氫、氦、氘、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鎘、鈉、銦、鉈、鏑等。在電場作用下激勵出電子和離子，氣體變成導電體。當離子向陰極、電子向陽極運動時，從電場中得到能量，當它們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子。由于這一過程中有些內層電子會躍遷到高能級，引起原子的激發，受激原子回到低能級時就會發射出可見輻射或紫外、紅外輻射。這樣的發光機制被稱為氣體放電原理。氣體放電光源具有下列共同的特點：（1）發光效率高。比同瓦數的白熾燈發光效率高210倍，因此具有節能的特點；（2）結構緊湊。由于不靠燈絲本身發光，電極可以做得牢固緊湊，耐

13、震、抗沖擊；（3）壽命長。一般比白熾燈壽命長210倍；（4）光色適應性強，可在很大范圍內變化。 氣體放電光源氣體放電光源圖46 幾種氣體放電燈的外形圖表42 常用氣體放電燈的種類、性能和主要應用領域 氣體放電光源氣體放電光源1.汞燈汞燈 按玻殼內氣壓的高低分，汞燈通常分為低壓汞燈、高壓汞燈和球形超高壓汞燈，分別簡介如下。(1)低壓汞燈。 氣體放電光源氣體放電光源（2）高壓汞燈。當汞燈內的蒸氣壓達到15大氣壓時，汞燈電弧的輻射光譜就會產生明顯變化，光譜線加寬，出現弱的連續光譜，紫外輻射明顯減弱，而可見輻射增加，其光譜分布如圖47(6)所示。（3）球形超高壓汞燈。在球形超高壓汞燈中，如果啟動氣體改

14、為高氣壓的氙氣，則此時稱為球形超高壓汞氙燈。燈一經啟動就輻射出強烈的連續光譜，并且遠紫外區光譜明顯增加 2. 氙燈氙燈 氙燈是由充有惰性氣體氙的石英泡殼內兩個鎢電極之間的高溫電弧放電，從而發出強光。高壓氙燈的輻射光譜是連續的，與日光的光譜能量分布相接近(圖48)，色溫為6000K左右，顯色指數90以上，因此有“小太陽”之稱。氙燈可分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。 氣體放電光源氣體放電光源 圖48 短弧氙燈光譜能量分布 圖49 短弧氙燈的電弧亮度分布 氣體放電光源氣體放電光源3. 空心極燈空心極燈 空心陰極燈屬于冷陰極低氣壓正常輝光放電燈。該燈的外形如圖410所示，其陰極由金屬元素或其它合

15、金制成空心圓柱形，圓環形陽極是用吸氣性能很好的鋯材料制成的。 空心陰極燈也叫做原子光譜燈，陰極材料根據所需的譜線選擇相應的金屬；窗口有石英玻璃和普通玻璃兩種，則根據輻射的原于光譜波長而定。空心陰極燈是原子吸收分光光度計上必不可少的光源。由于這種燈工作時陰極的溫度并不高，所輻射出的金屬原子譜線很窄，強度很大，穩定性好。因此，空心陰極燈用作對微量金屬元素吸收光譜定性或定量分析的光源，以及用于光譜儀器波長定標上。4. 氘燈氘燈 氘燈是一種熱陰極弧光放電燈，泡殼內充有高純度的氘氣。氘(H12是氫(H11)的同位素，又叫重氫 氣體放電光源氣體放電光源圖410 空心陰極燈外形圖 圖411 氘燈 發光二極管

16、發光二極管4.1.4 發光二極管發光二極管發光二極管（light emitting diode，LED）是一種注入式電致發光器件，它由p型和n型半導體組合而成，是少數載流子在p-n結區的注入與復合而產生發光的一種半導體光源 工作原理工作原理 實際上發光二極管就是一個由直接帶隙半導體（如GaAs）制成的PN接二極管。半導體內電子空穴對的復合就產生光子發射。基本結構基本結構 圖413是雙異質結半導體發光二極管的結構示意圖。PGaAs是產生熒光的復合區（有源區），它和與之相鄰的PAlxGa1xAs層構成限制電子和光波的同型異質結PP結。而和與之相鄰的NAlyGa1yAs層構成限制空穴和光波的反型異質

17、結PN結。 發光二極管發光二極管圖412 發光二極管的能帶圖 發光二極管發光二極管圖413 雙異質結半導體發光二極管的結構示意圖 發光二極管發光二極管圖414是短波長0.80.9m雙異質結GaAs/AlGaAs面發光二極管的結構圖415為波長1.3m雙異質結InGaAsP/InP邊發光型LED結構。它的核心部分是一個NAlGaAs有源層，及其兩邊的PAlGaAs和NAlGaAs導光層（限制層）。導光層的折射率比有源層低，但比其它周圍材料的折射率高，從而構成以有源層為芯層的光波導，有源層產生的光波從其端面射出。 發光二極管發光二極管驅動電路驅動電路 發光二極管工作需要加正向偏置電壓，以提供驅動電

18、流。典型的驅動電路如圖416所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調節三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進行調制，則調制信號通過一電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號所調制。 發光二極管發光二極管 4. LED的特性參數的特性參數 (1)量子效率。發光二極管一般用量子效率來表示。表征器件這一性能的參數就是外量子效率，表示， (2)光譜特性。發光二極管的發光光譜直接決定著它的發光顏色。根據半導體材料的不同，目前能制造出紅、綠、黃、橙、藍、紅外等各種顏色的發光二極管，如表4-3所列。GNrqiGNTqer為產生的光子數，為注入的電子空穴數

19、NT為器件射出的光子數 發光二極管發光二極管表43 幾種發光二極管的特性 發光二極管發光二極管光束的空間分布。在垂直于發光面上，面發光LED輻射圖呈朗伯分布，即P（）P0cos，半功率點輻射角1200。邊發光型LED，1200，250350。輸出光功率特性。發光二極管的輸出光功率特性如圖418所示。驅動電流較小時，PI曲線的線性較好；電流過大時，由于PN結發熱產生飽和現象，使PI曲線的斜率減小。在通常情況下，LED的工作電流為50100mA，輸出光功率為幾nW。響應時間。響應時間是表示反應速度的一個重要參數，尤其在脈沖驅動或電調制時顯得十分重要。響應時間是指注入電流后啟亮（上升）和熄滅（衰減）

20、的時間。直接躍遷材料幾個納秒，而間接躍遷材料約為100納秒 壽命。發光二極管的壽命一般是很長的，在電流密度小于1A/cm2的情況下，壽命可達106小時。老化快慢與電流密度和時間常數有關，關系為; 0jtLteL 發光二極管發光二極管圖417 LED光譜 圖418 LED的PI曲線 發光二極管發光二極管5. LED的應用的應用 隨著科學技術的發展，電子設備的數字化和集成化，越來約需要能顯示較大信息量的顯示器和全標度圖標顯示。隨著半導體材料的制備和工藝的發展，發光二極管已在指示和信息顯示中占主導地位。指示燈。LED正在成為指示燈的主要光源。LED的壽命在數十萬小時以上，為普通白熾燈的100倍以上，

21、而且具有功耗小、發光響應速度快、亮度高、小型、耐振動等特點，在各種應用中占有明顯優勢。 數字顯示用顯示器。利用LED進行數字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型如圖419所示，使用LED發光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的數字只讓相應的元件發光。 發光二極管發光二極管圖419 點矩陣型數字顯示 圖420 字段型數字顯示 發光二極管發光二極管（3）平面顯示器。LED還可以用于平面顯示，其優點是，由于LED為固體元件，可靠性強，與采用白熾燈的顯示器相比，功耗小；可以制作對陰極射線管（CRT）及液晶顯示器（LCD）來說不容易做出的大型顯示器等。 （4）光源。 LED除用作顯示器件外，還可用作各

22、種裝置、系統的光源。如電視機、空調等的遙控器的光源。在光電檢測系統及光通信系統中，也可作為發射光源來使用。 (5) 光耦合器件。光耦合器件是將發光二極管和光電接收元件組合而構成的一種器件。它是以光子作為傳輸媒介，將輸入端的電信號耦合到輸出端 (6) 負阻發光器件。負阻發光二極管的工作原理如圖421（a）所示，它相當于兩個PN結發光二極管串在一起，其J型伏安特性曲線如圖421(b)。 發光二極管發光二極管圖421 負阻發光二極管的工作原理 發光二極管發光二極管圖422 光脈沖反射器 圖423 雙穩態電路 發光二極管發光二極管(3) 雙導態發光器件。圖424是雙導態發光二極管的伏安特性曲線。器件具

23、有兩種不同的狀態，每種都具有它自己的整流特性。圖424 雙導態發光器件伏安特性 發光二極管發光二極管總之，隨著半導體材料的制備和p-n結制造技術的發展，發光二極管日益得到廣泛的重視和應用。歸納起來它具有如下優點：(1)屬于低電壓(1-2V)、小電流(每個發光單元只需10mA)器件，在室溫下即可得到足夠的亮度(一般3000cd.m-2以上)；(2)發光響應速度快(10-7 10-s)；(3)由于器件在正向偏置下使用因此性能穩定；(4)易于和集成電路匹配，且驅動簡單；(5)與普通光源相比，單色性好，其發光的半寬度一般為幾十納米；(6)小型、耐沖擊。當然它也存在一些缺點，主要是功率較小，只有pw、m

24、W級；光色有限，較難獲得短波發光(如紫外、藍色)，且發光效率低 激光器激光器圖426 激光器諧振腔及激光輸出 激光器激光器4.1.5 激光器激光器1. 激光器的工作原理激光器的工作原理 激光器一般是由工作物質、諧振腔和泵浦源組成，如圖425所示。圖425 激光器工作原理 激光器激光器2. 激光器的類型激光器的類型 目前已研制成功的激光器光器達數百種，輸出波長范圍從近紫外直到遠紅外，輻射功率從幾毫瓦至上萬瓦，一般按工作物質分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導體激光器等。(1)氣體激光器。氣體激光器采用的工作物質很多，激勵方式多樣，發射波長也最廣。這里主要介紹氦氖激光器、氬離

25、子激光器和二氧化碳激光器。氦氖激光器氦氖激光器 氦氖激光器工作物質由氦氣和氖氣組成，是一種原子氣體激光器。 氬離子激光器氬離子激光器 氬離子激光器的工作物質是氬氣，在低氣壓大電流下工作，因此激光管的結構及材料都與氦氖激光器不同。二氧化碳激光器二氧化碳激光器 二氧化碳激光器的工作物質主要是二氧化碳，摻入少量和He等氣體，是典型的分子氣體激光器。 激光器激光器圖427 氦-氖激光器示意圖 激光器激光器（2）固體激光器。固體激光器所使用的工作物質是具有特殊能力的高質量的光學玻璃或光學晶體，里面摻如具有發射激光能力的金屬離子。（3）染料激光器。染料激光器（圖429）以染料為工作物質。染料溶解于某種有機

26、溶液中，在特定波長光的激發下，能發射一定帶寬的熒光。 （4）半導體激光器。半導體激光器的工作物質是半導體材料。它的原理與前面討論過的發光二極管沒有太多差異，pn結就是激活介質，如圖430為砷化鎵同質結二極管激光器的結構，兩個與結平面垂直的晶體解理面構成了諧振腔。 半導體激光器光輸出電流特性如圖431所示，其中受激發射曲線與電流軸的交點就是該激光器的閾值電流，它表示半導體激光器產生激光輸出所需的最小注入電流。 激光器激光器 圖428 紅寶石激光器原理圖 激光器激光器圖429 染料激光器原理圖 激光器激光器圖430 GaAs半導體激光器 圖431 半導體激光器光輸出電流特性圖430 GaAs半導體

27、激光器 激光器激光器3激光的特性：激光的特性：（1）單色性。普通光源發射的光，即使是單色光也有一定的波長范圍。這個波長范圍即譜線寬度，譜線寬度越窄，單色性越好。 （2）方向性。普通光源的光是均勻射向四面八方，因此照射的距離和效果都很有限，即使是定向性比較好的探照燈，它的照射距離也只有幾公里。直徑一米左右的光束，不出十公里就擴大為直徑幾十米的光斑了。 （3）亮度。激光器由于發光面小，發散角小，因此可獲得高的光譜亮度。 （4）相干性。由于激光器的發光過程是受激輻射，單色性好，發射角小，因此有很好的空間和時間相干性。 表44 半導體激光器的材料及波長4.2 光電探測器的性能參數與噪聲光電探測器的性能

28、參數與噪聲光電探測器是一種輻射能轉換器件，是利用物質的光電效應把光輻射信號轉換成電信號的器件。是光電信息技術中最重要的器件。 4.2.1 光電探測器的性能參數光電探測器的性能參數響應度 （或稱靈敏度），響應度是光電探測器輸出信號與輸入輻射功率之間關系的度量。描述的是光電探測器的光電轉換效能。 ,(/)SVV WPVR,(/)SIA WPIR光譜響應度光譜響應度 光譜響應度又叫單色響應度，它表示不同波長的單位輻射功率，輻射入射到一個探測器的敏感元上，探測器輸出強弱的不同。 3.積分響應度積分響應度 積分響應度表示探測器對連續輻射通量的反應程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為, (/)SV

29、VWVR ,(/)SIA WIRd)(0光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應度。由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出光電流為可得積分響應度為4響應時間響應時間 響應時間是描述光電探測器對入射輻射響應快慢的一個參數。即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。 dRdIsIs)()(0101ddRR)()(001圖432 上升時間和下降時間5頻率響應頻率響應 由于光電探測器信號的產生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電探測器的響應將會有較大的影響。光電探測器的響應隨入

30、射輻射的調制頻率而變化的特性稱為頻率響應。利用時間常數可得到光電探測器響應度與入射輻射調制頻率的關系，其表達式為放大器的上限截止頻率（見圖433） 2/120)2(1)(fRfRRCf2121上顯然，時間常數決定了光電探測器頻率響應的帶寬。圖4-33 光電探測器的頻率響應曲線6信噪比（信噪比（S/N） 信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數。它是在負載電阻RL上產生的信號功率與噪聲功率之比，即若用分貝（dB）表示，則為7等效噪聲輸入（等效噪聲輸入（ENI） 它定義為器件在特定帶寬內（1Hz）產生的均方根信號電流恰好等于均方根噪聲電流值時的輸入通量，此時，其他參數，如頻率、溫度等應加以規定。這個參數

31、是在確定光電探測器件的探測極限（以輸入能量為瓦或流明表示）時使用。2222NSLNLSNSIIRIRIPPNSNSNSdBIIgIIgNS201101228噪聲等效功率（噪聲等效功率（NEP） 或稱最小可探測功率Pmin。它定義為探測器輸出的信號功率與噪聲功率之比為1時所需的入射到探測器上的輻射通量（單位為瓦）。即9探測率探測率D與比探測率與比探測率D* 只用NEP無法比較兩個不同來源的光探器的優劣。為此，引入兩個新的性參數探測率D和比探測率D*。NSNEPe/1SNVVDNEPP一個良好的探測器NEP約為1011W，NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。D也叫探測度，所描述的特性是：光電探測

32、器在它的電平之上產生一個可觀測的電信號的本領。歸一化的探測率一般稱為比探測率可以證明，D*與響應率RV可通過下式聯系起來10噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬 噪聲等效帶寬fN是在噪聲計算中所討論的帶寬。反映系統對噪聲的選擇性。噪聲等效帶寬定義為一個矩形噪聲功率增益曲線的頻率間隔。 fAPVVNEPfADdNSd/*NdVVfARD2/1)(*圖434 噪聲等效帶寬 矩形噪聲功率增益曲線與頻率坐標圖圍成的面積等于實際噪聲功率增益曲線與頻率坐標間的面積。此矩形的高為實際最大功率增益。噪聲帶寬可表示為： 11.暗電流暗電流Id 即光電探測器在沒有輸入信號和背景輻射時所流過的電流（加電源時）。一般測量其直流值

33、或平均值。12量子效率量子效率 量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數，它是在某一特定波長上在單位時間內光電探測器輸出的光電子數與這一特定波長入射光子數之比。 量子流速率N為0200011vNGfdff dfvfAGAhcdhvdNee量子流速率N即為每秒入射的光量子數。而每秒產生的光電子數為式中，IS為信號電流，q為電子電荷。因此量子效率為13線性度線性度 線性度是描述探測器的光電特性或光照特性曲線輸出信號與輸入信號保持線性關系的程度。線性度是輻射功率的復雜函數，是指器件中的實際響應曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差來度量qdRqIeSqhcRNqIS/)(12maxIImax為實際

34、響應曲線與擬合直線之間的最大偏差，I1和I2分別為線性區中最小和最大響應值。 4.2.2 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲 任何一個光電探測器在它的輸出端總是存在著一些毫無規律、事先無法預知的電壓起伏，即噪聲。依據噪聲產生的物理原因，光電探測器的噪聲分為散粒噪聲、產生復合噪聲、光子噪聲、熱噪聲和低頻噪聲等。散粒噪聲散粒噪聲 由于熱激發作用，隨機地產生電子所引起的起伏，稱為散粒噪聲。 它是穿越勢壘的載流子的隨機漲落所造成的。這種噪聲存在于所有光電探測器中。理論計算結果給出熱激發散粒噪聲的功率譜為：散粒噪聲的電流為：2gfqiM2nqifIi是流過探測器的平均暗電流，M是探測器的內增益，q是電子電

35、荷電量。f是測量帶寬相應的噪聲電壓為按照式中平均電流i產生的具體物理過程，有它們服從下式的轉換關系如果用背景光功率Pb和信號光功率Ps顯式表示，則有22nq ifVRdbsiiiiqitPth122nbsdqqS qfiIPPMhhId是熱激發暗電流，ib和is分別為背景和信號電流S2是光電發射和光伏過程，S4是光電導、產生復合過程，M1是光伏過程，M1是光電倍增管、雪崩過程 2.產生復合噪聲產生復合噪聲 半導體中由于載流子的產生與復合的隨機性而引起的載流子平均濃度的起伏所產生的噪聲稱為產生復合噪聲。如果頻率很低，且滿足2f1時，此時3.光子噪聲光子噪聲 當用光功率恒定的光照射探測器時，由于它

36、實際上是光子數的統計平均值，每一瞬時到達探測器的光子數是隨機的。不管是信號光還是背景光，都有光子噪聲伴隨。 2412g rq itfIf4grqitfI222,2nbnsbsqfqfiiIMIMi是流過器件的平均電流，為載流子平均壽命，t為載流子在器件兩極間平均漂移時間，f為頻率。這種情況為白噪聲4.熱噪聲熱噪聲 或稱Johnson噪聲，即載流子的無規則熱運動造成的噪聲。當溫度高于絕對零度時，導體或半導體中每一電子都作隨機運動（相當于微電脈沖，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動會在探測器輸出端產生均方電流或均方電壓，其均方值為5.1/f噪聲噪聲(低頻噪聲低頻噪聲) 也叫閃爍噪聲。幾乎所有探測器都

37、存在這種噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質的存在，當電流存在時在微粒間發生微火花放電而引起的微電爆脈沖。它主要出現在大約1kHz以下的低頻頻閾，而且與光輻射的調制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。其經驗公式為4/,4nTnTkTfRkTfRVI,ffnfnfffiiKKRVIffR是輸出阻抗的實部Kf與元件制作工藝、材料尺寸、表面狀態等有關的比例系數；與流過元件的電流有關，通常2；與元件材料性質有關，大部分材料1，與元件阻值有關1.41.7之間。4.3 光子探測器光子探測器光電探測器通常分為2類: (1)光子探測器（利用各種光子效應）；（2）熱探測器（利用溫度變化

38、效應）。光子效應：光電子發射、光電導、光生伏特、光電磁等。光熱效應：溫差電、電阻率變化、自發極化強度變化、氣體體積和壓強變化等。基于光電子發射效應的器件在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中的電子能逸出材料表面，這各種器件稱為外光電效應器件。基于光電導、光伏特和光電磁效應的器件，在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中出現光生自由電子和空穴，這種器件稱為內光電效應器件。4.3.1 光電子發射探測器光電子發射探測器應用光電子發射效應制成的光電探測器稱為光電子發射探測器。 在光電子發射探測器中，入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發射到周圍的空間中，即產生光電子發射。產生光電子發射所

39、需光電能量取決于光電陰極的逸出功。光電子發射的能量轉換公式為為使價帶中的電子能躍遷到導帶上，必須使入射光子的能量大于禁帶寬度Eg，即使材料具有光電發射的截止波長c2012hmV1.24,gcgghchcmEEE即1.24()chcm1.光電倍增管的工作原理光電倍增管的工作原理 圖是光電倍增管的工作原理圖。圖中K為光電發射陰極，D為聚焦板，D1D10為倍增極（或打拿極），A為收集電子的陽極。倍增極間的電壓逐級增加，極間電壓約為80150V。2光電倍增管的性能光電倍增管的性能 光電倍增管的性能主要由陰極和倍增極以及極間電壓決定。負電子親和勢材料是目前最好的光電陰極材料。倍增極二次電子發射特性用二次

40、系數描述，即如果倍增極的總數為n，且各級性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益M為1nnnNNnAKMfigif為第一倍增極對陰極發射電子的收集率；g為各倍增極之間的電子傳遞效率，良好的電子光學設計可始f、g值在0.9以上。n和值愈大，M值就愈高，但過多的倍增極不僅使倍增管加長，而且使電子渡越效應變得嚴重，從而嚴重影響倍增管的頻率特性和噪聲特性。值主要取決于倍增極材料和極間電壓4.3.2光電導探測器光電導探測器圖436 光敏電阻（以非本征n型半導體為例）分析模型1.光電轉換規律光電轉換規律 圖中V表示外加偏置電壓，l、b和d分別表示n型半導體得三維尺寸，光功率P在x方向均勻入射

41、，假定光電導材料的吸收系數為，表面反射率為R，則光功率在材料內部沿x方向的變化規律為相應的光生面電流密度j（x）為式中e為電子電荷，v為電子在外電場方向的漂移速度，n（x）為在x處的電子密度。流過電極的總電流為 1xP xPRe j xevn x 00ddij x bdxevbn x dx穩態下，電子得復合率為n(x)/，而電子的產生率等于單位面積、單位時間吸收的光子數乘以量子效率，產生率復合率得： 1xRPn xh bleeiM Ph01dxRdxe2nVMl為電子的平均壽命，為量子效率應用上面兩式得：有效量子效率M為電荷放大系數M為電荷放大系數，un是電子遷移率，V為外加偏壓，l為結構尺寸

42、。 2.光電導探測電路光電導探測電路 典型的光電探測器在電路中的連接如圖437所示。 電路中的參數Vb和RL均會影響輸出信號的電壓值，那么，如何選擇Vb和RL？從圖可見，負載電阻RL兩端的直流壓降為當光輻射照到探測器上時，探測器電阻Rd就發生變化，負載電阻RL兩端壓降也就發生變化，這個電壓的變化量就是信號電壓VsLLbLdRRVVRR2LLddsbdRLdVRVVRRRRR212dsbLLdLLdVVRRRRRRR 當上式等于0時，有RLRd，信號電壓為極大值。從圖437可見，在偏壓Vb作用下，通過探測器電流I為在探測器上消耗的功率P為經驗數據探測器的功耗不應超過0.1W/cm2，若探測器的面

43、積為Ad，則消耗功率不應超過0.1Ad，與最大允許電壓關系為：bLdIVRR2dPIR2max20.1bddLdVARRR12max20.1bLdddRRVARVb,max并不是最佳偏壓。圖438 信號、噪聲電壓隨偏流變化圖3.幾種典型的光電導探測器簡介幾種典型的光電導探測器簡介 光電導探測器按晶體結構可分為多晶和單晶兩類。多晶類多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，單晶類中常見的有銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛和摻雜型幾種。CdS和CdSe。這是兩種造價低的可見光輻射探測器（CdS：0.30.8m，CdSe：0.30.9m）。它們的主要特點是高可靠性和長壽命，因

44、而廣泛用于自動化技術中。PbS。這是一種性能優良的近紅外輻射探測器，是在室溫條件下探測靈敏度最高的一種紅外探測器，室溫下的禁帶寬度為0.37eV，相應的長波限為3m。PbTe。在常溫下對4m以內的紅外光靈敏，冷卻到90K，可在5m范圍內使用。響應時間約為104105s。InSb。這也是一種良好的近紅外（峰值波長約為6m）輻射探測器。HgCdTe探測器。HgCdTe是由半導體CdTe和半金屬HgTe采用半導體合金法混合而成的合金系統。圖439 不同工作溫度下InSb光電導探測器的光譜特性為了提高信噪比，英國首先研制成 掃積型HgCdTe探測器，如圖。它是由若干小的方形單元探測器排列成的線陣探測器

45、，當目標的紅外像點沿長條方向掃過時，外加電場驅使光生載流子也沿光點掃描方向遷移，并使遷移速度與像點掃描速度同步，這樣可使信號積累（積分輸出）。若此掃積探測器由n個單元組成，信號將是單元探測器輸出的n倍，但由于噪聲的非相關性，噪聲只會增加根號n倍，因此信噪比可提高n1/2倍。（6）摻雜型光電導探測器。主要是以鍺（Ge）為主體材料摻有其它雜質的雜質半導體。它們主要用于814m長波段內。圖441 摻雜型光電導探測器的光譜特性表45 幾種光電導探測器的典型特性4.3.3 光伏探測器光伏探測器利用PN結的光伏效應而制作的光電探測器稱為光伏探測器。與光電導探測器不同，光伏探測器的工作特性要復雜些，PN結受

46、光照射時，即使沒有外加偏壓，PN結自身也會產生一個開路電壓，這時如果將PN結兩端短接，便有短路電流通過回路。因此利用利用光生伏特效應制成的結型器件有光電池和光電二極管之分，而光電二極管又有兩種工作模式，光電導和光伏式，它們由外偏壓電路決定。1.兩種工作模式兩種工作模式 一個PN結光伏探測器用圖442（a）中的符號表示，它等效為一個普通二極管和一個恒流源（光電流源）的并聯，如圖442（b）所示。在零偏壓時（圖442（c），稱為光伏工作模式。當外回路采用反偏壓V時（圖442（d），即外加p端為負，n端為正的電壓時，稱為光導工作模式。圖442 光伏探測器及其工作模式示意圖普通二極管的伏安特性為式中，

47、iS為反向飽和電流，u是探測器兩端電壓，e是電子電荷，因而光伏探測器的總電流i為式中i為光電流。光伏探測器的伏安特性如圖443所示。由圖可見第一象限是正偏壓狀態，iD本來很大，所以光電流i不起重要作用，因此在這一區域工作沒有意義。第三象限是反偏壓狀態，這時iD-iS，它對應于光功率P=0時二極管的反向飽和電流，稱為暗電流，其數值很小，光電流ii-is。由于這種情況的外回路特性與光電導探測器十分相似，所以反偏壓下的工作方式稱為光導模式。第四象限中，外偏壓為零，當負載電阻比較小時，RL3的負載線接近于理想的垂直負載線，這是，輸出光電流正比于入射功率，這種狀態工作模式叫光伏模式。/1euK TDsi

48、ie1eu KTDsii i i ei 圖443 光伏探測器的伏安特性2兩種工作模式的比較兩種工作模式的比較 光導模式工作時，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外反偏壓可增加長波端靈敏度及擴展線性區上限。但反偏產生的暗電流引起較大的散粒噪聲，且頻率低于1KHz時還有1/f噪聲，這又限制了探測能力的下限。 因光伏式二極管無偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無1/f噪聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應用于超低噪聲、低頻及儀器方面。光導式二級管則主要用來探測高速光脈沖和高頻調制光。3.光譜響應和頻率特性光譜響應和頻率特性 光電二極管都有一定的光譜響應范圍，圖444給出了Si

49、光電二極管的光譜響應曲線。高頻計算的簡化等效電路如圖4-45（b）所示，其截止頻率fc為通常又定義電路的時間常數c為12cLjfCR2.20.35 /LcjcfCR圖444 Si光電二極管光譜響應曲線12cLjfR C2.2LcjCR圖445 光電二極管的高頻等效短路截至頻率：電路的時間常數：c2.2RLCj12cLjfR C 4常用的光伏探測器簡介常用的光伏探測器簡介(1) 硅光電池。也稱太陽電池或光伏電池。工作在圖443所示的第四象限。價格便宜，光電轉換效率高，光譜響應寬，頻率特性好，壽命長，穩定性好，耐高能輻射，適合近紅外探測。 （2）PIN 硅光電二極管。從前面光電二極管的討論中可知，

50、載流子的擴散時間和電路時間常數大約同數量級，是決定光電二極管響應速度的主要因素。為了改善頻率特性，就得設法減小載流子擴散時間和結電容，于是人們提出加一層中間本征層。 （3）異質結光電二極管。異質結是由兩種不同的半導材料形成的P一N結。P一N結兩邊是由不同的基質材料形成的，兩邊的禁帶寬度不同。通常以禁帶寬度大的一邊作為光照面，能量大于寬禁帶的光子被寬禁帶材料吸收，產生電子空穴對。如果光照面材料的厚度大于載流子的擴散長度，則光生載流子達不到結區，對光電信號無貢獻。而能量小于寬禁帶的長波載流子卻能順利到達結區，被窄禁帶材料吸收，產生光電信號。 （4）雪崩光電極管（APD）。以上討論的光電二極管都是沒

51、有內部增益的，即增益。這里討論的雪崩二極管是有內部增益的，增益可達102104。它是利用雪崩管在高的反向偏壓下發生雪崩倍增效應而制成的光電探測器。 光電流增益的大小用倍增因子M表示。實驗表明，M隨反向偏壓V的變化可用加下的經驗公式近似表示APD的噪聲主要是散粒噪聲預熱噪聲，噪聲電流有效值可寫為11nBVMV1 2242nsbDeqKTfIeM FfRiii21111MFMrM r是電子和空穴電離概率VB為擊穿電壓，n為與材料有關的常數（5）Schottky勢壘光電二極管。這是一種由金屬和半導體接觸所制成的光電二極管，所以這種光電二極管也稱為金屬半導體光電二極管。 要求反偏壓工作，光從金屬一側入

52、射。為使透光性好，金屬是用真空鍍膜技術制成的金屬膜，厚度只有幾十埃。(6) 光電三極管。光電三極管具有內增益，但獲得內增益的途徑不是雪崩效應，而是利用一般晶體管的電流放大原理。 工作原理：基區和集電區處于反向偏壓狀態，內建電場從集電區指向基區。光照基區，產生電子空穴對，光生電子在內電場作用下漂移到集電區，空穴留在基區，使基區電位升高，這相當于EB結上加了個正偏壓，基極電位升高，發射極便有大量電子經基極流向集電極，最后形成光電流。光電流隨光照強弱而變化。(7) InSb光伏探測器。InSb材料既可作光電導探測器，也可制成PN結光伏探測器。常以P型層表面作光照面，產生的少數載流子是電子，具有較大的

53、遷移率和擴散長度，這樣可以使大多數的光生少數載流子擴散到PN結而形成光生電動勢，因而可使靈敏度較高。是在35um波段內常用的高性能紅外探測器。（8）HGCdTe光伏探測器。近20年來在紅外探測器方面最卓越約成績是HgCdTe探測器的研制成功及投入使用。和光電導型HgCdTe一樣，可采用半導體合金法將化合物CdTe和HgTe合成Hg1xCdxTe合金。若在P型HgCdTe中將Hg擴散進去，表面將形成N型層，從而構成PN結，改變組份x就可以改變HgCdTe探測器的工作波段。（9）長波長紅外焦平面陣列。隨著軍事和遙感遙測科學的發展，對由大量單元紅外探測器構成的高密度焦平面陣列的要求日益迫切，尤其使8

54、14m的長波長紅外波段的探測器對接近景物的目標最為敏感，因此一直是紅外焦平面陣列研究的主要方向之一。 期望能利用成熟的工藝制作、波長可調，并可將探測器與信號處理及讀出電路集成在同一芯片上的大面積長波紅外焦平面陣列。此概念20世紀70年代提出，80年代分子束外延和金屬有機化學汽相淀積等工藝的發展，才成功地生長出能制作長波紅外探測器所必須的異質結GexSi1-x/Si等偽合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si異質結內光發射的長波紅外探測器陣列。 4.3.4 其它光子探測器簡介其它光子探測器簡介光子牽引探測器光子牽引探測器 光子牽引探測器是一種非勢壘光伏效應探測器。它和HgCdTe光電二極管

55、一樣適用于10.6m的激光波長探測。但是HgCdTe光電二極管只能在微弱光信號下使用，而光子牽引探測器則適用于強光探測。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測。P型鍺的光子牽引探測器示意圖這種探測器的優點是響應快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為103W，只有在強光下才能使用。光電磁探測器光電磁探測器 如圖448所示，將半導體置于強磁場中，當半導體表面受到光輻射照射時，在表面產生電子空穴對，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向體內擴散，在擴散過程中，受到強磁場的洛倫茲力的作用，使空穴和電子的偏轉方向相反，從而在半導體內產生一個電場，阻礙著電

56、子和空穴的繼續偏轉，如果這時將半導體兩端短路，則產生短路電流；開路時，則有開路電壓。這種現象叫做光電磁效應。利用這種效應制成的光電探測器叫做光電磁探測器（PME器件）。圖448 光電磁效應圖449 PbPbOPb隧道結的伏安特性曲線3.Josephson結探測器結探測器 在兩超導薄膜之間被一層（厚約10）電介質隔開，這種結構稱為Jesephson結，或超導隧道結。若通過隧道結的電流小于某一臨界值，在結上沒有電位降，則在隧道結的伏安特性曲線中存在一個零電壓的電流。若通過隧道結的電流超過這個臨界值，在結上將產生電位降，這時在伏安特性曲線中，將沿著測量負載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖449所示。

57、這種在隧道結中有隧道電流通過而不產生電位降的現象，稱之為直流Josephson效應。若在隧道結上維持一個有限的電位降V，在隧道結兩超導體之間將有一個頻率為f的交流電流通過，頻率f和電壓V之間有下述關系 若隧道結受到光輻射照射時，在一系列分立的電壓值上可以感應出額外的直流電流，則在隧道結的直流伏安特性曲線上，出現常電壓電流階梯現象。階梯處的電壓Vn和外加輻照信號頻率f的關系為2 /fe h V2/nnfehVn為階梯級數。產生這種現象的原因是，由于隧道結受到輻射照射時，在結上可以感應出交流電壓，而這交流電壓反過來對結上的Josephson電流進行調制，從而產生許多使電流增大的邊帶。利用Josep

58、hson結效應可以研制出從射頻到遠紅外的寬廣頻率范圍內、靈敏度為皮瓦的探測器。在射電天文、毫米波通信等方面有實際應用。E為電子電荷，h為普朗克常數4.4 熱探測器熱探測器 熱探測器對輻射的響應和光子探測器不同。它基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高的現象，這一現象稱為光熱效應，光熱效應的特點是入射光輻射與物質中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動能量，這與光子將能量直接轉移給電子的光電效應有本質的不同。光熱效應與入射的光子的性質沒有關系，取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成分無關，即對入射輻射的響應無波長選擇性。 光熱效應可以產生溫差電效應、電阻率變化效應、自發極化強度的變化效應、氣體體

59、積和壓強的變化效應等等，利用這些效應可制作各種熱探測器。1.溫差熱電偶和熱電堆溫差熱電偶和熱電堆 在用不同的導體或半導體組成的具有溫度梯度的電路中，會有電動勢產生，這就是溫差電勢。 （1）塞貝克（Seebeck）效應。當由兩種不同的導體或半導體組成閉合回路的兩個結點置于不同溫度（兩結點間的溫差為時），在兩點之間就產生一個電動勢V12，這個電動勢在閉合回路中引起連續電流，這種現象稱為塞貝克效應。定義溫差電動勢率為 （2）珀耳帖（Peltier）效應。珀耳帖應被認為是塞貝克效應的逆效應。當電流流過兩個不同材料的導體或半導體組成的回路的時，除產生不可逆的焦耳熱外，在不同的節點處分別出現吸熱、放熱現象

60、。這一效應是熱力學可逆的。熱交換速率與通過的電流成正比，這種現象稱為珀耳帖效應。在每一接頭上熱量流出率或流入率與通過的電流I間的關系可表示為TVaT12012limdTaVTT12120IdtdQ1212為比例系數Peltier系數 （3）湯姆遜（Tomson）效應。在單一均質導體或半導體中存在著與珀耳帖效應相同的現象。如果通有電流的材料有溫差存在，也就是說，當電流通過具有一定溫度梯度的均質導體或半導體時，就會可逆地吸收熱或放出熱，這一現象稱為湯姆遜效應。單位時間單位體積吸收或放出的熱量為IdxdTdtdQ1212為Tomson系數光輻射入射到導體或半導體上便產生溫度梯度，從而產生溫差電勢，由