第4节-光电效应--光电探测器的噪声和特性

第一章光电检测应用基础第一章光电检测应用基础辐射度学和光度学基本概念郎伯余弦定律黑体辐射定律光电效应光电探测器的噪声和特性√下页半导体基础知识返回第一章光电检测应用基础第4节光电效应光电探测器的噪声和特性光电效应光电探测器的噪声和特性光电导效应PN结光伏效应光电发射光电探测器噪声光电探测器特性热噪声散粒噪声产生复合噪声1/f噪声温度噪声响应率光谱响应等效噪声功率比探测率时间常数线性第一章光电检测应用基础一、光电效应•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，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应1、光电导效应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。光电导效应产生的过程：半导体本征半导体:价带中电子导带价带中留空穴掺杂半导体:施主能级到导带产生电子或价带到受主能级产生空穴激发光照(hυ)电导率变化第一章光电检测应用基础2、PN结光伏效应（1）结电场的形成pn结：1.pp(NA)＞＞pn，nn(ND)＞＞np；2.p区和n区多子分别向对方扩散；3.界面p区侧留下固定离化受主负电荷，n区侧留下固定的离化施主正电荷；该正负电荷称为空间电荷，存在正负空间电荷的区域称为空间电荷区。4.正--负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场；5.自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；6.随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;第一章光电检测应用基础7.电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、正、负空间电荷区宽度、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形成稳定分布。8.电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等。（2）光生伏特效应光生伏特效应：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）。第一章光电检测应用基础3、光电发射（外光电效应）在光照的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。光子的能量：（1）1)光电发射定律发生外光电效应时光子的能量hv与逸出功A以及逸出电子动能满足能量守恒原理:（2）(2)则为爱因斯坦光电效应方程或光电发射第一定律。表明：光子的动能与入射光的频率成线性关系。当一束光（多个光子）入射时，光电流与入射光通量满足：（3）说明：光强越大，逸出的电子数越多。第一章光电检测应用基础2)物质的逸出功和红限频率（4）说明：存在一个红限频率或长波限。3)半导体材料的阈值波长对于半导体材料，能够有效吸收光子的电子大多处于价带顶附近，所以光电子发射的逸出功为：（5）Eg为半导体的禁带宽度,EA为电子亲合势。所以半导体材料的光电发射能量阈值为：（6）所以长波限：（7）第一章光电检测应用基础二、光电探测器的噪声和特性•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–热电检测器件第一章光电检测应用基础光电检测器件光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热释电探测器第一章光电检测应用基础1、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。•用均方噪声来表示噪声值大小：（8）（9）第一章光电检测应用基础•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。第一章光电检测应用基础（2）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噪声第一章光电检测应用基础（1）热噪声导体和半导体温度无规则热运动碰撞无规则热运动宏观表现为电流或电压①产生原因：载流子的无规则热运动②热噪声：这种由载流子的热运动引起的电流起伏或电压起伏称为热噪声。热噪声电流和电压的均方值为：（10）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第一章光电检测应用基础（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。•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。散粒噪声电流表达式：（11）第一章光电检测应用基础（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-复合电流均方值：（11）第一章光电检测应用基础（4）1/f噪声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。1/f噪声：这种噪声的功率谱近似的与频率成反比，故称为1/f噪声，或称闪烁噪声或低频噪声。噪声电流均方值近似表达为：（12）第一章光电检测应用基础（5）温度噪声温度噪声：由器件本身的温度变化引起的噪声称为温度噪声。温度噪声电流均方值表达为：（13）第一章光电检测应用基础光电探测器噪声功率谱工作区第一章光电检测应用基础3、光电探测器的特性参数•响应率(或响应度或灵敏度)•光谱响应率(或光谱响应度)•等效噪声功率(NEP)•探测率与比探测率(归一化探测率)•时间常数•线性第一章光电检测应用基础(1)响应率（或响应度或称灵敏度）是光电探测器输出信号与输入光通量(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通量(光功率)之比。（14）·电流响应率：光电探测器件输出电流与入射光通量(光功率)之比。（15）第一章光电检测应用基础（2）光谱响应率(或光谱响应度)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通量（光功率）之比。（16）第一章光电检测应用基础（3）等效噪声功率(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）。（17）·NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。·一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。其中：为信噪比第一章光电检测应用基础（4）探测率与比探测率(归一化探测率)探测率D：为噪声等效功率的倒数。·经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大器带宽Δf乘积的平方根成正比·归一化探测率D*，即（19）（18）D*越大，灵敏度越高；D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关；第一章光电检测应用基础（5）时间常数响应时间τ是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。定义：当探测器的输出上升达到稳态值的63%所需的时间或下降达到稳态值的37%所需的时间称为时间常数。（20）：上限截止频率,定义为幅频特性下降到最大值0.707(3dB)时的调制频率，也称为探测器的上限频率。探测器本身是阻抗元件，有电阻R和电容C第一章光电检测应用基础(6)频率响应定义：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应。由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。·光电探测器响应率与入射调制频率的关系：（21）S(f)为调制频率为f时的响应率;S0为调制频率为零时的响应率,为时间常数（等于RC）（22）时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽第一章光电检测应用基础(7)线性·线性度：它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若为常数，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；I2和I1：分别为线性区中最小和最大响应值。第一章光电检测应用基础4、实际应用时如何选择（1）动态范围（2）光谱匹配（5）线性度（3）NEP和SNR（4）响应时间和响应频率第一章光电检测应用基础