第四章 光電式傳感器2

第四章光電式傳感器

4．0光電式傳感器

4．1光源與光輻射體

4．1．1光的特性

4．1．2光源與光輻射體

4．2光電效應及器件

4．2．1外光電效應

4．2．2內(nèi)光電效應

4．2．3熱探測器

4．3光電器件的特性

4．3．1光照特性

4．3．2光譜特性

4．3．3響應時間

4．3．4峰值探測率

4．3．5溫度特性

4．4探測器噪聲和低噪聲電子設計

4．4．1噪聲

4．4．2探測器噪聲的類型

4．4．3低噪聲電子設計

4．5新型光電檢測器

4．5．1光位置傳感器（PSD）

4．5．2量子阱探測器(QWIP)4．5．3光電磁探測器

4．5．4固態(tài)圖像傳感器

4．6激光傳感技術(shù)

4．6．1干涉測試技術(shù)

4．6．2衍射測試技術(shù)

4．6．3激光多普勒測速技術(shù)

4．7光纖傳感器

4．7．1光纖傳感器基礎

4．7．2光纖傳感器中幾種常用的光強調(diào)制技術(shù)

4．7．3光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?/p>

4．8光電式傳感器

4．8．1光電式傳感器的類型

4．8．2光電尺寸測量舉例

4．8．3激光傳感技術(shù)實例

4．8．4光纖傳感器實例

4．8．5機器人視覺傳感器

4.0光電式傳感器

光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和軍事裝置中獲得廣泛應用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是固態(tài)圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創(chuàng)了新的一頁。

光源光通路光電元件測量放大光量光量電量電量輸出X1X2圖4-1光電式傳感器的組成

光電式傳感器通常由四部分組成，如圖4-1所示。圖中x1表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式；x2表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測方式。光電元件（敏感元件）只能敏感照射其上光的功率（光的電場分量），本篇將講述各種結(jié)構(gòu)都是通過調(diào)制，例如干涉、衍射、光譜、······等原理，最終反映在單光電元件點位置處時域變化光功率，或陣列傳感器上一、二維的空域上的光功率分布。這里將可見光、紅外光、激光、光纖等傳感器技術(shù)納入本編一并講解，尋求其共性規(guī)律統(tǒng)一講述。

4．1光源與光輻射體

4．1．1光的特性光是電磁波譜中的一員，不同波長光的分布如圖4-2所示，這些光的頻率（波長）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。

由光的粒子說可知，光是以光速運動著的粒子（光子）流，一種頻率的光由能量相同的光子所組成，每個光子的能量為（式4-1）

式中h-普郎克常數(shù)，h＝6.626×10－34J?s

可見，光的頻率愈高（即波長愈短），光子的能量愈大。

對于光的計量有兩種描述方法：一種是測量其客觀物理實質(zhì)的輻射度學量，另一種是測量其對人眼生理作用的光度學量，表4-1和表4-2分別給出輻射度學量和光度學量及單位。

名稱（中英文）符號單位名稱單位代號輻射能（Radiantenergy）Q焦耳J輻射通量（Radiantflux）Φ瓦特W輻射強度(Radiantintensity)I瓦/球面度W/sr輻射度（Radiantexintence）M瓦/米2W/m2輻射亮度（Radiance）L瓦/米2·球面度W/m2·sr輻照度（Irradiane）E瓦/米2W/m2表4-1輻射度學量名稱（中英文）符號單位名稱單位代號光能量（Luminousenergy）Q流明·秒lm·s光通量（Luminousflux）Φ流明lm光強度（Luminousintensity）I坎德拉流明/球面度cdlm/sr發(fā)光度（Luminousexintence）M流明/米2·球面度lm/m2光亮度（Luminance）L坎德拉/米2（尼特）流明/米2·球面度cd/m2（nit）lm/m2·sr光照度（Illuminance）E流明/米2（勒克斯）lm/m2（lx）表4-2光度學量在輻射度學量中當指明特定光譜條件下的輻射量（單位波長短的輻射量）時還有：光譜輻射通量、光譜輻射出射度

、光譜輻射強度等等對應量。歷史上曾定義1流明等于一支蠟燭從1米外投射在一平方米的表面上的光的數(shù)量?，F(xiàn)在定義絕對黑體在鉑的凝固溫度下，從5.305*103cm2面積上輻射出來的光通量為1lm。人眼在白晝對于波長λ=555nm的綠光最敏感，在該波長輻射度學量與光度學量可建立1W=683lm數(shù)量關(guān)系，許多圖像傳感器商品常用光度學量標明其性能。

4．1．2光源與光輻射體工程檢測中遇到的光，可以由各種發(fā)光器件產(chǎn)生，也可以是物體的輻射光。眾所周知，自然界中任何物體，只要其溫度高于絕對零度，都能輻射紅外線。本節(jié)將介紹各種發(fā)光器件及物體的紅外輻射。

一、白熾光源白熾光源中最常用的是鎢絲燈，它產(chǎn)生的光，譜線較豐富，包含可見光與紅外光。使用時，常加用濾色片來獲得不同窄帶頻率的光。二、氣體放電光源氣體放電光源光輻射的持續(xù)，不僅要維持其溫度，而且有賴于氣體的原子或分子的激發(fā)過程。原子輻射光譜呈現(xiàn)許多分離的明線條，稱為線光譜。分子輻射光譜是一段段的帶，稱為帶光譜。線光譜和帶光譜的結(jié)構(gòu)與氣體成分有關(guān)。白熾燈

氣體放電光源目前常用的有碳弧、低壓水銀弧、高壓水銀弧、鈉弧、氖弧燈等。高低壓水銀弧燈的光色近于日光；鈉弧燈發(fā)出的光呈黃色，發(fā)光效率特別高（200lm／W）；氖弧燈功率最大，光色也與日光相近。

三、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種電致發(fā)光的半導體器件，它與鎢絲白熾燈相比具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、便于與集成電路相匹配等優(yōu)點，因此得到廣泛應用。發(fā)光二極管可用LED表示，它的種類很多，其發(fā)光波長見表4-3。GaAs1-xPx、GaP、SiC發(fā)出的是可見光，而GaAs

、Si、Ge為紅外光。材料GeSiGaAsGaAs1-xPxGaPSiCλ/nm18501110867867∽550550435發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。砷磷化鎵發(fā)光二極管，紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。一般情況下（在幾十毫安電流范圍內(nèi)），LED單位時間發(fā)射的光子數(shù)與單位時間內(nèi)注入到二極管導帶中的電子數(shù)成正比，即輸出光強與輸入電流成正比。電流的進一步增加會使LED輸出產(chǎn)生非線性，甚至導致器件損壞。表4-3

發(fā)光二極管光波峰值波長四、激光器激光是新穎的高亮度光，它是由各類氣體、固體或半導體激光器產(chǎn)生的頻率單純的光。

1、激光的形成在正常分布狀態(tài)下，原子多處于穩(wěn)定的低能級E1，如無外界的作用，原子可長期保持此狀態(tài)。但在外界光子作用下，賦予原子一定的能量，原子就從低能級E1躍遷到高能級E2，這個過程稱為光的受激吸收。光子能量與原子能級躍遷的關(guān)系為

處在高能級E2的原子在外來光的誘發(fā)下，躍遷至低能級E1而發(fā)光，這個過程稱為光的受激輻射。受激輻射發(fā)出的光子與外來光子具有完全相同的頻率、傳播方向、偏振方向。一個外來光子誘發(fā)出一個光子，在激光器中得到兩個光子，這兩個光子又可誘發(fā)出兩個光子，得到四個光子，這些光子進一步誘發(fā)出其他光子，這個過程稱為光放大。如果通過光的受激吸收，使介質(zhì)中處于高能級的粒子比處于低能級的多--“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，則光放大作用大于光吸收作用。這時受激輻射占優(yōu)勢，光在這種工作物質(zhì)內(nèi)被增強，這種工作物質(zhì)就稱為增益介質(zhì)。若增益介質(zhì)通過提供能量的激勵源裝置形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，這時大量處于低能級的原子在外來能量作用下將躍遷到高能級。

（式4-2）

為了使受激輻射的光具有足夠的強度，還須設置一個光學諧振腔。光學諧振腔內(nèi)設有兩個面對面的反射鏡：一個為全反射鏡，另一個為半反半透鏡。當沿軸線方向行進的光遇到反射鏡后，就被反射折回，如此在兩反射鏡間往復運行并不斷對有限容積內(nèi)的工作物質(zhì)進行受激輻射，產(chǎn)生雪崩式的放大，從而形成了強大的受激輻射光--激光，通過半反半透鏡輸出?？梢?，激光的形成必須具備三個條件：（1）具有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)--增益介質(zhì)；（2）具有供給能量的激勵源；（3）具有提供反復進行受激輻射場所的光學諧振腔。2、激光的特性

（1）方向性強、亮度高：激光束的發(fā)散角很小，一般約0.18°，這比普通光和微波小2～3個數(shù)量級。因此，立體角極小，一般可小至10－8rad；激光能量在空間高度集中，其亮度比普通光源高百萬倍。（2）單色性好：光源發(fā)射光的光譜范圍愈窄，光的單色性就愈好。普通光中單色性最好的是同位素Kr燈所發(fā)出的光，其中心波長λ＝605.7nm，Δλ＝0.00047nm，氦氖激光器λ＝632.8nm，Δλ＝10－6nm?？梢?，激光具有很好的單色性。（3）相干性好：光的相干性是指兩光束相遇時，在相遇區(qū)域內(nèi)發(fā)出的波相疊加，并能形成較清晰的干涉圖樣或能接收到穩(wěn)定的拍頻信號。由同一光源在相干時間Δt內(nèi)不同時刻發(fā)出的光，經(jīng)過不同路程相遇，將產(chǎn)生干涉。這種相干性，稱為時間相干性。同一時間，由空間不同點發(fā)出的光的相干性，稱為空間相干性。激光是受激輻射形成的，對于各個發(fā)光中心發(fā)出的光波，其傳播方向、振動方向、頻率和相位均完全一致，因此激光具有良好的時間和空間相干性。3、激光器及其特點

（1）固體激光器固體激光器的工作物質(zhì)是固體。這類激光器結(jié)構(gòu)大致相同，共同特點是小而堅固，脈沖功率高。

（2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。氣體激光器的特點是能連續(xù)工作，單色性好，但輸出功率不及固體激光器。工作波長為0.638pm或1.15μrn的氦氖激光器是一種最常用的氣體激光器。它使用方便，亮度很高。工作波長為10.6μrn的二氧化碳激光器是工作在遠紅外波段的功率較高的光源，常用于探測大氣成分的光雷達中。工作波長為0.5l6μrn的氬離子激光器具有很高的亮度。（3）液體激光器工作物質(zhì)是液體，其中較重要的是有機染料激光器。液體激光器的最大特點是發(fā)出的激光波長可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，而不降低效率。（4）半導體激光器半導體激光器的特點是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單；缺點是輸出功率較小。半導體激光器增益帶寬特別高，但使用時需注意其輸出特性的非線性，以及輸出隨光學負載（返回到激光器的外部反射率）的變化而變化。（5）光纖激光器所謂光纖激光器就是在光纖材料中含增益介質(zhì)并用光纖構(gòu)成光學諧振腔的激光器。主要特點如下：

1）由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點。

2）由于光纖激光器的工作光纖可以盤繞，可以把體積做得非常小。

3）光纖導出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工利用，大大地簡化了機械系統(tǒng)的設計。

4）對工作環(huán)境要求低，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度等具有很高的容忍度。

5）由于光纖激光系統(tǒng)的散熱性能非常好，易于達到輕小便攜的目的。

6）電光效率高，綜合電光效率高達20%以上（YAG固體激光器的綜合電光效率在3%左右）。極大地節(jié)約了工作時的電耗，節(jié)約了運行成本。

7）超長的工作壽命和免維護時間，平均免維護時間在10萬小時以上。

8）光纖激光器可以實現(xiàn)從1000nm-2000nm的不同波長輸出，使得它可以應用于更廣泛的領(lǐng)域。五、紅外輻射紅外輻射又稱紅外光，其頻率和波長范圍見圖4-2所示，從紫光到紅光熱效應逐漸增大，而熱效應最大的為紅外光。在自然界中只要物體本身具有一定溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外光。例如電機、電器、爐火、甚至冰塊都能產(chǎn)生紅外輻射，又稱熱輻射。紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；能全部透過的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。嚴格地講，在自然界中，不存在黑體、鏡體與透明體。1、熱輻射體的分類熱輻射體根據(jù)輻射體的光譜發(fā)射率的變化規(guī)律分為黑體、灰體、選擇性輻射體三類。一個輻射體的發(fā)射率定義為該輻射體的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比，即

（式4-3）式中是黑體的輻射出射度。

一個物體的光譜發(fā)射率定義為該物體的光譜輻射出射度與同溫度下黑體的光譜輻射出射度之比，即（式4-4）顯然，黑體的=1不隨波長變化；灰體具有=常數(shù)＜1不隨小于1且隨波長變化。灰體是一種波長變化；選擇性輻射體，其發(fā)射率小于1的理想物體，其吸收和發(fā)射規(guī)律與黑體相同，在紅外波段范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料可以當作灰體處理。三類輻射體的光譜發(fā)射率和光譜輻射出射度的區(qū)別可以從圖4-3看出。（a）

（b）

圖4-3三類輻射體的光譜發(fā)射率和光譜輻射出射度

2、熱輻射的基本規(guī)律（1）普朗克公式普朗克最早找到了描述黑體輻射光譜能量密度的公式，普朗克公式的一種常見形式如下：（式4-5）式中h是普朗克常數(shù)，C是光速，k是玻爾茲曼常數(shù)，，

式4-5給出的是光譜能量密度與波長的關(guān)系。

（2）維思位移定律

M是波長λ的函數(shù)，且Mλ隨λ變化總有一個極大值，由極值條件

求得對應極值的波長λm應滿足如下的維思公式：（式4-6）（3）斯蒂芬-玻爾茲曼定律如果將M對所有的波長積分，就得到（4）在折射率為n的介質(zhì)中的黑體輻射公式

式4-5至式4-7適用于真空或折射率接近1的介質(zhì)空間。對于折射率n≠1的介質(zhì)中的黑體輻射，由于輻射在介質(zhì)中的傳播速度v與在真空中的速度c不同，所以上述各定律公式應寫成以下形式：（式4-7）

式中

，稱斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

（式4-8）

（式4-9）

（式4-10）

圖4-4為不同溫度的光譜輻射分布曲線，圖中虛線表示了由式4-5描述的峰值輻射波長λm與溫度的關(guān)系曲線。從圖中可以看到，隨著溫度的升高其峰值波長向短波方向移動，在溫度不很高的情況下，峰值輻射波長在紅外區(qū)域。

圖4-4

不同溫度的光譜輻射分布曲線（a）溫度為15∽200℃；（b）溫度為1000∽2000K（5）紅外輻射與分子能級光的發(fā)射與吸收本質(zhì)上是電子在原子、分子能級間躍遷的結(jié)果，處在低能級的電子，吸收適當能量的光子就會躍遷到高能級。在分子中，不但要考慮電子的軌道運動能級，而且要考慮由于分子的振動和轉(zhuǎn)動附加上的振動能級和轉(zhuǎn)動能級，組合起來，分子中的能級就十分復雜。如用Ee、Ev、Er分別表示電子軌道能級，分子振動能級和轉(zhuǎn)動能級的能量，則一般情況，電子的能量應為（式4-11）而能級躍遷所造成的能量變化為（式4-12）

一般來說，對外層電子，ΔEe在l～20eV，ΔEv在0.05～leV，而ΔEr在0.05eV以下。根據(jù)躍遷能量與發(fā)射（或吸收）光子的頻率（或波長）的關(guān)系，對于純轉(zhuǎn)動能級間的躍遷，與0.05eV以下的ΔEr相聯(lián)系的是遠紅外和微波段光子；對于純振動能級間的躍遷，

0.05～leV的ΔEv對應于波長2.5－25μm的中、遠紅外光子；當振動和轉(zhuǎn)動同時存在時（但沒有軌道能級變化），ΔEr+ΔEv，所對應的光子可能出現(xiàn)在0.75-2.5μm的近紅外區(qū)。只要有軌道能級的變化，不管是否存在振動能級和轉(zhuǎn)動能級的變化，ΔE(=ΔEe+ΔEv+ΔEr)都將對應著可見光區(qū)，甚至是紫外區(qū)的短波長的光子。從以上分析看，物質(zhì)的分子要發(fā)射或吸收紅外輻射，必須有合適的振動能級和轉(zhuǎn)動能級，而這些能級的存在實際上是由分子結(jié)構(gòu)決定的。實驗和理論都證明，物質(zhì)分子對紅外輻射的吸收是有選擇性的。物質(zhì)分子吸收紅外輻射的條件是：①分子在振動、轉(zhuǎn)動運動中存在著偶極矩的周期性變化，②偶極矩周期性變化的頻率（即振動頻率、轉(zhuǎn)動頻率）與外來光子的頻率一致。那些在振動和轉(zhuǎn)動中沒有偶極矩變化的分子是不能吸收紅外輻射的。例如O2、N2、Cl2等同核雙原子分子和惰性氣體在振動、轉(zhuǎn)動時都沒有偶極矩變化，所以不能吸收紅外輻射；而H2O、CO2、CH4、N2O、O3這些分子在振動、轉(zhuǎn)動中有偶極矩的變化，從而可以吸收紅外輻射，但吸收也存在選擇性。設分子處在大氣中，一些分子吸收紅外輻射的波長是：

H2O：1.379、1.87、2.66、6.27μm；

CO2：2.69、2.77、4.26、15.0μm；

CH4：3.31、7.66μmN2O：4.51、7.73μmO3：9.6μm六、光源特性光源的輻射特性（例如白熾燈輻射為非相干的朗勃光源，激光器是相干光源）、光譜特性（輻射的中心波長λ和譜寬△λ）、光電轉(zhuǎn)換特性（光源的電偏置與光源幅射的光學特性之間的關(guān)系）以及光源的環(huán)境特性（熱系數(shù)、長時間漂移和老化等）是光源的重要參量。對于分析光電檢測系統(tǒng)來說，光源光譜的噪聲電平也是極其重要的。光源的最低噪聲電平由散粒噪聲決定，散粒噪聲是光子特性的直接結(jié)果。如果平均來看，在給定的時間間隔里，光源發(fā)射出N個光子，則在連續(xù)時間間隔內(nèi)發(fā)射的實際值有N1/2的變化，這種變化等效于發(fā)射信號振幅中的一個噪聲分量。散粒噪聲又稱光子噪聲，多數(shù)白熾光源（包括發(fā)光二極管）的噪聲電平非常接近于散粒噪聲。激光器通常由填充著光學諧振媒質(zhì)的光學諧振腔構(gòu)成，在腔體內(nèi)產(chǎn)生諧振效應，因此在一些特定頻率上會產(chǎn)生附加噪聲電平。另外，給光源提供能量的電源通常存在噪聲，經(jīng)光源的光電轉(zhuǎn)換，這種電噪聲將轉(zhuǎn)換為光噪聲，故光源的實際噪聲電平往往超過散粒噪聲。4．2光電效應及器件所謂光電效應是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應。這里將紫外光、可見光和紅外光做統(tǒng)一考慮，把光電探測器分為光子探測器和熱探測器。在光子探測器中研究外光電效應和內(nèi)光電效應兩類。4．2．1外光電效應在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。根據(jù)愛因斯坦假設：一個電子只能接受一個光子的能量，因此要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子能量大于該物體的表面逸出功A。各種不同的材料具有不同的逸出功A，因此對某特定材料而言，將有一個頻率限υo域波長限λo，稱為“紅限”，不同金屬光電效應的紅限見表4-4。當入射光的頻率低于υo時（或波長大于λo），不論入射光有多強，也不能激發(fā)電子；當入射頻率高于υo時，不管它多么微弱也會使被照射的物體激發(fā)電子，光越強則激發(fā)出的電子數(shù)目越多。紅限波長可用下式求得：

（式4-13）式中c--光速。根據(jù)能量守恒定理

（式4-14）

式中m-電子質(zhì)量；V0-電子逸出速度。當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比，即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。外光電效應從光開始照射至金屬釋放電子幾乎在瞬間發(fā)生，所需時間不超過10－9s?；谕夤怆娦砉ぷ鞯墓怆娖骷泄怆姽芎凸怆姳对龉堋?/p>

表4-4外光電效應紅限金屬銫(Cs)鈉(Na)鋅(Zn)銀(Ag)鉑(Pt)λ0/nm660500372260115.5圖4-5光電管光電管是裝有光陰極和陽極的真空玻璃管，如圖4-5所示。光陰極由在玻璃管內(nèi)壁涂上陰極涂料構(gòu)成，陽極為置于光電管中心的環(huán)形金屬板或置于柱面中心線的金屬柱。光電管的陰極受到適當?shù)恼丈浜蟊惆l(fā)射光電子，這些光電子被具有一定電位的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串入一適當阻值的電阻，則該電阻上將產(chǎn)生正比空間電流的電壓降，其值與照射在光電管陰極上的光成函數(shù)關(guān)系。光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。在玻璃管內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，尚裝有若干個光電倍增極，光電倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料。光電倍增極的形狀及位置設置得正好能使前一級倍增極發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊后一級倍增極，在每個倍增極間均依次增大加速電壓。設每級的培增率為δ，若有n級，則光電倍增管的光電倍增管的光電流倍增率將為δn。光電倍增極一般采用Sb-Cs涂料或Ag-Mg合金涂料，倍增極數(shù)常為4～14，δ值為3～6。一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用，但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。圖4-6

光電倍增管4．2．2內(nèi)光電效應光照射在半導體材料上，材料中處于價帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導帶，使導帶內(nèi)電子濃度和價帶內(nèi)空穴增多，即能量必須大于材料的禁帶寬度△Eg（圖4-7）才能產(chǎn)生內(nèi)光電效應，因此叫內(nèi)光電效應的臨界波長λO＝1293／△Eg（mm）。通常純凈半導體的禁帶寬度為1eV左右，例如鍺的△Eg

＝0.75eV，△Eg＝1.2eV。內(nèi)光電效應按其工作原理可分為兩種：光電導效應和光生伏特效應。半導體受到光照時會產(chǎn)生光生電子-空穴對，使導電性能增強，光線愈強，阻值愈低。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導效應，基于這種效應的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管與三極管；光生伏特效應是光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的效應。圖4-7

半導體能帶圖一、光敏電阻

光敏電阻是一種電阻器件，其工作原理如圖4-8所示。使用時，可加直流偏壓（無固定極性），或加交流電壓。光敏電阻中光電導作用的強弱是用其電導的相對變化來標志的。禁帶寬度較大的半導體材料，在室溫下熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對較少，無光照時的電阻（暗電阻）較大。因此光照引起的附加電導就十分明顯，表現(xiàn)出很高的靈敏度。光敏電阻常用的半導體有硫化鎘（CdS，禁帶寬度Eg＝2.4eV）和硒化銀（CdSe，禁帶寬度Eg＝l.8eV）等。敏感元件的電阻可表示為：

（式4-15）式中為長度，為敏感元面積，為電導率。光導探測器響應率正比于光照后電導率的相對變化，而后者又可表示為：（式4-16）式中：為量子效率，為自由載流子壽命；為遷移率，是電子電荷量，為探測器厚度。

從式中可看出，高響應率要求探測器有較高的量子效率，自由載流子壽命長，遷移率高，厚度應小。自由載流子壽命取決于復合過程，在一定程度上可由材料配方和雜質(zhì)含量來控制。自由載流子壽命是一個極其重要的參數(shù)，除影響響應率外，還影響探測器的時間常數(shù)。高響應率還要求探測器在無光子輻照時有較低的電導率，即將非光子效應產(chǎn)生的載流子數(shù)降低到最小。對長波響應的探測器材料，必須有小的禁帶寬度。但禁帶寬度小，在室溫下，無光照就會產(chǎn)生大量熱激發(fā)載流子，只能通過致冷探測器來解決。一般來講，如不致冷的話，大多數(shù)光電導探測器的響應波段不會超過3微米；響應波段在3到8微米的，要求中等致冷（77K）；響應超過8微米的，要求致冷到絕對溫度幾度。當光導探測器面積一定時，高響應率需要高的量子效率，以便盡可能利用所有入射光子，可在敏感元后面設反射器或敏感元表面鍍增透膜。

二、光敏二極管與光電池

PN結(jié)可以光電導效應工作，也可以光生伏特效應工作。如圖4-9所示，處于反向偏置的PN結(jié)，在無光照時具有高阻特性，反向暗電流很小。當光照時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，在結(jié)電場作用下，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動，形成光電流，方向與反向電流一致。光的照度愈大，光電流愈大。由于無光照時的反偏電流很小，一般為納安數(shù)量級，因此光照時的反向電流基本上與光強成正比。光敏二極管光伏探測器受到輻照后，其伏安特性曲線特性將會下移，如圖4-10所示。圖4-9光伏型探測器的幾何模型

圖4-10P-N結(jié)光二極管工作簡圖

設信號的輻射通量為，則光電流為：

（式4-17）式中：為量子效率，為電子電荷量。

使用時可選擇合適的工作點。一般說來，光伏探測器工作于短路狀態(tài)時，即零偏壓狀態(tài)，能產(chǎn)生最佳信噪比。有時也對光伏探測器加適當?shù)姆聪蚱?，加反向配置能增加耗盡層的厚度，從而減小時間常數(shù)，探測器有較好的高頻特性。硅光電池是用單晶硅制成的，在一塊N型硅片上用擴散方法滲入一些P型雜質(zhì)，從而形成一個大面積PN結(jié)I層極薄能使光線穿透到PN結(jié)上。硅光電池也稱硅太陽能電池，為有源器件，它輕便、簡單，不會產(chǎn)生氣體污染或熱污染，特別適用于宇宙飛行器作儀表電源。硅光電池轉(zhuǎn)換效率較低，適宜在可見光波段工作。三、光敏三極管

它可以看成是一個eb結(jié)為光敏二極管的三極管。在光照作用下，光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，該電流信號被晶體三極管放大。顯然，在晶體管增益為β時，光敏三極管的光電流要比相應的光敏二極管大β倍。光敏二級管和三極管均用硅或鍺制成。由于硅器件暗電流小、溫度系數(shù)小，又便于用平面工藝大量生產(chǎn)，尺寸易于精確控制，因此硅光敏器件比鍺光敏器件更為普通。光敏三極管4．2．3熱探測器熱探測器也通稱為能量探測器，其原理是利用輻射的熱效應，通過熱電變換來探測輻射。入射到探測器光敏面的輻射被吸收后，引起響應元的溫度升高，響應元材料的某一物理量隨之而發(fā)生變化。利用不同物理效應可設計出不同類型的熱探測器，其中最常用的有電阻溫度效應（熱敏電阻）、溫差電效應（熱電偶、熱電堆）和熱釋電效應。 由于各種熱探測器都是先將輻射轉(zhuǎn)化為熱并產(chǎn)生溫升，而這一過程通常很慢，熱探測器的時間常數(shù)要比光子探測器大得多。熱探測器性能也不象光子探測器那樣有些已接近背景極限。即使在低頻下，它的探測率要比室溫背景極限值低一個數(shù)量級，高頻下的差別就更大了。因此，熱探測器不適合用于快速、高靈敏度的探測，熱探測器的最大優(yōu)點是光譜響應范圍較寬且較平坦。一、熱敏電阻嚴格地說，利用輻射熱效應而引起電阻變化的熱探測器應稱之為測熱輻射計（Bolometer），俗稱熱敏電阻。圖4-11直流工作的橋式輻射熱測量探測器電路

圖4-12輻射熱測量計電路

當用橋式測量電路時，如圖4-11所示，兩個熱敏電阻具有相同的溫度特性，分別用于測量和補償。當環(huán)境溫度變化時，不會破壞電橋的平衡。用較為簡單的測量電路時，如圖4-12所示，只有熱敏電阻電壓的變化量才能通過耦合電容傳給信號放大電路。當照射到熱敏電阻的輻射發(fā)生變化時，引起溫度變化有一個時間延遲，此延遲取決于熱敏電阻內(nèi)部的熱學結(jié)構(gòu)，用熱平衡方程可表達為：（式4-18）式中:-入射輻射功率增量W；

-探測元溫度增量K；

-探測元有效熱導WK^-1；

-探測元熱容，JK^-1.

公式的物理意義是：入射的輻射功率一部分通過傳導和輻射方式耗散，具體取決于探測元的熱導；另一部分以蓄熱方式儲存起來，該部分取決于探測元的熱容，如入射輻射按正弦變化（式4-19）

該微分方程的穩(wěn)定解為：

（式4-20）響應元電阻變化為（式4-21）

式中：響應元電阻，溫度系數(shù)，

響應元比輻射率（即吸收率）；

熱容與有效熱導之比，即熱時間常數(shù)，單位秒。

此公式與RC低通濾波電路的表達形式很相似，只是RC電路的時間常數(shù)為電容和電阻乘積，即電容與電導之比。公式清楚地表明：要減小熱時間常數(shù)，響應元應有較小的熱容和較大的熱導（或較小的熱阻）。但是，熱導大即熱阻小，意味著同樣的入射輻射功率產(chǎn)生較小的溫升，就會影響響應率。因此，熱敏電阻響應元通常具有薄片狀結(jié)構(gòu)，以增大接收面積和減小熱容量。用熱特性不同的基片，熱敏電阻的時間常數(shù)可為1毫秒至50毫秒。熱敏電阻通常由高溫度系數(shù)的金屬氧化物燒結(jié)而成，由于材料本身吸收不是很好，制作時必須黑化。熱敏電阻噪聲主要是噪聲和熱噪聲，對于有最佳信噪比的大偏置電流的情況，主要是噪聲。偏置電流足夠小時，熱噪聲起主要作用，此時，熱敏電阻的噪聲譜是平直的，僅依賴于響應元的電阻和溫度。二、熱釋電探測器 凡是有自發(fā)極化的晶體，其表面會出現(xiàn)面束縛電荷，而這些面束縛電荷平時被晶體內(nèi)部和外部來的自由電荷所中和，因此在常態(tài)下呈中性。如果交變的輻射照射在光敏元上，則光敏元的溫度、晶片的自發(fā)極化強度以及由此引起的面束縛電荷的密度均以同樣頻率發(fā)生周期性變化。如果面束縛電荷變化較快，自由電荷來不及中和，在垂直于自發(fā)極化矢量的兩個端面間會出現(xiàn)交變的端電壓。

圖4-13熱釋電探測器原理電路及等效電路（a）原理電路；（b）等效電路

Ip-熱釋電流；R0-探測器內(nèi)阻;C0-極間電容R1-前置放大器的輸入電容;C1-輸入電容與所有熱探測器一樣，熱釋電探測器的工作原理可以用三個過程來描述：輻射→熱為吸收過程，熱→溫度為加熱過程，溫度→電則為測溫過程，加熱過程與熱敏電阻、熱電偶是類似的。

熱釋電材料有單晶、陶瓷、薄膜等種類。單晶熱釋電晶體的熱釋電系數(shù)高、介質(zhì)損耗小，是至今性能最好的熱釋電探測器大多選用單晶制作，如TGS、LATGS、LiTaO3等；陶瓷熱釋電晶體成本較低，響應較慢，如入侵報警用PZT陶瓷探測器工作頻率為0.2～5Hz；薄膜熱釋電材料可以用濺射法、液相外延等方法制備，有些薄膜的自發(fā)極化取向率已接近單晶水平。由于薄膜一般可以做得很薄，因而對于制作高性能的熱釋電探測器十分有利。熱釋電探測器光譜響應范圍很寬，可以非致冷工作，已廣泛用于輻射測量。由于探測器性能均勻、功耗低、成像型的熱釋電面陣有很好的應用前景。表4-5商用光子探測器和熱探測器常見的有光子探測器熱探測器本征,PVMCT熱敏V2O5Si,Ge多晶SiGeInGaAs多晶SiInSb,InAsSbAmorphSi本征,PCMCT熱電堆Bi/SbPbS,PbSe熱釋電LithiumTantalite(LiTa)非本征SiXLeadZirconiumTitanite(PbZT)光發(fā)射PtSiBariumStrontiumTitanite(BST)量子阱GaAs/AlGaAs熱容Bimetals4．3光電器件的特性光電傳感器的光照特性、光譜特性以及峰值探測率、響應時間等幾個主要參數(shù)，都取決于光電器件的性能。為了合理選用光電器件，有必要對其主要特性，作一簡要介紹。

4．3．1光照特性光電器件的靈敏度可用光照特性來表征，它反映了光電器件輸入光量與輸出光電流（光電壓）之間的關(guān)系。光敏電阻的光照特性呈非線性，且大多數(shù)如圖4-14（a）所示。因此不宜作線性檢測元件，但可在自動控制系統(tǒng)中用作開關(guān)元件。（a）（b）（c）圖4-14光電器件的光照特性（a）光敏電阻；（b）光敏二極管；（c）硅光電池光敏晶體管的光照持性如圖4-14（b）所示。它的靈敏度和線性度均好，因此在軍事、工業(yè)自動控制和民用電器中應用極廣，既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。光電池的光照特性如圖4-14（c）所示，短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系。開路電壓與光照度的關(guān)系呈非線性，在照度2000lx以上即趨于飽和，但其靈敏度高，宜用作開關(guān)元件。光電池作為線性檢測元件使用時，應工作在短路電流輸出狀態(tài)。由實驗知，負載電阻愈小，光電流與照度之間的線性關(guān)系愈好，且線性范圍愈寬。對于不同的負載電阻，可以在不同的照度范圍內(nèi)使光電流與光照度保持線性關(guān)系。故用光電池作線性檢測元件時，所用負載電阻的大小應根據(jù)光照的具體情況而定。

光照特性常用響應率R來描述。對于光生電流器件，輸出電流Ip

與光輸入功率Pi之比，稱為電流響應率RI，即（式4-22）

對于光生伏特器件，輸出電壓與光輸入功率Pi之比，稱為電壓響應率RV，即

（式4-23）4．3．2光譜特性光電器件的光譜特性是指相對靈敏度K與入射光波長λ之間的關(guān)系，又稱光譜響應。光敏晶體管的光譜特性如圖4-15（a）所示。由圖可知，硅的長波限為1.lμm，鍺為1.8μm，其大小取決于它們的禁帶寬度。

圖4-15光電器件的光譜特性（a）光敏晶體管；（b）光敏電阻；（c）光電池

短波限一般在0.4～0.5μm附近，這是由于波長過短，材料對光波的吸收劇增，使光子在半導體表面附近激發(fā)的光生電子-空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。硅器件靈敏度的極大值出現(xiàn)在波長0.8～0.9μm處，而鍺器件則出現(xiàn)在1.4～1.5μm處，都處于近紅外光波段。采用較淺的PN結(jié)和較大的表面，可使靈敏度極大值出現(xiàn)的波長和短波限減小，以適當改善短波響應。光敏電阻和光電池的光譜特性如圖4-15（b）和圖4-15（c）所示。由光譜特性可知，為了提高光電傳感器的靈敏度，對于包含光源與光電器件的傳感器，應根據(jù)光電器件的光譜特性合理選擇相匹配的光源和光電器件。對于被測物體本身可作光源的傳感器，則應按被測物體幅射的光波波長選擇光電器件。4．3．3響應時間光電器件的響應時間反映它的動態(tài)特性，響應時間小，表示動態(tài)特性好。對于采用調(diào)制光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響應時間的限制。光敏電阻的響應時間一般為10－1～10－3s，光敏晶體管約為2×10－5s，光敏二極管的響應速度比光敏三極管高一個數(shù)量級，硅管比鍺管高一個數(shù)量級。圖4-16為光敏電阻、光電池及硅光敏三極管的頻率特性。

圖4-16光電器件的頻率特性（a）光敏電阻；（b）光電池；（c）硅光敏三極管4．3．4峰值探測率峰值探測率源出于紅外探測器，后來沿用到其它光電器件。無光照時，由于器件存在著固有的散粒噪聲以及前置放大器輸入端的熱噪聲，光探測器件將產(chǎn)生輸出，這一噪聲輸出常以噪聲等效功率PNE表征。PNE定義為：產(chǎn)生與器件暗電流大小相等的光電流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能產(chǎn)生信號噪聲比為1的幅射功率值。PNE與光敏器件的有效光敏面積A和探測系統(tǒng)帶寬紂有關(guān)，而且是平方律關(guān)系。因此探測器件的性能常用峰值探測率D*表征，D*值大，噪聲等效功率小，光電器件性能好。即（式4-24）

光電二極管的暗電流是反向偏置飽和電流，而光敏電阻的暗電流是無光照時偏置電壓與體電阻之比。一般以暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲計算器件的PNE

（式4-25）

式中:-電子電荷（1.6×10－19C）；

-暗電流（A）；

-電流響應率（A·W－1）4．3．5溫度特性溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時對光譜特性也有很大影響。一般來說，光敏器件的光譜響應峰值隨溫度升高而向短波方向移動。因此，采取降溫措施，往往可以提高光敏電阻對長波長的響應。在定溫條件下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變，因此高精度檢測時有必要進行溫度補償或使它在恒溫條件下工作。4．4探測器噪聲和低噪聲電子設計

4．4．1噪聲 研究噪聲的目的是為了了解傳感器系統(tǒng)，特別是光電系統(tǒng)所受的限制，這里所說的噪聲是指探測器、電路元件產(chǎn)生的隨機電起伏。本質(zhì)上講，大多數(shù)物理量都是不連續(xù)的或顆粒狀的。例如：電流是由電子流組成的，每一個電子都帶有一份獨立的電荷，電子通過電路中某一點的速率的隨機起伏，就表現(xiàn)為電噪聲。圖4-17隨機噪音的記錄圖電噪聲是一種隨機變量，在任一瞬間，隨機噪聲的幅度和該瞬時前后出現(xiàn)的幅度完全無關(guān)，只能用統(tǒng)計的方法去表示某一幅值出現(xiàn)的概率。我們可以用一定時間間隔內(nèi)，電壓（或電流）的均方根差來表示噪聲電壓（或噪聲電流）。即（式4-26）（式4-27）

更確切地，可稱之為均方根噪聲電壓或均方根噪聲電流。如果電路中存在兩個或更多獨立的噪聲源，其總效果可將各個噪聲源的噪聲功率相加，也就是將噪聲電壓（或噪聲電流）的平方相加得到,而噪聲電壓或噪聲電流是不可以直接相加的。不同類型噪聲的功率頻譜也不盡相同，可用譜密度來表示。譜密度可表示為單位帶寬的噪聲功率(噪聲電壓平方)，也可表示為單位根號帶寬內(nèi)的噪聲電壓，即

或。4．4．2探測器噪聲的類型不僅響應率會隨輻射頻率變化，探測率也會隨輻射頻率變化,因為（式4-28）

與的關(guān)系與探測器噪聲的類型有關(guān)，對于受白噪聲(噪聲大小與頻率無關(guān))限制的探測器，

與的關(guān)系和

與的關(guān)系有相同的形式；對于受其它形式噪聲限制的探測器，與

的關(guān)系往往與與的關(guān)系不同圖4-18光導體中總噪聲譜隨頻譜變化的曲線（1）Johnson噪聲也稱熱噪聲，存在于所有探測器,一個電阻器就是一個熱噪聲發(fā)生器。熱平衡時，電阻元件中的電荷載流子的隨機運動在元件兩端產(chǎn)生的隨機電壓。當電阻溫度上升時，電荷載流子的平均動能增加，則噪聲電壓增加。熱噪聲存在于所有探測器，其噪聲電壓可表達為：探測器噪聲從機理上區(qū)分大致有以下幾類：（式4-29）

熱噪聲的譜密度為

在給定溫度下，熱噪聲的噪聲電壓只與電阻有關(guān)，如果噪聲源是一個阻抗，則噪聲電壓只取決與阻抗的電阻部分，而與電容、電感部分無關(guān)。噪聲電壓與帶寬的平方根成正比，而與頻率高低無關(guān)，即熱噪聲的譜密度與頻率無關(guān)，故稱之為白噪聲。（2）溫度噪聲由于熱探測器敏感元件跟周圍的輻射交換或與散熱片之間的傳導交換，使敏感元件的溫度發(fā)生隨機起伏，而引起信號電壓的隨機起伏，這種噪聲稱為溫度噪聲。溫度噪聲僅在熱探測器中能觀察到，熱探測器性能的理論極限就是根據(jù)溫度噪聲計算的。（3）噪聲也稱調(diào)制噪聲或閃爍噪聲,產(chǎn)生的物理機理尚不清楚。噪聲對低頻段影響較大，可用來表征其功率譜，n取0.8～2。

(4)產(chǎn)生-復合噪聲產(chǎn)生-復合噪聲是敏感元件電荷載流子的產(chǎn)生率和復合率的統(tǒng)計起伏產(chǎn)生的噪聲。這種起伏可以由載流子與光子相互作用或背景光子到達率的隨機性而引起。如果背景光子起伏對產(chǎn)生-復合率的起伏起主要貢獻，那么這種噪聲也稱為光子噪聲、輻射噪聲或背景噪聲。產(chǎn)生-復合噪聲存在于所有光子探測器，對于光伏探測器，由于只有自由載流子產(chǎn)生率的起伏對噪聲有貢獻，光伏探測器的

值要比光子探測器小倍。

（5）散彈噪聲這種噪聲是由于流過PN結(jié)的自由電子和空穴的起伏產(chǎn)生的。表現(xiàn)為微電流脈沖，在外電路中表現(xiàn)為隨機噪聲或電壓，短路噪聲電壓可表達為：（式4-30）通常存在于光伏探測器和薄膜探測器，光導探測器由于沒有PN結(jié)，所以不存在散彈噪聲。探測器的總噪聲是以上各種噪聲的均方根，不同類型探測器，在不同頻率段，其主導作用的噪聲也是不同的。4．4．3低噪聲電子設計一、噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)也叫噪聲因素，是器件或電路對于噪聲的品質(zhì)因素。如一個放大電路的增益為G，則它的噪聲系數(shù)定義為：（式4-31）

由于

，代入上式，得

（式4-32）因為噪聲系數(shù)是功率比，所以也可用分貝表示，稱為對數(shù)噪聲系數(shù)。

（式4-33）

噪聲系數(shù)是放大器引起的信噪比惡化程度的量度。一個好的放大器是在源噪聲基礎上不增加噪聲的放大器，其噪聲系數(shù)F=1，或者說對數(shù)噪聲系數(shù)NF=1。低噪聲電子設計的目的是使實際放大器的噪聲系數(shù)接近這種理想的狀態(tài)。探測器輸出微弱信號通常需經(jīng)多級放大，我們可以導出級聯(lián)網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)，以分析系統(tǒng)的最重要的放大源在那里。設有兩級功率增益分別為

和的放大器級聯(lián)，它們單獨使用時噪噪聲系數(shù)分別為和,即

級聯(lián)后第一級的輸出噪聲（即第二級輸入噪聲）為：

第一級G1第二級G2級聯(lián)后總輸出噪聲可認為由兩部分組成，第一部分是第一級輸出噪聲放大倍后形成的噪聲，即

第二部分則是第二級放大器增加的噪聲。按的定義，當?shù)诙壿斎朐肼暈闀r輸出噪聲為

，由于其中的并不是增加

的噪聲，必須從

因此，級聯(lián)后總輸出噪聲為上述兩部分噪聲之和。

中扣除，才是第二級放大器增加的額外噪聲。兩級級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)為

（式4-34）

同樣，我們也可導出三級級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)為

（式4-35）

可得出的結(jié)論是：如果第一級增益高時，級聯(lián)網(wǎng)絡的噪聲系統(tǒng)主要受第一級噪聲的影響。探測器信號放大電路的第一級通常為高增益的低噪聲放大器，稱為前置放大器，后級主放大器增益較低，對低噪聲的要求也較低。

二、最佳源電阻

前置放大電路用于對探測器輸出微弱電流或電壓信號的放大，通常要求前放的噪聲系數(shù)接近1，即前放輸出的信噪比盡量接近探測器輸出的信噪比。這樣即前放在放大過程中引入的噪聲，相對于探測器噪聲而言可以忽略。

為研究前置放大器對探測器輸出信噪比的影響，可以建立放大器的噪聲模型。即將它等效為一個無噪聲放大器，但是在輸入端串聯(lián)一個的零阻抗噪聲電壓源

和并聯(lián)一個阻抗無

。探測器可視為一個電

壓源

，其源電阻

產(chǎn)生的熱噪聲用噪聲電壓源

表示。

（式4-36）

圖4-19放大器的噪聲模型和信號源這三個噪聲源又可用等效輸入噪聲

表示，即用位于

的一個噪聲源代替所有的系統(tǒng)噪聲源。如果

、、和、都是均方根值，不相關(guān)的噪聲源疊加可將它們的噪聲功率簡單相加，即為：（式4-37）

這里

是接上探測器后放大器輸出噪聲折算至輸入端的等效噪聲，

之比即放大器的噪聲系數(shù)，低噪聲設計目的是使

與探測器噪聲

盡量接近。

圖4-20從圖4-20中可以看出：放大器噪聲系數(shù)與源電阻有關(guān)。中的放大器噪聲在源電阻較小時主要表現(xiàn)為電壓噪聲；當源電阻較大時，主要是電流噪聲起作用。

當

時，總等效輸入噪聲最靠近熱噪聲曲線。此時，放大器在探測器熱噪聲的基礎上增加的噪聲最小，噪聲系數(shù)最小。

稱為最佳源電阻，最佳源電阻不是功率傳輸最大時的電阻，它和放大器的輸入阻抗沒有直接關(guān)系，它是由放大器的噪聲機構(gòu)決定的。三、晶體管噪聲如果不能忽略下一級噪聲，前置放大器應提供足夠的增益，以抑制下一級噪聲的貢獻。在這種情況下，輸入晶體管是影響讀出電路噪聲的主要因素。用于低噪聲放大的晶體管有雙極晶體管（BJT）、結(jié)型場效應管(JFET)和金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）。MOSFET的工作溫度范圍、功率和噪聲特性較好，許多現(xiàn)代讀出集成電路都是由用CMOS工藝制造的MOSFET和其他組件組成。一個有噪聲的晶體管放大器同樣可以等效為輸入端串聯(lián)了一個噪聲電壓源和并聯(lián)了一個噪聲電流源的無噪聲放大器。下圖給出了共發(fā)射極或共源極BJT、JFET和MOSFET放大器噪聲電壓、噪聲電流的頻譜?？梢钥闯?，它們的最佳源電阻不同：BJT最低，JFET次之，MOSFET最高。最佳源電阻不同，與之匹配的探測器源電阻的范圍也有所不同。按阻抗可把探測器分為兩類：其一為低阻抗探測器（低于10kΩ），如長波紅外HgCdTe光導探測器；其二為高阻抗探測器（大于10kΩ），如光伏、非本征硅及硅化鉑探測器。對于通常具有10MΩ以上阻抗的光伏探測器，MOSFET的噪聲比探測器熱噪聲小。然而，對阻抗低于100kΩ的探測器，如低電阻的光導探測器，MOSFET并不是最佳選擇。在這種情況下，最好選擇雙極晶體管。

JFET常用于分立元件的放大器中，接小于100MΩ的探測器，即使在室溫下，也比MOSFET有更好的性能，并且，因為散粒噪聲引起的輸入偏置電流隨溫度降低明顯地減小，低溫JFET具有較好地低噪聲性能，可匹配阻抗大于100MΩ地探測器。四、常用前置放大器的噪聲前置放大器通常采用電壓放大和電流電壓放大（互阻抗）兩種形式。圖4-21根據(jù)線性網(wǎng)絡迭加原理，電壓放大器的等效輸入噪聲電壓

為：

（式4-38）

其中

是放大器輸入電阻和探測器電阻（源電阻）的并聯(lián)?？梢钥闯觯糯笃髟肼曤娏鞯挠绊戨S源電阻增大而增大，而放大器噪聲電壓的影響隨源電阻增大而減小。因此，設計低噪聲電壓放大器時，如探測器阻抗較低，應選用噪聲電壓較低的運放；如探測器阻抗較高，則應選用噪聲電流較低的運放。電流電壓放大器的噪聲性能一般用等效輸入噪聲電流來表示，這僅是表達方式不同，上面的結(jié)論依然成立。（式4-39）

在有用的系統(tǒng)帶寬內(nèi)，

和

可能不是白噪聲，

因此，前置放大器輸出的均方根電壓噪聲應表達為積分形式。自然是頻率的函數(shù)。電壓放大器：

其中：

為放大器的電壓增益。

電流電壓放大器：

其中：

為放大器的跨阻。

對于探測器、放大器組件，總的均方根噪聲功率是放大器噪聲、探測器噪聲和光子噪聲功率之和：（式4-40）

五、微弱信號檢測（WeakSignalDetection）技術(shù)概述對于眾多的微弱量（如弱光、小位移、微震動、微溫差、弱磁、弱聲、微電流、低電壓及弱流量等等），一般都通過各種傳感器作非電量的轉(zhuǎn)換，使檢測對象轉(zhuǎn)變成電量（電流或電壓）。但當檢測量甚為微弱時，由微弱物理量本身的漲落、傳感器本底與測量儀器噪聲的影響，被測的有用的電信號被強于數(shù)千甚至數(shù)十萬倍的噪聲所淹沒微弱信號。因此，微弱信號檢測是一種專門與噪聲作斗爭的技術(shù)。只有抑制噪聲，才能取出信號，噪聲對于弱檢測幾乎是無處不在，無地沒有，它總是與信號共存。微弱信號檢測的目的，就是利用電子學的、信息論的和物理學的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特征和相關(guān)性，采取必要的手段檢測被背景噪聲覆蓋的弱信號。它的任務是發(fā)展微弱信號檢測的理論，探索新的方法和原理，研制新的檢測設備以及在各學科領(lǐng)域中的推廣應用。噪聲與干擾：噪聲的定義是有害信號。它普遍存在于測量系統(tǒng)之中，因而妨礙了有用信號的檢測，成為限制測量信號的主要因素。除噪聲之外，實際的測量之中，還存在干擾，它與噪聲有本質(zhì)的區(qū)別。噪聲由一系列隨機電壓組成，其頻率和相位都是彼此不相干的，而且連續(xù)不斷；而干擾通常都有外界的干擾源，是周期的或瞬時的、有規(guī)律的。無論是噪聲還是干擾，他們都是有害信號，有時為方便，統(tǒng)稱噪聲。在微弱信號檢測中，往往是噪聲電平遠遠大于測量信號，即信號“深埋”（或稱“淹沒”）于噪聲之中。產(chǎn)生噪聲的噪聲源有很多類型，主要有信號源電阻的熱噪聲、接收及處理信號儀器的電路產(chǎn)生的噪聲、電源和環(huán)境干擾等。由于信號特點不同，檢測方法亦異，微弱信號檢測一般有三條途徑：一是降低傳感器與放大器的固有噪聲，盡量提高其信噪比；二是研制適合微弱信號檢測原理并能滿足特殊需要的器件；三是利用微弱信號檢測技術(shù)，通過各種手段提取信號。這三者缺一不可，但主要還是第三條，即研究其檢測方法。由于檢測方法必須根據(jù)信號的特點與之相適應，因此在發(fā)展檢測方法的過程中也就發(fā)展了微弱信號檢測這門技術(shù)。目前，微弱信號檢測的基本方法有以下幾種：

1、相干檢測：它是一種頻域信號的窄帶化處理方法，也是一種積分過程的相關(guān)測量。它利用信號與外加參考信號的相干特性，而這種特性卻是隨機噪聲所不具備的。典型的儀器設備是以相敏檢波器（PSD）為核心的鎖定放大器（簡稱LIA）。鎖定放大器問世以來其性能不斷提高。

2、時域信號的平均處理：它是根據(jù)時域特征的取樣平均來改善信噪比并恢復波形的測量。對于任何重復的信號波形，在其出現(xiàn)期間只取一個樣本，并在固定的取樣間隔內(nèi)重復m次，由法則可知，信噪比改善。若將所描述的信號按時間順序劃分為n個間隔，將每個間隔的平均結(jié)果記錄下來，便能使噪聲污染的信號波形得到恢復。其代表性的儀器有Boxcar平均器或稱取樣積分器，這類儀器的缺點是取樣效率低，不能充分利用信號波形，其次是不利于低重復頻率的信號的恢復，從而限制了它的使用。隨著微型計算機應用的發(fā)展，出現(xiàn)了信號多點數(shù)字平均技術(shù)，可最大限度地抑制噪聲或節(jié)約時間，并能完成多種模式的平均功能。

3、離散信號的計數(shù)處理：在被檢測的信號中，有時卻是隨機的或按概率分布的離散信息。例如當光非常微弱時，它呈離子性，成為量子化的光子。光子是沒有質(zhì)量只有動量的離子，其能量為。

單位時間內(nèi)的光子既非同時發(fā)射，亦非順序到達，而是滿足一定的概率分布。在檢測這些離散量時能否逐一分開，全部記錄，如何修正其堆積過程，如何排除噪聲，這些問題便是微弱信號檢測的又一課題。計算機處理方法：隨著計算機的普及與發(fā)展，原來在微弱信號檢測中需要用硬件來完成的檢測系統(tǒng)，現(xiàn)在可以用軟件來實現(xiàn)。利用計算機進行曲線擬合、平滑、數(shù)字濾波、快速傅立葉變換（FFT）及譜估計等方法處理信號，提高了信噪比，實現(xiàn)了微弱信號檢測的要求。4．5新型光電檢測器隨著制造工藝的不斷完善，特別是集成電路技術(shù)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了一批新型光電器件，以滿足不同應用領(lǐng)域的需要，本節(jié)將著重介紹幾種典型的新器件。4．5．1光位置傳感器（PSD）當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應。當光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子-空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢。基于該效應的光電器件如半導體光電位置敏感器件（PSD），如圖4-22：圖4-22光位置傳感器原理當光照射到硅光電二極管的某一位置時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生的空穴載流子向P層漂移，而光生電子則向N層漂移。到達P層的空穴分成兩部分：一部分沿表面電阻R1流向1端形成光電流I1；另一部分沿表面電阻R2流向2端形成光電流I2。當電阻層均勻時，R2／R1＝x2／x1，則光電流（I1/I2）＝（R2／R1）＝x2／x1，故只要現(xiàn)出I1和I2便可求得光照射的位置。圖4-23光平面位置測試器原理（a）器件，結(jié)構(gòu)（b）等效電路，（c）讀取電路框圖

上述原理同樣適用于二維位置檢測，其原理如圖4-23所示。a、b極用于檢測x方向，a＇、b＇極用于檢測y方向。光位置檢測器在機械加工中可用作定位裝置，也可用來對振動體、回轉(zhuǎn)體作運動分析及作為機器人的眼睛。4．5．2量子阱探測器(QWIP)

量子阱探測器(QWIP)：將兩種半導體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱A層內(nèi)，能量量子化，稱為量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。圖4-24半導體超晶格的層狀結(jié)構(gòu)白圈和灰圈代表兩種材料的原子

量子阱紅外光子探測器（QWIP）是由非常薄的兩種半導體材料（如GaAs和AlxGa1-xAs）晶體層交疊而成的超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱GaAs層（如GaAs）內(nèi)，能量量子化，稱為量子阱。采用分子束外延技術(shù)可將GaAs、AlxGa1-xAs晶體層的厚度控制到幾分之一的分子層的精度。

GaAs材料的帶隙為1.35電子伏特，通常不能制造波長大于0.92微米的探測器。但量子阱內(nèi)電子可處于基態(tài)或初激發(fā)態(tài)，即處于兩種子能帶，子能帶之間的帶隙較小。在光子激發(fā)下，電子由基態(tài)躍遷到初激發(fā)態(tài)。器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)可保證受激載流子能從勢阱頂部逸出，并在電場的作用下，被收集為光電流。

QWIP響應的峰值波長是由量子阱的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級差決定的，它的光譜響應與本征紅外探測器不同，QWIP的光譜響應峰較窄、較陡。但它的峰值波長、截止波長可以靈活、連續(xù)地剪裁，在同一塊芯片上制造出雙色、多色的成像面陣。與其它光子探測器相比，QWIP獨特之處首先在于它的響應特性可通過制造理想的束縛能級的方法來修正。改變晶體層的厚度可改變量子阱的寬度，改變AlGaAs合金中Al的分子比，可改變勢阱高度，從而在較大范圍內(nèi)調(diào)整子能帶之間的帶隙，探測器就可以響應3至20微米的輻射。量子阱探測器的缺點是光譜響應峰較窄。由于QWIP采用了GaAs生長和處理的成熟技術(shù)，可以制作成大規(guī)模的成像面陣。研制寬波段的紅外大規(guī)模面陣是發(fā)展趨勢，如8～14微米、100萬象素的量子阱成像面陣?？梢灶A見，屆時紅外相機和可見光CMOS相機的差距將大大縮小。4．5．3光電磁探測器如圖4-25所示，將半導體材料置于磁場中，能量足夠的光子垂直入射到半導體上，通過本征吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。由于材料的吸收作用，光強隨著進入材料的深度呈指數(shù)規(guī)律下降，所以在半導體樣品內(nèi)形成光生載流子濃度梯度，于是光生載流子將從濃度大的表面向濃度小的體內(nèi)擴散，在擴散過程中光生載流子切割磁力線。由于帶相反電荷的電子和空穴向相同的方向運動以及磁場產(chǎn)生的洛倫茲力的作用，電子和空穴分別向樣品的兩端偏轉(zhuǎn)，于是在半導體材料兩端產(chǎn)生累積電荷，從而建立起一個電場，這就是光磁電效應。

圖4-25光磁電（PEM）效應光電磁探測器由本征半導體材料薄片和稀土永久磁鐵組成，它不需要電偏置。這類探測器不需致冷，可響應到7微米。主要特點是時間常數(shù)很小，可小于1ns。由于光電磁探測器的探測率比光導和光伏型的低得多，一般很少使用。

4．5．4固態(tài)圖像傳感器圖像傳感器是對光敏陣列元件具有自掃描功能的攝像器件，它與傳統(tǒng)的電子束掃描真空攝像管相比，具有體積小、重量輕、使用電壓低（＜20V）、可靠性高和不需要強光照明等優(yōu)點。因此，在軍用、工業(yè)控制和民用電器中均有廣泛使用。電荷耦合器件CCD（Charge-Coupleddevice）與互補金-氧半導體電路CMOS（ComplementaryMetal–Oxide–Semiconductor）傳感器是當前被普遍采用的兩種圖像傳感器，將光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖象，而其主要差異是電信號傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。一、深耗盡狀態(tài)和表面勢阱所謂MOS，即Metal-0xide-Semicondudor(金屬-氧化物-半導體)的縮寫。MOS電容結(jié)構(gòu)如圖4-26所示，其中金屬為MOS結(jié)構(gòu)的電極，稱為“柵極”(此柵極材料通常不是用金屬而是用能夠透過一定波長范圍光的多晶硅薄膜制造)。半導體作為襯底電極，在兩電極之間有一層SiO2絕緣體。

MOS電容上沒加電壓時，半導體的能帶結(jié)構(gòu)如圖圖4-27(a)所示，從界面層到內(nèi)部能帶都是一樣的，即所謂平帶條件。若在金屬-半導體間加正電壓Uc，對P型半導體來說，空穴受排斥離開表面而留下受主雜質(zhì)離子，使半導體表面層形成帶負電荷的耗盡層，在耗盡層中電子能量從體內(nèi)到界面由高向低彎曲，如圖4-27(b)所示。當柵壓Uc增大超過某特征值Uth(閾值)時，能帶進一步向下彎曲，以至使半導體表面處的費米能級高于禁帶中央能級，半導體表面聚集電子濃度大大增加，形成反型層，把Uth稱為MOS管的開啟電壓(或閾值電壓)。由于電子大量集聚在電極下的半導體處，并具有較低的勢能，可形象地說半導體表面形成對電子的勢阱，能容納聚集電荷，其示意圖如圖4-27(c)所示，如果沒有外來電荷，則勢阱聚集熱效應電子，但熱電子聚集是很緩慢的。

圖4-26MOS電容的結(jié)構(gòu)（a）N溝；（b）P溝1-金屬2-絕緣層SiO2

圖4-27MOS電容的能帶圖（a）平帶條件；（b）出現(xiàn)耗盡層，0<Uc<Uth；（c）出現(xiàn)反型層，Uc>Uth-導帶底能量

-禁帶中央能級

-費米能級圖4-28信號電荷勢阱二、CCD的基本原理

CCD器件就是由大量的在同一襯底上集成的MOS電容陣列。CCD的基本功能就是要具有在勢阱中存儲信號電荷，并將其轉(zhuǎn)移的能力，故CCD又可稱移位寄存器。為了實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)移，必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以至相鄰MOS電容的階勢可相互溝通，即相互耦合。一般MOS電容電極間隙小到3μM以下，通過改變柵極電壓可控制勢阱高低，使信號電荷可由勢阱淺的地方流向勢阱深的地方。為了讓電荷按規(guī)定的方向轉(zhuǎn)移，在MOS電容陣列上加滿足一定相位要求的驅(qū)動時鐘脈沖電壓。

CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約120nm的SiO2層，再在SiO2層上依一定次序沉積金屬（Al）電極而構(gòu)成金屬-氧化物-半導體（MOS）的電容式轉(zhuǎn)移器件。這種排列規(guī)則的MOS陣列再加上輸入與輸出端，即組成CCD的主要部分，如圖4-29所示。圖4-29組成CCD的MOS結(jié)構(gòu)當向SiO2上表面的電極加一正偏壓時P型硅襯底中形成耗盡區(qū)，較高的正偏壓形成較深的耗盡區(qū)、其中的少數(shù)載流子--電子被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖4-29中Φ電極下），形成電荷包，人們把加偏壓后在金屬電極下形成的深耗盡層謂之“勢階”。耗盡層內(nèi)存儲少數(shù)載流子。對于P型硅襯底的CCD