光電信號檢測第二章

1、 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 1 2.1 光電檢測器件的物理基礎(chǔ)光電檢測器件的物理基礎(chǔ) 1、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng) 2、雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)、雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng) 3、光生伏特效應(yīng)、光生伏特效應(yīng) 4、光熱效應(yīng)、光熱效應(yīng) 2.2 光電檢測器件的特性參數(shù)光電檢測器件的特性參數(shù) 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 2光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光熱效應(yīng)光電效應(yīng)：物質(zhì)受光照射后，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化光電效應(yīng)：物質(zhì)受光照射后，材料

2、電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導(dǎo)率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。（發(fā)射電子、電導(dǎo)率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。 包括：包括： 外光電效應(yīng)：產(chǎn)生電子發(fā)射外光電效應(yīng)：產(chǎn)生電子發(fā)射 內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 3 光電導(dǎo)效應(yīng)：光照射的物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生改變，光照變化引光電導(dǎo)效應(yīng)：光照射的物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導(dǎo)率變化。是光電導(dǎo)器件工作的基礎(chǔ)。起材料電導(dǎo)率變化。是光電導(dǎo)器件工作的基礎(chǔ)。 物理本質(zhì)：物理本質(zhì)：光照到半導(dǎo)體材料時(shí)，晶格原子

3、或雜質(zhì)光照到半導(dǎo)體材料時(shí)，晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導(dǎo)態(tài)自由電原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導(dǎo)態(tài)自由電子，引起材料載流子濃度增加，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。子，引起材料載流子濃度增加，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。 屬于內(nèi)光電效應(yīng)。屬于內(nèi)光電效應(yīng)。 包括：包括： 本征和非本征兩種，對應(yīng)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。本征和非本征兩種，對應(yīng)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 4本征光電導(dǎo)效應(yīng)：是指本征半導(dǎo)體材料發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)。本征光電導(dǎo)效應(yīng)：是指本征半導(dǎo)體材料發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)。 即：

4、光子能量即：光子能量hvhv大于材料禁帶寬度大于材料禁帶寬度E Eg g的入射光，才能激光出電的入射光，才能激光出電子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。針對本征半導(dǎo)體材料。即：子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。針對本征半導(dǎo)體材料。即： hvEg即存在截止波長：即存在截止波長：0=hc/Eg=1.24/Eg?；靖拍睿夯靖拍睿? 1、穩(wěn)態(tài)光電流：、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照 2 2、暗電導(dǎo)率和暗電流、暗電導(dǎo)率和暗電流3 3、亮電導(dǎo)率和亮電流、亮電導(dǎo)率和亮電流 4 4、光電導(dǎo)和光電流、光電導(dǎo)和光電流 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics researc

5、h 5基本公式：基本公式：暗電導(dǎo)率暗電導(dǎo)率G Gd d= =d dS S/L/L暗電流暗電流I Id d= = d dSUSU/L/L亮電導(dǎo)率亮電導(dǎo)率G Gl l= = l lS S/L/L亮電流亮電流I Il l= = lSU/L光電導(dǎo)光電導(dǎo)G Gp p= = S/LS/L光電流光電流I Ip p= = SU/LSU/L光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖LS本征半導(dǎo)體樣品本征半導(dǎo)體樣品光光U 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 6 光電導(dǎo)效應(yīng)是非平衡光電導(dǎo)效應(yīng)是非平衡載流子效應(yīng)，因此存在一載流子效應(yīng)，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導(dǎo)定的弛

6、豫現(xiàn)象，即光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時(shí)定的光電流需要一定的時(shí)間。同樣光電流的消失也間。同樣光電流的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說明是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說明了光電導(dǎo)體對光強(qiáng)變化的了光電導(dǎo)體對光強(qiáng)變化的反應(yīng)快慢程度，稱為惰性。反應(yīng)快慢程度，稱為惰性。EtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脈沖脈沖光電導(dǎo)對光強(qiáng)變化反應(yīng)的惰性引起光電流變化的延遲 輸出光電流與光功率調(diào)制頻率輸出光電流與光功率調(diào)制頻率變化關(guān)系是一低通特性。變化關(guān)系是一低通特性。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 7光電

7、導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個(gè)重要參數(shù)，表示長光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個(gè)重要參數(shù)，表示長度為度為L L的光電導(dǎo)體在兩端加上電壓的光電導(dǎo)體在兩端加上電壓U U后，由光照產(chǎn)生的光生載后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下形成的流子在電場作用下形成的外電流外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流光電流之比?？杀硎緸橹?。可表示為:M=:M=/ /drdr 為器件的時(shí)間響應(yīng)為器件的時(shí)間響應(yīng) drdr為載流子在兩極間的渡越時(shí)間為載流子在兩極間的渡越時(shí)間光電導(dǎo)器件常做成梳狀電極，光敏面做成蛇形，即保證了光電導(dǎo)器件常做成梳狀電極，光敏面做成蛇形，即保證了較大的較大的受光表面受

8、光表面，又可減小，又可減小電極間距離電極間距離，從而減小載流子，從而減小載流子的有效極間渡越時(shí)間，也利于提高靈敏度的有效極間渡越時(shí)間，也利于提高靈敏度光電導(dǎo)器件的光電導(dǎo)增益與帶寬積為一常數(shù)，即光電導(dǎo)器件的光電導(dǎo)增益與帶寬積為一常數(shù)，即M Mf=f=常數(shù)。常數(shù)。表明，光電導(dǎo)增益越大，光電靈敏度越高，而器件的帶寬越表明，光電導(dǎo)增益越大，光電靈敏度越高，而器件的帶寬越低。反之亦然。這一結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。低。反之亦然。這一結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 82.1.2 2.1.2 雜質(zhì)光電

9、導(dǎo)效應(yīng)：雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)：雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中施主或受主吸收光子能量后電離中，產(chǎn)生自由電雜質(zhì)半導(dǎo)體中施主或受主吸收光子能量后電離中，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象。子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象。雜質(zhì)半導(dǎo)體禁帶寬度比本征小很多，因此更容易電離，響應(yīng)波雜質(zhì)半導(dǎo)體禁帶寬度比本征小很多，因此更容易電離，響應(yīng)波長比本征材料要長得多。用長比本征材料要長得多。用E EI I表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的電離能，則截表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的電離能，則截止波長：止波長：0 0= =hchc/E/EI I。 特點(diǎn)：容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響，常工作在低溫狀特點(diǎn)：容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響，常工作在低溫

10、狀態(tài)。態(tài)。常用光電導(dǎo)材料：硅常用光電導(dǎo)材料：硅Si、鍺、鍺Ge及摻雜的半導(dǎo)體材料，以及及摻雜的半導(dǎo)體材料，以及一些有機(jī)物。一些有機(jī)物。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 92.1.3 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)達(dá)到內(nèi)部動態(tài)平衡的半導(dǎo)體達(dá)到內(nèi)部動態(tài)平衡的半導(dǎo)體PNPN結(jié)，在光照的作用下，在結(jié)，在光照的作用下，在PNPN結(jié)結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應(yīng)。的兩端產(chǎn)生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應(yīng)。也稱光伏效應(yīng)。也稱光伏效應(yīng)。物理本質(zhì)：物理本質(zhì)：PNPN結(jié)內(nèi)建電場使得載流子（電子和空穴）的擴(kuò)散結(jié)

11、內(nèi)建電場使得載流子（電子和空穴）的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動達(dá)到了動態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的和漂移運(yùn)動達(dá)到了動態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照的作用下，激光出的電子空穴對打破原有平衡，靠近結(jié)光照的作用下，激光出的電子空穴對打破原有平衡，靠近結(jié)區(qū)電子和空穴分別向區(qū)電子和空穴分別向N N區(qū)和區(qū)和P P區(qū)移動，形成光電流，同時(shí)形成區(qū)移動，形成光電流，同時(shí)形成載流子的積累，內(nèi)建電場減小，相當(dāng)于在載流子的積累，內(nèi)建電場減小，相當(dāng)于在PNPN加了一個(gè)正向電加了一個(gè)正向電壓。即光生電動勢。壓。即光生電動勢。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics res

12、earch 10IpPN_VDV+光照光照PNEcEvEFeVD無光無光照照有光有光照照PNEcEvEFeVD-eV形成過程：形成過程：空穴空穴電子電子光生（正向）電壓產(chǎn)生正向注入光生（正向）電壓產(chǎn)生正向注入電流（由電流（由P P指指N N）：）： I I+ +=I=Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1I+ 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 11當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)外接回路時(shí)，總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系：結(jié)外接回路時(shí)，總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系： I=I=I Ip p-I-I+ +=I=Ip p

13、-I-Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1負(fù)載接入外回路，電流為負(fù)載接入外回路，電流為I I，則，則PNPN結(jié)兩端電壓為：結(jié)兩端電壓為： V=(V=(kT/q)ln(IkT/q)ln(Ip p-I)/I-I)/Is s+1+1 PNPN結(jié)開路時(shí)，結(jié)開路時(shí)，I=0I=0，求得開路電壓：，求得開路電壓：V Voc oc =(=(kT/q)lnkT/q)ln (I (Ip p/I/Is s+1)+1) 可見可見V Vococ與與I Ip p為非線性關(guān)系。為非線性關(guān)系。PNPN結(jié)短路，結(jié)短路，V=0V=0，求得短路電流即光電流：，求得短路電流即光電流：I Iscsc= =I Ip

14、p=q=q/h/h=P=P沒有光照時(shí)，沒有光照時(shí)，I Ip p=0=0，外加正向電壓為，外加正向電壓為V V時(shí)，有時(shí)，有I I+ +=I=Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1注意：光伏效應(yīng)與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流注意：光伏效應(yīng)與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電子的壽命通常很短。所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics resea

15、rch 12與與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮庸怆娦?yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?，光熱效?yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運(yùn)動加劇，的能量，光熱效應(yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運(yùn)動加劇，造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化。造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化。2.1.4 2.1.4 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)可可分為分為: :熱釋電效應(yīng)、輻射熱計(jì)效應(yīng)及溫差電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)、輻射熱計(jì)效應(yīng)及溫差電效應(yīng) 介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。強(qiáng)度隨溫度變化而變

16、化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 13 物理本質(zhì)：極化晶體極化晶體：在外電場和應(yīng)力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內(nèi)部電偶極矩不為零，表面感應(yīng)束縛電荷。+-+-+-+-+-+-_P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-_j工作溫度T1（左）和工作溫度T2T1（右）極化晶體表面束縛電荷，被周圍自由電荷不斷中和，表面無電荷。光照時(shí)，晶體溫度升高，電偶極子熱運(yùn)動加劇，極化強(qiáng)度減弱，表面感應(yīng)電荷數(shù)減小，但中和過程（達(dá)數(shù)秒）要遠(yuǎn)大于極化強(qiáng)度的響應(yīng)過程（10-12s），相當(dāng)于釋放了一些電荷，

17、對外表面為電流?？梢栽谶@些電荷被中和之間測量到。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 14熱釋電現(xiàn)象中：溫度對自發(fā)極化強(qiáng)度的影響。TcPTOTcPTO極化晶體的極化強(qiáng)度與溫度T的關(guān)系：一級相變（左）和二極相變（右）隨著溫度的升高，自發(fā)極化強(qiáng)度越來越弱，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度為零，極化晶體發(fā)生相變?yōu)榉菢O化晶體。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 15入射光照射材料由于受而造成電阻率變化的現(xiàn)象稱為輻射熱計(jì)效應(yīng)。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化

18、關(guān)系：R=TRTT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當(dāng)溫度變化足夠小時(shí)， T=1/R*dR/dT對金屬材料，R=BT，則T=1/T，呈反比關(guān)系。對半導(dǎo)體材料，R與T具有指數(shù)關(guān)系，則T=-B/T2。說明溫度越高，電阻溫度系數(shù)越小。B為常數(shù)，典型值3000K。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 16 由兩種不同材料制成的結(jié)點(diǎn)由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應(yīng)。當(dāng)有光照結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫度變化就會產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。另外，如果在圖中x，y處接一電動勢，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，兩個(gè)接點(diǎn)1和2處就

19、會出現(xiàn)一個(gè)吸熱一個(gè)放熱的現(xiàn)象。吸（放）熱速率：dp/dt=I，稱為帖耳帖系數(shù)xyT1T212導(dǎo)體a導(dǎo)體b 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 17 光電檢測器件利用特質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，它的性能對光電檢測系統(tǒng)影響很大。根據(jù)工作機(jī)理的不同，可分為光子檢測器件和熱電檢測器件。熱電檢測器件熱釋電檢測器（熱釋電效應(yīng)）熱敏電阻（輻射熱計(jì)效應(yīng)）熱電偶和熱電堆（溫差電效應(yīng)）一、分類 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 18光子檢測器件電真空或光電

20、發(fā)射型檢測器件固體或半導(dǎo)體光電檢測器件光電管光電倍增管光導(dǎo)型：光敏電阻光伏型：光電池光電二、三極管光子檢測器件（即通常意義上的光電檢測器件）分類： 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 19熱敏檢測器件的特點(diǎn)： 1、響應(yīng)波長無選擇性。對各種波長具有相同的敏感性。 2、響應(yīng)慢。即吸收輻射后產(chǎn)生信號所需時(shí)間長，在毫秒量級光子檢測器件的特點(diǎn)： 1、響應(yīng)波長有選擇性。存在截止波長。 2、響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微秒 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 20二、特

21、性參數(shù)1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）S電壓響應(yīng)度：SV=Vo/Pi電流響應(yīng)度：SI=Io/Pi 其中：Vo和Io分別為光電檢測器輸出電壓和輸出電流。P為入射光功率（或用通量表示）。2、光譜響應(yīng)度S()光譜響應(yīng)度：S()=Vo/() (V/W)S()=Io/() (A/W)()為入射的單色輻射通量或光通量。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 213、積分響應(yīng)度S： 表示檢測器對各種波長的輻射光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度，光電檢測器件輸出的電流或電壓與入射光通量之比。各種輻射波長的總光通量為：=?不同波長光輻射引導(dǎo)的總輸出光電流Io=

22、? 則積分響應(yīng)度S=？ 式中0和1分別為光電檢測器的長波限和短波限。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 224、響應(yīng)時(shí)間： 響應(yīng)時(shí)間是描述光電檢測器對入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。即入射光輻射到檢測器后或入射光被遮斷后，光電檢測器件輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時(shí)間。 當(dāng)一個(gè)輻射脈沖照射光電檢測器時(shí)，如果這個(gè)脈沖上升和下降時(shí)間很短，則光電檢測器由于惰性而有延遲。上升時(shí)間r和下降時(shí)間f矩形光矩形光脈沖脈沖入入射射光光tOrfI光光tO10.10.9 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoe

23、lectronics research 235、頻率響應(yīng)S(f)： 由于光電檢測器信號的產(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光電檢測器的響應(yīng)將有很大的影響，把光電檢測器的響應(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)可得到頻率響應(yīng)關(guān)系： S(f)=S0/1+(2f)21/2 S0為頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；為時(shí)間常數(shù)。 可求得放大器的上限截止頻率：f上=1/2=1/2RC 可見： 光電檢測器電路時(shí)間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)帶寬 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 246、熱噪聲： 當(dāng)入射輻射功率很低時(shí)

24、，輸出只是些雜亂無章的變化信號，無法肯定是否為入射輻射信號，這是檢測器固有的噪聲引起的。其時(shí)間平均值為零，但均方根不等于零，即存在瞬時(shí)電流擾動。這個(gè)均方根電壓（或電流）即為噪聲電壓（流）。熱噪聲是由載流子無規(guī)則運(yùn)動造成的。 熱噪聲電壓和電流均方值為：？=4kTRf ？=4kT(f/R) 其中R為導(dǎo)體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導(dǎo)體的熱力學(xué)溫度，f為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲存在于任何電阻中，與溫度成正比，與頻率無關(guān)，說明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 257、散粒噪聲： 或稱

25、散彈噪聲，即穿越勢壘的載流子的隨機(jī)漲落（統(tǒng)計(jì)起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，穿越勢壘區(qū)的載流子數(shù)或從陰極到陽極的電子數(shù)都在一個(gè)平均值上下起伏。這種起伏引起的均方噪聲電流為： ？=2qIDCf 其中IDC為流過器件電流的直流分量（平均值）,q為電子電荷， 散粒噪聲也屬于白噪聲。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 268、信噪比（S/N）： 信噪比是判斷噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率比。 S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2用分貝（dB）表示： （S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN) S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關(guān)，入射輻射強(qiáng)，