光电检测技术第三章节.ppt

第三章 光电检测器件 3.1 光电探测器的原理 3.2 光电子发射器件 3.3 光电导器件 3.4 光伏探测器件 3.5 光电耦合器件 光电效应 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光生电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应 光电效应 外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物 内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。 （1）PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。 （2）半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。 光热效应 光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化． 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象． 辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象． 温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流． 光电检测器件的类型 光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。 光电检测器件分为两大类： 光子(光电子)检测器件 热电检测器件 光电检测器件 半导体光电器件 光电导器件（内光电效应） 光敏电阻（单晶型、多晶型、合金型等） 光伏器件 光电池 光电二极管/三极管 真空光电器件（外光电效应） 光电管 光电倍增管 热电检测器件 热敏电阻 热电偶和热电堆 热释电探测器件 光电检测器件的特点 器件的基本特性参数 响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度 一、响应特性 1.响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。 响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率 电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比 电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比 ２.光谱响应度：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比． 3.积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度． ４.响应时间：响应时间τ是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。 上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。 二、噪声特性 在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而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受探测系统的噪声所限制。 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。 光电探测器常见的噪声 热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声 1、热噪声 或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。 导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。 热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声。 2、散粒噪声 散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。 散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明，散粒噪声具有支配地位。 例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。 3、产生-复合噪声 半导体受光照，载流子不断产生-复合。 在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的 但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的 载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏 4、1/f噪声 或称闪烁噪声或低频噪声。 噪声的功率近似与频率成反比 多数器件的1/f噪声在200~300Hz以上已衰减到可忽略不计。 ６、噪声等效功率(NEP) 定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。 这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等