光源与光电探测器.ppt

第四章 光源与光电探测器,4.1 光电信息技术中常用的光源,4.2 光电探测器的性能参数与噪声,4.3 光子探测器,4.4 热探测器,光源在科学研究和工程技术中有着广泛的应用，在物质的成分分析、材料的结构研究、光电检测、照明工程中，都离不开一定形式的光源。在光电信息技术中，光是信息的携带者，光的光谱辐射能量（或强度）、频率、振幅均可携带、传输各种信息。而光源在光电信息技术中往往起着关键的作用，因此，了解常用光源的基本特性和参数，并按照实际工作需求选择合适的光源，往往是光电信息技术工作中解决具体问题成功的关键。光电探测器是一种能把光辐射信号转换为电信号的器件。是光电信息技术中核心组成部分，在光电信息技术中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的某些应用提取某些必要的信息。目前已经有一系列工作于射线、x射线、紫外、可见光、红外光波段的各种探测器。根据器件对辐射响应的方式不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器，另一类是热探测器。,4.1 光电信息技术中常用的光源,一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。天然光源是自然界中存在的，如太阳、恒星等，在天文学电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。人造光源是人为将各种形式能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。在一般光电测量系统中，电光源是最常见的光源。4.1.1 光源的基本特性参数1.辐射效率和发光效率 在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率，于是,光源的基本特性参数,相应地，对于可见光范围，某一光源的发光效率v为所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就是该光源的光效率，即2.光谱功率分布 自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分析。,光源的基本特性参数,表41 常用光源的发光效率,光源的基本特性参数,图41 四种典型的光谱功率分布,光源的基本特性参数,光源的光谱功率分布通常可分成四种情况，如图41所示。图中（a）称为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯。图（b）称为带状光谱，它由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯、高压钠灯就属于这种分布。图（c）为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱，图（d）是混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成，一般荧光灯的光谱就属于这种分布。在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要求来决定。在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。在紫外分光光度计中，通常使用氚灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源，在光纤技术中，通常使用发光二极管和半导体激光器等光源,光源的基本特性参数,3.空间光强分布 对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的，若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。图42是超高压球形氙灯的光强分布。在有的情况下，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。4.光源的色温 黑体的温度决定了它的光辐射特性。对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似地表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。,光源的基本特性参数,（1）分布温度。辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。这种辐射体的光谱辐亮度可表示为：（2）色温。辐射源发射光的颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。（3）相关色温。对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示，在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。,光源的基本特性参数,图42 超高压球形氙灯光强分布,热辐射源,5.光源的颜色 光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。4.1.2 热辐射源 任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性与温度有关。热辐射光源有三个特点：（1）它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制它们的发光或辐射性质；（2）它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强。但在通常情况下，紫外辐射含量很少，这又限制了这类光源的使用范围；（3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光获得很高的稳定度。,热辐射源,1.太阳 太阳可看成是一个直径为1.392 109 m的光球。它到地球的年平均距离是1.491011m因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.5330。大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射(图43)。其平均辐亮度为2.01l07Wm-2sr-1平均亮度为1.95109cdm-2。射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太阳辐射在光谱和空间分布、能量大小、偏振状态等都发生了变化。大气的吸收光谱比较复杂，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳氢化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了大阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质在标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线，如图43所示，其中的阴影部分表示大气的光谱吸收带,热辐射源,图43 太阳的光谱能量分布曲线,2.黑体模拟器 在许多军用红外光电信息技术和光电系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。图44 黑体模拟器的结构,热辐射源,热辐射源,3.白炽灯 白炽灯是照明工程和光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体射曲线相差约0.5%，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2%。此外，白炽灯使用和量值复现方便，它的发光特性稳定，寿命长，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。图45是用于光计量的几种标准光源。图(a)所示为BDQ型发光强度标准灯，用来传递和复现发光强度单位(cd)的量值。发光强度标准灯是通过精确控制流过灯丝的直流电流，复现在规定的色温下和在灯丝平面中心的法线方向上的光强度。图(b)是BDT型光通量标准灯，用来传递和复现光通量值光通量标准灯的灯丝是旋转对称的，这样使电压与灯参数的变化曲线其光分布在各旋转方向尽可能一致。图(c)为BW型温度标准灯，它的发光体是一条狭长的钨带，当通以电流时，钨带炽热发光。主要工作在80025000C 范围内，复现和验定光学高温计及某些以光学高温计作标准的温度源，也可以代替能量标准灯使用。,热辐射源,图45 几种标准灯的外形,气体放电光源,4.1.3.气体放电光源 利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量，当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。由于这一过程中有些内层电子会跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。这样的发光机制被称为气体放电原理。气体放电光源具有下列共同的特点：（1）发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高210倍，因此具有节能的特点；（2）结构紧凑。由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击；（3）寿命长。一般比白炽灯寿命长210倍；（4）光色适应性强，可在很大范围内变化。,气体放电光源,图46 几种气体放电灯的外形图,表42 常用气体放电灯的种类、性能和主要应用领域,气体放电光源,1.汞灯 按玻壳内气压的高低分，汞灯通常分为低压汞灯、高压汞灯和球形超高压汞灯，分别简介如下。(1)低压汞灯。,气体放电光源,（2）高压汞灯。当汞灯内的蒸气压达到15大气压时，汞灯电弧的辐射光谱就会产生明显变化，光谱线加宽，出现弱的连续光谱，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加，其光谱分布如图47(6)所示。（3）球形超高压汞灯。在球形超高压汞灯中，如果启动气体改为高气压的氙气，则此时称为球形超高压汞氙灯。灯一经启动就辐射出强烈的连续光谱，并且远紫外区光谱明显增加 2.氙灯 氙灯是由充有惰性气体氙的石英泡壳内两个钨电极之间的高温电弧放电，从而发出强光。高压氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近(图48)，色温为6000K左右，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种。,气体放电光源,图48 短弧氙灯光谱能量分布 图49 短弧氙灯的电弧亮度分布,气体放电光源,3.空心极灯 空心阴极灯属于冷阴极低气压正常辉光放电灯。该灯的外形如图410所示，其阴极由金属元素或其它合金制成空心圆柱形，圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的。空心阴极灯也叫做原子光谱灯，阴极材料根据所需的谱线选择相应的金属；窗口有石英玻璃和普通玻璃两种，则根据辐射的原于光谱波长而定。空心阴极灯是原子吸收分光光度计上必不可少的光源。由于这种灯工作时阴极的温度并不高，所辐射出的金属原子谱线很窄，强度很大，稳定性好。因此，空心阴极灯用作对微量金属元素吸收光谱定性或定量分析的光源，以及用于光谱仪器波长定标上。4.氘灯 氘灯是一种热阴极弧光放电灯，泡壳内充有高纯度的氘气。氘(H12是氢(H11)的同位素，又叫重氢,气体放电光源,图410 空心阴极灯外形图 图411 氘灯,发光二极管,4.1.4 发光二极管发光二极管（light emitting diode，LED）是一种注入式电致发光器件，它由p型和n型半导体组合而成，是少数载流子在p-n结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源 工作原理 实际上发光二极管就是一个由直接带隙半导体（如GaAs）制成的PN接二极管。半导体内电子空穴对的复合就产生光子发射。基本结构 图413是双异质结半导体发光二极管的结构示意图。PGaAs是产生荧光的复合区（有源区），它和与之相邻的PAlxGa1xAs层构成限制电子和光波的同型异质结PP结。而和与之相邻的NAlyGa1yAs层构成限制空穴和光波的反型异质结PN结。,发光二极管,图412 发光二极管的能带图,发光二极管,图413 双异质结半导体发光二极管的结构示意图,发光二极管,图414是短波长0.80.9m双异质结GaAs/AlGaAs面发光二极管的结构,图415为波长1.3m双异质结InGaAsP/InP边发光型LED结构。它的核心部分是一个NAlGaAs有源层，及其两边的PAlGaAs和NAlGaAs导光层（限制层）。导光层的折射率比有源层低，但比其它周围材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光波从其端面射出。,发光二极管,驱动电路 发光二极管工作需要加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图416所示，将LED接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。在光通信中以LED为光源的场合，需要对LED进行调制，则调制信号通过一电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。,发光二极管,4.LED的特性参数(1)量子效率。发光二极管一般用量子效率来表示。表征器件这一性能的参数就是外量子效率，表示，(2)光谱特性。发光二极管的发光光谱直接决定着它的发光颜色。根据半导体材料的不同，目前能制造出红、绿、黄、橙、蓝、红外等各种颜色的发光二极管，如表4-3所列。,r为产生的光子数，为注入的电子空穴数,NT为器件射出的光子数,发光二极管,表43 几种发光二极管的特性,发光二极管,光束的空间分布。在垂直于发光面上，面发光LED辐射图呈朗伯分布，即P（）P0cos，半功率点辐射角1200。边发光型LED，1200，250350。输出光功率特性。发光二极管的输出光功率特性如图418所示。驱动电流较小时，PI曲线的线性较好；电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使PI曲线的斜率减小。在通常情况下，LED的工作电流为50100mA，输出光功率为几nW。响应时间。响应时间是表示反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得十分重要。响应时间是指注入电流后启亮（上升）和熄灭（衰减）的时间。直接跃迁材料几个纳秒，而间接跃迁材料约为100纳秒 寿命。发光二极管的寿命一般是很长的，在电流密度小于1A/cm2的情况下，寿命可达106小时。老化快慢与电流密度和时间常数有关，关系为;,发光二极管,图417 LED光谱 图418 LED的PI曲线,发光二极管,5.LED的应用 随着科学技术的发展，电子设备的数字化和集成化，越来约需要能显示较大信息量的显示器和全标度图标显示。随着半导体材料的制备和工艺的发展，发光二极管已在指示和信息显示中占主导地位。指示灯。LED正在成为指示灯的主要光源。LED的寿命在数十万小时以上，为普通白炽灯的100倍以上，而且具有功耗小、发光响应速度快、亮度高、小型、耐振动等特点，在各种应用中占有明显优势。数字显示用显示器。利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。点矩阵型如图419所示，使用LED发光元件纵横按矩阵排列，按需要显示的数字只让相应的元件发光。,发光二极管,图419 点矩阵型数字显示 图420 字段型数字显示,发光二极管,（3）平面显示器。LED还可以用于平面显示，其优点是，由于LED为固体元件，可靠性强，与采用白炽灯的显示器相比，功耗小；可以制作对阴极射线管（CRT）及液晶显示器（LCD）来说不容易做出的大型显示器等。（4）光源。LED除用作显示器件外，还可用作各种装置、系统的光源。如电视机、空调等的遥控器的光源。在光电检测系统及光通信系统中，也可作为发射光源来使用。(5)光耦合器件。光耦合器件是将发光二极管和光电接收元件组合而构成的一种器件。它是以光子作为传输媒介，将输入端的电信号耦合到输出端(6)负阻发光器件。负阻发光二极管的工作原理如图421（a）所示，它相当于两个PN结发光二极管串在一起，其J型伏安特性曲线如图421(b)。,发光二极管,图421 负阻发光二极管的工作原理,发光二极管,图422 光脉冲反射器 图423 双稳态电路,发光二极管,(3)双导态发光器件。图424是双导态发光二极管的伏安特性曲线。器件具有两种不同的状态，每种都具有它自己的整流特性。图424 双导态发光器件伏安特性,发光二极管,总之，随着半导体材料的制备和p-n结制造技术的发展，发光二极管日益得到广泛的重视和应用。归纳起来它具有如下优点：(1)属于低电压(1-2V)、小电流(每个发光单元只需10mA)器件，在室温下即可得到足够的亮度(一般3000cd.m-2以上)；(2)发光响应速度快(10-7 10-s)；(3)由于器件在正向偏置下使用因此性能稳定；(4)易于和集成电路匹配，且驱动简单；(5)与普通光源相比，单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米；(6)小型、耐冲击。当然它也存在一些缺点，主要是功率较小，只有pw、mW级；光色有限，较难获得短波发光(如紫外、蓝色)，且发光效率低,激光器,图426 激光器谐振腔及激光输出,激光器,4.1.5 激光器1.激光器的工作原理 激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成，如图425所示。图425 激光器工作原理,激光器,2.激光器的类型 目前已研制成功的激光器光器达数百种，输出波长范围从近紫外直到远红外，辐射功率从几毫瓦至上万瓦，一般按工作物质分类，激光器可分为气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等。(1)气体激光器。气体激光器采用的工作物质很多，激励方式多样，发射波长也最广。这里主要介绍氦氖激光器、氩离子激光器和二氧化碳激光器。氦氖激光器 氦氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激光器。氩离子激光器 氩离子激光器的工作物质是氩气，在低气压大电流下工作，因此激光管的结构及材料都与氦氖激光器不同。二氧化碳激光器 二氧化碳激光器的工作物质主要是二氧化碳，掺入少量和He等气体，是典型的分子气体激光器。,激光器,图427 氦-氖激光器示意图,激光器,（2）固体激光器。固体激光器所使用的工作物质是具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺如具有发射激光能力的金属离子。（3）染料激光器。染料激光器（图429）以染料为工作物质。染料溶解于某种有机溶液中，在特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光。（4）半导体激光器。半导体激光器的工作物质是半导体材料。它的原理与前面讨论过的发光二极管没有太多差异，pn结就是激活介质，如图430为砷化镓同质结二极管激光器的结构，两个与结平面垂直的晶体解理面构成了谐振腔。半导体激光器光输出电流特性如图431所示，其中受激发射曲线与电流轴的交点就是该激光器的阈值电流，它表示半导体激光器产生激光输出所需的最小注入电流。,激光器,图428 红宝石激光器原理图,激光器,图429 染料激光器原理图,激光器,图430 GaAs半导体激光器 图431 半导体激光器光输出电流特性,激光器,3激光的特性：（1）单色性。普通光源发射的光，即使是单色光也有一定的波长范围。这个波长范围即谱线宽度，谱线宽度越窄，单色性越好。（2）方向性。普通光源的光是均匀射向四面八方，因此照射的距离和效果都很有限，即使是定向性比较好的探照灯，它的照射距离也只有几公里。直径一米左右的光束，不出十公里就扩大为直径几十米的光斑了。（3）亮度。激光器由于发光面小，发散角小，因此可获得高的光谱亮度。（4）相干性。由于激光器的发光过程是受激辐射，单色性好，发射角小，因此有很好的空间和时间相干性。,表44 半导体激光器的材料及波长,4.2 光电探测器的性能参数与噪声,光电探测器是一种辐射能转换器件，是利用物质的光电效应把光辐射信号转换成电信号的器件。是光电信息技术中最重要的器件。4.2.1 光电探测器的性能参数响应度（或称灵敏度），响应度是光电探测器输出信号与输入辐射功率之间关系的度量。描述的是光电探测器的光电转换效能。,光谱响应度 光谱响应度又叫单色响应度，它表示不同波长的单位辐射功率，辐射入射到一个探测器的敏感元上，探测器输出强弱的不同。3.积分响应度 积分响应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响应度。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响应度为4响应时间 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。即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。,图432 上升时间和下降时间,5频率响应 由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以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，其表达式为放大器的上限截止频率（见图433）,显然，时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽。图4-33 光电探测器的频率响应曲线,6信噪比（S/N）信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即若用分贝（dB）表示，则为7等效噪声输入（ENI）它定义为器件在特定带宽内（1Hz）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，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（以输入能量为瓦或流明表示）时使用。,8噪声等效功率（NEP）或称最小可探测功率Pmin。它定义为探测器输出的信号功率与噪声功率之比为1时所需的入射到探测器上的辐射通量（单位为瓦）。即9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。为此，引入两个新的性参数探测率D和比探测率D*。,一个良好的探测器NEP约为1011W，NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。,D也叫探测度，所描述的特性是：光电探测器在它的电平之上产生一个可观测的电信号的本领。,归一化的探测率一般称为比探测率可以证明，D*与响应率RV可通过下式联系起来10噪声等效带宽 噪声等效带宽fN是在噪声计算中所讨论的带宽。反映系统对噪声的选择性。噪声等效带宽定义为一个矩形噪声功率增益曲线的频率间隔。,图434 噪声等效带宽,矩形噪声功率增益曲线与频率坐标图围成的面积等于实际噪声功率增益曲线与频率坐标间的面积。此矩形的高为实际最大功率增益。,噪声带宽可表示为：11.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的电流（加电源时）。一般测量其直流值或平均值。12量子效率 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在单位时间内光电探测器输出的光电子数与这一特定波长入射光子数之比。量子流速率N为,量子流速率N即为每秒入射的光量子数。而每秒产生的光电子数为式中，IS为信号电流，q为电子电荷。因此量子效率为13线性度 线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。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，通常用非线性误差来度量,max为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差，I1和I2分别为线性区中最小和最大响应值。,4.2.2 光电探测器的噪声 任何一个光电探测器在它的输出端总是存在着一些毫无规律、事先无法预知的电压起伏，即噪声。依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声分为散粒噪声、产生复合噪声、光子噪声、热噪声和低频噪声等。散粒噪声 由于热激发作用，随机地产生电子所引起的起伏，称为散粒噪声。它是穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的。这种噪声存在于所有光电探测器中。理论计算结果给出热激发散粒噪声的功率谱为：散粒噪声的电流为：,i是流过探测器的平均暗电流，M是探测器的内增益，q是电子电荷电量。,f是测量带宽,相应的噪声电压为按照式中平均电流i产生的具体物理过程，有它们服从下式的转换关系如果用背景光功率Pb和信号光功率Ps显式表示，则有,Id是热激发暗电流，ib和is分别为背景和信号电流,S2是光电发射和光伏过程，S4是光电导、产生复合过程，M1是光伏过程，M1是光电倍增管、雪崩过程,2.产生复合噪声 半导体中由于载流子的产生与复合的随机性而引起的载流子平均浓度的起伏所产生的噪声称为产生复合噪声。如果频率很低，且满足2f1时，此时3.光子噪声 当用光功率恒定的光照射探测器时，由于它实际上是光子数的统计平均值，每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。不管是信号光还是背景光，都有光子噪声伴随。,i是流过器件的平均电流，为载流子平均寿命，t为载流子在器件两极间平均漂移时间，f为频率。,这种情况为白噪声,4.热噪声 或称Johnson噪声，即载流子的无规则热运动造成的噪声。当温度高于绝对零度时，导体或半导体中每一电子都作随机运动（相当于微电脉冲，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动会在探测器输出端产生均方电流或均方电压，其均方值为5.1/f噪声(低频噪声)也叫闪烁噪声。几乎所有探测器都存在这种噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流存在时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。它主要出现在大约1kHz以下的低频频阈，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声或1/f噪声。其经验公式为,R是输出阻抗的实部,Kf与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数；与流过元件的电流有关，通常2；与元件材料性质有关，大部分材料1，与元件阻值有关1.41.7之间。,4.3 光子探测器,光电探测器通常分为2类:(1)光子探测器（利用各种光子效应）；（2）热探测器（利用温度变化效应）。光子效应：光电子发射、光电导、光生伏特、光电磁等。光热效应：温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等。基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中的电子能逸出材料表面，这各种器件称为外光电效应器件。基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应器件。4.3.1 光电子发射探测器应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器。,在光电子发射探测器中，入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功。光电子发射的能量转换公式为为使价带中的电子能跃迁到导带上，必须使入射光子的能量大于禁带宽度Eg，即使材料具有光电发射的截止波长c,1.光电倍增管的工作原理 图是光电倍增管的工作原理图。图中K为光电发射阴极，D为聚焦板，D1D10为倍增极（或打拿极），A为收集电子的阳极。倍增极间的电压逐级增加，极间电压约为80150V。,2光电倍增管的性能 光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。负电子亲和势材料是目前最好的光电阴极材料。倍增极二次电子发射特性用二次系数描述，即如果倍增极的总数为n，且各级性能相同，考虑到电子的传输损失，则光电倍增管的电流增益M为,f为第一倍增极对阴极发射电子的收集率；g为各倍增极之间的电子传递效率，良好的电子光学设计可始f、g值在0.9以上。n和值愈大，M值就愈高，但过多的倍增极不仅使倍增管加长，而且使电子渡越效应变得严重，从而严重影响倍增管的频率特性和噪声特性。,值主要取决于倍增极材料和极间电压,光电导探测器图436 光敏电阻（以非本征n型半导体为例）分析模型,1.光电转换规律 图中V表示外加偏置电压，l、b和d分别表示n型半导体得三维尺寸，光功率P在x方向均匀入射，假定光电导材料的吸收系数为，表面反射率为R，则光功率在材料内部沿x方向的变化规律为相应的光生面电流密度j（x）为式中e为电子电荷，v为电子在外电场方向的漂移速度，n（x）为在x处的电子密度。流过电极的总电流为,稳态下，电子得复合率为n(x)/，而电子的产生率等于单位面积、单位时间吸收的光子数乘以量子效率，产生率复合率得：,为电子的平均寿命，为量子效率,应用上面两式得：,有效量子效率,M为电荷放大系数,M为电荷放大系数，un是电子迁移率，V为外加偏压，l为结构尺寸。,2.光电导探测电路 典型的光电探测器在电路中的连接如图437所示。,电路中的参数Vb和RL均会影响输出信号的电压值，那么，如何选择Vb和RL？,从图可见，负载电阻RL两端的直流压降为当光辐射照到探测器上时，探测器电阻Rd就发生变化，负载电阻RL两端压降也就发生变化，这个电压的变化量就是信号电压Vs,当上式等于0时，有RLRd，信号电压为极大值。,从图437可见，在偏压Vb作用下，通过探测器电流I为在探测器上消耗的功率P为经验数据探测器的功耗不应超过0.1W/cm2，若探测器的面积为Ad，则消耗功率不应超过0.1Ad，与最大允许电压关系为：,Vb,max并不是最佳偏压。,图438 信号、噪声电压随偏流变化图,3.几种典型的光电导探测器简介 光电导探测器按晶体结构可分为多晶和单晶两类。多晶类多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，单晶类中常见的有锑化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅和掺杂型几种。CdS和CdSe。这是两种造价低的可见光辐射探测器（CdS：0.30.8m，CdSe：0.30.9m）。它们的主要特点是高可靠性和长寿命，因而广泛用于自动化技术中。PbS。这是一种性能优良的近红外辐射探测器，是在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探测器，室温下的禁带宽度为0.37eV，相应的长波限为3m。PbTe。在常温下对4m以内的红外光灵敏，冷却到90K，可在5m范围内使用。响应时间约为104105s。InSb。这也是一种良好的近红外（峰值波长约为6m）辐射探测器。HgCdTe探测器。HgCdTe是由半导体CdTe和半金属HgTe采用半导体合金法混合而成的合金系统。,图439 不同工作温度下InSb光电导探测器的光谱特性,为了提高信噪比，英国首先研制成 扫积型HgCdTe探测器，如图。它是由若干小的方形单元探测器排列成的线阵探测器，当目标的红外像点沿长条方向扫过时，外加电场驱使光生载流子也沿光点扫描方向迁移，并使迁移速度与像点扫描速度同步，这样可使信号积累（积分输出）。若此扫积探测器由n个单元组成，信号将是单元探测器输出的n倍，但由于噪声的非相关性，噪声只会增加根号n倍，因此信噪比可提高n1/2倍。,（6）掺杂型光电导探测器。主要是以锗（Ge）为主体材料掺有其它杂质的杂质半导体。它们主要用于814m长波段内。图441 掺杂型光电导探测器的光谱特性,表45 几种光电导探测器的典型特性,4.3.3 光伏探测器利用PN结的光伏效应而制作的光电探测器称为光伏探测器。与光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂些，PN结受光照射时，即使没有外加偏压，PN结自身也会产生一个开路电压，这时如果将PN结两端短接，便有短路电流通过回路。因此利用利用光生伏特效应制成的结型器件有光电池和光电二极管之分，而光电二极管又有两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。1.两种工作模式 一个PN结光伏探测器用图442（a）中的符号表示，它等效为一个普通二极管和一个恒流源（光电流源）的并联，如图442（b）所示。在零偏压时（图442（c），称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时（图442（d），即外加p端为负，n端为正的电压时，称为光导工作模式。,图442 光伏探测器及其工作模式示意图,普通二极管的伏安特性为式中，iS为反向饱和电流，u是探测器两端电压，e是电子电荷，因而光伏探测器的总电流i为式中i为光电流。光伏探测器的伏安特性如图443所示。由图可见第一象限是正偏压状态，iD本来很大，所以光电流i不起重要作用，因此在这一区域工作没有意义。第三象限是反偏压状态，这时iD-iS，它对应于光功率P=0时二极管的反向饱和电流，称为暗电流，其数值很小，光电流ii-is。由于这种情况的外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式。第四象限中，外偏压为零，当负载电阻比较小时，RL3的负载线接近于理想的垂直负载线，这是，输出光电流正比于入射功率，这种状态工作模式叫光伏模式。,图443 光伏探测器的伏安特性,2两种工作模式的比较 光导模式工作时，光电二极管加反偏压，可以大大提高器件的频率特性。此外反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线性区上限。但反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声，且频率低于1KHz时还有1/f噪声，这又限制了探测能力的下限。因光伏式二极管无偏压工作，故暗电流造成的散粒噪声小，且无1/f噪声，有高得多的信噪比。光伏式二极管主要应用于超低噪声、低频及仪器方面。光导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。3.光谱响应和频率特性 光电二极管都有一定的光谱响应范围，图444给出了Si光电二极管的光谱响应曲线。高频计算的简化等效电路如图4-45（b）所示，其截止频率fc为通常又定义电路的时间常数c为,图444 Si光电二极管光谱响应曲线,图445 光电二极管的高频等效短路,截至频率：,电路的时间常数：c2.2RLCj,4常用的光伏探测器简介(1)硅光电池。也称太阳电池或光伏电池。工作在图443所示的第四象限。价格便宜，光电转换效率高，光谱响应宽，频率特性好，寿命长，稳定性好，耐高能辐射，适合近红外探测。（2）PIN 硅光电二极管。从前面光电二极管的讨论中可知，载流子的扩散时间和电路时间常数大约同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。为了改善频率特性，就得设法减小载流子扩散时间和结电容，于是人们提出加一层中间本征层。（3）异质结光电二极管。异质结是由两种不同的半导材料形成的P一N结。P一N结两边是由不同的基质材料形成的，两边的禁带宽度不同。通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能量大于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收，产生电子空穴对。如果光照面材料的厚度大于载流子的扩散长度，则光生载流子达不到结区，对光电信号无贡献。而能量小于宽禁带的长波载流子却能顺利到达结区，被窄禁带材料吸收，产生光电信号。（4）雪崩光电极管（APD）。以上讨论的光电二极管都是没有内部增益的，即增益。这里讨论的雪崩二极管是有内部增益的，增益可达102104。它是利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。,光电流增益的大小用倍增因子M表示。实验表明，M随反向偏压V的变化可用加下的经验公式近似表示APD的噪声主要是散粒噪声预热噪声，噪声电流有效值可写为,r是电子和空穴电离概率,VB为击穿电压，n为与材料有关的常数,（5）Schottky势垒光电二极管。这是一种由金属和半导体接触所制成的光电二极管，所以这种光电二极管也称为金属半导体光电二极管。要求反偏压工作，光从金属一侧入射。为使透光性好，金属是用真空镀膜技术制成的金属膜，厚度只有几十埃。(6)光电三极管。光电三极管具有内增益，但获得内增益的途径不是雪崩效应，而是利用一般晶体管的电流放大原理。工作原理：基区和集电区处于反向偏压状态，内建电场从集电区指向基区。光照基区，产生电子空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电区，空穴留在基区，使基区电位升高，这相当于EB结上加了个正偏压，基极电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，最后形成光电流。光电流随光照强弱而变化。,(7)InSb光伏探测器。InSb材料既可作光电导探测器，也可制成PN结光伏探测器。常以P型层表面作光照面，产生的少数载流子是电子，具有较大的迁移率和扩散长度，这样可以使大多数的光生少数载流子扩散到PN结而形成光生电动势，因而可使灵敏度较高。是在35um波段内常用的高性能红外探测器。（8）HGCdTe光伏探测器。近20年来在红外探测器方面最卓越约成绩是HgCdTe探测器的研制成功及投入使用。和光电导型HgCdTe一样，可采用半导体合金法将化合物CdTe和HgTe合成Hg1xCdxTe合金。若在P型HgCdTe中将Hg扩散进去，表面将形成N型层，从而构成PN结，改变组份x就可以改变HgCdTe探测器的工作波段。（9）长波长红外焦平面阵列。随着军事和遥感遥测科学的发展，对由大量单元红外探测器构成的高密度焦平面阵列的要求日益迫切，尤其使814m的长波长红外波段的探测器对接近景物的目标最为敏感，因此一直是红外焦平面阵列研究的主要方向之一。期望能利用成熟的工艺制作、波长可调，并可将探测器与信号处理及读出电路集成在同一芯片上的大面积长波红外焦平面阵列。此概念20世纪70年代提出，80年代分子束外延和金属有机化学汽相淀积等工艺的发展，才成功地生长出能制作长波红外探测器所必须的异质结GexSi1-x/Si等伪合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si异质结内光发射的长波红外探测器阵列。,4.3.4 其它光子探测器简介光子牵引探测器 光子牵引探测器是一种非势垒光伏效应探测器。它和HgCdTe光电二极管一样适用于10.6m的激光波长探测。但是HgCdTe光电二极管只能在微弱光信号下使用，而光子牵引探测器则适用于强光探测。因此它广泛用于CO2脉冲激光器输出的探测。P型锗的光子牵引探测器示意图,这种探测器的优点是响应快，可在损伤阈值高及室温下工作，不需要电源。缺点是灵敏度低，典型器件的单位带宽等效噪声功率为103W，只有在强光下才能使用。,光电磁探测器 如图448所示，将半导体置于强磁场中，当半导体表面受到光辐射照射时，在表面产生电子