光電檢測技術(shù)與光纖基礎(chǔ)課件：1.3 基本定律

1、11.3 基本定律1.3.1 黑體輻射定律黑體：有一類物體其表面不反射光，它們能夠在任何溫度下吸收射來的一切電磁輻射，這類物體就叫絕對黑體。吸收比:反射比:灰體21. 基爾霍夫定律常數(shù)光譜發(fā)射率任何物體的單色輻出度與單色吸收比之比，等于同一溫度的黑體的單色輻出度-基爾霍夫定律物體光譜發(fā)射率等于其光譜吸收比強(qiáng)吸收體必然是強(qiáng)發(fā)射體黑體的單色輻出度總大于一般物體的單色輻出度小于12. 普朗克輻射公式短波區(qū)或溫度不高的情況下700K900K400K(m）2Me(,T)46843. 斯忒藩-玻耳茲曼定律一定溫度下總的輻射出射度4. 維恩位移定律Me(,T)與溫度的4次方成正比 稱斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)由實

2、驗得到也可由熱力學(xué)理論導(dǎo)出51.3.2 光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)外光電效應(yīng)6光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時，由于吸收光子使其中的載流子濃度增大，因而材料的電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。本征吸收及雜質(zhì)吸收都可以發(fā)生7光生伏特效應(yīng)當(dāng)結(jié)型半導(dǎo)體材料（內(nèi)建電場）受光照時，由于吸收光子產(chǎn)生電子空穴對，載流子濃度增大。其中，電子在結(jié)電場的作用下被拉到N區(qū)，同時空穴也在結(jié)電場的作用下被拉到P區(qū)，從而在結(jié)區(qū)兩邊產(chǎn)生勢壘，這就是光生伏特效應(yīng)。PN漂移擴(kuò)散E內(nèi)NPPN8外光電效應(yīng)光電發(fā)射定律在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面或向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也叫光電子發(fā)射效應(yīng)。向外發(fā)

3、射的電子叫光電子。當(dāng)電子從光子吸取的能量大于逸出功A0時，電子就能逸出表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。愛因斯坦光電效應(yīng)方程或光電發(fā)射第一定律9光電發(fā)射第二定律：當(dāng)輻射的光譜分布不變時，飽和光電流與入射的通量成正比：光電子發(fā)射過程可以歸納為以下三個步驟：(1)物體吸收光子后體內(nèi)的電子被激發(fā)到高能態(tài)；(2)被激發(fā)電子向表面運(yùn)動，在運(yùn)動過程中因碰撞而損失部分能量；(3)克服表面勢壘逸出金屬表面。10物質(zhì)（金屬）的逸出功和紅限頻率當(dāng)光電子的速度等于零，即光電子的動能為0時，有光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的電子逸出功。這說明每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或長波限。光線頻率低于紅限

4、頻率，其能量就不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；入射光頻率如果高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。11半導(dǎo)體材料的閾值波長對于半導(dǎo)體，一般情況下，能夠有效吸收光子的電子大多是處在價帶頂附近，所以光電子發(fā)射的逸出功為：式中Eg是半導(dǎo)體禁帶寬度，EA稱為電子親和勢。即半導(dǎo)體材料光電發(fā)射的能量閾值為所以長波限為式中：h4.13 1015eVs，是普朗克常數(shù)；c31014微米/秒，是光速。半導(dǎo)體材料的閾值波長121.4 光電探測器的噪聲和特性參數(shù)光輻射探測器光電探測器熱電探測器真空光電器件固體光電器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)管光敏

5、電阻光電池光電二極管光電三極管光電耦合器熱電偶和熱電堆熱輻射計和熱敏電阻熱釋電探測器高萊管光電光熱電光電探測器與光熱探測器性能及特點（一般比較）靈敏度（或響應(yīng)度）響應(yīng)速度光譜范圍體積大小應(yīng)用噪聲本征噪聲（內(nèi)部）環(huán)境干擾（外部）自 然 人 為電 路 信號本身的隨機(jī)起伏噪聲1.4.1 光電探測器的噪聲15本征噪聲：隨機(jī)的、瞬間幅度不能預(yù)知的起伏。來自信號及測量系統(tǒng)本身（探測器及電路）特點：任何時刻任何電路系統(tǒng)都存在；不能完全消除，只能抑制；服從統(tǒng)計分布規(guī)律；限制可測信號的最小值電平、極限靈敏度；平均值附近隨機(jī)起伏；長時間的平均值為零。噪聲的信號平均值：問題：如何描述噪聲的大小？ 噪聲的均方值功率，

6、有統(tǒng)計意義 噪聲的均方根電流或電壓與頻率有關(guān)噪聲功率均方噪聲值：物理意義為：噪聲電流消耗在一個歐姆電阻上的平均功率噪聲功率譜：與頻率無關(guān)：白噪聲與頻率成反比：1/f噪聲171.熱噪聲載流子在一定溫度下的無規(guī)則熱運(yùn)動導(dǎo)致。k：玻爾茲曼常數(shù)；T：絕對溫度；R:器件電阻值；f通帶寬度探測器噪聲：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、 1/f噪聲、溫度噪聲等功率正比于T，常使用制冷器，減少熱噪聲與電阻兩端電壓或電流無關(guān)，與電阻R有關(guān)，稱電阻噪聲屬白噪聲，與f無關(guān)，但f很大時，會減少。2.散粒噪聲到達(dá)某截面或從某截面逸出的載流子數(shù)量隨機(jī)起伏導(dǎo)致。q：電子電荷；I：器件輸出平均電流；f通帶寬度與平均電流成正比是

7、白噪聲，與f無關(guān) 193.產(chǎn)生復(fù)合噪聲某一瞬間載流子產(chǎn)生和復(fù)合的數(shù)量隨機(jī)起伏導(dǎo)致。I：總的平均電流；N0：總的自由載流子數(shù)t：載流子壽命；f：噪聲頻率4.1/f噪聲機(jī)理復(fù)雜，主要與器件表面狀態(tài)、材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。有經(jīng)驗公式：a接近2；b在0.81.5之間c是比例常數(shù)與電流的平方成正比，也稱電流噪聲與頻率成反比！低頻很大。與電流及載流子壽命成正比，屬白噪聲。與散粒噪聲類似205.溫度噪聲器件本身溫度隨機(jī)變化導(dǎo)致。Gt：器件的熱導(dǎo)；tt：器件的熱時間常數(shù)；T：周圍溫度低頻時，可簡化：與溫度的平方成正比，與熱導(dǎo)成反比主要存在于光熱（熱電）探測器，對光子 探測器影響不明顯頻率低時為白噪聲幾百Hz探測器

8、不同工作頻率范圍，主要噪聲不一樣100HZ以下：1/f噪聲；1000HZ以上：白噪聲為抑制及減少噪聲提供方向整體情況：f/Hz1/f噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲散粒、溫度和熱噪聲221.響應(yīng)率電壓響應(yīng)率(V/w)：電壓/單色輻射通量電流/單色輻射通量電流 響應(yīng)率(A/w)：1.4.2 光電探測器的特性參數(shù)探測器的輸出信號電壓/探測器接收的所有波長光的總輻射通量探測器輸出的信號電流/探測器接收的所有波長光的總輻射通量電壓光譜靈敏度：2.光譜響應(yīng)率（范圍）電流光譜靈敏度：S（）1相對光譜靈敏度反映器件的光度轉(zhuǎn)換能力233、等效噪聲功率如果探測器所接收到的輻射功率所引起的信號輸出，正好等于探測器本身產(chǎn)生的噪聲，

9、則探測器此時所接收到的輻射功率稱為等效噪聲功率又稱為最小可探測功率。設(shè)輸出信號為電流信噪比當(dāng)輸出電壓（電流）的信噪比為1時所對應(yīng)的入射光的功率；反映了探測器本身的固有本征噪聲的大?。惶綔y器的極限靈敏度或最小可測功率。歸一化等效噪聲功率：4、探測度D與比探測度D*探測率歸一化等效噪聲功率： 比探測率（歸一化探測率）Ad：cm2f: Hz:ASI:A/W D*:cm.Hz1/2.W-1實際上比探測率是與波長有關(guān)的D*（500K，900Hz, 1Hz)黑體光源的溫度輻射能量的振蕩頻率測量帶寬255.響應(yīng)時間和頻率響應(yīng)惰性-光電器件輸出的電信號總是在時間上落后于作用在其上的光信號的特性。t響應(yīng)時間Is1.0t0.370.63上下頻率響應(yīng)探測器上限截止頻率266.線性下限：由暗電流和噪聲因素決定上限：上限由飽和效