《光电检测技术第二》中国计量出社第四章.ppt

第三章 光电检测器件 一. 光电器件的基本特性参数 二. 真空光电器件 三. 半导体光电器件 四. 光电检测器件的性能比较 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 光电检测器件的特点 一. 光电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，产生载流子流的随机涨落。 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，由光敏材料的不均匀或不必要的微量杂质引起。 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）等于探测器本身的噪声电压（或电流） 一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。 NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。 三)、量子效率?（?） 量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， ?=1 实际上，? 1 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。 四)、线性度 线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。 在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。 非线性误差： δ　＝　Δmax / ( I2 – I1) Δmax：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差； I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。 五)、工作温度 工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。 光电探测器在不同温度下，性能有变化。 例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。 　常用的经典光电发射材料 1、银氧铯阴极（Ag-O-Cs） 3、多碱光电阴极 　　A、锑钾钠光电阴极：响应度可达50－100μA/lm，在0.4 μm处量子效率达25％，能耐高温； 　　B、锑钾钠铯光电阴极：峰值响应度波长在0.42微米附近，峰值响应度可达230μA/lm，量子效率高；响应范围较宽。 4、碲化铯（紫外）光电阴极：对太阳＆地表面辐射不敏感，响应范围100－280nm；长波限在290～320微米。 二、光电倍增管