第1章光電檢測技術(shù)中基礎(chǔ)知識

1、第第1章章 光電檢測技術(shù)中的基礎(chǔ)知識光電檢測技術(shù)中的基礎(chǔ)知識 1.1 輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念 1.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 1.3 基本定律基本定律 1.4 光電探測器的噪聲和特性參數(shù)光電探測器的噪聲和特性參數(shù) 輻射通量輻射通量e:e: 單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的輻單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的輻 射能量射能量Q，又稱輻射功率，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時間變，是輻射能的時間變 化率。單位：瓦化率。單位：瓦 定義式？定義式？ 輻射強度輻射強度e e：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射

2、通 量。單位量。單位W/Sr 輻射亮度輻射亮度L Le ：面輻射源單位投影面積定向發(fā)射的輻射強度。 面輻射源單位投影面積定向發(fā)射的輻射強度。 單位：單位：W/m2Sr 輻射出射度輻射出射度e ： 擴展輻射源單位輻射面所輻射的通量（也稱輻擴展輻射源單位輻射面所輻射的通量（也稱輻 射本領(lǐng)）。單位：射本領(lǐng)）。單位：W/m2 輻射照度輻射照度Ee： 單位受照面上接受的輻射通量。單位單位受照面上接受的輻射通量。單位W/m2 光通量光通量v:v:單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的光單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的光 能量，又稱光功率能量，又稱光功率Pv，是光能的時間變化率。單，是光能的時間變

3、化率。單 位：流明位：流明lm 發(fā)光強度發(fā)光強度v v：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的光通量。點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的光通量。 單位單位cd 光亮度光亮度L Lv ： 輻射表面定向發(fā)射的光強度。單位：輻射表面定向發(fā)射的光強度。單位：cd/m2 光出射度光出射度v ： 面光源單位面積所輻射的光通量（也稱發(fā)光本面光源單位面積所輻射的光通量（也稱發(fā)光本 領(lǐng)）。單位：領(lǐng)）。單位：lm/m2 光照度光照度Ev： 投射在單位面積上的光通量。單位投射在單位面積上的光通量。單位lx 1、兩者的相同點：、兩者的相同點： 光度量和輻射度量的定義、定義方程是光度量和輻射度量的定義、定義方程是

4、一一對應(yīng)的。一一對應(yīng)的。 輻射度量和光度量都是波長的函數(shù)。輻射度量和光度量都是波長的函數(shù)。 2、兩者的不同點：、兩者的不同點： 符號不同：輻射度量下標(biāo)為符號不同：輻射度量下標(biāo)為e，例如，例如Qe， e，Ie，Me，Ee，光度量下標(biāo)為，光度量下標(biāo)為v，Qv， v，Iv，Lv，Mv，Ev。 單位不同（略）單位不同（略） 研究范圍不同，光度量只在可見光區(qū)研究范圍不同，光度量只在可見光區(qū) （nm)才有意義。才有意義。 晴天陽光直射地面照度約為晴天陽光直射地面照度約為100000lx 晴天背陰處照度約為晴天背陰處照度約為10000lx 晴天室內(nèi)北窗附近照度約為晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx 晴天室

5、內(nèi)中央照度約為晴天室內(nèi)中央照度約為200lx 晴天室內(nèi)角落照度約為晴天室內(nèi)角落照度約為20lx 陰天室外陰天室外50500lx 陰天室內(nèi)陰天室內(nèi)550lx 月光（滿月）月光（滿月）2500lx 日光燈日光燈5000lx 電視機熒光屏電視機熒光屏100lx 閱讀書刊時所需的照度閱讀書刊時所需的照度5060lx 在在40W白熾燈下白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為遠(yuǎn)處的照度約為30lx 晴朗月夜照度約為晴朗月夜照度約為0.2lx 黑夜黑夜0.001lx 其它基本概念其它基本概念見見P5 1、點源、點源 2、擴展源（朗伯源、余弦輻射體）、擴展源（朗伯源、余弦輻射體） 3、漫反射面（散射面）、漫反射面（散射面

6、） 4、定向輻射體（激光）、定向輻射體（激光） 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)見見P8 本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體 平衡和非平衡載流子平衡和非平衡載流子 載流子的輸運過程載流子的輸運過程 半導(dǎo)體的光吸收效應(yīng)半導(dǎo)體的光吸收效應(yīng) 返返 回回 1、自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固、自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固 體。體。 2、固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介、固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介 于兩者之間的半導(dǎo)體。于兩者之間的半導(dǎo)體。 3、電阻率、電阻率10-6 10-3歐姆歐姆厘米范圍內(nèi)

7、厘米范圍內(nèi)導(dǎo)體導(dǎo)體 電阻率電阻率1012歐姆歐姆厘米以上厘米以上絕緣體絕緣體 電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間半導(dǎo)體半導(dǎo)體 1、半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對溫度變化非、半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對溫度變化非 常敏感。根據(jù)這一特性，可制成熱電探測器件。常敏感。根據(jù)這一特性，可制成熱電探測器件。 2、導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。、導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。 （純凈（純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為在室溫下電導(dǎo)率為510-6/(歐姆歐姆厘米厘米)。摻入硅原。摻入硅原 子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導(dǎo)率為子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導(dǎo)率為2

8、/(歐姆歐姆厘米厘米) 3、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。 1、本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。、本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。 2、在絕對零度時，幾乎不導(dǎo)電。、在絕對零度時，幾乎不導(dǎo)電。 3、在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控、在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控 制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。 4、摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。、摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。 5、施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，、施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子， 同時向?qū)?/p>

9、提供電子，使半導(dǎo)體成為電子導(dǎo)電的同時向?qū)峁╇娮樱拱雽?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半型半 導(dǎo)體。導(dǎo)體。見見P10 6、受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負(fù)電的受主離子，、受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負(fù)電的受主離子， 同時向價帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的同時向價帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半型半 導(dǎo)體。導(dǎo)體。 見見P10 處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下， 載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的 載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。半導(dǎo)體的

10、熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。 如果對半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡如果對半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡 的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏 離的狀態(tài)，離的狀態(tài)，這種處于非熱平衡狀態(tài)下的載流子濃這種處于非熱平衡狀態(tài)下的載流子濃 度，度，稱為非平衡載流子濃度。稱為非平衡載流子濃度。 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也 不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。 比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平 衡載流子。衡載流子。 2、平衡載流

11、子濃度、平衡載流子濃度 3、非平衡載流子濃度、非平衡載流子濃度 1、非平衡載流子、非平衡載流子 非平衡載流子的產(chǎn)生非平衡載流子的產(chǎn)生 光注入光注入： 其它方法其它方法： 用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。 當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時，光子就能把價帶電當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時，光子就能把價帶電 子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對，使導(dǎo)帶比平衡時多子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對，使導(dǎo)帶比平衡時多 出一部分電子，價帶比平衡時多出一部分空穴。出一部分電子，價帶比平衡時多出一部分空穴。 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。產(chǎn)生的非平衡電

12、子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。？ ？ 光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。 電注入、高能粒子輻照等。電注入、高能粒子輻照等。 擴散擴散漂移漂移復(fù)合復(fù)合 1、物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物、物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物 體吸收，其余的光透過物體。體吸收，其余的光透過物體。 2、吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、 激子吸收、晶體吸收激子吸收、晶體吸收 3、本征吸收、本征吸收由于光子作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶由于光子作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶 4、只有在

13、入射光子能量大于材料的禁帶寬度時，才能發(fā)、只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時，才能發(fā) 生本征激發(fā)生本征激發(fā) 見見P12 1、絕對黑體的概念、絕對黑體的概念見見P14 2、基爾霍夫定律、基爾霍夫定律 3、譜朗克輻射公式、譜朗克輻射公式 4、斯忒藩、斯忒藩-玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 5、維恩位移定律、維恩位移定律 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 1、光電效應(yīng)的定義、光電效應(yīng)的定義 光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā) 生變化、或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物生變化、或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物 體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)體電學(xué)特性發(fā)生改變

14、統(tǒng)稱為光電效應(yīng) 光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)2、光電效應(yīng)的分類、光電效應(yīng)的分類 3、外光電效應(yīng)的定義外光電效應(yīng)的定義物體受光照后向外發(fā)射電子物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金多發(fā)生于金 屬和金屬氧化物屬和金屬氧化物(又叫光電發(fā)射效應(yīng)又叫光電發(fā)射效應(yīng)) 4、內(nèi)光電效應(yīng)的定義內(nèi)光電效應(yīng)的定義物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而 不會逸出物體外部不會逸出物體外部多發(fā)生在半導(dǎo)體多發(fā)生在半導(dǎo)體 5、光熱效應(yīng)的定義 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)

15、： 半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載 流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象 光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸上時，會在半導(dǎo)體接觸上時，會在PN結(jié)或金結(jié)或金 屬屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射PN結(jié)時，由于結(jié)時，由于 內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴區(qū)，光生空穴 拉向拉向p區(qū)，相當(dāng)于區(qū)

16、，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個正電壓。結(jié)上加一個正電壓。 半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會結(jié)短路，則會 出現(xiàn)電流（光生電流）。出現(xiàn)電流（光生電流）。 光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶 格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質(zhì) 發(fā)生變化發(fā)生變化 熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強度隨溫度變化而變熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強度隨溫度變化而變 化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象 輻射熱計效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱輻射熱計效應(yīng)：入射光的照射使材料

17、由于受熱 而造成電阻率變化的現(xiàn)象而造成電阻率變化的現(xiàn)象 溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點出現(xiàn)溫差溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點出現(xiàn)溫差 而在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流而在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流 1、光電檢測器件的分類、光電檢測器件的分類 2、光電檢測器件中的噪聲、光電檢測器件中的噪聲 3、光電檢測器的特性參數(shù)、光電檢測器的特性參數(shù) 光電檢測器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光 信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件. 光電檢測器件分為兩大類: 光子(光電子)檢測器件 熱電檢測器件 光電管光電管 光電倍增管光電倍增管 真空攝像管真空攝像管 變像管變像管 像增強管像增強管 光敏電阻光敏電阻 光電池光

18、電池 光電二極管光電二極管 光電三極管光電三極管 光纖傳感器光纖傳感器 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD 熱電偶熱電偶/熱電堆熱電堆 熱輻射計熱輻射計/熱敏電阻熱敏電阻 熱釋電探測器熱釋電探測器 光子器件光子器件熱電器件熱電器件 響應(yīng)波長有選擇性，一般有響應(yīng)波長有選擇性，一般有 截止波長，超截止波長，超 過該波長，器過該波長，器 件無響應(yīng)。件無響應(yīng)。 響應(yīng)波長無選擇性，對可見響應(yīng)波長無選擇性，對可見 光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻 射同樣敏感射同樣敏感 響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號 需要的時間短，需要的時間短， 一般為納秒一般為納秒 到幾百微秒到幾百微秒 響

19、應(yīng)慢，一般為幾毫秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒 1.4.1.光電探測器中的噪聲光電探測器中的噪聲 從示波器中可以看到，在一定波長的光照下光電探測器輸出的光電信號并不 是平直的，而是在平均值上下隨機的起伏，見下圖所示。 圖中的直流信號值 這種隨機的、瞬間的幅度不能預(yù)知的起伏，稱為噪聲。這種隨機的、瞬間的幅度不能預(yù)知的起伏，稱為噪聲。 一般用均方噪聲電流來表示噪聲值的大?。?噪聲電流的均方值 代表了單位電阻上所產(chǎn)生的功率，它是確定的可測得的 正值。 T dtti T iI 0 )( 1 平均 dtiti T tii T n 2 0 2 2 )( 1 )( 平均 2 n i 把噪聲這個隨機時間函數(shù)進(jìn)行頻譜分

20、析，就得到噪聲功率隨頻率變化關(guān)系，把噪聲這個隨機時間函數(shù)進(jìn)行頻譜分析，就得到噪聲功率隨頻率變化關(guān)系， 即噪聲功率譜即噪聲功率譜S(f)。S(f)數(shù)值定義為頻率數(shù)值定義為頻率f的噪聲在的噪聲在1 電阻上所產(chǎn)生的功率，電阻上所產(chǎn)生的功率， 即即S(f)= 。 左下圖所示，根據(jù)功率譜與頻率的關(guān)系，常見噪聲分為兩種：功率譜大小與頻左下圖所示，根據(jù)功率譜與頻率的關(guān)系，常見噪聲分為兩種：功率譜大小與頻 率無關(guān)的稱白噪聲；功率譜與率無關(guān)的稱白噪聲；功率譜與f近似成反比的稱為近似成反比的稱為lf噪聲。噪聲。 一般光電檢測系統(tǒng)的噪聲包括右上圖所示三種：一般光電檢測系統(tǒng)的噪聲包括右上圖所示三種： (1) 光子噪聲

21、光子噪聲 包括：信號輻射產(chǎn)生的噪聲和背景輻射產(chǎn)生的噪聲。包括：信號輻射產(chǎn)生的噪聲和背景輻射產(chǎn)生的噪聲。 (2)探測器噪聲探測器噪聲 包括：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生包括：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、復(fù)合噪聲、1f噪聲和溫度噪聲。噪聲和溫度噪聲。 (3)信號放大及處理電路噪聲信號放大及處理電路噪聲 )( 2 fi n 噪聲在實際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。 由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響 對信號特別是微弱信號的正確探測。 一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測 系統(tǒng)的噪聲所限制。 所以在精密測量、通信、自動控制等領(lǐng)域，減 小和消除噪聲是十分重要的問題。 光電探測器常見的噪聲光電探

22、測器常見的噪聲(5種種) 熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲 產(chǎn)生產(chǎn)生-復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲 1/f噪聲噪聲 溫度噪聲溫度噪聲 或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運動造或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運動造 成的噪聲。成的噪聲。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作 隨機運動隨機運動(相當(dāng)于微電脈沖相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為，盡管其平均值為 零，但瞬時電流擾動在導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生一個均零，但瞬時電流擾動在導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生一個均 方根電壓，稱為熱噪聲電壓。方根電壓，稱為熱噪聲電壓。 熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度

23、成正 比，與頻率無關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲。比，與頻率無關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲。 因載流子熱運動引起的電流起伏或電壓起伏稱為熱噪聲。因載流子熱運動引起的電流起伏或電壓起伏稱為熱噪聲。 熱噪聲均方電流和熱噪聲均方電壓分別由下式?jīng)Q定熱噪聲均方電流和熱噪聲均方電壓分別由下式?jīng)Q定 式中式中 k k是玻爾茲曼常數(shù)；是玻爾茲曼常數(shù)； T T是溫度是溫度(K)(K)； R R是器件電阻值；是器件電阻值； f f為所取的通帶寬度為所取的通帶寬度( (頻率范圍頻率范圍) )。 載流子熱運動速度取決于溫度，所以熱噪聲功率與溫度有載流子熱運動速度取決于溫度，所以熱噪聲功率與溫度有 關(guān)。在溫度一定時，熱噪聲只與電阻和通

24、帶有關(guān)，故熱噪聲又關(guān)。在溫度一定時，熱噪聲只與電阻和通帶有關(guān)，故熱噪聲又 稱白噪聲。稱白噪聲。 fRkTv R fkT i n n 4 4 2 2 在常溫下適合于在常溫下適合于101012 12 Hz Hz頻率以頻率以 下范圍下范圍 2、散粒噪聲、散粒噪聲 隨機起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲隨機起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲,也叫也叫散彈噪聲散彈噪聲。 入射到光輻射探測器表面的光子是隨機起伏的；入射到光輻射探測器表面的光子是隨機起伏的； 光電子從光電陰極表面的逸出的是隨機的；光電子從光電陰極表面的逸出的是隨機的； PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子也是隨機的；結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子也是隨機的； 它們都是一種散

25、粒噪聲源。散粒噪聲電流的表達(dá)式為它們都是一種散粒噪聲源。散粒噪聲電流的表達(dá)式為 式中，式中，q為電子電荷；為電子電荷； I為器件輸出平均電流；為器件輸出平均電流； f為所取的帶寬。為所取的帶寬。 散粒噪聲也是與頻率無關(guān)、與帶寬有關(guān)的白噪聲。散粒噪聲也是與頻率無關(guān)、與帶寬有關(guān)的白噪聲。 fqI2i 2 n 散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究 表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結(jié)勢壘是產(chǎn)生結(jié)勢壘是產(chǎn)生 散粒噪聲的主要原因。散粒噪聲的主要原因。 半導(dǎo)體受光照，載流子不斷

26、產(chǎn)生半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。復(fù)合。 在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的 但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。 載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。 產(chǎn)生產(chǎn)生-復(fù)合噪聲電流均方值復(fù)合噪聲電流均方值 式中式中, I為器件輸出總的平均電流；為器件輸出總的平均電流； N0為總的自由載流子數(shù)；為總的自由載流子數(shù)； 為載流子壽命；為載流子壽命； f為測量噪聲的頻率。為測量噪聲的頻率。 )2(1 4 2 0 2 2 fN fI in 4

27、、1f噪聲（噪聲（閃爍噪聲或低頻噪聲閃爍噪聲或低頻噪聲） 這種噪聲的功率譜近似與頻率成反比，故稱這種噪聲的功率譜近似與頻率成反比，故稱1/f 噪聲。其噪噪聲。其噪 聲電流的均方值近似為聲電流的均方值近似為 式中式中 , 接近于接近于2； 在在0.81.5之間；之間； c是比例常數(shù)。是比例常數(shù)。 、 、c值由實驗測得。值由實驗測得。 在半導(dǎo)體器件中在半導(dǎo)體器件中1f噪聲與器件表面狀態(tài)有關(guān)。多數(shù)器件的噪聲與器件表面狀態(tài)有關(guān)。多數(shù)器件的1/f 噪聲在噪聲在300Hz以上時已衰減到很低水平，所以頻率再高時可忽略以上時已衰減到很低水平，所以頻率再高時可忽略 不計。不計。頻率越低噪聲越大頻率越低噪聲越大

28、f f cI in 2 5 5、溫度噪聲、溫度噪聲 由于器件本身溫度變化引起的噪聲稱為溫度噪聲。溫度噪聲電由于器件本身溫度變化引起的噪聲稱為溫度噪聲。溫度噪聲電 流的均方值為流的均方值為 式中式中,G,Gt t為器件的熱導(dǎo)；為器件的熱導(dǎo)； C Ct tG Gt t是器件的熱時間常數(shù)，是器件的熱時間常數(shù)， C Ct t是器件的熱容；是器件的熱容； T T是溫度是溫度(K)(K)。 在低頻時，在低頻時， 1 1 ；上式可簡化為；上式可簡化為 低頻時溫度噪聲也具有白噪聲的性質(zhì)。？低頻時溫度噪聲也具有白噪聲的性質(zhì)。？ )2(1 4 2 2 2 tt n fG fkT i t 2 )2( t f t n

29、 G fkT t 2 2 4 上述各種噪聲源的功率譜分布可用下圖表示。 由圖可見；在頻率很低時，lf 噪聲起主導(dǎo)作用；當(dāng)頻率達(dá)到中間頻率 范圍時，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲比較顯著；當(dāng)頻率較高時，只有白噪聲占主導(dǎo)地位，當(dāng)頻率較高時，只有白噪聲占主導(dǎo)地位， 其它噪聲影響很小了。？其它噪聲影響很小了。？ 五種噪聲都與f有關(guān)，f 是等效噪聲帶寬，簡稱為帶寬。若光電系統(tǒng)中 的放大器或網(wǎng)絡(luò)的功率增益為A(f)，功率增益的最大值為Am(下圖所示)，則噪 聲帶寬為 0 )( 1 dffA A f m 1.4.2. 光電探測器的特性參數(shù)光電探測器的特性參數(shù) 1.響應(yīng)率響應(yīng)率 探測器的輸出信號電壓Vs或電流Is與入射的輻射

30、通量 之比，稱為電壓響 應(yīng)率或電流響應(yīng)率Sv Sv的單位為vw，SI的單位為AW。 2.光譜響應(yīng)率光譜響應(yīng)率 探測器在波長為的單色光照射下，輸出的電壓Vs( )或電流Is( )與入射 的單色輻射通量 ( )之比稱為光譜響應(yīng)率。即 Sv( )或SI( )隨波長的變化關(guān)系稱為探測器的光譜響應(yīng)曲線。響應(yīng)率與光響應(yīng)率與光 譜響應(yīng)率的區(qū)別是什么？譜響應(yīng)率的區(qū)別是什么？ e ee S v V S S I I S 或 e )( )( )( )( )( )( e S I e S v I S V S 或 3.等效噪聲功率（等效噪聲功率（NEP） 如果投射到探測器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）正如

31、果投射到探測器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）正 好等于探測器本身的噪聲電壓（或電流），則這個輻射功率就叫做好等于探測器本身的噪聲電壓（或電流），則這個輻射功率就叫做“噪聲等效噪聲等效 功率功率”。通常用符號。通常用符號“NEPNEP”表示表示 式中式中 稱為信噪比。稱為信噪比。 噪聲等效功率是信噪比為噪聲等效功率是信噪比為1 1的探測器探測到的最小輻射功率。其值愈小，的探測器探測到的最小輻射功率。其值愈小， 探測器所能探測到的輻射功率愈小，探測器愈靈敏。探測器所能探測到的輻射功率愈小，探測器愈靈敏。 4.探測率與比探測率（探測率與比探測率（D與與D） 等效噪聲功率等效噪聲功率N

32、EP與人們的習(xí)慣不一致。所以，通常用與人們的習(xí)慣不一致。所以，通常用NEP的倒數(shù)，即探的倒數(shù)，即探 測率測率D作為探測器探測最小光信號能力的指標(biāo)。作為探測器探測最小光信號能力的指標(biāo)。 探測率探測率D的表達(dá)式為的表達(dá)式為 對于探測器，對于探測器，D越大越好。越大越好。 比探測率又稱歸一化探測率，也叫探測靈敏度。實質(zhì)上就是當(dāng)探測器的敏比探測率又稱歸一化探測率，也叫探測靈敏度。實質(zhì)上就是當(dāng)探測器的敏 感元件面積為單位面積（感元件面積為單位面積（A A0 0lcmlcm2 2），放大器的帶寬），放大器的帶寬f f1Hz1Hz時，單位功率的時，單位功率的 輻射所獲得的信號電壓與噪聲電壓之比，通常用符號輻射所獲得的信號電壓與噪聲電壓之比，通常用符號D D 表示 表示. . D越小越好。越小越好。 )( / 2 W iI NEP nS e 2 / nS iI )( 1 1 2 W i S NEP D n I fADfA NEP D 00 1 5. 時間常數(shù)時間常數(shù) 時間常數(shù)表示探測器的輸出信號隨射入的輻射變化的速率。通常用時間常 數(shù)（響應(yīng)時間）來衡量探測器的惰性。如下圖所示 一般定義當(dāng)探測器的輸出上升達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的63%所需要的時