光電探測(cè)器概述

1、概述概述光電探測(cè)器光電探測(cè)器放大和處理放大和處理用戶終端用戶終端光接收系統(tǒng)組成光接收系統(tǒng)組成光信號(hào)光信號(hào) 光輻射探測(cè)系統(tǒng)由信息源、傳輸介質(zhì)和接收光輻射探測(cè)系統(tǒng)由信息源、傳輸介質(zhì)和接收系統(tǒng)組成。接收光學(xué)系統(tǒng)把信息源光輻射和背景系統(tǒng)組成。接收光學(xué)系統(tǒng)把信息源光輻射和背景及其它雜散光經(jīng)傳輸介質(zhì)一起會(huì)聚在光探測(cè)器上。及其它雜散光經(jīng)傳輸介質(zhì)一起會(huì)聚在光探測(cè)器上。 光輻射所攜帶的信息，如：光譜能量分布、輻光輻射所攜帶的信息，如：光譜能量分布、輻射通量、光強(qiáng)分布、溫度分布等由光探測(cè)器轉(zhuǎn)變成射通量、光強(qiáng)分布、溫度分布等由光探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)測(cè)量出來，經(jīng)電子線路處理后，可供分析、電信號(hào)測(cè)量出來，經(jīng)電子線路處理后

2、，可供分析、記錄、存儲(chǔ)或直接顯示，從而識(shí)別被測(cè)目標(biāo)。記錄、存儲(chǔ)或直接顯示，從而識(shí)別被測(cè)目標(biāo)。 因此，光探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，它因此，光探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，它的性能好壞對(duì)整個(gè)光輻射探測(cè)的質(zhì)量起著至關(guān)重要的性能好壞對(duì)整個(gè)光輻射探測(cè)的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。的作用。2-1 發(fā)展簡(jiǎn)況與分類發(fā)展簡(jiǎn)況與分類 1826-熱電偶探測(cè)器熱電偶探測(cè)器 1880-金屬薄膜測(cè)輻射計(jì)金屬薄膜測(cè)輻射計(jì) 1946-熱敏電阻熱敏電阻 五十年代五十年代-熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器 六十年代六十年代-三元合金光探測(cè)器（三元合金光探測(cè)器（HgCdTe） 七十年代七十年代-光子牽引探測(cè)器光子牽引探測(cè)器 八十年代八

3、十年代-量子阱探測(cè)器量子阱探測(cè)器 近年來的發(fā)展方向：近年來的發(fā)展方向： 陣列光電探測(cè)器、陣列光電探測(cè)器、 光電探測(cè)器集成化光電探測(cè)器集成化 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD, charged coupled device）2.1.1 發(fā)展簡(jiǎn)況發(fā)展簡(jiǎn)況 熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì) 熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器光電二極管、三極管光電二極管、三極管 光電池光電池光電二極管陣列光電二極管陣列 Si /PIN光電二極管光電二極管熱電阻、熱電偶熱電阻、熱電偶 熱敏電阻熱敏電阻 熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器耦合式耦合式GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)多量子阱紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu) (CCD) Charged c

4、oupled device2.1.2 光輻射探測(cè)器分類光輻射探測(cè)器分類 光輻射探測(cè)器件是利用各種光電效應(yīng)，或光熱效應(yīng)使光輻射探測(cè)器件是利用各種光電效應(yīng)，或光熱效應(yīng)使入射光輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電學(xué)信息或電能的儀器。入射光輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電學(xué)信息或電能的儀器。 按用途分：按用途分：成像、非成像探測(cè)器；成像、非成像探測(cè)器； 按光譜響應(yīng)分：按光譜響應(yīng)分：紫外光、可見光、近紅外、紫外光、可見光、近紅外、 中紅外、遠(yuǎn)紅外探測(cè)器；中紅外、遠(yuǎn)紅外探測(cè)器； 按結(jié)構(gòu)分：按結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)卧?、多元、陣列光探測(cè)器；單元、多元、陣列光探測(cè)器； 按工作轉(zhuǎn)換機(jī)理分：按工作轉(zhuǎn)換機(jī)理分：光子（光電）、熱探測(cè)器光子（光電）、熱探測(cè)器M光電探測(cè)

5、器件的工作原理是基于光電效應(yīng)，光電探測(cè)器件的工作原理是基于光電效應(yīng)，而熱探測(cè)器需要經(jīng)過加熱物體的中間過程，而熱探測(cè)器需要經(jīng)過加熱物體的中間過程，因此，前者反應(yīng)速度快。因此，前者反應(yīng)速度快。光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即當(dāng)物光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即當(dāng)物質(zhì)在一定頻率的光的照射下，釋放出光電子的現(xiàn)象。質(zhì)在一定頻率的光的照射下，釋放出光電子的現(xiàn)象。當(dāng)光照射金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料的表面時(shí)，當(dāng)光照射金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料的表面時(shí)，會(huì)被這些材料內(nèi)的電子所吸收，如果光子的能量足夠會(huì)被這些材料內(nèi)的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子后的電子可掙脫原子的束縛而逸出材料大

6、，吸收光子后的電子可掙脫原子的束縛而逸出材料表面，這種電子稱為表面，這種電子稱為光電子光電子，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)光電子發(fā)射射，又稱為，又稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)。有些物質(zhì)受到光照射時(shí)，其內(nèi)部原子釋放電子，但有些物質(zhì)受到光照射時(shí)，其內(nèi)部原子釋放電子，但電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的導(dǎo)電性增加，這種現(xiàn)電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的導(dǎo)電性增加，這種現(xiàn)象稱為象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)。 半導(dǎo)體的特點(diǎn)：半導(dǎo)體的特點(diǎn)：由于原子間的相互作用而使能級(jí)分由于原子間的相互作用而使能級(jí)分裂，離散的能級(jí)形成裂，離散的能級(jí)形成能帶能帶。分為。分為價(jià)帶價(jià)帶、導(dǎo)帶導(dǎo)帶和和禁帶禁帶。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能

7、帶結(jié)構(gòu) 價(jià)帶：價(jià)帶：晶體中原子的內(nèi)晶體中原子的內(nèi)層電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶被層電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶被電子所填滿，這種能帶稱為電子所填滿，這種能帶稱為價(jià)帶；價(jià)帶； 導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：價(jià)帶以上未被電價(jià)帶以上未被電子填滿或者是空的能帶稱為子填滿或者是空的能帶稱為導(dǎo)帶；導(dǎo)帶； 禁帶：禁帶：導(dǎo)帶和價(jià)帶之間導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能隙稱為禁帶。導(dǎo)帶底和的能隙稱為禁帶。導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芗?jí)間隙就是價(jià)帶頂?shù)哪芗?jí)間隙就是禁帶禁帶寬度寬度Eg 。Eg價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)EF純凈（本征）半導(dǎo)體在絕對(duì)零度的理想狀態(tài)下有純凈（本征）半導(dǎo)體在絕對(duì)零度的理想狀態(tài)下有一個(gè)被電子完全充滿的價(jià)帶和一個(gè)完全沒有電子的一個(gè)被電子完

8、全充滿的價(jià)帶和一個(gè)完全沒有電子的導(dǎo)帶，二者之間是禁帶。這是半導(dǎo)體是一個(gè)不導(dǎo)電導(dǎo)帶，二者之間是禁帶。這是半導(dǎo)體是一個(gè)不導(dǎo)電的絕緣體。的絕緣體。但是本征半導(dǎo)體的禁帶寬度但是本征半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg較小，在熱運(yùn)動(dòng)活較小，在熱運(yùn)動(dòng)活其它外界激發(fā)的作用下，價(jià)帶的電子激發(fā)躍遷至導(dǎo)其它外界激發(fā)的作用下，價(jià)帶的電子激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，這時(shí)導(dǎo)帶有了電子，價(jià)帶有了空穴，使本征半帶，這時(shí)導(dǎo)帶有了電子，價(jià)帶有了空穴，使本征半導(dǎo)體形成導(dǎo)電特性。電子和空穴都是電流的載流者導(dǎo)體形成導(dǎo)電特性。電子和空穴都是電流的載流者，統(tǒng)稱為，統(tǒng)稱為“載流子載流子” 半導(dǎo)體可分為半導(dǎo)體可分為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體.P.P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體.N.N型

9、半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體：硅和鍺都是半導(dǎo)體，而純硅和鍺晶體本征半導(dǎo)體：硅和鍺都是半導(dǎo)體，而純硅和鍺晶體稱本征半導(dǎo)體。硅和鍺為稱本征半導(dǎo)體。硅和鍺為4 4價(jià)元素，其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。價(jià)元素，其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。半導(dǎo)體類型半導(dǎo)體類型雜質(zhì)半導(dǎo)體的形成：雜質(zhì)半導(dǎo)體的形成：通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。 N N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體

10、。N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：由于雜質(zhì)原子的最由于雜質(zhì)原子的最外層有外層有5 5個(gè)價(jià)電子，所以除了與周圍個(gè)價(jià)電子，所以除了與周圍硅原子形成共價(jià)鍵外，還多出一個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵外，還多出一個(gè)電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就可使它們成為自由電子，顯負(fù)電性?？墒顾鼈兂蔀樽杂呻娮?，顯負(fù)電性。這這N N是從是從“NegativeNegative（負(fù)）（負(fù)）”中取中取的第一個(gè)字母。的第一個(gè)字母。結(jié)論：結(jié)論： N N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：是靠自由電子導(dǎo)電，摻入是靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電的雜質(zhì)越多，多子（

11、自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。性能也就越強(qiáng)。l 多子：多子：N N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。度，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。l 少子：少子：空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子?？昭樯贁?shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。l 施主原子：施主原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。 P P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：在純凈的在純凈的4 4價(jià)本征半導(dǎo)體（如硅晶體）中混價(jià)本征半導(dǎo)體（如硅晶體）中混入了入了3 3價(jià)原子，譬如極小量（一千萬之一）的硼合成晶體，價(jià)原子，譬如極小量（一千萬之一）的硼合成晶體，使之取代晶

12、格中硅原子的位置，形成使之取代晶格中硅原子的位置，形成P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。u空穴的產(chǎn)生：空穴的產(chǎn)生：由于雜質(zhì)原子的由于雜質(zhì)原子的最外層有最外層有3 3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它們與周個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它們與周圍的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生圍的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)了一個(gè)“空位空位”（空位電中性），（空位電中性），當(dāng)硅原子外層電子由于熱運(yùn)動(dòng)填補(bǔ)當(dāng)硅原子外層電子由于熱運(yùn)動(dòng)填補(bǔ)此空位時(shí)，雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)此空位時(shí)，雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)的負(fù)離子，同時(shí)，在硅原子的共價(jià)的負(fù)離子，同時(shí)，在硅原子的共價(jià)鍵中產(chǎn)生一個(gè)鍵中產(chǎn)生一個(gè)空穴空穴 ，由于少一電，由于少一電子，所以帶正電。子，所以帶正電。P型取型取“Pos

13、itve（正）（正）”一詞的第一個(gè)字母。一詞的第一個(gè)字母。P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體結(jié)論：結(jié)論：1 1、多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。、多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。原因：原因：摻入的雜質(zhì)摻入的雜質(zhì)使多子的數(shù)目大大增加，使多子與少子復(fù)合的機(jī)會(huì)大使多子的數(shù)目大大增加，使多子與少子復(fù)合的機(jī)會(huì)大大增多。因此，對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，多子的濃度愈高，大增多。因此，對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，多子的濃度愈高，少子的濃度就愈低。少子的濃度就愈低。2 2、少子的濃度決定于溫度。、少子的濃度決定于溫度。原因：原因：少子是本征激發(fā)少子是本征激發(fā)形成的，與溫度有關(guān)。形成的，與溫度有關(guān)。多子：多子：P P型半導(dǎo)體中，多子為空穴。型半導(dǎo)體中，多子為空穴

14、。 少子：少子：為電子。為電子。受主原子：受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。 P型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度越高雜質(zhì)濃度越高，費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)越低，越低，N N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體體雜質(zhì)濃度越高雜質(zhì)濃度越高，費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)越高。越高。PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶能隙能隙EF結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)PN結(jié)的形成結(jié)的形成n 當(dāng)型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于交界當(dāng)型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于交界面處存在載流子濃度的差異，電子和空穴都要從濃度高的面處存在載流子濃度的差異，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方地方向濃度低的地方擴(kuò)

15、散擴(kuò)散。n 電子和空穴都是帶電的，它們擴(kuò)散的結(jié)果就使區(qū)和電子和空穴都是帶電的，它們擴(kuò)散的結(jié)果就使區(qū)和區(qū)中原來的電中性條件破壞了。區(qū)一側(cè)因失去空穴而區(qū)中原來的電中性條件破壞了。區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子。這些不能移動(dòng)的帶電粒子通常稱為移動(dòng)的正離子。這些不能移動(dòng)的帶電粒子通常稱為空間電空間電荷荷，它們集中在區(qū)和區(qū)交界面附近形成了一個(gè)很薄的，它們集中在區(qū)和區(qū)交界面附近形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，即，即PNPN的結(jié)。的結(jié)。n 這個(gè)區(qū)域內(nèi)多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合掉了，這個(gè)區(qū)域內(nèi)多數(shù)載流子已擴(kuò)

16、散到對(duì)方并復(fù)合掉了，或者說消耗殆盡了，因此，空間電荷區(qū)又稱為或者說消耗殆盡了，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層耗盡層。n 區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電荷，區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)正電荷，因此空間電荷區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電荷，區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)正電荷，因此空間電荷 區(qū)出現(xiàn)了方向由區(qū)指向區(qū)的電場(chǎng)，由于這個(gè)電場(chǎng)是載流子擴(kuò)區(qū)出現(xiàn)了方向由區(qū)指向區(qū)的電場(chǎng)，由于這個(gè)電場(chǎng)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為散運(yùn)動(dòng)形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)。它對(duì)多。它對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。阻擋層。 n 內(nèi)電場(chǎng)是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的，伴隨著它的建立

17、將帶內(nèi)電場(chǎng)是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的，伴隨著它的建立將帶來來兩種影響兩種影響：一是內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多子的擴(kuò)散，二是：一是內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多子的擴(kuò)散，二是P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的區(qū)的少數(shù)載流子（少數(shù)載流子（P P區(qū)的自由電子和區(qū)的自由電子和N N區(qū)的空穴）一旦靠近區(qū)的空穴）一旦靠近PNPN結(jié)，便結(jié)，便在內(nèi)電場(chǎng)的作用下漂移到對(duì)方，這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用在內(nèi)電場(chǎng)的作用下漂移到對(duì)方，這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)，結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄。，結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄。n 因此，因此，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，有利于少使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，有

18、利于少子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散；而子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散；而漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變窄，使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)減弱，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。內(nèi)電場(chǎng)減弱，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。n 在一定條件下（例如溫度一定），多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐在一定條件下（例如溫度一定），多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)則逐漸增強(qiáng)，最后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)則逐漸增強(qiáng)，最后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡，交界面形成穩(wěn)定的，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，即，即PNPN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡。結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡。 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單

19、向?qū)щ娦裕?） 外加正向電壓外加正向電壓 （正偏）（正偏）PNPN結(jié)上加正向電壓，外電場(chǎng)與結(jié)上加正向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)方向相反，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)平衡被破壞。外電場(chǎng)驅(qū)使平衡被破壞。外電場(chǎng)驅(qū)使P P區(qū)空穴進(jìn)區(qū)空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)電荷，入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)電荷，同時(shí)同時(shí)N N區(qū)自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵區(qū)自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正電荷，則空間電荷區(qū)變消一部分正電荷，則空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散運(yùn)窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流（由由P P區(qū)流向區(qū)流向N N區(qū)的正向電流區(qū)的正向電流）。在一

20、定范）。在一定范圍內(nèi)，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，正向電流愈大，圍內(nèi)，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，正向電流愈大，這時(shí)這時(shí)PNPN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PNPN結(jié)結(jié)處于處于導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)。發(fā)光二極管發(fā)光二極管（2） 外加反向電壓外加反向電壓 （反偏）（反偏） 在在PNPN結(jié)上加反向電壓，外電場(chǎng)結(jié)上加反向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，擴(kuò)散與漂擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡同樣被破壞。外電移運(yùn)動(dòng)的平衡同樣被破壞。外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走，于是空間電荷區(qū)自由電子移走，于是空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，使多數(shù)載流變寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于

21、進(jìn)行，同時(shí)加子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行，同時(shí)加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，形強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成由成由N N區(qū)流向區(qū)流向P P區(qū)的反向電流區(qū)的反向電流。由。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，向電流不大，PNPN結(jié)的反向電阻很結(jié)的反向電阻很高，即高，即PNPN結(jié)處于結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)。 光電二極管光電二極管 外加反偏電壓于結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一致，沒有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈⊥饧臃雌妷河诮Y(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一致，沒有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮谟?.10.1微安），稱為微安），稱為暗電流暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PNP

22、N結(jié)后，把能量結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子電子-空穴對(duì)空穴對(duì)，稱為光稱為光生載流子。生載流子。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，電子被拉向它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，電子被拉向n n區(qū)，空穴區(qū)，空穴被拉向被拉向p p區(qū)而形成光電流，使反向電流明顯變大。同時(shí)勢(shì)壘區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度區(qū)而形成光電流，使反向電流明顯變大。同時(shí)勢(shì)壘區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)的光生載流子先向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，然后在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下也參與導(dǎo)電。光內(nèi)的光生載流子先向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，然后在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下也參與導(dǎo)電。光的強(qiáng)度越大，反向電流也

23、越大。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫的電流叫光電流光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。 光電探測(cè)器（光電探測(cè)器（1）光電子發(fā)射探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器（光電子發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)）（光電子發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)）金屬氧化物或金屬氧化物或半導(dǎo)體表面半導(dǎo)體表面光子能量大于光子能量大于逸出功逸出功材料內(nèi)束縛能級(jí)的材料內(nèi)束縛能級(jí)的電子逸出表面電子逸出表面自由電子自由電子光輻射光輻射

24、光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器（光電導(dǎo)效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）（光電導(dǎo)效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料光子能量大于光子能量大于禁帶寬度禁帶寬度材料內(nèi)不導(dǎo)電束縛材料內(nèi)不導(dǎo)電束縛狀態(tài)的電子空穴狀態(tài)的電子空穴自由電子空穴自由電子空穴光輻射光輻射電導(dǎo)率變化電導(dǎo)率變化 光電探測(cè)器（光電探測(cè)器（2） 光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器（光生伏特效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）（光生伏特效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）金屬氧化物或金屬氧化物或半導(dǎo)體表面半導(dǎo)體表面光子能量光子能量足夠大足夠大材料內(nèi)束縛能級(jí)的材料內(nèi)束縛能級(jí)的電子逸出表面電子逸出表面電子電子空穴對(duì)空穴對(duì)光輻射光輻射 光電磁探測(cè)器光電磁探測(cè)器（光電磁效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）（光電磁效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）垂

25、直磁場(chǎng)中的垂直磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 光子能量光子能量足夠大足夠大本征吸收產(chǎn)生本征吸收產(chǎn)生電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)載流子載流子濃度梯度濃度梯度光輻射光輻射光磁電動(dòng)勢(shì)光磁電動(dòng)勢(shì)M 光電池、光電二極管、雪崩光電二極管、光電池、光電二極管、雪崩光電二極管、PIN管及光電晶體管管及光電晶體管光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì)光電探測(cè)器特點(diǎn)光電探測(cè)器特點(diǎn) 選擇性探測(cè)器，即光子波長(zhǎng)有長(zhǎng)波限。波長(zhǎng)長(zhǎng)選擇性探測(cè)器，即光子波長(zhǎng)有長(zhǎng)波限。波長(zhǎng)長(zhǎng)于長(zhǎng)波限的入射輻射不能產(chǎn)生所需的光子于長(zhǎng)波限的入射輻射不能產(chǎn)生所需的光子 效應(yīng)，因此無法被探測(cè)。效應(yīng)，因此無法被探測(cè)。波長(zhǎng)短于長(zhǎng)波限的入射輻射，功率一定時(shí)，波波長(zhǎng)短于長(zhǎng)波限的入射輻射，

26、功率一定時(shí)，波長(zhǎng)越短，光子數(shù)越少，因此光子探測(cè)器的理論長(zhǎng)越短，光子數(shù)越少，因此光子探測(cè)器的理論響應(yīng)率應(yīng)正比于波長(zhǎng)。響應(yīng)率應(yīng)正比于波長(zhǎng)。熱探測(cè)器（光熱效應(yīng)）熱探測(cè)器（光熱效應(yīng)）熱探測(cè)器熱探測(cè)器材料產(chǎn)生溫升材料產(chǎn)生溫升物理性質(zhì)變化物理性質(zhì)變化光輻射光輻射溫差電動(dòng)溫差電動(dòng)（溫差電效應(yīng)）（溫差電效應(yīng)）電阻率變化電阻率變化（測(cè)輻射熱計(jì)（測(cè)輻射熱計(jì)效應(yīng)）效應(yīng)）自發(fā)極化強(qiáng)度變化自發(fā)極化強(qiáng)度變化（熱釋電效應(yīng)）（熱釋電效應(yīng)）氣體體積和氣體體積和壓強(qiáng)變化壓強(qiáng)變化熱電偶熱電偶熱敏電阻、電阻測(cè)輻射熱計(jì)熱敏電阻、電阻測(cè)輻射熱計(jì)高萊管高萊管熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器熱探測(cè)器特點(diǎn)熱探測(cè)器特點(diǎn) 非選擇性探測(cè)器，光熱效應(yīng)與入射光

27、子的性質(zhì)無關(guān)，非選擇性探測(cè)器，光熱效應(yīng)與入射光子的性質(zhì)無關(guān)，即光電信號(hào)取決于入射輻射功率與入射輻射的光譜即光電信號(hào)取決于入射輻射功率與入射輻射的光譜成份無關(guān)。成份無關(guān)。不需制冷可在室溫下工作比光子探測(cè)器有更不需制冷可在室溫下工作比光子探測(cè)器有更 寬的光寬的光譜響應(yīng)范圍，可在譜響應(yīng)范圍，可在X射線和毫米波段使用。但響應(yīng)射線和毫米波段使用。但響應(yīng)時(shí)間比光子探測(cè)器長(zhǎng)。且取決于熱探測(cè)器熱容量的時(shí)間比光子探測(cè)器長(zhǎng)。且取決于熱探測(cè)器熱容量的大小和散熱的快慢。大小和散熱的快慢。2-2 光電探測(cè)器的響應(yīng)性能參數(shù)光電探測(cè)器的響應(yīng)性能參數(shù) 光電探測(cè)器的定義光電探測(cè)器的定義 定義：光子探測(cè)器是指入射在光探測(cè)器上的光

28、輻射定義：光子探測(cè)器是指入射在光探測(cè)器上的光輻射能，它以光子的形式與光子探測(cè)器材料內(nèi)受束縛的能，它以光子的形式與光子探測(cè)器材料內(nèi)受束縛的電子相互作用（電子相互作用（光電子效應(yīng)光電子效應(yīng)），從而逸出表面或釋），從而逸出表面或釋放出自由電子和自由空穴來參與導(dǎo)電的器件。放出自由電子和自由空穴來參與導(dǎo)電的器件。光電磁光電磁效應(yīng)效應(yīng)光電子光電子發(fā)射效應(yīng)發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)光電導(dǎo)效應(yīng)效應(yīng)光生伏特光生伏特效應(yīng)效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)2.2.1 光電探測(cè)器的工作條件光電探測(cè)器的工作條件 1. 輻射源的光譜分布輻射源的光譜分布 （如單色、黑體、調(diào)制）（如單色、黑體、調(diào)制）2. 電路的通頻帶和帶寬電

29、路的通頻帶和帶寬 （噪聲的影響）（噪聲的影響）3. 工作溫度：工作溫度： 295K、195K、77K、20.4K 、 4.2K4. 光敏面尺寸：光敏面尺寸：1cm25. 偏置情況偏置情況光電探測(cè)器和其它器件一樣，有一套根據(jù)實(shí)際需要光電探測(cè)器和其它器件一樣，有一套根據(jù)實(shí)際需要而制定的特性參數(shù)。而制定的特性參數(shù)。它是在不斷總結(jié)各種光電探測(cè)器的共同基礎(chǔ)上而給它是在不斷總結(jié)各種光電探測(cè)器的共同基礎(chǔ)上而給以科學(xué)定義的，所以這一套性能參數(shù)科學(xué)地反映了以科學(xué)定義的，所以這一套性能參數(shù)科學(xué)地反映了各種探測(cè)器的共同因素。各種探測(cè)器的共同因素。依據(jù)這套參數(shù)，可以評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的優(yōu)劣，比較依據(jù)這套參數(shù)，可以評(píng)價(jià)探測(cè)

30、器性能的優(yōu)劣，比較不同探測(cè)器之間的差異，從而達(dá)到根據(jù)需要合理選不同探測(cè)器之間的差異，從而達(dá)到根據(jù)需要合理選擇和正確使用光電探測(cè)器的目的。擇和正確使用光電探測(cè)器的目的。顯然，了解各種性能參數(shù)的物理意義十分重要。顯然，了解各種性能參數(shù)的物理意義十分重要。2.2.2 響應(yīng)性能參數(shù)響應(yīng)性能參數(shù) 1. 響應(yīng)率（度）響應(yīng)率（度）RV 、RI u 單位入射光功率作用下探測(cè)器的輸出電壓（流），單位入射光功率作用下探測(cè)器的輸出電壓（流），即靈敏度。即靈敏度。 器件對(duì)器件對(duì)全色全色入射輻射的響應(yīng)能力，入射輻射的響應(yīng)能力，定義為器件的輸出信號(hào)與輸入輻射功率之比，用定義為器件的輸出信號(hào)與輸入輻射功率之比，用R來表示。

31、來表示。1sIA WIRP1sVV WVRP輸出信號(hào)用電壓表示：輸出信號(hào)用電壓表示：輸出信號(hào)用電流表示：輸出信號(hào)用電流表示：2. 單色靈敏度（光譜響應(yīng)度）單色靈敏度（光譜響應(yīng)度） 1( )sVV WVR1( )sIA WIRu 光電探測(cè)器在光電探測(cè)器在單位單色輻射通量（光通量）單位單色輻射通量（光通量）照射照射下得到下得到輸出電壓（流）輸出電壓（流）；即探測(cè)器的輸出電壓（流）；即探測(cè)器的輸出電壓（流）與入射到探測(cè)器上單色輻射通量（光通量）之比。與入射到探測(cè)器上單色輻射通量（光通量）之比。器件對(duì)器件對(duì)單色單色入射輻射的響應(yīng)能力。入射輻射的響應(yīng)能力。VIRRmax光譜響應(yīng)寬度光譜響應(yīng)寬度峰值響應(yīng)度

32、PSNN Rehc實(shí)用表示法實(shí)用表示法用光譜量子效率用光譜量子效率來表示光譜響應(yīng)率，定義：來表示光譜響應(yīng)率，定義： NP：入：入射輻射輻射量子數(shù)射量子數(shù) NS：由：由NP 產(chǎn)生的產(chǎn)生的信號(hào)量子數(shù)信號(hào)量子數(shù)E 由于光譜量子效率由于光譜量子效率和光譜響應(yīng)率和光譜響應(yīng)率R R表示的是同一事表示的是同一事件，所以它們之間必有聯(lián)系：件，所以它們之間必有聯(lián)系： e e：電：電子電量子電量 c c：真空光速：真空光速 h：普朗：普朗克常數(shù)克常數(shù) 注意：光譜響應(yīng)率和光譜量子效率僅由器件的響應(yīng)注意：光譜響應(yīng)率和光譜量子效率僅由器件的響應(yīng)特性所決定，而與光源無關(guān)。特性所決定，而與光源無關(guān)。 由上式可繪出由上式可繪

33、出R曲線，稱為等量子效率曲線。曲線，稱為等量子效率曲線。 R關(guān)系曲線即光譜響應(yīng)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系，因關(guān)系曲線即光譜響應(yīng)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系，因此，此，R曲線也稱為光譜響應(yīng)特性曲線。曲線也稱為光譜響應(yīng)特性曲線。 khceR 由上式可得由上式可得 3. 積分響應(yīng)度積分響應(yīng)度 R 0101( )( )ssIIdRd0( )ed sIIR探測(cè)器對(duì)探測(cè)器對(duì)連續(xù)輻射通量（光通量）連續(xù)輻射通量（光通量）的響應(yīng)程度；的響應(yīng)程度；即探測(cè)器的輸出電壓（流）與入射到探測(cè)器上總即探測(cè)器的輸出電壓（流）與入射到探測(cè)器上總輻射通量（光通量）之比。輻射通量（光通量）之比。010( )( )RdRd4. 時(shí)間響應(yīng)特性時(shí)間響應(yīng)特性

34、探測(cè)器對(duì)變化信號(hào)響應(yīng)快慢的能力。探測(cè)器對(duì)變化信號(hào)響應(yīng)快慢的能力。 理想器件的響應(yīng)脈沖與輻射脈沖是一致的理想器件的響應(yīng)脈沖與輻射脈沖是一致的。 t)(tI)(tht（b b）響應(yīng)脈沖）響應(yīng)脈沖（a a）輻射脈沖）輻射脈沖 實(shí)際器件的響應(yīng)都具有滯后現(xiàn)象（惰性）：實(shí)際器件的響應(yīng)都具有滯后現(xiàn)象（惰性）：t)(tIt)(tht)(tht)(tI（a a）輻射脈沖）輻射脈沖（a a）輻射脈沖輻射脈沖（b b）響應(yīng)脈沖）響應(yīng)脈沖（b b）響應(yīng)脈沖）響應(yīng)脈沖描述時(shí)間響應(yīng)特性的參數(shù)：描述時(shí)間響應(yīng)特性的參數(shù)：弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間和和幅頻特性幅頻特性。 1t2t9 . 01 . 001)(th弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間：響應(yīng)落后

35、于作用信號(hào)的現(xiàn)象稱為弛豫。：響應(yīng)落后于作用信號(hào)的現(xiàn)象稱為弛豫。 弛豫時(shí)間也稱為時(shí)間常數(shù)。弛豫時(shí)間也稱為時(shí)間常數(shù)。弛豫時(shí)間的定義弛豫時(shí)間的定義1 1：（1 1）起始弛豫起始弛豫（上升時(shí)間常數(shù)）（上升時(shí)間常數(shù)）器件的響應(yīng)從零上升至穩(wěn)定器件的響應(yīng)從零上升至穩(wěn)定值的值的90%90%時(shí)所需的時(shí)間時(shí)所需的時(shí)間t t1 1；（2 2）衰減弛豫衰減弛豫（下降時(shí)間常數(shù)）（下降時(shí)間常數(shù)）當(dāng)信號(hào)撤去后，器件的響應(yīng)當(dāng)信號(hào)撤去后，器件的響應(yīng)從穩(wěn)定值下降至穩(wěn)定值的從穩(wěn)定值下降至穩(wěn)定值的10%10%時(shí)所時(shí)所需的時(shí)間需的時(shí)間t t2 2 。（1 1）起始弛豫起始弛豫定義為響應(yīng)值上升至穩(wěn)定值的時(shí)所需的時(shí)定義為響應(yīng)值上升至穩(wěn)定值

36、的時(shí)所需的時(shí)間間 ，約為，約為63%63%；（2 2）衰減弛豫衰減弛豫定義為響應(yīng)值下降至穩(wěn)定值的定義為響應(yīng)值下降至穩(wěn)定值的 時(shí)所需的時(shí)時(shí)所需的時(shí)間，約為間，約為37%37%。)e(11 e1弛豫時(shí)間的定義弛豫時(shí)間的定義2 2：這些上升或下降的時(shí)間就表示了器件惰性的大小。這些上升或下降的時(shí)間就表示了器件惰性的大小。響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 上升時(shí)間上升時(shí)間 ： 10%-90%10%-90%； 下降時(shí)間下降時(shí)間 ： 90%-10% 90%-10% ； 表示探測(cè)器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)；用時(shí)間表示探測(cè)器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)；用時(shí)間常數(shù)常數(shù) 表示表示10.90.1tt入射光fttI光tftftt響應(yīng)時(shí)間

37、：響應(yīng)時(shí)間：5. 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) R（f） 光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性；化的特性；01 22( )12RR ff ( )R f0R頻率是頻率是 f 時(shí)的響應(yīng)度；時(shí)的響應(yīng)度；頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；時(shí)間常數(shù)（時(shí)間常數(shù)（ ）。）。RC0( )0.707R fR 1122fRC上上限截止頻率：上限截止頻率：0Rf上 R ff00.707R2.2.3 其它參數(shù)其它參數(shù)定義：在某一特定波長(zhǎng)上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光定義：在某一特定波長(zhǎng)上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光 電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比 SIeR hcNe 1. 量子

38、效率量子效率()表達(dá)式：表達(dá)式：反映了入射輻射與最初的光敏元的相互作用反映了入射輻射與最初的光敏元的相互作用 1 max21II2. 線性度線性度I1I2Imaxtl探測(cè)器的輸出光電壓（流）與輸入光功率成線探測(cè)器的輸出光電壓（流）與輸入光功率成線性變化的程度和范圍。用非線性誤差性變化的程度和范圍。用非線性誤差 描述。描述。l一般，在弱光照射下探測(cè)器輸出光電流都能在較一般，在弱光照射下探測(cè)器輸出光電流都能在較大范圍內(nèi)與輸入光功率成線性關(guān)系；強(qiáng)光照射下大范圍內(nèi)與輸入光功率成線性關(guān)系；強(qiáng)光照射下一般趨于平方根關(guān)系。一般趨于平方根關(guān)系。 光電效應(yīng)發(fā)生的條件：光電效應(yīng)發(fā)生的條件：E=h Eg (半導(dǎo)體禁

39、帶寬度半導(dǎo)體禁帶寬度) 截止波長(zhǎng)：截止波長(zhǎng)：截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)1.24()cgghcEEev本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的長(zhǎng)波限的長(zhǎng)波限2-3 光電探測(cè)器的噪聲參數(shù)光電探測(cè)器的噪聲參數(shù)E顯然，噪聲顯然，噪聲un(t)表示了表示了u(t)偏離偏離us(t)的程度。的程度。( )( )( )snu tu tu t 信號(hào)在傳輸和處理過程中總會(huì)受到一些無用信號(hào)的信號(hào)在傳輸和處理過程中總會(huì)受到一些無用信號(hào)的干擾，人們常稱這些干擾信號(hào)為干擾，人們常稱這些干擾信號(hào)為噪聲噪聲。 光電探測(cè)器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過程中，同樣要引入噪光電探測(cè)器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過程中，同樣要引入噪聲，稱為聲，稱為光電探測(cè)器的噪聲。光電探測(cè)器的噪聲。若

40、若us(t)表示信號(hào)，經(jīng)過傳輸或變換后輸出表示信號(hào)，經(jīng)過傳輸或變換后輸出u(t)，則：，則：un(t)表示噪聲表示噪聲一、噪聲概念一、噪聲概念 前兩種又稱為前兩種又稱為有形噪聲有形噪聲，一般可以預(yù)知，因而總可，一般可以預(yù)知，因而總可以設(shè)法減少和消除。最后一種噪聲來自物理系統(tǒng)內(nèi)以設(shè)法減少和消除。最后一種噪聲來自物理系統(tǒng)內(nèi)部，表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏，稱為部，表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏，稱為無規(guī)噪聲無規(guī)噪聲。 根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因，大體上可以把噪聲分為根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因，大體上可以把噪聲分為人為人為噪聲噪聲、自然干擾自然干擾和和物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾三類。三類。 例如，電阻中自由電子的熱

41、運(yùn)動(dòng)，真空管中電子的例如，電阻中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)，真空管中電子的隨機(jī)發(fā)射，半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)的產(chǎn)生和復(fù)合等，隨機(jī)發(fā)射，半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)的產(chǎn)生和復(fù)合等，這些隨機(jī)因素把一種無規(guī)則起伏施加給有用信號(hào)。這些隨機(jī)因素把一種無規(guī)則起伏施加給有用信號(hào)。二、噪聲分類二、噪聲分類探探測(cè)測(cè)器器放放大大器器示波器示波器(a)(a)(b)(b)(c)(c)光光 起伏噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響，如圖所示。假定入射起伏噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響，如圖所示。假定入射光是正弦強(qiáng)度調(diào)制的，放大器是一個(gè)可以任意改變光是正弦強(qiáng)度調(diào)制的，放大器是一個(gè)可以任意改變放大量的理想放大器。放大量的理想放大器。 當(dāng)入射光強(qiáng)度較大時(shí)，在示波器上可以看到正

42、弦變化的信號(hào)電壓波形當(dāng)入射光強(qiáng)度較大時(shí)，在示波器上可以看到正弦變化的信號(hào)電壓波形 。降低入射光功率時(shí)，增大放大率，則正弦電壓信號(hào)上出現(xiàn)許多無規(guī)起伏降低入射光功率時(shí)，增大放大率，則正弦電壓信號(hào)上出現(xiàn)許多無規(guī)起伏，使信號(hào)變得模糊不清。，使信號(hào)變得模糊不清。 再降低入射光功率時(shí)，正弦波幅度越來越小，而雜亂無章的變化愈來愈再降低入射光功率時(shí)，正弦波幅度越來越小，而雜亂無章的變化愈來愈大。最后只剩下了無規(guī)則的起伏，完全看不出什么正弦變化，此時(shí)噪聲完大。最后只剩下了無規(guī)則的起伏，完全看不出什么正弦變化，此時(shí)噪聲完全埋沒了信號(hào)。當(dāng)然這時(shí)探測(cè)器也失去了探測(cè)弱光信號(hào)的能力。全埋沒了信號(hào)。當(dāng)然這時(shí)探測(cè)器也失去了探

43、測(cè)弱光信號(hào)的能力。 從上面討論中，我們應(yīng)該建立這樣的觀念：從上面討論中，我們應(yīng)該建立這樣的觀念：上述現(xiàn)象并不是探測(cè)器不好所致，它是探測(cè)器所固上述現(xiàn)象并不是探測(cè)器不好所致，它是探測(cè)器所固有的不可避免的現(xiàn)象。有的不可避免的現(xiàn)象。任何一個(gè)探測(cè)器，都一定有噪聲。也就是說，在它任何一個(gè)探測(cè)器，都一定有噪聲。也就是說，在它輸出端總存在著一些毫無規(guī)律，事先無法預(yù)知的電輸出端總存在著一些毫無規(guī)律，事先無法預(yù)知的電壓起伏。壓起伏。這種無規(guī)起伏，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中稱為隨機(jī)起伏，它是微這種無規(guī)起伏，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中稱為隨機(jī)起伏，它是微觀世界服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的反映。觀世界服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的反映。從這個(gè)意義上說，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的探測(cè)，就是從噪聲

44、從這個(gè)意義上說，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的探測(cè)，就是從噪聲中如何提取信號(hào)的問題，這是當(dāng)今信息探測(cè)理論研中如何提取信號(hào)的問題，這是當(dāng)今信息探測(cè)理論研究的中心課題之一。究的中心課題之一。 噪聲噪聲 外部原因外部原因 內(nèi)部原因內(nèi)部原因 人為噪聲人為噪聲 自然噪聲自然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 光子噪聲光子噪聲 熱噪聲熱噪聲 低頻噪聲低頻噪聲 溫度噪聲溫度噪聲 放大器噪聲放大器噪聲 光電系統(tǒng)噪聲分類光電系統(tǒng)噪聲分類主要來源：主要來源： 系統(tǒng)外部，通常由電、磁、機(jī)械等因素引起。系統(tǒng)外部，通常由電、磁、機(jī)械等因素引起。如電源如電源50Hz干擾、工業(yè)設(shè)備電火花干擾等，具有干擾、工業(yè)設(shè)備電火花干擾等，具

45、有一定規(guī)律性，采取適當(dāng)措施（如屏蔽、濾波、遠(yuǎn)一定規(guī)律性，采取適當(dāng)措施（如屏蔽、濾波、遠(yuǎn)離噪聲源等）可將其減小或消除；離噪聲源等）可將其減小或消除； 系統(tǒng)內(nèi)部材料、器件或固有的物理過程的自然系統(tǒng)內(nèi)部材料、器件或固有的物理過程的自然擾動(dòng)。如：任何導(dǎo)體中帶電粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起擾動(dòng)。如：任何導(dǎo)體中帶電粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲、光探測(cè)過程中光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)引起的散的熱噪聲、光探測(cè)過程中光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)引起的散粒噪聲等。粒噪聲等。光輻射探測(cè)系統(tǒng)是光電信息的變換、傳輸及處理光輻射探測(cè)系統(tǒng)是光電信息的變換、傳輸及處理的系統(tǒng)，除光探測(cè)器外，還有各種光學(xué)、機(jī)械和的系統(tǒng)，除光探測(cè)器外，還有各種光學(xué)、機(jī)械和電子系統(tǒng)，整個(gè)系

46、統(tǒng)在工作時(shí)總會(huì)受到無用信號(hào)電子系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)總會(huì)受到無用信號(hào)的干擾。的干擾。如：光電變換中光電子隨即起伏的干擾、背景光如：光電變換中光電子隨即起伏的干擾、背景光的干擾及放大器引入的干擾等。的干擾及放大器引入的干擾等。E 光電器件中的噪聲是物理過程中固光電器件中的噪聲是物理過程中固有的，為了提高信噪比，可增大信號(hào)有的，為了提高信噪比，可增大信號(hào)值或減小噪聲大小。一般應(yīng)盡可能減值或減小噪聲大小。一般應(yīng)盡可能減小噪聲以提高信噪比小噪聲以提高信噪比。 實(shí)際情況實(shí)際情況是，當(dāng)是，當(dāng)P0時(shí)，光電探測(cè)器的輸出電流時(shí)，光電探測(cè)器的輸出電流并不為零并不為零。這個(gè)。這個(gè)電流稱為電流稱為暗電流或噪聲電流暗電

47、流或噪聲電流，它，它是瞬時(shí)噪聲電流的有效值是瞬時(shí)噪聲電流的有效值。記為：記為： 2/ 12)(nnii 1sIA WIRP從靈敏度從靈敏度R的定義式：的定義式：可見，如果可見，如果P P0 0，應(yīng)有應(yīng)有IsIs=0=0u考慮到噪聲因素后，一個(gè)光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)考慮到噪聲因素后，一個(gè)光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換過程的模型如圖所示：換過程的模型如圖所示：圖中的光功率圖中的光功率Ps和和Pb分別為信號(hào)和背景光功率。分別為信號(hào)和背景光功率?？梢?，即使可見，即使Ps和和Pb都為零，也會(huì)有噪聲輸出。都為零，也會(huì)有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測(cè)微弱信號(hào)的能力。噪聲的存在，限制了探測(cè)微弱信號(hào)的能力。通常認(rèn)為，如

48、果信號(hào)光功率產(chǎn)生的信號(hào)光電流通常認(rèn)為，如果信號(hào)光功率產(chǎn)生的信號(hào)光電流is等于噪聲電等于噪聲電流流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測(cè)到光信號(hào)存在。，那么就認(rèn)為剛剛能探測(cè)到光信號(hào)存在。 2.3.1 噪聲的基本概念噪聲的基本概念 概率分布密度（時(shí)域）概率分布密度（時(shí)域） 功率譜密度（頻域）功率譜密度（頻域） 白噪聲白噪聲 色噪聲色噪聲白噪聲在整個(gè)頻譜內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)的能量為常數(shù)白噪聲在整個(gè)頻譜內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)的能量為常數(shù)且基本恒定，不管對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通還是高通且基本恒定，不管對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通還是高通處理，均不能有效地濾除白噪聲，因?yàn)樗嫣幚?，均不能有效地濾除白噪聲，因?yàn)樗嬖谟谡麄€(gè)頻帶范圍內(nèi)。在于整個(gè)頻帶范圍內(nèi)。白色包含了

49、所有的顏色，因此白噪聲的特點(diǎn)就是包含各種噪聲。白噪聲白色包含了所有的顏色，因此白噪聲的特點(diǎn)就是包含各種噪聲。白噪聲定義為在無限頻率范圍內(nèi)功率密度為常數(shù)的信號(hào)，這就意味著還存在其定義為在無限頻率范圍內(nèi)功率密度為常數(shù)的信號(hào)，這就意味著還存在其它它“顏色顏色”的噪聲，下面是常見的色噪聲：的噪聲，下面是常見的色噪聲：粉紅噪聲、紅噪聲、橙色噪粉紅噪聲、紅噪聲、橙色噪聲、藍(lán)噪聲、紫噪聲、棕色噪聲、灰色噪聲、黑噪聲。聲、藍(lán)噪聲、紫噪聲、棕色噪聲、灰色噪聲、黑噪聲。噪聲的描述噪聲的描述 噪聲電壓隨時(shí)間無規(guī)則起伏情況重畫如下。噪聲電壓隨時(shí)間無規(guī)則起伏情況重畫如下。)(tun)0(g)(gt00(a)(b) 無法

50、用預(yù)先確知的時(shí)間函數(shù)來描述它。然而，噪聲本無法用預(yù)先確知的時(shí)間函數(shù)來描述它。然而，噪聲本身是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，所以能用統(tǒng)計(jì)的方法來描述。身是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，所以能用統(tǒng)計(jì)的方法來描述。 長(zhǎng)時(shí)間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機(jī)會(huì)是相長(zhǎng)時(shí)間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機(jī)會(huì)是相等的，其時(shí)間平均值一定為零。所以用時(shí)間平均值無等的，其時(shí)間平均值一定為零。所以用時(shí)間平均值無法描述噪聲大小。法描述噪聲大小。 2. 光電系統(tǒng)噪聲的分類光電系統(tǒng)噪聲的分類電學(xué)噪聲電學(xué)噪聲探測(cè)器噪聲探測(cè)器噪聲光光 學(xué)學(xué) 噪噪 聲聲介介質(zhì)質(zhì)光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng)光光調(diào)調(diào)制制器器光光電電探探測(cè)測(cè)器器電電子子電電路路目目標(biāo)標(biāo)或或光光源源4. 噪聲的

51、影響噪聲的影響& 弱信號(hào)的探測(cè)弱信號(hào)的探測(cè)& 系統(tǒng)的極限探測(cè)能力系統(tǒng)的極限探測(cè)能力2.3.2 光電探測(cè)器的噪聲光電探測(cè)器的噪聲原因：載流子隨機(jī)漲落原因：載流子隨機(jī)漲落特點(diǎn)：白噪聲特點(diǎn)：白噪聲 電子的粒子性電子的粒子性表達(dá)式：表達(dá)式：22NppieIf1. 散粒噪聲散粒噪聲隨機(jī)事件有：物體輻射的或接收的隨機(jī)事件有：物體輻射的或接收的光子數(shù)；陰極發(fā)射的電子數(shù)；半導(dǎo)光子數(shù)；陰極發(fā)射的電子數(shù)；半導(dǎo)體中的載流子數(shù)；光電倍增器的倍體中的載流子數(shù)；光電倍增器的倍增系數(shù)等。增系數(shù)等。2. 熱噪聲熱噪聲 原因：載流子隨機(jī)性出現(xiàn)原因：載流子隨機(jī)性出現(xiàn) 特點(diǎn)：白噪聲特點(diǎn)：白噪聲 載流子的運(yùn)動(dòng)性載流子

52、的運(yùn)動(dòng)性 表達(dá)式：表達(dá)式：24NjkfiR 注意注意 ：熱噪聲雖然是溫度熱噪聲雖然是溫度T T的函數(shù)，但并不的函數(shù)，但并不是溫度變化引起的溫度噪聲。是溫度變化引起的溫度噪聲。fkTRun 42注意：注意：散粒噪聲和熱噪聲都是與頻率無關(guān)的散粒噪聲和熱噪聲都是與頻率無關(guān)的“白噪白噪”聲。即：散粒噪聲和熱噪聲的大小聲。即：散粒噪聲和熱噪聲的大小與頻率的高低無關(guān)。與頻率的高低無關(guān)。3.溫度噪聲溫度噪聲 224GTWkTf原因：原因：它是由于材料的溫度起伏而產(chǎn)生的噪聲。它是由于材料的溫度起伏而產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時(shí)，由于有溫差的存在，當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時(shí)，由于有溫差的存在，因而引起材料有熱流量的變化，這種熱流量的變因而引起材料有熱流量的變化，這種熱流量的變化導(dǎo)致產(chǎn)生物體的化導(dǎo)致產(chǎn)生物體的溫度噪聲。溫度噪聲。表達(dá)式：表達(dá)式： 溫度噪聲與熱噪聲在產(chǎn)生原因、表示形式溫度噪聲與熱噪聲在產(chǎn)生原因、表示形式上有一定的差別，主要區(qū)別在于：上有一定的差別，主要區(qū)別在于：2ni 對(duì)于對(duì)于熱噪聲熱噪聲，材料的溫度