【正文】 ??p0eIMhv???光照時(shí)每產(chǎn)生一個(gè)光電子，在探測(cè)器的外電路中都輸出一個(gè)電子 外電路中單位時(shí)間內(nèi)輸出的電子數(shù)大于甚至遠(yuǎn)大于單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù) －－ 光電增益 M 光電增益 M 比較： 光電增益 與 量子效率 光電科學(xué)與工程學(xué)院 College Of Optoelectric Science and Engineering 光電探測(cè)器概述 半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 光電探測(cè)器的噪聲 光電探測(cè)器的性能參數(shù) 光電科學(xué)與工程學(xué)院 College Of Optoelectric Science and Engineering 光電探測(cè)器的噪聲 光電探測(cè)器概述 噪聲的基本概念 噪聲的表示方法 探測(cè)器噪聲分類(lèi) 光電科學(xué)與工程學(xué)院 College Of Optoelectric Science and Engineering 信號(hào)平均值處有 隨機(jī) 起伏－－含有 噪聲 例如： 放音機(jī)的噪聲 激光器的噪聲 光電探測(cè)器的噪聲 噪聲的基本概念 噪聲 影響信號(hào)（特別是弱信號(hào)）的測(cè)量和處理 2ni 2nu用均方噪聲 多個(gè)噪聲源 （互不相關(guān)） 2222 12 nknnn iiii ???????總 光電探測(cè)器的噪聲 噪聲的表示方法 噪聲功率譜 光電探測(cè)系統(tǒng)噪聲： 光電探測(cè)器的噪聲 噪聲 影響信號(hào)（特別是弱信號(hào)）的測(cè)量和處理 光電探測(cè)器的噪聲 探測(cè)器的噪聲 1．熱噪聲 (Johnson噪聲 ) 2. 散粒噪聲 3．產(chǎn)生－復(fù)合噪聲 4． 1/f 噪聲 5．溫度噪聲 1．熱噪聲 (Johnson噪聲 ) 熱噪聲是由于載流子的熱運(yùn)動(dòng)而引起電流或電壓的隨機(jī)起伏。 22n r n r44kT fi ,u kT f RR???? 光電探測(cè)器的噪聲 f? 為測(cè)量的頻帶寬度 熱噪聲： 白噪聲 2. 散粒噪聲（ Shot噪聲） 光電探測(cè)器的 散粒噪聲 是由于探測(cè)器在光輻射作用或熱激發(fā)下引起光電子或載流子的隨機(jī)起伏 2ns 2ei I f??I為器件輸出平均電流 散粒噪聲：白噪聲 光電探測(cè)器的噪聲 3．產(chǎn)生－復(fù)合噪聲 －－又稱(chēng)為 g－ r噪聲 （ Generation Rebination） 半導(dǎo)體器件中由于載流子的產(chǎn)生與復(fù)合而引起的平均載流子濃度的隨機(jī)起伏。 2n g r 4ei M I f??I為總的平均電流； M為光電增益 光電探測(cè)器的噪聲 2n g r 22c4e1M I fi?????產(chǎn)生－復(fù)合噪聲不再是 “ 白 ” 噪聲？？ 4． 1/f 噪聲 1/f 噪聲通常又稱(chēng)為電流噪聲 －－也稱(chēng)為閃爍噪聲或過(guò)剩噪聲 2nfcIiff????低頻區(qū)： 1kHz以下 機(jī)理目前尚不清楚 光電探測(cè)器的噪聲 5．溫度噪聲 熱探測(cè)器中由于器件本身吸收和傳導(dǎo)等的熱交換引起的溫度起伏 2 2 2 2Tn 4W G t G kT f? ? ? ?G為器件的熱導(dǎo) 光電探測(cè)器的噪聲 光探測(cè)器的噪聲 1．熱噪聲 (Johnson噪聲 ) 2. 散粒噪聲 3．產(chǎn)生－復(fù)合噪聲 4． 1/f 噪聲 5．溫度噪聲 實(shí)際的光電探測(cè)器所含的噪聲種類(lèi)及大小，后面各章結(jié)合器件介紹。 光電科學(xué)與工程學(xué)院 College Of Optoelectric Science and Engineering 光電探測(cè)器概述 半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 光電探測(cè)器的噪聲 光電探測(cè)器的性能參數(shù) 光探測(cè)器的特性參數(shù) 主要特性參數(shù)： 1．光電特性 2. 靈敏度與光譜特性 3．等效噪聲功率和比探測(cè)率 4．響應(yīng)時(shí)間與頻率特性 1．光電特性 光電特性是指電學(xué)參量與光輻射參量之間的函數(shù)關(guān)系。 例如： I=f（ Ф） I=f（ E） 光探測(cè)器的特性參數(shù) 例 1： P109 光電倍增管的 光電特性 線性度 重要性 光電科學(xué)與工程學(xué)院 College Of Optoelectric Science and Engineering 2. 靈敏度與光譜特性 靈敏度 是表征探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)能力的特性參數(shù)，又稱(chēng)為 響應(yīng)率 。 ΦUS U ?ΦIS I ? 光探測(cè)器的特性參數(shù) 2. 靈敏度與光譜特性 光譜靈敏度 ： ? ? ? ?? ???? ΦUS U ? ? ? ? ?? ???? ΦIS I ?例 1：人眼 光譜靈敏度 例 2：硅光電器件 光譜靈敏度 S 光探測(cè)器的特性參數(shù) 2. 靈敏度與光譜特性 靈敏度 是表征探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)能力的特性參數(shù)，又稱(chēng)為 響應(yīng)率 。 光譜靈敏度 ： 積分靈敏度： ? ? ? ?? ????ΦUSU ? ? ?? ?? ????ΦISI ?ΦUS U ?ΦIS I ? 光探測(cè)器的特性參數(shù) 2. 靈敏度與光譜特性 光譜靈敏度 ： 積分靈敏度： ? ? ? ?? ???? ΦIS I ?ΦISI ?用 單色 光測(cè)量； 一般為曲線 例： P139 圖 5－ 9 用 標(biāo)準(zhǔn)光源 測(cè)量； 一般為具體數(shù)據(jù) 例： P130 表 5－ 1 光探測(cè)器的特性參數(shù) 2. 靈敏度與光譜特性 靈敏度 是表征探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)能力的特性參數(shù)，又稱(chēng)為 響應(yīng)率 。 SU(λ)或 SI(λ)隨波長(zhǎng) λ的變化關(guān)系稱(chēng)為探測(cè)器的 光譜特性 （曲線）。 例：硅光電器件的 光譜特性 S 光探測(cè)器的特性參數(shù) 2. 靈敏度與光譜特性 峰值波長(zhǎng) λ p 截止波長(zhǎng) λ 0 光譜特性 （曲線） 光譜響應(yīng) 范圍 例： P85 表 3－ 2 光探測(cè)器的特性參數(shù) 2. 靈敏度與光譜特性 靈敏度與 量子效率（自學(xué)） I()()( ) cI e eS M MΦ h v h? ? ????? ? ? ?0?p?1 . 理 想 曲 線 2 . 實(shí) 際 曲 線I m a xS? ?IS ?I m a x50 S％0光子探測(cè)器光譜特性曲線 峰值波長(zhǎng) λ p 截止波長(zhǎng) λ 0 光探測(cè)器的特性參數(shù) 3．噪聲等效功率和比探測(cè)率 光探測(cè)器的特性參數(shù) 輻射通量 信號(hào)電流 噪聲電流 minΦ3．噪聲等效功率和比探測(cè)率 光探測(cè)器的特性參數(shù) 輻射通量 信號(hào)電流 噪聲電流 minΦ當(dāng)探測(cè)器輸出的信號(hào)電流 I (或電壓 U)等于探測(cè)器本身的噪聲電流 (或電壓 )均方根值時(shí)，入射到探測(cè)器上的信號(hào)輻射通量稱(chēng)為 噪聲等效功率（簡(jiǎn)稱(chēng)NEP） 2nm i niIΦN E P??3．噪聲等效功率和比探測(cè)率 2nIiN E PS?探測(cè)能力： 探測(cè)器靈敏度 探測(cè)器噪聲水平 光探測(cè)器的特性參數(shù) 2nm i n iIΦN E P ??2nm i n/55iIΦN E P ?方便測(cè)量 3．噪聲等效功率和比探測(cè)率 光探測(cè)器的特性參數(shù) 輻射通量 信號(hào)電流 噪聲電流 minΦ2nm i niIΦN E P?? 噪聲等效功率 －－又稱(chēng)為 最小可探測(cè)功率 3．等效噪聲功率和比探測(cè)率 )W(1 12niSNE PD I?? 愈大愈好－－習(xí)慣 d*d2nd/IAf SD A f DN E P i A f???? ? ?（ ）/WHzcm 1 / 2?用 單位帶寬 和 單位面積 的噪聲電流來(lái)衡量探測(cè)器的 探測(cè)能力 光探測(cè)器的特性參數(shù) 4. 響應(yīng)時(shí)間與頻率特性 矩形光脈沖，響應(yīng)出現(xiàn) 上升沿和下降沿 正弦型調(diào)制光，響應(yīng)率隨頻率升高而降低 光探測(cè)器的特性參數(shù) τ－ 探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間 （時(shí)域） HC12 πf ??上限截止頻率 或 3dB帶寬 （頻域） 本章小結(jié) ： （要點(diǎn)，課后自行總結(jié)） 1. 光學(xué)譜區(qū)： ～ 1000μm 可見(jiàn)光譜區(qū)： ～ 光輻射量度 －－輻射度量（電磁波譜） －－光度量（可見(jiàn)光譜區(qū)） 2. 半導(dǎo)體基礎(chǔ)：導(dǎo)帶 Ec、價(jià)帶 Ev及二者之間的禁帶 Eg 本征半導(dǎo)體、 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體 費(fèi)米能級(jí) Ef描述載流子的分布 本征吸收和雜質(zhì)吸收；少子壽命 τ 3. 光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)和光電子發(fā)射效應(yīng) 光子探測(cè)器，光電轉(zhuǎn)換規(guī)律 4. 光探測(cè)器噪聲：散粒噪聲、熱噪聲、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲、 電流噪聲（ 1/f噪聲） 、溫度噪聲、 5. 光探測(cè)器特性參數(shù)：光電特性、靈敏度、噪聲等效功率、響應(yīng)時(shí)間