光电检测技术第三章.pptVIP

第三章 主要内容 §3.1光探测器的物理基础 §3.2光电探测器的特性参数 §3.3光电导探测器 §3.1光探测器的物理基础 一、光探测器的分类 1、光探测器的物理效应通常分为两类：光电效应和光热效应，如表3－1（a）（b）所示。 2、光电探测器也可分为： 单元器件； 阵列器件； 成像器件。 单元器件只是把投射在其光接受面元上的平均光能量变成电信号； 阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。 成像器件一般放在光学系统的像面上，能获得物面上的图像信号。 光电检测器件还可从用途上分为用于检测微弱信号的存在及其强弱的探测器，这时主要考虑的是器件探测微弱信号的能力，要求器件输出灵敏度高，噪声低；用于控制系统中作光电转换器，主要考虑的是光电转换的效能。 3、目前，光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现。按照现阶段各类常用光电探测器工作原理和结构又可分类如下： 光电管 光电倍增管 真空光电器件 真空摄象管 变象管 象增强器 光敏电阻 光电探测器 光电池 光电二极管 光电三极管 光电耦合器 固体光电器件 光中断器 位置传感器PSD 电荷耦合器件CCD 自扫描光电二极管 列阵SSPD 二、光电探测器原理 光电探测器利用材料的光电效应制成。 在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应； 电子并不逸出材料表面的为内光电效应。光电导效应、光生伏特效应及光磁电效应均属于内光电效应。 三、光电转换定律 光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的电学量，所以光电探测器实质上是一种光－电转换器件。 考虑能量为hv 的光子入射到光电探测器上所产生的光电流，如果光子能量大于探测器材料的禁带宽度，在观察时间?t内，它产生的平均光电子数为?N，则根据量子理论分析的结果， ?N与入射的平均光辐射能量成正比，即 而入射的瞬时光辐射能量为： 式中，P(t)是光辐射的瞬时功率。一般来说，它是一个随机量，如果P(t)在观察时间?t内没有明显的改变，则W(t)?P(t) ?t。由此可得光电探测器输出的平均光电流表达式： 式中P为入射光辐射的平均功率。此式描述了光－电转换的基本定律。 从光电转换定律可知： ①光电探测器输出的光电流与入射平均光功率成正比，因此，一个光子探测器可视为一个电流源。 ②由于平均光功率与光电场强度的平方成正比，所以光电探测器输出的光电流也与光电场强度的平方成正比。也就是说，光电探测器的响应具有平方律特性。因此，通常称光电探测器为平方律探测器，或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。 §3.2 光电探测器的主要特性参数 判断光电探测器的优劣的指标，以及根据特定的要求恰当地选择探测器的依据。 光谱灵敏度 如果把光功率P换成波长可变的光功率谱密度P? ，则由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情况下，光电流（或光电压）将是光波长的函数，记为I?（或U?），于是光谱灵敏度定义为： SI (λ)＝I? /dP? SU(λ)＝U? /dP? 如果SI (λ)或SU(λ)是常数，则相应的探测器称为无选择性探测器（如光热探测器），光子探测器则是选择性探测器。 频率灵敏度Sf 如果入射光