第1章 光电检测技术中的基础知识

第1章光电检测技术中的基础知识§1.1辐射度学和光度学基本概念§1.2半导体基础知识§1.3基本定律§1.4光电探测器的噪声和特性参数辐射度学的基本物理量辐射通量Φe:单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的辐射能量Q，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］定义式？辐射强度Ιe：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位W/Sr］辐射亮度Le：面辐射源单位投影面积定向发射的辐射强度。单位：［W/m2．Sr］辐射出射度Ｍe：扩展辐射源单位辐射面所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：［W/m2］辐射照度Ee：单位受照面上接受的辐射通量。单位［W/m2］光度学的基本物理量光通量Φv:单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的光能量，又称光功率Pv，是光能的时间变化率。单位：流明［lm］发光强度Ιv：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的光通量。单位cd］光亮度Lv：辐射表面定向发射的光强度。单位：［cd/m2］光出射度Ｍv：面光源单位面积所辐射的光通量（也称发光本领）。单位：［lm/m2］光照度Ev：投射在单位面积上的光通量。单位［lx］1、两者的相同点：①光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。②辐射度量和光度量都是波长的函数。2、两者的不同点：①符号不同：辐射度量下标为e，例如Qe，Φe，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。②单位不同（略）③研究范围不同，光度量只在可见光区（３８０－７８０nm)才有意义。晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50—500lx阴天室内5—50lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度50~60lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx其它基本概念——见P51、点源2、扩展源（朗伯源、余弦辐射体）3、漫反射面（散射面）4、定向辐射体（激光）导体、半导体和绝缘体半导体的特性半导体的能带结构——见P8本征半导体与杂质半导体平衡和非平衡载流子载流子的输运过程半导体的光吸收效应返回1、自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。2、固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。3、电阻率10-6~10-3欧姆•厘米范围内——导体电阻率1012欧姆•厘米以上——绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体1、半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，可制成热电探测器件。2、导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为5×10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2/(欧姆•厘米)3、半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。1、本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。2、在绝对零度时，几乎不导电。3、在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。4、掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。5、施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。——见P106、受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。——见P10处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，这种处于非热平衡状态下的载流子浓度，称为非平衡载流子浓度。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。2、平衡载流子浓度3、非平衡载流子浓度1、非平衡载流子非平衡载流子的产生光注入：其它方法：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。？？光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。电注入、高能粒子辐照等。扩散漂移复合1、物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。2、吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收3、本征吸收——由于光子作用使电子由价带跃迁到导带4、只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发————见P121、绝对黑体的概念——见P142、基尔霍夫定律3、谱朗克辐射公式4、斯忒藩-玻耳兹曼定律5、维恩位移定律光电效应1、光电效应的定义光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应2、光电效应的分类3、外光电效应的定义物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物(又叫光电发射效应)4、内光电效应的定义物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体5、光热效应的定义内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化．热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象．辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象．温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流．1、光电检测器件的分类2、光电检测器件中的噪声3、光电检测器的特性参数光电检测器件的类型•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子（光电子）器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器光电检测器件的特点光子器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒1.4.1.光电探测器中的噪声从示波器中可以看到，在一定波长的光照下光电探测器输出的光电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机的起伏，见下图所示。图中的直流信号值这种随机的、瞬间的幅度不能预知的起伏，称为噪声。一般用均方噪声电流来表示噪声值的大小：噪声电流的均方值代表了单位电阻上所产生的功率，它是确定的可测得的正值。TdttiTiI0)(1＝平均dtitiTtiiTn2022])([1)(平均2ni把噪声这个随机时间函数进行频谱分析，就得到噪声功率随频率变化关系，即噪声功率谱S(f)。S(f)数值定义为频率f的噪声在1Ω电阻上所产生的功率，即S(f)=。左下图所示，根据功率谱与频率的关系，常见噪声分为两种：功率谱大小与频率无关的称白噪声；功率谱与f近似成反比的称为l／f噪声。一般光电检测系统的噪声包括右上图所示三种：(1)光子噪声包括：信号辐射产生的噪声和背景辐射产生的噪声。(2)探测器噪声包括：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1／f噪声和温度噪声。(3)信号放大及处理电路噪声)(2fin•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(5种)•热噪声•散粒噪声•产生-复合噪声•1/f噪声•温度噪声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。因载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称为热噪声。热噪声均方电流和热噪声均方电压分别由下式决定式中k是玻尔兹曼常数；T是温度(K)；R是器件电阻值；△f为所取的通带宽度(频率范围)。载流子热运动速度取决于温度，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，故热噪声又称白噪声。fRkTvRfkTinn4422在常温下适合于1012Hz频率以下范围2、散粒噪声随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声,也叫散弹噪声。入射到光辐射探测器表面的光子是随机起伏的；光电子从光电阴极表面的逸出的是随机的；PN结中通过结区的载流子也是随机的；它们都是一种散粒噪声源。散粒噪声电流的表达式为式中，q为电子电荷；I为器件输出平均电流；f为所取的带宽。散粒噪声也是与频率无关、与带宽有关的白噪声。fqI2i2n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。产生-复合噪声电流均方值式中,I为器件输出总的平均电流；N0为总的自由载流子数；为载流子寿命；f为测量噪声的频率。])2(1[42022fNfIin4、1／f噪声（闪烁噪声或低频噪声）这种噪声的功率谱近似与频率成反比，故称1/f噪声。其噪声电流的均方值近似为式中,接近于2；在0.8～1.5之间；c是比例常数。、、c值由实验测得。在半导体器件中1／f噪声与器件表面状态有关。多数器件的1/f噪声在300Hz以上时已衰减到很低水平，所以频率再高时可忽略不计。频率越低噪声越大ffcIin25、温度噪声由于器件本身温度变化引起的噪声称为温度噪声。温度噪声电流的均方值为式中,Gt为器件的热导；＝Ct／Gt是器件的热时间常数，Ct是器件的热容；T是温度(K)。在低频时，1；上式可简化为低频时温度噪声也具有白噪声的性质。？？])2(1[4222ttnfGfkTit2)2(tftnGfkTt224上述各种噪声源的功率谱分布可用下图表示。由图可见；在频率很低时，l／f噪声起主导作用；当频率达到中间频率范围时，产生-复合噪声比较显著；当频率较高时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小了。？？五种噪声都与Δf有关，Δf是等效噪声带宽，简称为带宽。若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f)，功率增益的最大值为Am(下图所示)，则噪声带宽为0)(1dffAAfm1.4.2.光电探测器的特性参数1.响应率探测器的输出信号电压Vs或电流Is与入射的辐射通量之比，称为电压响应率或电流响应率SvSv的单位为v／w，SI的单位为A／W。2.光谱响应率探测器在波长为的单色光照射下，输出的电压Vs()或电流Is()与入射的单色辐射通量()之比称为光谱响应率。即Sv