129974244372031250光电探测器的选择

光电探测器总结光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管表1：探测器件光辐射探测器分类光辐射探测器件是利用各种光电效应，或光热效应使入射光辐射强度转换成电学信息或电能的仪器。♣按用途分：成像、非成像探测器；♣按光谱响应分：紫外光、可见光、近红外、中红外、远红外探测器；♣按工作转换机理分：光子（光电）、热探测器光子探测器特点♥选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应，因此无法被探测。♥灵敏度高，响应时间短。♥波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论响应率应正比于波长。光热探测器特点♫非选择性探测器，光热效应与入射光子的性质无关，即光电信号取决于入射辐射功率与入射辐射的光谱成份无关。♫不需制冷可在室温下工作比光子探测器有更宽的光谱响应范围，可在X射线和毫米波段使用。♫但响应时间比光子探测器长。且取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢。如何进行光电探测器见的选择——响应性能参数（1）根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号——响应率；（2）探测器的光谱响应范围是否同测量光信号的相对光谱功率分布一致——光谱响应率；（3）对某种探测器，它能探测的极限功率是多少——等效噪声功率、信噪比；（4）当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号能否反映光信号的波形——响应时间；（5）当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的电信号幅度是否变化——线性。一响应度参数1.响应率（电流，电压）2.光谱响应度3.响应时间4.频率响应5.线性度1.响应率（度）RV、RI单位入射光功率作用下探测器的输出电压（流），即灵敏度。——器件对全色入射辐射的响应能力，定义为器件的输出信号与输入辐射功率之比，用R来表示。1sIAWIRP1sVVWVRP输出信号用电压表示：输出信号用电流表示：2.单色灵敏度（光谱响应度）1()sVVWVR1()sIAWIR光电探测器在单位单色辐射通量（光通量）照射下得到输出电压（流）；即探测器的输出电压（流）与入射到探测器上单色辐射通量（光通量）之比。——器件对单色入射辐射的响应能力。VIRRmax光谱响应宽度峰值响应度PSNNRehc实用表示法——用光谱量子效率ηλ来表示光谱响应率，定义：NP：入射辐射量子数NS：由NP产生的信号量子数由于光谱量子效率ηλ和光谱响应率Rλ表示的是同一事件，所以它们之间必有联系：e：电子电量c：真空光速h：普朗克常数注意：光谱响应率和光谱量子效率仅由器件的响应特性所决定，而与光源无关。由上式可绘出Rλ－λ曲线，称为等量子效率曲线。Rλ－λ关系曲线即光谱响应随波长的变化关系，因此，Rλ－λ曲线也称为光谱响应特性曲线。khceR由上式可得3.时间响应特性——探测器对变化信号响应快慢的能力。理想器件的响应脉冲与辐射脉冲是一致的。t)(tI)(tht（b）响应脉冲（a）辐射脉冲实际器件的响应都具有滞后现象（惰性）：t)(tIt)(tht)(tht)(tI（a）辐射脉冲（a）辐射脉冲（b）响应脉冲（b）响应脉冲响应时间的定义1：上升时间：10%----90%；下降时间：90%----10%；表示探测器对入射辐射响应快慢的参数；用时间常数表示10.90.1tt入射光fttI光tftftt响应时间：（1）起始弛豫定义为响应值上升至稳定值的时所需的时间，约为63%；（2）衰减弛豫定义为响应值下降至稳定值的时所需的时间，约为37%。)e(11e1弛豫时间的定义2：这些上升或下降的时间就表示了器件惰性的大小。4.频率响应R（f）光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性；0122()12RRff()Rf0R频率是f时的响应度；频率是零时的响应度；时间常数（）。RC0()0.707RfR1122fRC上上限截止频率：0Rf上Rff00.707Rmax21II5.线性度I1I2I⊿maxt探测器的输出光电压（流）与输入光功率成线性变化的程度和范围。用非线性误差描述。二噪声参数1.信噪比(S/N)2.噪声等效功率（NEP）3.探测率4.比探测率二噪声参数1.信噪比(S/N)：负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之比，与信号大小、接收面积有关.2222SSLSNNLNPIRISNPIRI2210lg20lgSSdBNNIISNIILR2.噪声等效功率(NEP)•定义：即最小可探测功率Pmin，信号功率和噪声功率之比为1（S/N=1）时的入射辐射通量。•表达式：eNEPSN•NEP越小，探测器性能越好3.探测率(D)•定义：NEP的倒数•表达式：1eSNDNEP•描述了光电探测器在其噪声水平之上产生可观测信号的本领。即探测器能响应的入射功率越小，探测率越高。•探测率与接收面积、带宽有关4.比探测率(D*)•定义：归一化后的探测率•表达式：*ddeAfSNDAfNEP*dDDAfNdVAf@用于比较不同测量带宽、不同光敏面积的光电探测器的性能。@通常在D*后附加测量条件D*（500K，900，5）表示用500K黑体，调制频率900Hz，测量系统带宽5Hz测量得到的值。其它参数补充专题光电探测器的噪声这种随机的、瞬间的幅度不能预先知道的起伏，称为噪声。噪声的概念tO()iti平均01()TIiitdtT平均22201()[()]TniititidtT平均222212nnnniiii总直流信号值：用均方噪声来表示的噪声值：存在多个独立噪声源的噪声功率光电系统噪声的分类电学噪声探测器噪声光学噪声介质光学系统光调制器光电探测器电子电路→→→→→目标或光源把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得到噪声功率随频率变化关系，称为噪声功率。噪声的概念2()()nsfif（1）白噪声：功率谱大小与频率无关的噪声。fO()sf1f噪声白噪声()sf数值为频率f的噪声在单位电阻上所产生的功率()sf（2）噪声：功率谱与成正比的噪声。1f1f根据噪声功率谱与频率的关系：热噪声均方电流和热噪声均方电压为：1.热噪声24nukTfR24nkTfiR热噪声存在于任何导体和半导体中。载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称为热噪声或称为约翰逊（Johnson）噪声。k是玻尔兹曼常数；T是温度（K）；为所取的通带宽度（频率范围）。f1.热噪声热噪声的等效电路：RR因温度影响电子运动速度，所以热噪声功率与温度有关。在温度一定时，热噪声只与电阻和通带有关，故热噪声也称电阻噪声或白噪声。24nukTfR24nkTfiR例如：在光电管中光电子从阴极表面逸出的随机性；p-n结中载流子通过结区的随机性；入射到探测器表面的光子的随机起伏，经光电变换后也表现为散粒噪声。2.散粒噪声散粒噪声，犹如射出的散粒无规则地落在靶上所呈现的起伏，每一瞬间到达靶上的值有多有少，这些散粒是完全独立的事件。这种随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。2.散粒噪声22niqIf散粒噪声的表达式为q为电子电荷；I为器件输出平均电流；为所取带宽。f散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。3.产生-复合噪声在半导体中，在一定温度或一定光照下，载流子不断地产生-复合。在平衡状态时，载流子的产生和复合的平均数是一定的，但其瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起材料电导率起伏。在外加电压下，电导率的起伏使输出电流或电压中带有产生-复合噪声。3.产生-复合噪声22204[1(2)]nIfiNf产生-复合噪声表达式：I为总的平均电流；为总的自由载流子数；为载流子寿命；为测量噪声的频率。0Nf4.1/f噪声1/f噪声又称为闪烁或低频噪声。它主要出现在大约1KHz以下的低频频域，而且这种噪声的功率谱近似与调制频率f成反比，故称为1/f噪声。实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。4.1/f噪声1/f噪声的表达式：α接近于2，它与流过元件的电流有关；β为与元件材料性质有关的系数，其值在0.8~1.5之间，大部分材料的β值取１；C为比例常数。一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1千赫兹，这种噪声就可以防止。2αnβCIiΔff在热探测器中，不是由于辐射信号的变化，而是由于器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏称为温度噪声。5.温度噪声2224[1(2)]nttkTftGf温度噪声的表达式为：为器件的热导；是热时间常数；为器件的热容；T为周围温度（K）。tGtCtttCG224ntkTftG2(2)1tf在低频时噪声1f散粒噪声和热噪声产生-复合噪声()fHz2niO光电探测器噪声功率谱综合示意图401.器件必须和光信号源在光谱特性上匹配2.器件的光电转换特性必须和入射辐射能量匹配3.必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配4.必须和输入电路在电特性上良好地匹配5.必须选好器件规格和使用环境选用光电器件的基本原则：光电探测器的工作条件1.辐射源的光谱分布（如单色、黑体、调制）2.电路的通频带和带宽（噪声的影响）3.工作温度：295K、195K、77K、20.4K、4.2K4.光敏面尺寸：1cm25.偏置情况42作业•光敏电阻两种，光电池，光电二极管，PIN光电二极管，雪崩PIN光电二极管，光电三极管各一到两种，光电倍增管一到两种，测辐射热敏电阻，热电偶，热释电器件各一种