【正文】 第三章 光電檢測(cè)器件 ? 光電探測(cè)器的原理 ? 光電子發(fā)射器件 ? 光電導(dǎo)器件 ? 光伏探測(cè)器件 ? 光電耦合器件 光電效應(yīng) ? 光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng) ? 光電效應(yīng)包括 外光電效應(yīng) 和 內(nèi)光電效應(yīng) 光電探測(cè)器的原理 ? 外光電效應(yīng) ：物體受光照后向外發(fā)射電子 —— 多發(fā)生于金屬和金屬氧化物 ? 內(nèi)光電效應(yīng) ：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會(huì)逸出物體外部 —— 多發(fā)生在半導(dǎo)體 光電效應(yīng) ? 光電導(dǎo)效應(yīng) ：半導(dǎo)體受光照后 ， 內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子 ，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象 ? 光生伏特效應(yīng) ：光照在半導(dǎo)體 PN結(jié)或金屬 — 半導(dǎo)體接觸上時(shí) ， 會(huì)在 PN結(jié)或金屬 — 半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì) 。 （ 1） PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí) ， 由于內(nèi)建場(chǎng)的作用 （ 不加外電場(chǎng) ） ， 光生電子拉向 n區(qū) ， 光生空穴拉向 p區(qū) ， 相當(dāng)于 PN結(jié)上加一個(gè)正電壓 。 （ 2） 半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) （ 光生電壓 ） ；如將 PN結(jié)短路 ， 則會(huì)出現(xiàn)電流 （ 光生電流 ） 。 內(nèi)光電效應(yīng) 光熱效應(yīng) ? 光熱效應(yīng) ：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化． ? 熱釋電效應(yīng) ：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象． ? 輻射熱計(jì)效應(yīng) ：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象． ? 溫差電效應(yīng) ：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流． 光電檢測(cè)器件的類型 ? 光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。 ? 光電檢測(cè)器件分為兩大類： ? 光子 (光電子 )檢測(cè)器件 ? 熱電檢測(cè)器件 光電檢測(cè)器件 光子器件 熱電器件 真空器件 固體器件 光電管 光電倍增管 真空攝像管 變像管 像增強(qiáng)管 光敏電阻 光電池 光電二極管 光電三極管 光纖傳感器 電荷耦合器件 CCD 熱電偶 /熱電堆 熱輻射計(jì) /熱敏電阻 熱釋電探測(cè)器 半導(dǎo)體光電器件 ? 光電導(dǎo)器件（內(nèi)光電效應(yīng)） 光敏電阻（單晶型、多晶型、合金型等） ? 光伏器件 光電池 光電二極管 /三極管 真空光電器件（外光電效應(yīng)） ? 光電管 ? 光電倍增管 熱電檢測(cè)器件 ? 熱敏電阻 ? 熱電偶和熱電堆 ? 熱釋電探測(cè)器件 光電器件的分類 光電檢測(cè)器件的特點(diǎn) 光子器件 熱電器件 響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一般有截止波長(zhǎng)，超 過該波長(zhǎng)，器件無響應(yīng)。 響應(yīng)波長(zhǎng)無選擇性，對(duì)可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感 響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短， 一般為納秒到幾百微秒 響應(yīng)慢，一般為幾毫秒 器件的基本特性參數(shù) ? 響應(yīng)特性 ? 噪聲特性 ? 量子效率 ? 線性度 ? 工作溫度 一、響應(yīng)特性 （或稱靈敏度）： 是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 ? 響應(yīng)度是隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的 ? 響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率 ? 電壓響應(yīng)率 光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比 ? 電流響應(yīng)率 光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比 ioV PVS ?ioI PIS ?２ .光譜響應(yīng)度 ： 探測(cè)器在波長(zhǎng)為 λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比． ： 檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度． ()()()oViVSP????()()()oIiISP????４ .響應(yīng)時(shí)間 ： 響應(yīng)時(shí)間 τ是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù) 。 ? 上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后 ， 光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間 。 ? 下降時(shí)間：入射光遮斷后 ， 光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間 。 ? 光電探測(cè)器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系 為調(diào)制頻率為 f 時(shí)的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率 ? 為時(shí)間常數(shù)（等于 RC） 0S2/120])2(1[)( ?? fSfS??)(fS５ .頻率響應(yīng) ： 光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)． ? 由于光電探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。 0002 1 / 21122( ) 0 . 7 0 7[ 1 ( 1 ) ] 2fRCSSS f S? ? ???? ? ??c：上限截止頻率 時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬 fc二、噪聲特性 ? 在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。 01 ()TI i i t d tT?? ?? 用均方噪聲來表示噪聲值大小 2201( ) [ ( ) ( )]Ti t i t i t d tT? ? ??? 噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。 ? 由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。 ? 一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。 ? 所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。 光電探測(cè)器常見的噪聲 ? 熱噪聲 ? 散粒噪聲 ? 產(chǎn)生 復(fù)合噪聲 ? 1/f噪聲 熱噪聲 ? 或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。 ? 導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(dòng) (相當(dāng)于微電脈沖 )，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 均方根電壓 ，稱為 熱噪聲電壓 。 ? 熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲。 散粒噪聲 ? 散粒噪聲：入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的 ， 光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的 ，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的 。 ? 散粒噪聲也是白噪聲 ， 與頻率無關(guān) 。 ? 散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性 ， 對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明 ， 散粒噪聲具有支配地位 。 ? 例如光伏器件的 PN結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因 。 產(chǎn)生 復(fù)合噪聲 ? 半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生 復(fù)合。 ? 在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的 ? 但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的 ? 載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏 1/f噪聲 ? 或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。 ? 噪聲的功率近似與頻率成反比 ? 多數(shù)器件的 1/f噪聲在 200~300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。 ５、信噪比 ? 信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。 ? 是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比 ? 若用分貝（ dB）表示，為 2222NSLNLSNSIIRIRIPPNS ???NSNSIIIINS lg20lg1022????????６、噪聲等效功率 (NEP) ? 定義：信號(hào)功率與噪聲功率比為 1（ SNR=1） 時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻射通量 (單位為瓦 )。 ? 這時(shí)，投射到探測(cè)器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電