光电探测器的物理基础

1.1.3光电探测器的性能参数光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计的，而探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来表征。 实际参量 参考参量 测量条件一、光电探测器的工作条件光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，在给出性能参数时，要注明有关的工作条件。这一点很重要，因为只有这样，光电探测器才能互换使用。主要工作条件有：1．辐射源的光谱分布2．电路的通频带和带宽3．工作温度4．光敏面尺寸5．偏置情况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，称为光谱响应，它决定了探测器探测特定目标的有效程度。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。 如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。假如辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度。 当辐射经过调制时，则要说明调制频率。2.电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能(后面将详细讨论)。 噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，有些噪声还是频率的函数。 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，都和工作温度有密切关系，所以必须明确工作温度。 通用的工作温度是： 室温(295K)、 干冰温度(195K)、 液氮温度(77K)、 液氢温度(20.4K) 液氦温度(4.2K)4.光敏面尺寸 探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探测器的信噪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 信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要说明偏置的情况。 此外，对于受背景光子噪声限制的探测器，应注明光学视场和背景温度。 对于非密封型的薄膜探测器，要标明湿度。二、有关响应方面的性能参数 1.响应率(或称响应度)Rv或RI 2.单色灵敏度 3.积分灵敏度 4.响应时间 5.频率响应 6.光谱响应1.响应率(或称响应度)Rv或RI1）响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数。又称为光电探测器的灵敏度。2）定义：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。 Rv＝Vs／ΦsRI＝is／Φs分别称为光电探测器的电压响应率和电流响应率。3）测量响应率的辐射源一般是500K的黑体。4）单色灵敏度和积分灵敏度。2．单色灵敏度1）如果使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色响应率或单色灵敏度，又叫光谱响应度，用Rλ表示，2）定义：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。(V/W)(A/W)式中，Φ(λ)为入射的单色辐射通量或光通量。如果Φ(λ)为光通量，则Rλv的单位为V／lm。3.积分灵敏度 积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为： 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灵敏度。由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为：可得积分灵敏度为：式中，、分别为光电探测器的长波限和短波限。 由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。4.响应时间1）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。2）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的值所需时间称为响应时间。常用时间常数τ的大小来表示。当用一个辐射脉冲照射光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方被，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90％下降到10％处所需的时间称为下降时间。5.频率响应 入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。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。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率的关系，其表达式为： 为频率是时的响应度； R0为频率是零时的响应度； τ为时间常数。 当时，可得放大器的上限截止频率 显然，时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽。6.光谱响应1）定义：不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的响应率和比探测率等特性参量随光辐射波长变化的特性。2）单色灵敏度和单色探测率，峰值波长3）光子探测器的光谱响应与波长有关，截止波长4）热探测器的光谱响应与波长无关，与辐射功率有关。三、有关噪声方面的参数 从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它的功率如何小，都可探测出来。但当入射功率很低时，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。 如果对这些随时间而起伏的电压(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)。1.信噪比(S／N)1）作用：判定噪声大小。2）表示：在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比：分贝(dB)表示： 3）注意 利用S／N评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较。 对单个光电探测器，其S/N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，接收面积大，S/N就大，但性能不一定就好。因此用S/N评价器件有一定的局限性。2.噪声等效功率(NEP)（最小可探测功率Pmin）1）定义为信号功率与噪声功率之比为1(即S／N＝1)时，入射到探测器上的辐射通量(单位为瓦)。 一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。 应指明测量条件，如光谱分布、频率、温度等。2）作用：确定光电探测器件的探测极限。3．探测率D与比探测率D* 只用NEP无法比较两个不同来源的光探器的优劣。引入两个新的性能参数——探测率D和比探测率D*1）探测率D定义为NEP的倒数，即 它描述的特性是：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，即光电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。 探测率D与光敏面积Ad、测量带宽有关。2）比探测率D*为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较，将VN除以，则D就与Ad和带宽无关了。也就是归一化到测量带宽为1Hz、光探测器光敏面积为1cm2。这种归一化的探测率一般称为比探测率，通常用D*记之。根据定义，D*的表达式为:4．暗电流Id 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、其他参数1.量子效率η（λ）2.线性度1.量子效率η（λ）1）量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，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。 单个光量子的能量为， 单位波长的辐射通量为 波长增量内的辐射通量为 在此窄带内的辐射通量，换算成量子流速率N为:量子流速率N即为每秒入射的光量子数。 若IS为信号电流，e为电子电荷， 每秒产生的光电子数为： 量子效率为： 2）讨论 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，。一般反映的是入射辐射与最初的光敏元的相互作用。 对于有增益的光电探测器(如光电倍增管等)，会远大于1，此时我们一般使用增益或放大倍数这个参数。2.线性度1）定义描述探测器的光电特性或光照特性曲线中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。2）线性区 在规定的范围内，若探测器的响应度是常数，这一规定的范围称为线性区。 光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系。线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。 光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。3）线性度的度量 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δ来度量： 式中Δmax为实际响应曲线与拟合直线之间的最大误差；I2、I1分别为线性区中的最小和最大响应值。 在光电 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 技术中，线性度是应认真考虑的问题之一，应结合具体情况进行选择和控制。 例：已知某探测器的面积为3×4cm2，D*=1011cmHz1/2w-1，光电仪器的带宽为300Hz，该仪器所能探测的光辐射的最小辐射功率？ 解：由D*的定义： 当Vs/VN=1时，得到最小探测功率， 所以： 其中：Ad=3×4cm2，D*=1011cmHz1/2w-1，Δƒ=300Hz 代入，得该仪器所能探测的光辐射的最小辐射功率Φmin=6×10-10W1.1.4 光电探测器的噪声噪声问题 光电探测系统实际上是光信号的变换、传输及处理的系统。它除了包含光探测器外，还配有电子学系统(例如低噪声前置放大器等)、光学系统。因此，系统在工作时，总会受到一些无用信号的干扰，这些非信号的成分统称为噪声。 主要噪声源： 1）光电变换器件中光电子随机起伏的干扰；2）辐射光场在传输过程中受到通道的影响3）背景光的干扰；4）放大器引入的干扰等等。一、光电系统中的噪声广义上讲，任何叠加在信号上的不希望的随机扰动或干扰统称为噪声。这些干扰及扰动主要来自两方面：(1)来自被研究系统的外部(2)来自被研究系统内部探测器噪声光子噪声电路噪声(1)来自被研究系统的外部通常由电、磁、机械、杂散光等因素所引起，这种干扰绝大多数是“人为的”，如●电源50Hz干扰；●工业设备电火花干扰等。但这种干扰多具有一定规律性。采取适当的措施(如屏蔽、滤波、远离噪声源等)可以将其减小或消除。(2)来自被研究系统内部来自被研究系统内部的材料、器件或固有的物理过程的自然扰动。例如：●导体中带电粒子无规则运动引起的热噪声，●光探测过程中光子计数引起的散粒噪声等。这些过程是随机过程，它既不能预知其精确大小及规律。不能完全消除，但可以得知其遵循的统计规律、也可以通过一些措施予以控制。 噪声影响对信号特别是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往由探测系统的噪声所限制。 所以在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。噪声的度量 噪声是一种随机信号，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。任何一个宏观测量的物理量都是微观过程的统计平均值。研究噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方法，在数学上即用随机量的起伏方差来计算。 对于平稳随机过程，通常采用先计算噪声电压(电流)的平方值，然后将其对时间作平均，来求噪声电压(电流)的均方值，即： 上式表示噪声电压(电流)消耗在1Ω电阻上的平均功率通称为噪声功率。二、噪声的功率谱密度和相关性 噪声的频谱分布——单位频谱的噪声功率 噪声功率（电压、电流）可由噪声功率谱密度Sn(f)在频域积分得到。 如果Sn(f)与频率无关，则对于一个具有带宽Δf的探测系统： 白噪声：平坦频率特性，噪声特性为正态高斯分布 有色噪声：1/f噪声（红噪声），蓝噪声 相关性：完全不相关；部分相关三、光电探测器噪声在光电探测器中固有噪声主要有：●热噪声●散粒噪声●产生－复合噪声(g－r噪声)●温度噪声●噪声。1.热噪声1）产生原因 热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的。任何一个处于热平衡条件下的电阻，即使没有外加电压，也都有一定量的噪声。 AB两极间的电阻为R，在绝对温度T时，体内的电子处于不断的热运动中，是一团毫无秩序可言的电子运动。 从时间平均来说，这两种方向的电子数一定相等，不会有电流通过AB。但是如果考虑流过S面的电子数的均方偏差，这样在AB两端就应出现一电压涨落。2）度量 这一电压涨落直到1928年才为琼斯(Johnson)的实验所证实。同时奈奎斯持(Nyquist)推导出热噪声功率为： 式中k为玻尔兹曼常量，为测量带宽。 如用噪声电流表示则为 通常也用热噪声电流(电压)均方根值来进行计算： 热噪声属于白噪声频谱，一般说来，高端极限频率为：fH＝0．15kT×1013Hz在室温下(T＝290k)，fH＝6×1012Hz，一般电子学系统工作频率远低于该值，故可认为热噪声为白噪声频谱。 例如：室温条件下R＝1kΩ的电阻，在＝1Hz带宽内的均方根热噪声电压值约为4nV； 若工作带宽为500kHz的系统，放大器增益为104，则在放大器输出端的热噪声均方根电压约28mV。 在微弱信号探测中，是一个不可忽视的量。 ？如何减小热噪声——光电探测系统的一个重要问题。 1）热噪声功率与探测器工作温度T的有关——制冷。特别是对一些红外探测器。 2）同时在满足信号不失真的条件下，尽量缩短工作频带。2．散粒噪声1）产生原因探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发下，光电子或光生载流子的随机产生所造成的。由于随机起伏是一个一个的带电粒子或电子引起的，所以称为散粒噪声。 存在于光电子发射器件、光生伏特器件。 电子管中任一短时间τ内发射出来的电子决不会总是等于平均数，而是围绕这一平均数有一涨落。2）度量从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为：式中e为电子电荷，为探测器工作带宽。 在无光照时的暗电流噪声功率为： 对于由光场作用的光辐射散粒噪声： 式中IP为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。 3）特性 散粒噪声也是白噪声，与频率无关， 热噪声起源于热平衡条件下电子的粒子性，因而依赖于kT，而散粒噪声直接起源于电子的粒子性，因而与e直接有关。3．产生—复合噪声1）产生原因 半导体中由于载流子产生与复合的随机性而引起的平均载流子浓度的起伏所产生的噪声称为产生—复合噪声，亦称g-r噪声(generation—recombinationnoise)。 g-r噪声主要存在于光电导探测器中。 g-r噪声与前面介绍的散粒噪声本质是相同的，都是由于载流子数随机变化所致，所以有时也把这种载流子产生和复合的随机起伏引起的噪声归并为散粒噪声。2）度量 除了考虑载流子由于吸收光受到激发产生的载流子数的随机起伏外，还要考虑到载流子在运动过程个复合的随机性。经理论推导g—r噪声的表达式为：式中，e为电子电荷，为平均电流，为探测器的工作带宽，为光电导探测器的内增益，它是载流子平均寿命τ0和渡越时间τd的比值。4．温度噪声1）产生原因热探测器通过热导G与处于恒定温度的周围环境交换热能。在无辐射存在时，尽管热探测器处于某一平均温度T0，但实际上热探测器在T0附近呈现一个小的起伏，这种温度起伏引起的热探测器输出起伏称为温度噪声。2）度量理论推导，热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为： 温度噪声功率与热导成正比，与探测器工作温度的平方成正比。 温度噪声主要存在于热探测器中。它最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量。5．电流噪声(噪声) 目前对1／f噪声的成因尚未完全清楚，但通常认为它是由半导体的表面电流所引起的故又称为电流噪声。 特点是噪声功率谱密度与频率成反比。电流噪声的均方值可用经验公式表示为：式中k1为比例系数，与探测器制造工艺、电极接触情况、半导体表面状态及器件尺寸有关；a为与材料有关的常数，通常在0.8——1.3之间，大多数材料可近似取为1；b与流过器件的电流I有关，通常取值2； 主要出现在lkHz以下的低频区。