光源與光電探測(cè)器

光源與光電探測(cè)器第一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五第1章光源與光電探測(cè)器第二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五光源應(yīng)用科學(xué)研究共用應(yīng)用物質(zhì)成分分析材料結(jié)構(gòu)研究光電檢測(cè)照明工程第三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五能把光輻射量轉(zhuǎn)換為另一種便于測(cè)量的物理量的器件光輻射量光電探測(cè)器電信號(hào)光探測(cè)器光子探測(cè)器光電探測(cè)器的物理效應(yīng)光子效應(yīng)光熱效應(yīng)熱探測(cè)器第四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1光電信息技術(shù)中常用的光源一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無論是天然的，還是人造的，都稱為光源。天然光源是自然界中存在的，如太陽、恒星等，在天文學(xué)電探測(cè)中，常常會(huì)遇到這些光輻射的測(cè)量。人造光源是人為將各種形式能量（熱能、電能、化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源。在一般光電測(cè)量系統(tǒng)中，電光源是最常見的光源。第五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.1光源的基本特性參數(shù)1.輻射效率和發(fā)光效率

在給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率相應(yīng)地，對(duì)于可見光范圍，某一光源的發(fā)光效率ηv為所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的光效率，即第六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五2.光譜功率分布

§4.1.1光源的基本特性參數(shù)自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對(duì)光譜功率分析。光源種類發(fā)光效率(lm.W-1)光源種類發(fā)光效率(lm.W-1)普通鎢絲燈8-18高壓汞燈30-40鹵鎢燈14-30高壓鈉燈90-100普通熒光燈35-60球形氙燈30-40三基色熒光燈55-90金屬鹵化物燈60-80表1常用光源的發(fā)光效率第七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.1光源的基本特性參數(shù)圖中（a）稱為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細(xì)線組成，如低壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜，它由一些分開的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細(xì)譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。圖（c）為連續(xù)光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜，圖（d）是混合光譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。典型的光譜功率分布第八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.1光源的基本特性參數(shù)在選擇光源時(shí)，它的光譜功率分布應(yīng)由測(cè)量對(duì)象的要求來決定。在目視光學(xué)系統(tǒng)中，一般采用可見光譜輻射比較豐富的光源。對(duì)于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應(yīng)采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計(jì)中，通常使用氚燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強(qiáng)的光源，在光纖技術(shù)中，通常使用發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等光源第九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.1光源的基本特性參數(shù)3.空間光強(qiáng)分布

對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上，自原點(diǎn)向各徑向取矢量，矢量的長(zhǎng)度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的端點(diǎn)連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。超高壓球形氙燈的光強(qiáng)分布在有的情況下，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。為了進(jìn)一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點(diǎn)位于光源的發(fā)光中心上。第十頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.1光源的基本特性參數(shù)4.光源的色溫

黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對(duì)非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性來近似地表示。對(duì)于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。（1）分布溫度輻射源在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為第十一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五（2）色溫§4.1.1光源的基本特性參數(shù)若輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。輻射源發(fā)射光的顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對(duì)光譜功率分布不一定相同（3）相關(guān)色溫。對(duì)于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時(shí)的光源用相關(guān)色溫表示，在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。第十二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.1光源的基本特性參數(shù)5.光源的顏色光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表。比如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。當(dāng)用這種光源照射物體時(shí)，物體呈現(xiàn)的顏色（也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺）與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。第十三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.2熱輻射源（1）它們的發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進(jìn)行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們的發(fā)光或輻射性質(zhì)；（2）它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應(yīng)性強(qiáng)。但在通常情況下，紫外輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；（3）采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。任何物體只要其溫度大于絕對(duì)零度，就會(huì)向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的形式稱為熱輻射。（3）采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。第十四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.2熱輻射源熱輻射源應(yīng)用科學(xué)研究共用應(yīng)用照明光學(xué)系統(tǒng)---光源光電探測(cè)---光源光度或輻射度標(biāo)準(zhǔn)光源第十五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.2熱輻射源1.太陽

太陽可看成是一個(gè)直徑為1.392×109m的光球。它到地球的年平均距離是1.49×1011m．因此從地球上觀看太陽時(shí)，太陽的張角只有0.5330。大氣層外的太陽光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射。其平均輻亮度為2.01×l07Wm-2sr-1平均亮度為1.95×109cdm-2。太陽的光譜能量分布曲線第十六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.2熱輻射源射到地球上的太陽輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，使太陽輻射在光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等都發(fā)生了變化。大氣的吸收光譜比較復(fù)雜，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳?xì)浠衔?如CH4)等，都在不同程度上吸收了大陽輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)，在標(biāo)準(zhǔn)海平面上太陽的光譜輻射照度曲線，其中的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶．第十七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.2熱輻射源2.黑體模擬器

在許多軍用紅外光電信息技術(shù)和光電系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。黑體模擬器的結(jié)構(gòu)第十八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.2熱輻射源3.白熾燈

白熾燈是照明工程和光電測(cè)量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體射曲線相差約0.5%，而在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，白熾燈使用和量值復(fù)現(xiàn)方便，它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。第十九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.2熱輻射源圖(a)所示為BDQ型發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈，用來傳遞和復(fù)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度單位(cd)的量值。發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈是通過精確控制流過燈絲的直流電流，復(fù)現(xiàn)在規(guī)定的色溫下和在燈絲平面中心的法線方向上的光強(qiáng)度。圖(b)是BDT型光通量標(biāo)準(zhǔn)燈，用來傳遞和復(fù)現(xiàn)光通量值．光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，這樣使電壓與燈參數(shù)的變化曲線其光分布在各旋轉(zhuǎn)方向盡可能一致。圖(c)為BW型溫度標(biāo)準(zhǔn)燈，它的發(fā)光體是一條狹長(zhǎng)的鎢帶，當(dāng)通以電流時(shí)，鎢帶熾熱發(fā)光。主要工作在800～25000C范圍內(nèi)，復(fù)現(xiàn)和驗(yàn)定光學(xué)高溫計(jì)及某些以光學(xué)高溫計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)的溫度源，也可以代替能量標(biāo)準(zhǔn)燈使用。第二十頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.1.3氣體放電光源第二十一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)與噪聲第二十二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)響應(yīng)度是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入輻射功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器的光－電轉(zhuǎn)換效能。定義為光電探測(cè)器的輸出均方根電壓或電流與入射到光電探測(cè)器上的平均光功率之比1.響應(yīng)度---靈敏度第二十三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五RV和RI分別稱為光電探測(cè)器的電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度，由于光電探測(cè)器的響應(yīng)度隨入射輻射的波長(zhǎng)變化而變化，因此又有光譜響應(yīng)度和積分響應(yīng)度光電探測(cè)器本質(zhì)是一個(gè)外電壓偏置的電流輸出器件，通過負(fù)載電阻可改變?yōu)殡妷狠敵銎骷??！?.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第二十四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五2.光譜響應(yīng)度

光譜響應(yīng)度又叫單色響應(yīng)度，它表示不同波長(zhǎng)的單位輻射功率，輻射入射到一個(gè)探測(cè)器的敏感元上，探測(cè)器輸出強(qiáng)弱的不同。光譜響應(yīng)度用Rλ表示，是光電探測(cè)器的輸出電壓或者輸出電流與入射到探測(cè)器上單色輻射通量（光通量）之比Rλ是常數(shù)時(shí)，相應(yīng)探測(cè)器稱為無選擇性探測(cè)器(如光熱探測(cè)器)，光子探測(cè)器則是選擇性探測(cè)器?！?.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第二十五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五3.積分響應(yīng)度積分響應(yīng)度表示探測(cè)器對(duì)連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對(duì)包含有各種波長(zhǎng)的輻射光源，總光通量為光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應(yīng)度。由于光電探測(cè)器輸出的光電流是由不同波長(zhǎng)的光輻射引起的，所以輸出光電流為可得積分響應(yīng)度為§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第二十六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五4.響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。即當(dāng)入射輻射到光電探測(cè)器后或入射輻射遮斷后，光電探測(cè)器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。上升時(shí)間和下降時(shí)間§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第二十七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五由于光電探測(cè)器信號(hào)的產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過程，所以入射光輻射的頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)將會(huì)有較大的影響。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稱為頻率響應(yīng)。利用時(shí)間常數(shù)可得到光電探測(cè)器響應(yīng)度與入射輻射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達(dá)式為5．頻率響應(yīng)

一般規(guī)定，Rf下降到可得到放大器的上限截止頻率光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)曲線§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第二十八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比，即6．信噪比（S/N）

若用分貝（dB）表示，則為信號(hào)功率相同方可比較單個(gè)光電探測(cè)器，其S/N的大小與入射信號(hào)輻射功率及接收面積有關(guān)，若入射輻射強(qiáng)，接收面積大，S/N就大，但性能不一定好---局限性§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第二十九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五它定義為器件在特定帶寬內(nèi)（1Hz）產(chǎn)生的均方根信號(hào)電流恰好等于均方根噪聲電流值時(shí)的輸入通量，此時(shí)，其他參數(shù)，如頻率、溫度等應(yīng)加以規(guī)定。這個(gè)參數(shù)是在確定光電探測(cè)器件的探測(cè)極限（以輸入能量為瓦或流明表示）時(shí)使用。7．等效噪聲輸入（ENI）

§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五或稱最小可探測(cè)功率Pmin。它定義為探測(cè)器輸出的信號(hào)功率與噪聲功率之比為1時(shí)所需的入射到探測(cè)器上的輻射通量（單位為瓦），即8．噪聲等效功率（NEP）

一個(gè)良好的探測(cè)器NEP約為10－11W，NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。信號(hào)輻射功率小于噪聲等效功率，則探測(cè)器信號(hào)輸出小于噪聲，意味著探測(cè)器將無法感知目標(biāo)輻射。噪聲等效功率實(shí)際上就是探測(cè)器能夠探知的最小目標(biāo)輻射，標(biāo)志著一個(gè)探測(cè)器的靈敏度、噪聲等效功率越小，探測(cè)器靈敏度越高?！?.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五9．探測(cè)率D與比探測(cè)率D*

只用NEP無法比較兩個(gè)不同來源的光探器的優(yōu)劣。為此，引入兩個(gè)新的性參數(shù)—探測(cè)率D和比探測(cè)率D*探測(cè)率D又稱探測(cè)度，是探測(cè)器接收單位功率輻射所能獲得的信噪比，是NEP的倒數(shù)，作為探測(cè)器探測(cè)最小輻射信號(hào)能力的指標(biāo)。D愈大，光電探測(cè)器的性能愈好。所描述的特性是：光電探測(cè)器在它的電平之上產(chǎn)生一個(gè)可觀測(cè)的電信號(hào)的本領(lǐng)。即光電探測(cè)器能響應(yīng)的入射光功率越小，其探測(cè)能力越高§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五“D值大的探測(cè)器其探測(cè)能力一定好”的結(jié)論并不充分。？主要是探測(cè)器光敏面積A和測(cè)量帶寬Δf對(duì)D值影響甚大。通常情況下為了比較比較各種探測(cè)器的性能，需除去A、的差別所帶來的影響歸一化參數(shù)來表示§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五歸一化探測(cè)度D*大的探測(cè)器其探測(cè)能力一定好?？紤]到光譜的響應(yīng)特性，一般給出D*值時(shí)注明響應(yīng)波長(zhǎng)λ、光輻射調(diào)制頻率f及測(cè)量帶寬Δf，即D*(λ,f,Δf)?！?.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五10．噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬ΔfN是在噪聲計(jì)算中所討論的帶寬。反映系統(tǒng)對(duì)噪聲的選擇性。噪聲等效帶寬定義為一個(gè)矩形噪聲功率增益曲線的頻率間隔。矩形噪聲功率增益曲線與頻率坐標(biāo)圖圍成的面積等于實(shí)際噪聲功率增益曲線與頻率坐標(biāo)間的面積。此矩形的高為實(shí)際最大功率增益?！?.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五噪聲帶寬可表示為：11.暗電流Id

即光電探測(cè)器在沒有輸入信號(hào)和背景輻射時(shí)所流過的電流（加電源時(shí)）。一般測(cè)量其直流值或平均值。G(f)是功率增益；G0是最大功率增益；Av(f)是電壓增益；Av0是最大電壓增益?！?.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五12．量子效率

量子效率是評(píng)價(jià)光電器件性能的一個(gè)重要參數(shù)，它是在某一特定波長(zhǎng)上在單位時(shí)間內(nèi)光電探測(cè)器輸出的光電子數(shù)與這一特定波長(zhǎng)入射光子數(shù)之比。量子流速率N為量子流速率N即為每秒入射的光量子數(shù)§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)量子效率為§4.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五13．線性度

線性度是描述探測(cè)器的光電特性或光照特性曲線輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。線性度是輻射功率的復(fù)雜函數(shù)，是指器件中的實(shí)際響應(yīng)曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差來度量Δmax為實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合直線之間的最大偏差，I1和I2分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值?！?.2.1光電探測(cè)器的性能參數(shù)第三十九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.2光電探測(cè)器的噪聲因?yàn)樵诠怆娹D(zhuǎn)換過程中，半導(dǎo)體中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨(dú)立事件，是一種隨機(jī)的過程。每一瞬間出現(xiàn)載流子是不確定的，所以隨機(jī)起伏將不可避免地與信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)。尤其在信號(hào)較弱時(shí)，光電探測(cè)器的噪聲會(huì)顯著地影響信號(hào)探測(cè)的準(zhǔn)確性。是光電轉(zhuǎn)換物理過程中固有的，是一種不可能人為消除的輸出信號(hào)的起伏，是與器件密切相關(guān)的一個(gè)參量。第四十頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.2光電探測(cè)器的噪聲按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類噪聲外部原因內(nèi)部原因人為噪聲自然噪聲散粒噪聲產(chǎn)生－復(fù)合噪聲光子噪聲熱噪聲低頻噪聲第四十一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.2光電探測(cè)器的噪聲1、散粒噪聲無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機(jī)地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測(cè)器中。理論計(jì)算結(jié)果給出熱激發(fā)散粒噪聲的功率譜為i是流過探測(cè)器的平均暗電流，M是探測(cè)器的內(nèi)增益，q是電子電荷電量。第四十二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.2光電探測(cè)器的噪聲散粒噪聲的電流為：Δf是測(cè)量帶寬相應(yīng)的噪聲電壓為按照式中平均電流i產(chǎn)生的具體物理過程，有Id是熱激發(fā)暗電流，ib和is分別為背景和信號(hào)電流它們服從下式的轉(zhuǎn)換關(guān)系如果用背景光功率Pb和信號(hào)光功率Ps顯式表示，則有S＝2是光電發(fā)射和光伏過程，S＝4是光電導(dǎo)、產(chǎn)生－復(fù)合過程，M＝1是光伏過程，M>1是光電倍增管、雪崩過程第四十三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.2光電探測(cè)器的噪聲

對(duì)光電導(dǎo)探測(cè)器，載流子熱激發(fā)是電子—空穴對(duì)。電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中，與光伏器件重要的不同點(diǎn)在于存在嚴(yán)重的復(fù)合過程，而復(fù)合過程本身也是隨機(jī)的。因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，其本質(zhì)也是散粒噪聲，為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個(gè)過程，取名為產(chǎn)生—復(fù)合散粒噪聲，簡(jiǎn)稱為產(chǎn)生—復(fù)合噪聲，記為Ig-r和Vg-r即2.產(chǎn)生－復(fù)合噪聲

i是流過器件的平均電流，τ為載流子平均壽命，t為載流子在器件兩極間平均漂移時(shí)間，f為頻率。如果頻率很低，且滿足2πfτ<<1時(shí)，此時(shí)這種情況為白噪聲第四十四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.2光電探測(cè)器的噪聲3.光子噪聲

以上是熱激發(fā)作用產(chǎn)生的散粒噪聲。假定忽略熱激發(fā)作用，即認(rèn)為熱激發(fā)直流電流Id為零。由于光子本身也服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。我們平常說的恒定光功率，實(shí)際上是光子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，而每一瞬時(shí)到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)是隨機(jī)的。因此，光激發(fā)的載流子一定也是隨機(jī)的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。為強(qiáng)調(diào)光子起伏，故為光子噪聲第四十五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.2光電探測(cè)器的噪聲4.熱噪聲

電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也是隨機(jī)的，由此而構(gòu)成無偏壓下的起伏電動(dòng)勢(shì)。光電探測(cè)器有一個(gè)等效電阻R，電阻中自由電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)將引起電壓起伏—熱噪聲其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。K-玻爾茲曼常數(shù)，T-絕對(duì)溫度第四十六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.2光電探測(cè)器的噪聲5.1/f噪聲(低頻噪聲)

該噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。幾乎在所有探測(cè)器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對(duì)這種噪聲的影響很大，所以有時(shí)也稱為表面噪聲或過剩噪聲。

第四十七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.2.2光電探測(cè)器的噪聲Kf與元件制作工藝、材料尺寸、表面狀態(tài)等有關(guān)的比例系數(shù)；α與流過元件的電流有關(guān)，通常α＝2；β與元件材料性質(zhì)有關(guān)，大部分材料β＝1，γ與元件阻值有關(guān)1.4～1.7之間。1/f噪聲的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律為：第四十八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3光子探測(cè)器第四十九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3光子探測(cè)器光電探測(cè)器通常分為兩類:(1)光子探測(cè)器（利用各種光子效應(yīng)）；（2）熱探測(cè)器（利用溫度變化效應(yīng)）。光子效應(yīng)：光電子發(fā)射、光電導(dǎo)、光生伏特、光電磁等指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。特點(diǎn)對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。第五十頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3光子探測(cè)器光熱效應(yīng):溫差電、電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化、氣體體積和壓強(qiáng)變化等。探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。原則上對(duì)光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。第五十一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3光子探測(cè)器基于光電子發(fā)射效應(yīng)的器件在吸收了大于紅外波長(zhǎng)的光子能量以后，器件材料中的電子能逸出材料表面，這各種器件稱為外光電效應(yīng)器件基于光電導(dǎo)、光伏特和光電磁效應(yīng)的器件，在吸收了大于紅外波長(zhǎng)的光子能量以后，器件材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱為內(nèi)光電效應(yīng)器件。第五十二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.1光電子發(fā)射探測(cè)器應(yīng)用光電子發(fā)射效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱為光電子發(fā)射探測(cè)器在光電子發(fā)射探測(cè)器中，入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光電能量取決于光電陰極的逸出功。光電子發(fā)射的能量轉(zhuǎn)換公式為為使價(jià)帶中的電子能躍遷到導(dǎo)帶上，必須使入射光子的能量大于禁帶寬度Eg，即使材料具有光電發(fā)射的截止波長(zhǎng)λc第五十三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.1光電子發(fā)射探測(cè)器1.光電倍增管的工作原理

圖是光電倍增管的工作原理圖。圖中K為光電發(fā)射陰極，D為聚焦板，D1～D10為倍增極（或打拿極），A為收集電子的陽極。倍增極間的電壓逐級(jí)增加，極間電壓約為80～150V。第五十四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.1光電子發(fā)射探測(cè)器陰極在光照下發(fā)射光電子，光電子被極間電場(chǎng)加速聚焦，從而以足夠高的速度轟擊倍增極，倍增極在高速電子轟擊下產(chǎn)生更多的電子，即所謂二次電子，使電子數(shù)目增大若干倍。如此逐級(jí)倍增使電子數(shù)目大量增加，最后被陽極收集形成陽極電流。當(dāng)光信號(hào)變化時(shí)，陰極發(fā)射的光子數(shù)目發(fā)生相應(yīng)變化。由于各倍增極的倍增因子基本是常數(shù)，所以陽極電流亦隨入射光信號(hào)的變化而變化。1.光電倍增管的工作原理

第五十五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.1光電子發(fā)射探測(cè)器2．光電倍增管的性能

光電倍增管的性能主要由陰極和倍增極以及極間電壓決定。負(fù)電子親和勢(shì)材料是目前最好的光電陰極材料。倍增極二次電子發(fā)射特性用二次系數(shù)σ描述，即σ值主要取決于倍增極材料和極間電壓n為倍增極級(jí)數(shù)；N為發(fā)射的電子數(shù)；σn表示第n級(jí)倍增每一個(gè)入射電子所能產(chǎn)生的二次電子倍數(shù)，即該級(jí)的電流增益；如果倍增極的總數(shù)為n，且各級(jí)性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益M為第五十六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.1光電子發(fā)射探測(cè)器式中：iA為陽極電流；iK為陰極電流；f為第一倍增極對(duì)陰極發(fā)射電子的收集率；g為各倍增極之間的電子傳遞效率，良好的電子光學(xué)設(shè)計(jì)可始f、g值在0.9以上。n和σ值愈大，M值就愈高，但過多的倍增極不僅使倍增管加長(zhǎng)，而且使電子渡越效應(yīng)變得嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響倍增管頻率特性和噪聲特性。σ值主要取決于倍增極材料和極間電壓。材料一定，總電流增益與極間電壓關(guān)系密切，工作電壓微小變化將使M值有明顯的波動(dòng)，這將使光電倍增管的工作不穩(wěn)定。但也表明，可用調(diào)整外加電壓的辦法來調(diào)整總的電流增益，從而使光電倍增管工作在最佳工作狀態(tài)。因此，要求光電倍增管電源必須是可調(diào)的電子穩(wěn)壓電源。第五十七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器是利用光電導(dǎo)效應(yīng)原理工作的探測(cè)器光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)，無需形成p-n結(jié)，所以又稱為無結(jié)光電探測(cè)器。此器件在光照下會(huì)改變自身的電阻值（光照越強(qiáng)，器件自身的電阻越有效）----光敏電阻第五十八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五一般室溫下工作，適用與可見光和近紅外輻射探測(cè)本征光敏電阻：非本征光敏電阻：在低溫條件下工作，常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測(cè)§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器第五十九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)組成：它由一塊涂在絕緣基底上的光電導(dǎo)材料薄膜和兩端接有兩個(gè)引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。電極和光電導(dǎo)體之間呈歐姆接觸。光敏電阻在電路中的符號(hào)第六十頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)1）刻線式在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內(nèi)填入光敏電阻材料層后制成。其結(jié)構(gòu)如下圖所示2）涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其結(jié)構(gòu)下圖第六十一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)3）梳狀式以CdS光敏電阻為例摻雜半導(dǎo)體薄膜沉積在絕緣基底上，然后薄膜面鍍Au或Cu等金屬，形成一定形狀的電極（梳狀），這種結(jié)構(gòu)使得間距很近，電極間具有較大的光敏面積，從而獲得較高的靈敏度，為了防止潮濕對(duì)靈敏度的影響，整個(gè)管子采用密封結(jié)構(gòu)。第六十二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器2.光敏電阻的工作特性1）光敏響應(yīng)特性電導(dǎo)探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性，主要由材料和工藝過程決定，不同的材料，其光敏響應(yīng)特性不同。第六十三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在515～600nm之間。尤其硫化鎘的峰值波長(zhǎng)與人眼的很敏感的峰值波長(zhǎng)（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計(jì)、光度計(jì)等。

可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性第六十四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器2.光敏電阻的工作特性2）光照特性在一定的偏置電壓條件下，光敏電阻的光照特性呈非線性關(guān)系。回路電流---非線性關(guān)系u---光敏電阻兩端電壓：光照指數(shù)：電壓指數(shù)第六十五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器2.光敏電阻的工作特性光照特性曲線在低偏壓，弱光照條件下，α＝1，γ＝1（i－p關(guān)系呈線性關(guān)系）第六十六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器2.光敏電阻的工作特性3）穩(wěn)定性光電導(dǎo)探測(cè)器的光學(xué)性能和電學(xué)性能受溫度影響較大，隨溫度升高有的亮阻上升，有的下降，通常用光電導(dǎo)探測(cè)器的溫度系數(shù)來衡量這一性能：不同材料的器件，光電導(dǎo)探測(cè)器有不同的溫度系數(shù)，一般來說，在弱光照和強(qiáng)光照時(shí)Tc較大，中等光照時(shí)較小。第六十七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器3.光電轉(zhuǎn)換規(guī)律

圖中V表示外加偏置電壓，l、b和d分別表示n型半導(dǎo)體得三維尺寸，光功率P在x方向均勻入射，假定光電導(dǎo)材料的吸收系數(shù)為α，表面反射率為R，則光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化規(guī)律為相應(yīng)的光生面電流密度j(x)為式中e為電子電荷，v為電子在外電場(chǎng)方向的漂移速度，n（x）為在x處的電子密度。第六十八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器流過電極的總電流為穩(wěn)態(tài)下，電子產(chǎn)生率＝復(fù)合率，可求出n(x)。若電子的平均壽命為τ，則電子的復(fù)合率為n(x)/τ，而電子的產(chǎn)生率等于單位面積、單位時(shí)間吸收的光子數(shù)乘以量子效率η，得τ為電子的平均壽命，η為量子效率有效量子效率M為電荷放大系數(shù)M為電荷放大系數(shù)，un是電子遷移率，V為外加偏壓，l為結(jié)構(gòu)尺寸。第六十九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器4.光電導(dǎo)探測(cè)電路

電路中的參數(shù)Vb和RL均會(huì)影響輸出信號(hào)的電壓值，那么，如何選擇Vb和RL？第七十頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器從圖可見，負(fù)載電阻RL兩端的直流壓降為當(dāng)光輻射照到探測(cè)器上時(shí)，探測(cè)器電阻Rd就發(fā)生變化，負(fù)載電阻RL兩端壓降也就發(fā)生變化，這個(gè)電壓的變化量就是信號(hào)電壓Vs當(dāng)上式等于0時(shí)，有RL＝Rd，信號(hào)電壓為極大值。第七十一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器從電路圖可見，在偏壓Vb作用下，通過探測(cè)器電流I為Vb,max并不是最佳偏壓。在探測(cè)器上消耗的功率P為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)－探測(cè)器的功耗不應(yīng)超過0.1W/cm2，若探測(cè)器的面積為Ad，則消耗功率不應(yīng)超過0.1Ad，與最大允許電壓關(guān)系為：第七十二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器信號(hào)、噪聲電壓隨偏流變化圖信號(hào)電壓呈線性增長(zhǎng)直到接近額定消耗功率為止。從噪聲電壓圖線看，在偏流較低時(shí)，噪聲電壓沒有信號(hào)電壓增長(zhǎng)得快；偏流較大時(shí)，噪聲電壓比信號(hào)電壓增長(zhǎng)得快，因而信噪比曲線出現(xiàn)極值狀態(tài)。但曲線變化比較平緩，信噪比較大且范圍寬；第七十三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器5.幾種典型的光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器按晶體結(jié)構(gòu)可分為多晶和單晶兩類。多晶類多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，單晶類中常見的有銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛和摻雜型幾種。（1）CdS和CdSe低造價(jià)的可見光輻射探測(cè)器（CdS：0.3～0.8μm，CdSe：0.3～0.9μm）。它們的主要特點(diǎn)是高可靠性和長(zhǎng)壽命，因而廣泛用于自動(dòng)化技術(shù)中。光電導(dǎo)增益比較高(103～104)響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)(大約50ms)（2）PbS：近紅外輻射探測(cè)器在室溫條件下探測(cè)靈敏度最高的一種紅外探測(cè)器，室溫下的禁帶寬度為0.37eV，相應(yīng)的長(zhǎng)波限為3μm。響應(yīng)時(shí)間約20-100μs，廣泛用于遙感技術(shù)和武器紅外制導(dǎo)技術(shù)第七十四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器（3）PbTe。在常溫下對(duì)4μm以內(nèi)的紅外光靈敏，冷卻到90K，可在5μm范圍內(nèi)使用。響應(yīng)時(shí)間約為10－4～10－5s。（4）InSb這也是一種良好的近紅外（峰值波長(zhǎng)約為6μm）輻射探測(cè)器；在77k下,噪聲性能大大改善，響應(yīng)時(shí)間短（大約0.4us）（5）HgCdTe探測(cè)器HgCdTe是由半導(dǎo)體CdTe和半金屬HgTe采用半導(dǎo)體合金法混合而成的合金系統(tǒng)。第七十五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器（4）根據(jù)不同用途,選用不同特性的光敏電阻。6.使用注意事項(xiàng)（1）用于測(cè)光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特性匹配；（2）要防止光敏電阻受雜散光的影響；（3）要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓、功耗)超過允許值；第七十六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器利用p－n結(jié)的光伏效應(yīng)制成的光電探測(cè)器---光伏探測(cè)器與光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜些，P－N結(jié)受光照射時(shí)，即使沒有外加偏壓，P－N結(jié)自身也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開路電壓，這時(shí)如果將P－N結(jié)兩端短接，便有短路電流通過回路。因此利用利用光生伏特效應(yīng)制成的結(jié)型器件有光電池和光電二極管之分，而光電二極管又有兩種工作模式，光電導(dǎo)和光伏式，它們由外偏壓電路決定。p－n結(jié)型光電器件光照下正偏置零偏置反偏置單向?qū)щ姛o光電效應(yīng)光電效應(yīng)第七十七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器(a)uiiD(b)(c)V(d)1.兩種工作模式

光伏探測(cè)器及其工作模式示意圖第七十八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器一個(gè)P—N結(jié)光伏探測(cè)器用圖（a）中的符號(hào)表示，它等效為一個(gè)普通二極管和一個(gè)恒流源（光電流源）的并聯(lián)，如圖b）所示。在零偏壓時(shí)（圖（c）），稱為光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏壓V時(shí)（圖（d）），即外加p端為負(fù)，n端為正的電壓時(shí)，稱為光導(dǎo)工作模式。第七十九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器普通二極管的伏安特性：光伏探測(cè)器的總電流：e—電子電荷u—探測(cè)器兩端電壓，K—波爾茲曼常數(shù)T—絕對(duì)溫度，--光電流第八十頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器將上式i-u作圖，其曲線稱為光伏探測(cè)器的伏安特性曲線i+－RLVRL2RL1RL1RL2iRLi－+P=0P1P2P3V光功率增大RL1RL2i1i2u1u2-VoRL1>RL2第八十一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器第三象限是反偏壓狀態(tài)。這時(shí)iD=iS，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流(對(duì)應(yīng)于光功率P=0)，數(shù)值很小，這時(shí)的光電流(等于i-iS)是流過探測(cè)器的主要電流，此情況下的外回路特性與光電導(dǎo)相似，對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工作模式---相應(yīng)探測(cè)器---光電二極管。第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD本來就很大，所以光電流不起重要作用。作為光電探測(cè)器，工作在這一區(qū)域沒有意義。i+－RLVi－+V第八十二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器在第四象限中，外偏壓為零。流過探測(cè)器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過負(fù)載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)，因此，稱為光伏工作模式----相應(yīng)探測(cè)器---光電池。iRL第八十三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器2．兩種工作模式的比較

光導(dǎo)模式工作時(shí)，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外反偏壓可增加長(zhǎng)波端靈敏度及擴(kuò)展線性區(qū)上限。但反偏產(chǎn)生的暗電流引起較大的散粒噪聲，且頻率低于1KHz時(shí)還有1/f噪聲，這又限制了探測(cè)能力的下限。因光伏式二極管無偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無1/f噪聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應(yīng)用于超低噪聲、低頻及儀器方面。光導(dǎo)式二級(jí)管則主要用來探測(cè)高速光脈沖和高頻調(diào)制光。第八十四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五光電池光電池是一種不需要加偏壓的能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的p－n結(jié)光電器件，---采用光伏工作模式的光伏探測(cè)器光電池分類測(cè)量光電池---當(dāng)作光電探測(cè)器使用太陽能電池---用作電源它的工作模式是光伏工作模式----光伏電池?！?.3.3光伏探測(cè)器第八十五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五太陽能光電池主要用作向負(fù)載提供電源，對(duì)它的要求主要是光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、高可靠性、壽命長(zhǎng)、可在空間直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的特點(diǎn)，因此成為航天工業(yè)中的重要電源，且還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場(chǎng)所和一些日用便攜電器中。測(cè)量光電池的主要功能是作為光電探測(cè)，即在不加偏置的情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此時(shí)對(duì)它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)等。廣泛用于紅外輻射探測(cè)器、光電開關(guān)§4.3.3光伏探測(cè)器第八十六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五如圖所示，當(dāng)光作用于PN結(jié)時(shí)，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在內(nèi)建電場(chǎng)力的作用下分別向N區(qū)和P區(qū)運(yùn)動(dòng)，在閉合的電路中將產(chǎn)生如圖所示的輸出電流IL，且負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓降為U。顯然，PN結(jié)獲得的偏置電壓U與光電池輸出電流IL與負(fù)載電阻RL有關(guān)，即1）光電池的工作原理當(dāng)以輸出電流的IL為電流和電壓的正方向時(shí)，可以得到如下圖所示的伏安特性曲線?！?.3.3光伏探測(cè)器第八十七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五光電池的伏安特性曲線從曲線可以看出，負(fù)載電阻RL所獲得的功率為其中，光電池輸出電流IL包括光生電流、擴(kuò)散電流與暗電流等三部分§4.3.3光伏探測(cè)器第八十八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五光電池的等效電路2）光電池的等效電路--光電流--二極管電流--p-n結(jié)漏電流Rsh---等效泄露電阻Cj—結(jié)電容Rs—引線管芯接觸電阻RL—負(fù)載電阻RLUU1RsRshishCjiDi§4.3.3光伏探測(cè)器第八十九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五Rsh很大，很小，若不計(jì)影響，則若將RL短接，忽略RS的影響，則U1=0（二極管的壓），iD=0。則流過光電池的短路電流就是光電流表明：光電池在短路工作狀態(tài)下，光電池的短路電流與入射的光功率成正比（）在這狀態(tài)下工作的光電池可用做光電探測(cè)器§4.3.3光伏探測(cè)器第九十頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五3）短路電流和開路電壓負(fù)載電阻RL所獲得的功率PL與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，當(dāng)RL=0（電路為短路）時(shí)，U=0，輸出功率PL=0；當(dāng)RL=∞（電路為開路）時(shí)，IL=0，輸出功率PL=0；在短路和開路兩種工作狀態(tài)，光電池均無電功率輸出，當(dāng)負(fù)載電阻為某一Rm時(shí)，才得到最大電輸出功率Pm。Rm稱為特定照射光功率條件下最佳負(fù)載電阻，初略值§4.3.3光伏探測(cè)器第九十一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五由當(dāng)RL趨近無窮大時(shí)，i=0，光電池輸出電壓U1即開路電壓§4.3.3光伏探測(cè)器第九十二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五4）光電池的工作特性（1）光譜特性光電池的光譜特性主要由材料決定，材料不同，光譜特性不同。由圖可見，Se光電池在可見光范圍內(nèi)具有高的靈敏度，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在500um左右。特別適用于可見光應(yīng)用。Si光電池的光譜響應(yīng)范圍要寬，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在850um左右，可見光和近紅外波段都有廣泛應(yīng)用?！?.3.3光伏探測(cè)器第九十三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五（2）頻率特性對(duì)于光電池來說，由于載流子在p－n結(jié)區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散—漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都要一定的時(shí)間。光電池的頻率特性一般說來不是太好，主要有以下幾個(gè)原因：1）光敏面積一般做的較大，因而極間結(jié)電容cj較大，則響應(yīng)時(shí)間變大，給定RL，2）光電池工作在第四象限，有較小的正偏壓存在，所以光電池的內(nèi)阻很低，而且隨入射功率變化而變化。光功率很小時(shí)，內(nèi)阻變大，頻率特性變壞。§4.3.3光伏探測(cè)器第九十四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五（3）溫度特性光電池的溫度特性曲線主要指光照射光電池時(shí)開路電壓Voc與短路電流Isc隨溫度變化的情況。開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)。當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施§4.3.3光伏探測(cè)器第九十五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器第九十六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.3光伏探測(cè)器第九十七頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.4其他光子探測(cè)器光子牽引探測(cè)器

光子牽引探測(cè)器是一種非勢(shì)壘光伏效應(yīng)探測(cè)器。它和HgCdTe光電二極管一樣適用于10.6μm的激光波長(zhǎng)探測(cè)。但是HgCdTe光電二極管只能在微弱光信號(hào)下使用，而光子牽引探測(cè)器則適用于強(qiáng)光探測(cè)。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測(cè)這種探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點(diǎn)是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為10－3W，只有在強(qiáng)光下才能使用。P型鍺的光子牽引探測(cè)器示意圖第九十八頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.4其他光子探測(cè)器光電磁探測(cè)器

光電磁效應(yīng)將半導(dǎo)體置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光輻射照射時(shí)，在表面產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中，受到強(qiáng)磁場(chǎng)的洛倫茲力的作用，使空穴和電子的偏轉(zhuǎn)方向相反，從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，阻礙著電子和空穴的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，如果這時(shí)將半導(dǎo)體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開路時(shí)，則有開路電壓。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的光電探測(cè)器叫做光電磁探測(cè)器（PME器件）。第九十九頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.4其他光子探測(cè)器Josephson結(jié)探測(cè)器

Pb－PbO－Pb隧道結(jié)的伏安特性曲線在兩超導(dǎo)薄膜之間被一層（厚約10?）電介質(zhì)隔開，這種結(jié)構(gòu)稱為Jesephson結(jié)，或超導(dǎo)隧道結(jié)。若通過隧道結(jié)的電流小于某一臨界值，在結(jié)上沒有電位降，則在隧道結(jié)的伏安特性曲線中存在一個(gè)零電壓的電流。若通過隧道結(jié)的電流超過臨界值，在結(jié)上將產(chǎn)生電位降，這時(shí)在伏安特性曲線中，將沿著測(cè)量負(fù)載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖4－49所示。這種在隧道結(jié)中有隧道電流通過而不產(chǎn)生電位降的現(xiàn)象，稱之為直流Josephson效應(yīng)第一百頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.3.4其他光子探測(cè)器若在隧道結(jié)上維持一個(gè)有限電位降V，在隧道結(jié)兩超導(dǎo)體之間將有一個(gè)頻率為f的交流電流通過，頻率f和電壓V之間有下述關(guān)系E為電子電荷，h為普朗克常數(shù)若隧道結(jié)受到光輻射照射時(shí)，在一系列分立的電壓值上可感應(yīng)出額外直流電流，則在隧道結(jié)的直流伏安特性曲線上，出現(xiàn)常電壓－電流階梯現(xiàn)象。階梯處電壓Vn和外加輻照信號(hào)頻率f的關(guān)系為n為階梯級(jí)數(shù)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，由于隧道結(jié)受到輻射照射時(shí)，在結(jié)上可感應(yīng)出交流電壓，而這交流電壓反過來對(duì)結(jié)上的Josephson電流進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生許多使電流增大的邊帶。利用Josephson結(jié)效應(yīng)可研制出從射頻到遠(yuǎn)紅外寬廣頻率范圍內(nèi)、靈敏度為皮瓦的探測(cè)器。在射電天文、毫米波通信等方面有實(shí)際應(yīng)用。第一百零一頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§4.4熱探測(cè)器第一百零二頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五熱探測(cè)器對(duì)輻射的響應(yīng)和光子探測(cè)器不同。它基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為光熱效應(yīng)，光熱效應(yīng)的特點(diǎn)是入射光輻射與物質(zhì)中晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動(dòng)能量，這與光子將能量直接轉(zhuǎn)移給電子的光電效應(yīng)有本質(zhì)的不同。光熱效應(yīng)與入射的光子的性質(zhì)沒有關(guān)系，取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成分無關(guān)，即對(duì)入射輻射的響應(yīng)無波長(zhǎng)選擇性光熱效應(yīng)可以產(chǎn)生溫差電效應(yīng)、電阻率變化效應(yīng)、自發(fā)極化強(qiáng)度的變化效應(yīng)、氣體體積和壓強(qiáng)的變化效應(yīng)等等，利用這些效應(yīng)可制作各種熱探測(cè)器。第一百零三頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§1溫差熱電偶和熱電堆在用不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的具有溫度梯度的電路中，會(huì)有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，這就是溫差電勢(shì)。通過這兩點(diǎn)的閉合回路中就有電流流過，這個(gè)現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)。（1）塞貝克（Seebeck）效應(yīng)當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)置于不同溫度（兩結(jié)點(diǎn)間的溫差為Ｔ時(shí)），在兩點(diǎn)之間就產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)V12，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，回路稱為熱電偶或溫差電池。是由于受熱不均勻的兩節(jié)點(diǎn)的接觸電位差不同所致第一百零四頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五定義溫差電動(dòng)勢(shì)率為§1溫差熱電偶和熱電堆物理意義：?jiǎn)挝粶夭钏a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的凈增量第一百零五頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§1溫差熱電偶和熱電堆（2）珀耳帖（Peltier）效應(yīng)珀耳帖應(yīng)被認(rèn)為是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。當(dāng)電流流過兩個(gè)不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的回路的時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同的節(jié)點(diǎn)處分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這一效應(yīng)是熱力學(xué)可逆的。熱交換速率與通過的電流成正比，這種現(xiàn)象稱為珀耳帖效應(yīng)。在每一接頭上熱量流出率或流入率與通過的電流I間的關(guān)系可表示為

第一百零六頁，共一百一十九頁，編輯于2023年，星期五§1溫差熱電偶和熱電堆（3）湯姆遜（Tomson）效應(yīng)在單一均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體中存在著與珀耳帖效應(yīng)相同的現(xiàn)象。如果通有電流的材料有溫差存在，也就是說，當(dāng)電流通過具有一定溫度梯度的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)可逆地吸收熱或放出熱，這一現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。單位時(shí)間單位體積吸收或放出熱量為物理意義：?jiǎn)挝粶夭钔ㄟ^單位電流吸熱或放熱的速率第一百零七頁，共一百一十九頁，