光電檢測技術中的基礎知識第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日輻射度學的基本物理量輻射通量Φe:單位時間內通過一定面積發射、傳播或接受的輻射能量Q，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時間變化率。單位：瓦［Ｗ］定義式？輻射強度Ιe：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內的輻射通量。單位W/Sr］ 輻射亮度Le：面輻射源單位投影面積定向發射的輻射強度。單位：［W/m2．Sr］輻射出射度Ｍe：擴展輻射源單位輻射面所輻射的通量（也稱輻射本領）。單位：［W/m2］輻射照度Ee：單位受照面上接受的輻射通量。單位［W/m2］第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日光度學的基本物理量光通量Φv:單位時間內通過一定面積發射、傳播或接受的光能量，又稱光功率Pv，是光能的時間變化率。單位：流明［lm］發光強度Ιv：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內的光通量。單位cd］ 光亮度Lv：輻射表面定向發射的光強度。單位：［cd/m2］光出射度Ｍv：面光源單位面積所輻射的光通量（也稱發光本領）。單位：［lm/m2］光照度Ev：投射在單位面積上的光通量。單位［lx］第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、兩者的相同點：①光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應的。②輻射度量和光度量都是波長的函數。2、兩者的不同點：①符號不同：輻射度量下標為e，例如Qe，Φe，Ie，Me，Ee，光度量下標為v，Qv，Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。②單位不同（略）③研究范圍不同，光度量只在可見光區（３８０－７８０nm)才有意義。第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內北窗附近照度約為2000lx晴天室內中央照度約為200lx晴天室內角落照度約為20lx陰天室外50—500lx陰天室內5—50lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機熒光屏100lx閱讀書刊時所需的照度50~60lx在40W白熾燈下1m遠處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日其它基本概念——見P51、點源2、擴展源（朗伯源、余弦輻射體）3、漫反射面（散射面）4、定向輻射體（激光）第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日導體、半導體和絕緣體半導體的特性半導體的能帶結構——見P8本征半導體與雜質半導體平衡和非平衡載流子載流子的輸運過程半導體的光吸收效應返回第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、自然存在的各種物質，分為氣體、液體、固體。2、固體按導電能力可分為：導體、絕緣體和介于兩者之間的半導體。3、電阻率10-6~10-3歐姆?厘米范圍內——導體電阻率1012歐姆?厘米以上——絕緣體電阻率介于導體和絕緣體之間——半導體第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、半導體電阻溫度系數一般是負的，而且對溫度變化非常敏感。根據這一特性，可制成熱電探測器件。2、導電性受極微量雜質的影響而發生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導率為5×10-6/(歐姆?厘米)。摻入硅原子數百萬分之一的雜質時，電導率為2/(歐姆?厘米)3、半導體導電能力及性質受光、電、磁等作用的影響。第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、本征半導體就是沒有雜質和缺陷的半導體。2、在絕對零度時，幾乎不導電。3、在純凈的半導體中摻入一定的雜質，可以顯著地控制半導體的導電性質。4、摻入的雜質可以分為施主雜質和受主雜質。5、施主雜質電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向導帶提供電子，使半導體成為電子導電的n型半導體。——見P106、受主雜質電離后成為不可移動的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空穴導電的p型半導體。——見P10第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日處于熱平衡狀態的半導體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。半導體的熱平衡狀態是相對的，有條件的。如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態相偏離的狀態，這種處于非熱平衡狀態下的載流子濃度，稱為非平衡載流子濃度。處于非平衡狀態的半導體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。2、平衡載流子濃度3、非平衡載流子濃度1、非平衡載流子第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日非平衡載流子的產生光注入：其它方法：用光照使得半導體內部產生非平衡載流子。當光子的能量大于半導體的禁帶寬度時，光子就能把價帶電子激發到導帶上去，產生電子－空穴對，使導帶比平衡時多出一部分電子，價帶比平衡時多出一部分空穴。產生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。？？光注入產生非平衡載流子，導致半導體電導率增加。電注入、高能粒子輻照等。第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日擴散漂移復合第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。2、吸收包括：本征吸收、雜質吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收3、本征吸收——由于光子作用使電子由價帶躍遷到導帶4、只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時，才能發生本征激發第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日————見P12第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、絕對黑體的概念——見P142、基爾霍夫定律3、譜朗克輻射公式4、斯忒藩-玻耳茲曼定律5、維恩位移定律第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日光電效應1、光電效應的定義光照射到物體表面上使物體發射電子、或導電率發生變化、或產生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學特性發生改變統稱為光電效應光電效應包括外光電效應和內光電效應2、光電效應的分類3、外光電效應的定義物體受光照后向外發射電子——多發生于金屬和金屬氧化物(又叫光電發射效應)4、內光電效應的定義物體受到光照后所產生的光電子只在物質內部而不會逸出物體外部——多發生在半導體5、光熱效應的定義第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應光電導效應：半導體受光照后，內部產生光生載流子，使半導體中載流子數顯著增加而電阻減少的現象光生伏特效應：光照在半導體PN結或金屬—半導體接觸上時，會在PN結或金屬—半導體接觸的兩側產生光生電動勢。PN結的光生伏特效應：當用適當波長的光照射PN結時，由于內建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區，光生空穴拉向p區，相當于PN結上加一個正電壓。半導體內部產生電動勢（光生電壓）；如將PN結短路，則會出現電流（光生電流）。第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日

光熱效應：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質發生變化．熱釋電效應：介質的極化強度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現象．輻射熱計效應：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現象．溫差電效應：由兩種材料制成的結點出現溫差而在兩結點間產生電動勢，回路中產生電流．第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、光電檢測器件的分類2、光電檢測器件中的噪聲3、光電檢測器的特性參數第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日光電檢測器件的類型光電檢測器件是利用物質的光電效應把光信號轉換成電信號的器件.光電檢測器件分為兩大類:光子(光電子)檢測器件熱電檢測器件第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日光電檢測器件光子（光電子）器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光纖傳感器電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計/熱敏電阻熱釋電探測器第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日光電檢測器件的特點光子器件熱電器件響應波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應。響應波長無選擇性，對可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應快，吸收輻射產生信號需要的時間短，一般為納秒到幾百微秒響應慢，一般為幾毫秒第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.4.1.光電探測器中的噪聲從示波器中可以看到，在一定波長的光照下光電探測器輸出的光電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機的起伏，見下圖所示。圖中的直流信號值

這種隨機的、瞬間的幅度不能預知的起伏，稱為噪聲。

一般用均方噪聲電流來表示噪聲值的大小：噪聲電流的均方值代表了單位電阻上所產生的功率，它是確定的可測得的正值。

第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日

把噪聲這個隨機時間函數進行頻譜分析，就得到噪聲功率隨頻率變化關系，即噪聲功率譜S(f)。S(f)數值定義為頻率f的噪聲在1Ω

電阻上所產生的功率，即S(f)=。

左下圖所示，根據功率譜與頻率的關系，常見噪聲分為兩種：功率譜大小與頻率無關的稱白噪聲；功率譜與f近似成反比的稱為l／f噪聲。

一般光電檢測系統的噪聲包括右上圖所示三種：(1)

光子噪聲包括：信號輻射產生的噪聲和背景輻射產生的噪聲。(2)探測器噪聲包括：熱噪聲、散粒噪聲、產生-復合噪聲、1／f噪聲和溫度噪聲。(3)信號放大及處理電路噪聲第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日噪聲在實際的光電探測系統中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確探測。一個光電探測系統的極限探測能力往往受探測系統的噪聲所限制。所以在精密測量、通信、自動控制等領域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日光電探測器常見的噪聲(5種)熱噪聲散粒噪聲產生-復合噪聲1/f噪聲溫度噪聲第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無規則的熱運動造成的噪聲。導體或半導體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機運動(相當于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導體兩端會產生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關，熱噪聲又稱為白噪聲。第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日

因載流子熱運動引起的電流起伏或電壓起伏稱為熱噪聲。

熱噪聲均方電流和熱噪聲均方電壓分別由下式決定

式中k是玻爾茲曼常數；

T是溫度(K)；

R是器件電阻值；△f為所取的通帶寬度(頻率范圍)。

載流子熱運動速度取決于溫度，所以熱噪聲功率與溫度有關。在溫度一定時，熱噪聲只與電阻和通帶有關，故熱噪聲又稱白噪聲。在常溫下適合于1012Hz頻率以下范圍第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日2、散粒噪聲隨機起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲,也叫散彈噪聲。入射到光輻射探測器表面的光子是隨機起伏的；光電子從光電陰極表面的逸出的是隨機的；PN結中通過結區的載流子也是隨機的；它們都是一種散粒噪聲源。散粒噪聲電流的表達式為

式中，q為電子電荷；

I為器件輸出平均電流；f為所取的帶寬。散粒噪聲也是與頻率無關、與帶寬有關的白噪聲。

散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數光電探測器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結勢壘是產生散粒噪聲的主要原因。第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日3、產生-復合噪聲半導體受光照，載流子不斷產生-復合。在平衡狀態時，在載流子產生和復合的平均數是一定的但在某一瞬間載流子的產生數和復合數是有起伏的。載流子濃度的起伏引起半導體電導率的起伏。產生-復合噪聲電流均方值式中,I為器件輸出總的平均電流；

N0為總的自由載流子數；為載流子壽命；

f為測量噪聲的頻率。第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日4、1／f噪聲（閃爍噪聲或低頻噪聲）這種噪聲的功率譜近似與頻率成反比，故稱1/f噪聲。其噪聲電流的均方值近似為

式中,接近于2；在0.8～1.5之間；

c是比例常數。、、c值由實驗測得。在半導體器件中1／f噪聲與器件表面狀態有關。多數器件的1/f噪聲在300Hz以上時已衰減到很低水平，所以頻率再高時可忽略不計。頻率越低噪聲越大第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日5、溫度噪聲由于器件本身溫度變化引起的噪聲稱為溫度噪聲。溫度噪聲電流的均方值為式中,Gt為器件的熱導；＝Ct／Gt是器件的熱時間常數，

Ct是器件的熱容；

T是溫度(K)。在低頻時，<<1；上式可簡化為低頻時溫度噪聲也具有白噪聲的性質。？？

第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日

上述各種噪聲源的功率譜分布可用下圖表示。

由圖可見；在頻率很低時，l／f噪聲起主導作用；當頻率達到中間頻率范圍時，產生-復合噪聲比較顯著；當頻率較高時，只有白噪聲占主導地位，其它噪聲影響很小了。？？五種噪聲都與Δf有關，Δf是等效噪聲帶寬，簡稱為帶寬。若光電系統中的放大器或網絡的功率增益為A(f)，功率增益的最大值為Am(下圖所示)，則噪聲帶寬為

第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.4.2.光電探測器的特性參數

1.響應率探測器的輸出信號電壓Vs或電流Is與入射的輻射通量之比，稱為電壓響應率或電流響應率Sv

Sv的單位為v／w，SI的單位為A／W。2.光譜響應率探測器在波長為的單色光照射下，輸出的電壓Vs()或電流Is()與入射的單色輻射通量()之比稱為光譜響應率。即

Sv()或SI()隨波長的變化關系稱為探測器的光譜響應曲線。響應率與光譜響應率的區別是什么？第三十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.等效噪聲功率（NEP）如果投射到探測器敏感元件上的輻射功率所產生的輸出電壓（或電流）正好等于探測器本身的噪聲電壓（或電流），則這個輻射功率就叫做“噪聲等效功率”。通常用符號“NEP”表示式中稱為信噪比。