光电探测器概述

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1、光 电 信 号 检 测 一 、 发 展 简 述 最 早 用 来 探 测 可 见 光 辐 射 和 红 外 辐 射 的 光 辐 射 探 测 器 是 热 探测 器 。 其 中 ， 热 电 偶 早 在 1826年 就 已 发 明 出 来 。 从 上 世 纪 五 十 年 代 开 始 人 们 对 热 释 电 探 测 器 进 行 了 一 系 列 研究 工 作 ， 发 现 它 具 有 许 多 独 特 的 优 点 ， 因 此 近 年 来 有 关 热 释电 探 测 器 的 研 究 工 作 特 别 活 跃 ， 发 展 异 常 迅 速 。 1970年 以 后 又 出 现 了 一 种 利 用 光 子 牵 引 效 应 制

2、 成 的 光 子 牵 引探 测 器 。 八 十 年 代 中 期 ， 出 现 了 利 用 掺 杂 的 G aAs AlG aAs材 料 、 基于 导 带 跃 迁 的 新 型 光 探 测 器 量 子 阱 探 测 器 。 这 种 器 件 工作 于 812m波 段 ， 工 作 温 度 为 77K 。 由 于 这 种 器 件 在 军 事和 民 用 中 的 重 要 性 ， 发 展 非 常 迅 速 。 随 着 激 光 与 红 外 技 术 的 发 展 ， 在 许 多 情 况 下 单 个光 探 测 器 已 个 能 满 足 探 测 系 统 的 需 要 ， 从 而 推 动了 阵 列 (线 阵 和 面 阵 )光 辐

3、射 探 测 器 的 发 展 。目 前 ， 光 电 探 测 器 的 另 一 个 发 展 方 向 是 集 成 化 ，即 把 光 电 探 测 器 、 场 效 应 管 等 元 件 置 于 同 一 基 片上 。 这 可 大 大 缩 小 体 积 、 改 善 性 能 、 降 低 成 本 、提 高 稳 定 性 并 便 于 装 配 到 系 统 中 去 。电 荷 耦 合 器 件 (CCD)也 是 近 年 来 研 究 的 一 个 重 要方 面 ， 其 性 能 达 到 相 当 高 的 水 平 、 将 光 辐 射 探 测器 阵 列 与 CCD器 件 结 合 起 来 ， 可 实 现 信 息 的 传 输 。 光 电 子 效

4、 应 大 多 数 是 半 导 体 材 料 内 光 电 效 应 ： 基 于 光 电 导 、 光 伏 特 和 光 电 磁 效 应 ，在 吸 收 了 大 于 红 外 波 长 的 光 子 能 量 以 后 ， 材 料 中 出现 光 生 自 由 电 子 和 空 穴 的 现 象 称 为 内 光 电 效 应 。 外 光 电 效 应 ： 基 于 光 电 子 发 射 效 应 ， 在 吸 收 了 大 于红 外 波 长 的 光 子 能 量 以 后 ， 材 料 中 的 电 子 逸 出 材 料表 面 的 现 象 称 为 外 光 电 效 应 。光 电 探 测 器 分 类按 探 测 机 理 的 物 理 效 应 可 分 为 两

5、 大 类 ： 一 类 是 利 用 各 种 光子 效 应 的 光 子 探 测 器 ， 另 一 类 是 利 用 温 度 变 化 效 应 的 热 探测 器 。 分 类 效 应 探 测 器光电探测器 光子探测器 外 光电 效应 光 电 子 发 射 效 应 光 电 管光 电 子 倍 增 效 应 光 电 倍 增 管 、 像 增 强 管内 光电 效应 光 电 导 效 应 光 敏 电 阻光 生 伏 特 效 应 光 电 池 、 光 电 二 极 管 、 光 电 三 极 管 、 雪 崩光 电 二 极 管 、 肖 特 基 势 垒 光 电 二 极 管 等光 磁 电 效 应 光 电 磁 探 测 器热探测器 热 释 电 效

6、 应 热 释 电 探 测 器温 差 电 效 应 热 电 偶 、 热 电 堆 测 辐 射 热 效 应 热 敏 电 阻 1 光 子 探 测 器 在 光 电 探 测 器 的 发 展 中 ， 最 受 重 视 的 是 入射 光 子 和 材 料 中 的 电 子 发 生 各 种 相 互 作 用的 光 电 子 效 应 。 几 乎 所 有 情 况 下 ， 所 用 的 材 料 都 是 半 导 体 。在 众 多 的 光 电 子 效 应 中 ， 只 有 光 电 子 发 射效 应 、 光 电 导 效 应 、 光 生 伏 特 效 应 和 光 电磁 效 应 得 到 广 泛 的 应 用 。 (1)光 电 子 发 射 探 测

7、器 利 用 光 电 子 发 射 效 应 的 制 成 探 测 器 称 为 光 电 子 发 射 探 测 器 。 光 电 子 发 射 效 应 也 称 外 光 电 效 应 。 入 射 辐 射 的 作 用 是 使 电 子从 光 电 阴 极 表 面 发 射 到 周 围 的 空 间 中 ， 即 产 生 光 电 子 发 射 。 条 件 ： 产 生 光 电 子 发 射 所 需 光 电 能 量 取 决 于 光 电 阴 极 的 逸 出功 。 因 此 ， 光 电 子 发 射 有 个 长 波 限 ， 光 子 能 量 hc 低 于 阴 极 材 料 逸 出 功 则 不 能 产 生 光 电 子 发 射 。 阳 极 接 收 光

8、 电阴 极 发 射 的 光 电 子 所 产 生 的 光 电 流 正 比 于 入 射 辐 射 的 功 率 。 主 要 有 真 空 光 电 管 、 充 气 光 电 管 和 光 电 倍 增 管 。 应 用 最 广 的是 光 电 倍 增 管 ， 它 的 内 部 有 电 子 倍 增 系 统 ， 因 而 有 很 高 的 电流 增 益 ， 能 检 测 极 微 弱 的 光 辐 射 信 号 。 波 段 ： 可 见 光 和 近 红 外 （ 1.25 m） 特 点 ： 响 应 快 、 灵 敏 度 高 )(逸 出 功 whc whc/ 光 电 导 效 应 ： 入 射 辐 射 与 晶 格 原 子 或 杂 质 原 子 的

9、 束 缚 电 子相 互 作 用 ， 产 生 自 由 电 子 空 穴 对 （ 本 征 光 电 导 ） 、 自 由电 子 或 空 穴 （ 非 本 征 光 电 导 ） ， 从 而 使 半 导 体 材 料 的 电 导增 加 的 效 应 。 本 征 光 电 导 ： 0： 长 波 限 （ 截 止 波 长 ） ； Eg： 禁 带 宽 度gEh )m/ev(24.10 gg EEhc （ 2） 光 电 导 探 测 器 0/hcEg 导 带价 带光 激 发 电 子空 穴 非 本 征 光 电 导 ： 当 入 射 光 子 没 有 足 够 能 量 产 生 自 由 电 子 一空 穴 对 ， 但 能 激 发 杂 质 中

10、心 时 ， 激 发 产 生 自 由 电 子 (n型 半导 体 )或 自 由 空 穴 (p型 半 导 体 )， 便 形 成 非 本 征 光 电 导 或 称杂 质 光 电 导 。 非 本 征 光 电 导 的 长 波 限 是 Ei： 杂 质 电 离 能 0/ hcEi 导 带价 带光 激 发 电 子空 穴 受 主 能 级施 主 能 级iE24.10 可 见 光 及 近 红 外 波 段 的 光 电 导 探 测 器 可 在 室 温 (295K )下 工作 ； 长 波 限 较 长 (4 5m)的 探 测 器 ， 需 要 致 冷 到 干 冰 温 度(195K )； 许 多 种 光 电 导 探 测 器 ， 需

11、 要 致 冷 到 液 氮 温 度 (77K )； 工 作 在 8 14m大 气 窗 口 的 光 电 导 探 测 器 都 要 致 冷 到 77K ； 长 波 限 更 长 的 探 测 器 要 求 在 更 低 的 温 度 下 工 作 ， 如 Ce：Au非 本 征 光 电 导 探 测 器 要 求 60K 的 工 作 环 境 。 结 论 ： 长 波 限 越 长 ， 工 作 温 度 越 低 。光 电 导 探 测 器 应 用 的 电 路 ： 入 射辐 射 使 光 电 导 探 测 器 的 电 导 发 生变 化 ， 从 而 在 负 载 两 端 产 生 随 入射 辐 射 变 化 的 输 出 信 号 。 内 光 电

12、 效 应 光 生 伏 特 效 应 ： 半 导 体 材 料 受 光 照 射 产 生 电 动 势 的 现 象 。 类 型 ： （ 几 乎 都 是 本 征 型 ） 光 电 二 极 管 雪 崩 光 电 二 极 管 pn结 、 pin结 、 肖 特 基 势 垒 等 材 料 ： 与 光 电 导 探 测 器 基 本 相 同 。（ 3） 光 伏 探 测 器 原 理 ： 当 入 射 光 子 在 pn结 及 其 附 近 产 生 电 子 空 穴 对 时 ， 光 生 载 流 子 受 势 垒 区 电 场 作 用 ， 电 子漂 移 到 n区 ， 空 穴 漂 移 到 p区 。 如 果 在 外 电 路 中 把p区 和 n区

13、短 接 ， 就 产 生 反 向 的 短 路 信 号 电 流 。 假若 外 电 路 开 路 ， 则 光 生 的 电 子 和 空 穴 分 别 在 n区和 p区 积 累 ， 两 端 便 产 生 电 动 势 ， 这 称 为 光 生 伏特 效 应 ， 简 称 光 伏 效 应 。 入 射 辐 射入 射 辐 射 光 信 号 光 信 号 电 流 I暗 电 流饱 和 电 流光 电 流 无 光 照电 压 V开 路 电 压短 路 光 电 压 (4)光 电 磁 探 测 器 原 理 ： 能 量 足 够 的 光 子 入 射 到 半 导 体 样 品 上 ， 通 过 本 征 吸 收而 产 生 电 子 一 空 穴 对 ， 在

14、半 导 体 样 品 内 形 成 光 生 载 流 子 浓 度梯 度 ， 于 是 光 生 载 流 子 将 从 浓 度 大 的 表 面 向 浓 度 小 的 体 内 扩散 。 在 扩 散 过 程 中 光 生 载 流 子 切 割 磁 力 线 。 由 于 带 相 反 电 荷的 电 子 和 空 穴 朝 相 同 的 方 向 运 动 以 及 磁 场 产 生 的 洛 伦 兹 力 的作 用 ， 电 子 和 空 穴 分 别 向 样 品 的 两 端 偏 转 ， 于 是 在 样 品 两 端产 生 累 积 电 荷 ， 从 而 建 立 起 一 个 电 场 即 在 材 料 的 两 端 产 生 电 势 差 。 由于 这 个 电

15、势 差 是 光 与 磁 同 时 作 用而 产 生 的 ， 故 称 其 为 光 电 磁 效 应 。根 据 这 个 效 应 制 作 的 探 测 器 是 光电 磁 探 测 器 。 因 这 种 探 测 器 工 作 时 必 须 使 用 磁场 ， 使 用 很 不 方 便 ， 因 此 应 用 不如 前 面 几 种 广 泛 。 入 射 辐 射 B- + 光 子 探 测 器 的 特 点 是 一 种 选 择 性 探 测 器 ， 要 产 生 光 子 效 应 ， 光 子 的能 量 要 超 过 某 一 确 定 的 值 ， 即 光 子 的 波 长 要 短 于长 波 限 。 波 长 长 于 长 波 限 的 入 射 辐 射

16、不 能 产 生 所需 的 光 子 效 应 ， 因 而 也 就 不 能 被 探 出 来 。 波 长 短 于 长 波 限 的 入 射 辐 射 ，当 功 率 一 定 时 ， 波 长 越 短 ，光 子 数 就 越 少 。 因 此 理 论 上光 子 探 测 器 的 响 应 率 (即 单 位辐 射 功 率 所 产 生 的 光 信 号 )应与 波 长 成 正 比 。 响 应 率 波 长 2 热 探 测 器 光 热 效 应 ： 材 料 吸 收 了 光 辐 射 能 量 以 后 温 度 升 高的 现 象 称 为 光 热 效 应 。 原 理 ： 入 射 光 辐 射 与 物 质 中 的 晶 格 相 互 作 用 ， 晶

17、格 因 吸 收 光 能 而 增 加 振 动 能 量 ， 这 又 引 起 物 质 的温 度 上 升 ， 从 而 导 致 与 温 度 有 关 的 材 料 的 某 些 物理 性 质 的 变 化 。 这 与 光 子 将 能 量 直 接 转 移 给 电 子的 光 电 效 应 有 本 质 的 不 同 。 光 热 效 应 与 入 射 辐 射 的 光 子 的 性 质 没 有 关 系 。 因此 ， 热 效 应 一 般 与 波 长 无 关 ， 即 光 电 信 号 取 决 于入 射 辐 射 功 率 而 与 入 射 辐 射 的 光 谱 成 份 无 关 ， 即对 光 辐 射 的 响 应 无 波 长 选 择 性 ， 这

18、是 假 定 了 辐 射的 吸 收 机 理 本 身 与 波 长 无 关 ， 在 大 多 数 情 况 下 ，这 一 假 定 并 不 严 格 成 立 。 光 热 效 应 可 以 产 生 温 差 电 效 应 、 电 阻 率 变 化效 应 、 自 发 极 化 强 度 的 变 化 效 应 、 气 体 体 积和 压 强 的 变 化 效 应 等 等 ， 利 用 这 些 效 应 可 制作 各 种 热 探 测 器 。 热 探 测 器 的 特 点 ： 无 光 谱 选 择 性 不 需 制 冷 响 应 慢 噪 声 限 制 温 差 电 效 应 ： 当 由 两 种 不 同 材 料 制 成 的 两 个 结 点出 现 温 差

19、时 ， 在 该 两 点 间 就 有 电 动 势 产 生 ， 通 过该 两 点 的 闭 合 回 路 中 就 有 电 流 流 过 ， 这 就 是 温 差电 效 应 。 温 差 电 势 ： 在 用 不 同 的 导 体 或 半 导 体 组 成 的 具 有温 度 梯 度 的 电 路 中 ， 会 有 电 动 势 产 生 ， 这 就 是 温差 电 势 。 原 理 ： 光 辐 射 入 射 温 度 梯 度 温 差 电 势 型 式 ： 热 电 偶 和 热 电 堆(1)测 辐 射 温 差 热 电 偶 和 热 电 堆 原 理 ： 当 吸 收 光 辐 射 而 温 度 升 高 时 ， 金 属 的 电 阻 会增 加 ， 而

20、 半 导 体 材 料 的 电 阻 会 降 低 。 从 材 料 电 阻 变化 可 测 定 被 吸 收 的 光 辐 射 功 率 。 利 用 材 料 的 电 阻 变化 制 成 的 热 探 测 器 就 是 电 阻 测 辐 射 热 器 。 用 电 阻 温 度 系 数 表 征 电 阻 的 变 化 对 金 属 ： 对 半 导 体 ： TRR T TRRT dd1BTR T T 1 00 exp TBTBRR 2TBT 半 导 体 材 料 的 T是 负 值 ， 其 绝 对 值 大 于 金 属 材 料 的 T值 。 当 T 300K ， 半 导 体 材 料 的 T值 约 为 0.033， 比 金 属 材 料 的

21、 T值 大 一 个 数 量 级 。 低 温 超 导 探 测 器 材 料 在 超 导 转 变 温 度 下 的 电 阻 值 随 温 度 的 变 化 很 大 。材 料 吸 收 光 辐 射 后 产 生 的 微 小 温 升 就 将 引 起 样 品 电 阻的 显 著 变 化 。 这 种 变 化 可 以 产 生 相 当 大 的 输 出 信 号 电压 。 由 于 使 样 品 保 持 在 超 导 转 变 温 度 下 的 系 统 相 当 复 杂 ，因 而 目 前 还 没 有 这 类 可 供 实 用 的 探 测 器 。 热 释 电 晶 体 ： 具 有 自 发 极 化 的 特 性 ， 其 自 发 极 化强 度 随 温

22、 度 升 高 而 下 降 的 晶 体 。 温 度 升 高 ， 自 发 极 化 强 度 减 小 。（ 3） 热 释 电 探 测 器 当 温 度 T等 于 某 一 特 定 温 度 Tc时 ， 极 化 晶 体 的 自发 极 化 强 度 为 零 ， 此 称 极 化 晶 体 发 生 相 变 或 退 极化 。 极 化 晶 体 的 相 变 分 为 一 级 相 变 和 二 极 相 变 。Tc称 为 居 里 温 度 。 一 级 相 变 二 级 相 变 热 电 介 质 ： 无 外 加 电 场 的 作 用 而 具 有 电 矩 ， 且 温 度变 化 时 电 矩 的 极 性 改 变 的 介 质 。 热 电 铁 电 体

23、： 外 加 电 场 能 使 自 发 极 化 矢 量 方 向 趋同 ， 去 掉 外 电 场 后 ， 其 极 化 特 性 保 持 不 变 的 热 电 介质 叫 热 电 铁 电 体 。 热 释 电 探 测 器 就 是 用 这 种 热 电 铁 电 体 制 成 的 。 机 理 ： 当 强 度 调 制 过 的 光 辐 射 投 射 到 热 释 电 晶 体上 时 ， 引 起 自 发 电 极 化 强 度 随 时 间 的 变 化 ， 结 果 在垂 直 于 极 化 方 向 的 晶 体 两 个 外 表 面 之 间 出 现 微 小 变化 的 信 号 电 压 ， 因 此 可 测 定 所 吸 收 的 光 辐 射 功 率 。

24、热 探 测 器 的 特 点 ：无 光 谱 选 择 性 、 不 需 制 冷 、 响 应 慢 、 噪 声 限 制 一 、 光 电 探 测 器 工 作 条 件 光 电 探 测 器 的 性 能 参 数 与 其 工 作 条 件 密 切 相关 ， 所 以 在 给 出 性 能 参 数 时 ， 要 注 明 有 关 的工 作 条 件 。 只 有 这 样 ， 光 电 探 测 器 才 能 互 换使 用 。 1 辐 射 源 的 光 谱 分 布 很 多 光 电 探 测 器 ， 特 别 是 光 子 探 测 器 ， 其 响 应 是 辐 射 波 长 的函 数 ， 仅 对 一 定 的 波 长 范 围 内 的 辐 射 有 信 号

25、 输 出 。 所 以 在 说 明 探 测 器 的 性 能 时 ， 一 般 都 需 要 给 出 测 定 性 能 时 所用 辐 射 源 的 光 谱 分 布 。2.电 路 的 通 频 带 和 带 宽 因 噪 声 限 制 了 探 测 器 的 极 限 性 能 ， 噪 声 电 压 或 电 流 均 正 比 于带 宽 的 平 方 根 ， 而 且 有 些 噪 声 还 是 频 率 的 函 数 。 所 以 在 描 述探 测 器 的 性 能 时 ， 必 须 明 确 通 频 带 和 带 宽 。3 工 作 温 度 许 多 探 测 器 ， 特 别 是 用 半 导 体 材 料 制 作 的 探 测 器 ， 无 论 是 信号 还

26、 是 噪 声 ， 都 和 工 作 温 度 有 密 切 关 系 。 所 以 必 须 明 确 工 作温 度 。 最 通 用 的 工 作 温 度 是 ： 室 温 (295K )、 干 冰 温 度 (195K )、液 氮 温 度 (77K )、 液 氦 温 度 (4.2K )以 及 液 氢 温 度 (20.4K )。 4 光 敏 面 尺 寸 探 测 器 的 信 号 和 噪 声 都 和 光 敏 面 积 有 关 ， 大 部 分探 测 器 的 信 号 噪 声 比 与 光 敏 面 积 的 平 方 根 成 比 例 。参 考 面 积 一 般 为 1cm2。5 偏 置 情 况 大 多 数 探 测 器 需 要 某 种

27、 形 式 的 偏 置 。 例 如 光 电 导探 测 器 和 电 阻 测 辐 射 热 器 需 要 直 流 偏 置 电 源 ， 光电 磁 探 侧 器 的 偏 置 是 磁 场 。 信 号 和 噪 声 往 往 与 偏置 情 况 有 关 ， 因 此 要 说 明 偏 置 的 情 况 。6. 光 学 视 场7. 背 景 温 度 （ 红 外 ） 二 、 有 关 响 应 方 面 的 性 能 参 数 1 响 应 率 （ 响 应 度 )Rv或 RI 响 应 率 是 描 述 探 测 器 灵 敏 度 的 参 量 。 它 表 征 探 测器 输 出 信 号 与 输 入 辐 射 之 间 关 系 的 参 数 。 定 义 为 光

28、 电 探 测 器 的 输 出 均 方 根 电 压 VS或 电 流 IS与 入 射 到 光 电 探 测 器 上 的 平 均 光 功 率 之 比 ， 并 分别 用 RV 和 RI 表 示 ， 即 PVR sv / PIR sv /(V/W) (A/W) 2 单 色 灵 敏 度 单 色 灵 敏 度 又 叫 光 谱 响 应 度 ， 用 R表 示 ， 是 光 电 探 测 器 的输 出 电 压 或 输 出 电 流 与 入 射 到 探 测 器 上 单 色 辐 射 通 量 (光通 量 )之 比 。 即 )( sI IR)( sV VR (V/W) (A/W) 0 )( )(01 ddRR 4 响 应 时 间

29、响 应 时 间 ： 是 描 述 光 电 探 测 器 对 入 射 辐射 响 应 快 慢 的 一 个 参 数 。 即 当 入 射 辐 射到 光 电 探 测 器 后 或 入 射 辐 射 遮 断 后 ， 光电 探 测 器 的 输 出 上 升 到 稳 定 值 或 下 降 到照 射 前 的 值 所 需 时 间 称 为 响 应 时 间 。 为 衡 量 其 长 短 ， 常 用 时 间 常 数 的 大 小来 表 示 。 当 用 一 个 辐 射 脉 冲 （ 方 波 ） 照射 光 电 探 测 器 ， 则 光 电 探 测 器 的 输 出 由于 器 件 的 惰 性 而 有 延 迟 ， 把 从 10 上 升到 90 峰

30、值 处 所 需 的 时 间 称 为 探 测 器 的上 升 时 间 ， 而 把 从 如 90 下 降 到 10 处所 需 的 时 间 称 为 下 降 时 间 。 5. 频 率 响 应 由 于 光 电 探 测 器 信 号 的 产 生 和 消 失 存 在 着 一 个 滞 后 过程 ， 所 以 入 射 光 辐 射 的 调 制 频 率 对 光 电 探 测 器 的 响 应有 较 大 的 影 响 。 定 义 ： 光 电 探 测 器 的 响 应 随 入 射 辐 射 的 调 制 频 率 变 化而 变 化 的 特 性 称 为 频 率 响 应 ， 其 表 达 式 为 式 中 ， R(f )为 频 率 是 f 时 的

31、 响 应 度 ； R 0为 频 率 是 零 时的 响 应 度 ； RC为 时 间 常 数 。 20 )2(1)( fRfR 当 R(f ) R0 0.707时 ， 可 得 光 电 探 测 器 的 上限 截 止 频 率 时 间 常 数 决 定 了 光 电 探 测 器 频 率 响 应 的 带 宽 。 707.021)( 0 RfR RCf 2 121 上 三 、 有 关 噪 声 方 面 的 参 数 从 响 应 度 的 定 义 来 看 ， 好 像 只 要 有 光 辐 射 存 在 ，不 管 它 的 功 率 如 何 小 ， 都 可 探 测 出 来 。 但 事 实 并非 如 此 。 当 入 射 功 率 很

32、 低 时 ， 输 出 只 是 些 杂 乱 无 章 的 变 化信 号 ， 而 无 法 确 定 是 否 有 光 辐 射 入 射 在 探 测 器 上 。 这 并 不 是 探 测 器 不 好 引 起 的 ， 而 是 它 所 固 有 的“ 噪 声 ” 引 起 的 。 如 果 对 这 些 随 时 间 起 伏 的 电 压 (流 )按 时 间 取 平 均值 ， 则 平 均 值 等 于 零 。 但 这 些 值 的 均 方 根 不 等 于零 ， 这 个 均 方 根 电 压 (流 )称 为 探 测 器 的 噪 声 电 压(流 )。 噪 声 的 特 点 ： 固 有 ； 探 测 极 限 ； 平 均 为 零 ； 均 方根

33、 不 为 零 。 1. 信 噪 比 （ S/N） 信 噪 比 是 判 定 噪 声 大 小 通 常 使 用 的 参 数 ， 是 在 负载 电 阻 RL上 产 生 的 信 号 功 率 与 噪 声 功 率 之 比 ， 即 与 入 射 辐 射 功 率 、 光 敏 面 积 有 关 如 果 入 射 辐 射 强 ， 接 收 面 积 大 ， S N就 大 ， 但 性能 不 一 定 就 好 。 因 此 用 S N 评 价 器 件 有 一 定 的局 限 性 。 2222/ NSLN LSNS IIRI RIPPNS 2 等 效 噪 声 输 入 (ENI) 它 定 义 为 器 件 在 特 定 带 宽 内 (1H z

34、)产 生 的 均 方 根信 号 电 流 恰 好 等 于 均 方 根 噪 声 电 流 值 时 的 输 入 通量 （ 此 时 ， 其 他 参 数 ， 如 频 率 、 温 度 等 应 加 以 规定 ） 。 这 个 参 数 是 在 确 定 光 电 探 测 器 件 的 探 测 极 限 (以 输入 通 量 为 瓦 或 流 明 表 示 )时 使 用 。 3. 噪 声 等 效 功 率 （ NEP） （ 最 小 可 探 测 功率 Pmin） NEP定 义 为 信 号 功 率 与 噪 声 功 率 之 比 为 1（ 即S/N 1） 时 ， 入 射 到 探 测 器 上 的 辐 射 通 量 (单 位为 W)。 即 NE

35、P越 小 ， 噪 声 越 小 ， 器 件 的 性 能 越 好 。 一 般 一 个 良 好 的 探 测 器 的 NEP 10 11 W。 仅 用 NEP这 个 指 标 ， 无 法 比 较 两 个 器 件 的 优劣 有 局 限 性 。 )W( / NSNEP e )W( /1 122 PVVNEPD NS4. 探 测 率 D和 比 探 测 率 (D*) NEP的 倒 数 ， D越 大 ， 光 电 探 测 器 的 性 能 就 越 好 。描 述 光 电 探 测 器 在 它 的 噪 声 电 平 之 上 产 生 一 个 可 观测 的 电 信 号 的 本 领 ， 即 光 电 探 测 器 能 响 应 的 入

36、射 光功 率 越 小 ， 则 其 探 测 率 越 高 。实 验 测 量 和 理 论 分 析 表 明 ， 噪 声 电 压 VN与 光 电 探 测 器 光 敏面 积 Ad的 平 方 根 成 正 比 ， 与 测 量 带 宽 f 的 平 方 根 成 正 比 。 比 探 测 率 (D*) 归 一 化 的 探 测 率 称 为 比 探 测 率 （ 测 量 带 宽 1H z，光 敏 面 积 为 1cm2） 。 )WHzcm( / 12122* fAPVVNEPfAD dNSdD*与 RV 的 关 系 NdV VfARD /* 5 暗 电 流 Id 即 光 电 探 测 器 在 没 有 输 入 信 号 和 背 景

37、 辐 射时 所 流 过 的 电 流 (加 电 源 时 )。 一 般 测 量 其 直 流 值 或 平 均 值 。 四 、 其 它 参 数1. 量 子 效 率 量 子 效 率 是 评 价 光 电 器 件 性 能 的 一 个 重 要 参 数 ， 它 是 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 。 每 秒 入 射 光 量 子 数 ： 每 秒 产 生 的 光 电 子 数 ： 于 是 ： hchN ee dd qRqI eS d qhcRNqIS /)(若 ( ) 1(理 论 上 )， 则 入 射 一 个 光 量 子 就 能 发 射 一

38、个 电 子 或 产生 一 对 电 子 一 空 穴 对 ；实 际 上 ， () 1。对 于 有 增 益 的 光 电 探 测 器 (如 光 电 倍 增 管 等 )， ( )会 远 大 于 1。 2 线 性 度 线 性 度 是 描 述 探 测 器 的 光 电 特 性 或 光 照 特 性 曲 线 输 出 信 号与 输 入 信 号 保 持 线 性 关 系 的 程 度 。 即 在 规 定 的 范 围 内 ， 探测 器 的 输 出 电 量 精 确 地 正 比 于 输 入 光 量 的 性 能 。 在 这 规 定的 范 围 内 ， 探 测 器 的 响 应 度 是 常 数 ， 这 一 规 定 的 范 围 称 为线

39、 性 区 。 线 性 度 是 辐 射 功 率 的 复 杂 函 数 ， 是 指 器 件 中 的 实 际 响 应 曲线 接 近 拟 合 直 线 的 程 度 ， 通 常 用 非 线 性 误 差 来 度 量 式 中 max为 实 际 响 应 曲 线 与 拟 合 直 线 之 间 的 最 大 偏 差 ； I1、I2分 别 为 线 性 区 中 最 小 和 最 大 的 响 应 值 。12 maxII 噪 声 是 限 制 光 电 系 统 性 能 的 决 定 性 因 素 ，是 光 电 信 号 检 测 中 的 不 利 因 素 。 噪 声 始 终 存 在 于 光 电 探 测 系 统 的 工 作 过 程中 。 了 解

40、和 掌 握 噪 声 的 统 计 特 性 ， 从 而 采 用 有效 的 措 施 对 光 电 信 号 进 行 处 理 ， 把 淹 没 于噪 声 中 的 光 信 号 提 取 出 来 。 一 、 噪 声 的 概 率 分 布 噪 声 是 一 种 随 机 信 号 ， 任 何 时 刻 都 不 能 预 知 其 精确 大 小 。 （ 散 粒 噪 声 、 热 噪 声 、 产 生 复 合 噪 声 、 温 度 噪声 、 电 流 噪 声 ） tvN(t) 用 数 学 语 言 描 述 ， 噪 声 是 一 种 连 续 型 随 机变 量 ， 即 它 在 某 一 时 刻 可 能 出 现 各 种 可 能数 值 。 噪 声 电 压

41、 vN ( t )在 t 时 刻 的 大 小 只 能 用 概 率密 度 p(vN)表 示 ， 它 表 示 噪 声 电 压 vN( t )在 t 时 刻 取 值 为 vN的 概 率 。 二 、 噪 声 的 功 率 谱 密 度 噪 声 的 功 率 谱 密 度 噪 声 功 率 的 频 谱 分 布 ， 用SN( f )表 示 为 在 频 域 （ f， f f） 之 间 噪 声 频 谱 分量 的 平 均 功 率 。 S N( f )的 单 位 ： A2/H z。f ffifS NfN ),(lim)( 20),(2 ffiN f/H z10131014低 频 噪 声 白 噪 声SN(f) 高 频 噪 声

42、 SN(f )常 数 白 噪 声 ； SN(f )不 是 常 数 有 色 噪 声 噪 声 功 率 可 由 噪 声 功 率 谱 密 度 SN( f )在频 域 上 积 分 得 到 一 般 光 电 系 统 中 ， 噪 声 受 放 大 器 带 宽 （ f1 ，f2 ） 限 制 2Ni dffSi NN )(2 21 )(2 ff NN dffSi 散 粒 噪 声 热 噪 声 产 生 复 合 噪 声 温 度 噪 声 电 流 噪 声 一 、 散 粒 噪 声 散 粒 噪 声 是 由 于 光 电 探 测 器 在 光 辐 射 作 用 或 热 激 发 下 ，光 电 子 或 载 流 子 随 机 产 生 所 造 成

43、 的 噪 声 。 是 一 个 一 个 的带 电 粒 子 或 电 子 引 起 的 随 机 起 伏 。 若 为 暗 电 流 Id， 则 无 光 照 时 的 暗 电 流 噪 声 功 率 为 ： 若 为 光 辐 射 产 生 的 平 均 光 电 流 I p， 则 光 辐 射 的 散 粒 噪 声为 ： fIeiN 22 feIi dNd 22 feIi PNd 22 IefifS NN 2)()( 2 II （ 白 噪 声 ） 二 、 热 噪 声 热 噪 声 是 由 耗 散 元 件 中 电 荷 载 流 子 的 随 机 热 运 动 引 起 的 。任 何 有 电 路 的 材 料 都 有 热 噪 声 。 例 ：

44、 室 温 下 ， R 1k， f 1H z 若 f 500kH z， 放 大 器 增 益 为 10 4倍 制 冷 的 原 因 nV42 NJV mV282 NJV（ 白 噪 声 ） R fkTffSffSi Nff NN 4)(d)(212 RkTfifS NJN 4)()( 2 三 、 产 生 复 合 噪 声 半 导 体 中 由 于 载 流 子 产 生 与 复 合 的 随 机 性 而 引起 的 载 流 子 平 均 浓 度 的 起 伏 所 产 生 的 ， 又 称 g r噪 声 。 0 载 流 子 平 均 寿 命 ； d ： 渡 越 时 间 ； 内 增 益 G 0/ d fGIei rNg 42

45、 dN IefS 04)( （ 白 噪 声 ） 四 、 温 度 噪 声 温 度 噪 声 是 无 辐 射 存 在 时 ， 探 测 器 在 某 一 温 度 T0附 近 呈现 一 个 小 的 起 伏 引 起 的 噪 声 。 G为 热 导 系 数 温 度 噪 声 限 制 了 热 探 测 器 所 能 探 测 的 最 小 辐 射 能 量 。fGkTWT 22 4 24)( GkTfSW （ 白 噪 声 ） abNf f fIki 12五 、 电 流 噪 声 （ 低 频 噪 声 、 1/f 噪 声 、 闪 烁 噪 声 、 过 剩 噪声 ） 电 流 噪 声 是 电 流 起 伏 引 起 的 噪 声 ， 其 特 点 是 噪 声 功 率 谱 密度 与 频 率 成 反 比 （ 有 色 噪 声 ） ， 电 流 噪 声 均 方 值 为 k1比 例 系 数 ； a与 器 件 有 关 （ 0.8-1.3，一 般 为 1） ； b与 电 流 有 关 （ 一 般 为 2） 低 频 噪 声 （ 小 于 1kH z） f/H z低 频 噪 声SN(f) 1kH z