光電探測器概述

概述1光電探測器概述5/8/20242光電探測器概述5/8/2024光輻射探測系統(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及其它雜散光經(jīng)傳輸介質(zhì)一起會(huì)聚在光探測器上。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器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)測量出來，經(jīng)電子線路處理后，可供分析、記錄、存儲(chǔ)或直接顯示，從而識(shí)別被測目標(biāo)。因此，光探測器是實(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)光輻射探測的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。3光電探測器概述5/8/2024§2-1發(fā)展簡況與分類

1826----熱電偶探測器

1880----金屬薄膜測輻射計(jì)

1946----熱敏電阻五十年代----熱釋電探測器六十年代----三元合金光探測器（HgCdTe）七十年代----光子牽引探測器八十年代----量子阱探測器近年來的發(fā)展方向：

陣列光電探測器、光電探測器集成化電荷耦合器件（CCD,chargedcoupleddevice）2.1.1發(fā)展簡況4光電探測器概述5/8/2024熱電偶溫度計(jì)5光電探測器概述5/8/2024熱釋電探測器6光電探測器概述5/8/2024光電二極管、三極管光電池7光電探測器概述5/8/2024光電二極管陣列Si/PIN光電二極管8光電探測器概述5/8/2024熱電阻、熱電偶9光電探測器概述5/8/2024熱敏電阻10光電探測器概述5/8/2024熱釋電探測器11光電探測器概述5/8/2024耦合式GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測器結(jié)構(gòu)12光電探測器概述5/8/2024(CCD)Chargedcoupleddevice13光電探測器概述5/8/20242.1.2光輻射探測器分類光輻射探測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。

按用途分：成像、非成像探測器；

按光譜響應(yīng)分：紫外光、可見光、近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外探測器；

按結(jié)構(gòu)分：單元、多元、陣列光探測器；

按工作轉(zhuǎn)換機(jī)理分：光子（光電）、熱探測器14光電探測器概述5/8/2024光電探測器件的工作原理是基于光電效應(yīng)，而熱探測器需要經(jīng)過加熱物體的中間過程，因此，前者反應(yīng)速度快。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。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大，吸收光子后的電子可掙脫原子的束縛而逸出材料表面，這種電子稱為光電子，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應(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)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。15光電探測器概述5/8/2024

半導(dǎo)體的特點(diǎn)：由于原子間的相互作用而使能級(jí)分裂，離散的能級(jí)形成能帶。分為價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)價(jià)帶：晶體中原子的內(nèi)層電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶被電子所填滿，這種能帶稱為價(jià)帶；

導(dǎo)帶：價(jià)帶以上未被電子填滿或者是空的能帶稱為導(dǎo)帶；

禁帶：導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能隙稱為禁帶。導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芗?jí)間隙就是禁帶寬度Eg。Eg價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶費(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。但是本征半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg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)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，統(tǒng)稱為“載流子”16光電探測器概述5/8/2024半導(dǎo)體可分為本征半導(dǎo)體.P型半導(dǎo)體.N型半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體：硅和鍺都是半導(dǎo)體，而純硅和鍺晶體稱本征半導(dǎo)體。硅和鍺為4價(jià)元素，其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。半導(dǎo)體類型雜質(zhì)半導(dǎo)體的形成：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。17光電探測器概述5/8/2024

N型半導(dǎo)體：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N型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體：由于雜質(zhì)原子的最外層有5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)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。這N是從“Negative（負(fù)）”中取的第一個(gè)字母。

18光電探測器概述5/8/2024結(jié)論：N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：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)電性能也就越強(qiáng)。多子：N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，簡稱多子。少子：空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。施主原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。19光電探測器概述5/8/2024P型半導(dǎo)體：在純凈的4價(jià)本征半導(dǎo)體（如硅晶體）中混入了3價(jià)原子，譬如極小量（一千萬之一）的硼合成晶體，使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半導(dǎo)體?？昭ǖ漠a(chǎn)生：由于雜質(zhì)原子的最外層有3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)生了一個(gè)“空位”（空位電中性），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)的負(fù)離子，同時(shí)，在硅原子的共價(jià)鍵中產(chǎn)生一個(gè)空穴，由于少一電子，所以帶正電。P型取“Positve（正）”一詞的第一個(gè)字母。P型半導(dǎo)體20光電探測器概述5/8/2024結(jié)論：1、多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。原因：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。2、少子的濃度決定于溫度。原因：少子是本征激發(fā)形成的，與溫度有關(guān)。多子：P型半導(dǎo)體中，多子為空穴。少子：為電子。受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。21光電探測器概述5/8/2024

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度越高，費(fèi)米能級(jí)越低，N型半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度越高，費(fèi)米能級(jí)越高。PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)價(jià)帶導(dǎo)帶能隙EF結(jié)區(qū)P區(qū)N區(qū)22光電探測器概述5/8/2024PN結(jié)的形成

當(dāng)Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ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地方向濃度低的地方擴(kuò)散。電子和空穴都是帶電的，它們擴(kuò)散的結(jié)果就使Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)中原來的電中性條件破壞了。Ｐ區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，Ｎ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空間電荷，它們集中在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)交界面附近形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，即PN的結(jié)。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，或者說消耗殆盡了，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。23光電探測器概述5/8/2024

Ｐ區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電荷，Ｎ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Ｎ區(qū)指向Ｐ區(qū)的電場，由于這個(gè)電場是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為內(nèi)電場。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)又稱為阻擋層。

24光電探測器概述5/8/2024

內(nèi)電場是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的，伴隨著它的建立將帶來兩種影響：一是內(nèi)電場將阻礙多子的擴(kuò)散，二是P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）一旦靠近PN結(jié)，便在內(nèi)電場的作用下漂移到對(duì)方，這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄。

因此，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強(qiáng)，有利于少子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散；而漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場減弱，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。

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)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡。25光電探測器概述5/8/2024ＰＮ結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

（1）外加正向電壓（正偏）

PN結(jié)上加正向電壓，外電場與內(nèi)電場方向相反，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)平衡被破壞。外電場驅(qū)使P區(qū)空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)電荷，同時(shí)N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)變窄，內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內(nèi)，外電場愈強(qiáng)，正向電流愈大，這時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。發(fā)光二極管26光電探測器概述5/8/2024（2）外加反向電壓（反偏）

在PN結(jié)上加反向電壓，外電場與內(nèi)電場的方向一致，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡同樣被破壞。外電場驅(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)變寬，內(nèi)電場增強(qiáng)，使多數(shù)載流子的擴(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)，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，PN結(jié)的反向電阻很高，即PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。光電二極管27光電探測器概述5/8/2024外加反偏電壓于結(jié)內(nèi)電場方向一致，沒有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN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)生電子---空穴對(duì)，稱為光生載流子。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，電子被拉向n區(qū)，空穴被拉向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)電場的作用下也參與導(dǎo)電。光的強(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)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。28光電探測器概述5/8/2024

光電探測器（1）光電子發(fā)射探測器（光電子發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)）金屬氧化物或半導(dǎo)體表面光子能量大于逸出功材料內(nèi)束縛能級(jí)的電子逸出表面自由電子光輻射光電導(dǎo)探測器（光電導(dǎo)效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）半導(dǎo)體材料光子能量大于禁帶寬度材料內(nèi)不導(dǎo)電束縛狀態(tài)的電子空穴自由電子空穴光輻射電導(dǎo)率變化29光電探測器概述5/8/2024

光電探測器（2）

光伏探測器（光生伏特效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）金屬氧化物或半導(dǎo)體表面光子能量足夠大材料內(nèi)束縛能級(jí)的電子逸出表面電子—空穴對(duì)光輻射

光電磁探測器（光電磁效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）垂直磁場中的半導(dǎo)體材料光子能量足夠大本征吸收產(chǎn)生電子空穴對(duì)載流子濃度梯度光輻射光磁電動(dòng)勢(shì)

光電池、光電二極管、雪崩光電二極管、PIN管及光電晶體管光生電動(dòng)勢(shì)30光電探測器概述5/8/2024光電探測器特點(diǎn)選擇性探測器，即光子波長有長波限。波長長于長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。波長短于長波限的入射輻射，功率一定時(shí)，波長越短，光子數(shù)越少，因此光子探測器的理論響應(yīng)率應(yīng)正比于波長。31光電探測器概述5/8/2024熱探測器（光熱效應(yīng)）熱探測器材料產(chǎn)生溫升物理性質(zhì)變化光輻射溫差電動(dòng)（溫差電效應(yīng)）電阻率變化（測輻射熱計(jì)效應(yīng)）自發(fā)極化強(qiáng)度變化（熱釋電效應(yīng)）氣體體積和壓強(qiáng)變化熱電偶熱敏電阻、電阻測輻射熱計(jì)高萊管熱釋電探測器32光電探測器概述5/8/2024熱探測器特點(diǎn)

非選擇性探測器，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成份無關(guān)。不需制冷可在室溫下工作比光子探測器有更寬的光譜響應(yīng)范圍，可在X射線和毫米波段使用。但響應(yīng)時(shí)間比光子探測器長。且取決于熱探測器熱容量的大小和散熱的快慢。33光電探測器概述5/8/2024§2-2光電探測器的響應(yīng)性能參數(shù)光電探測器的定義定義：光子探測器是指入射在光探測器上的光輻射能，它以光子的形式與光子探測器材料內(nèi)受束縛的電子相互作用（光電子效應(yīng)），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。光電磁效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)34光電探測器概述5/8/20242.2.1光電探測器的工作條件1.

輻射源的光譜分布（如單色、黑體、調(diào)制）

2.

電路的通頻帶和帶寬（噪聲的影響）

3.

工作溫度：

295K、195K、77K、20.4K、4.2K

4.光敏面尺寸：1cm2

5.

偏置情況35光電探測器概述5/8/2024光電探測器和其它器件一樣，有一套根據(jù)實(shí)際需要而制定的特性參數(shù)。它是在不斷總結(jié)各種光電探測器的共同基礎(chǔ)上而給以科學(xué)定義的，所以這一套性能參數(shù)科學(xué)地反映了各種探測器的共同因素。依據(jù)這套參數(shù)，可以評(píng)價(jià)探測器性能的優(yōu)劣，比較不同探測器之間的差異，從而達(dá)到根據(jù)需要合理選擇和正確使用光電探測器的目的。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)36光電探測器概述5/8/2024響應(yīng)率（度）RV

、RI

單位入射光功率作用下探測器的輸出電壓（流），即靈敏度。

——器件對(duì)全色入射輻射的響應(yīng)能力，定義為器件的輸出信號(hào)與輸入輻射功率之比，用R來表示。輸出信號(hào)用電壓表示：輸出信號(hào)用電流表示：37光電探測器概述5/8/20242.單色靈敏度（光譜響應(yīng)度）光電探測器在單位單色輻射通量（光通量）照射下得到輸出電壓（流）；即探測器的輸出電壓（流）與入射到探測器上單色輻射通量（光通量）之比。——器件對(duì)單色入射輻射的響應(yīng)能力。光譜響應(yīng)寬度峰值響應(yīng)度38光電探測器概述5/8/2024實(shí)用表示法——用光譜量子效率ηλ來表示光譜響應(yīng)率，定義：

NP：入射輻射量子數(shù)

NS：由NP產(chǎn)生的信號(hào)量子數(shù)由于光譜量子效率ηλ和光譜響應(yīng)率Rλ表示的是同一事件，所以它們之間必有聯(lián)系：

e：電子電量

c：真空光速

h：普朗克常數(shù)39光電探測器概述5/8/2024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)。由上式可繪出Rλ－λ曲線，稱為等量子效率曲線。

Rλ－λ關(guān)系曲線即光譜響應(yīng)隨波長的變化關(guān)系，因此，Rλ－λ曲線也稱為光譜響應(yīng)特性曲線。

由上式可得40光電探測器概述5/8/20243.積分響應(yīng)度R探測器對(duì)連續(xù)輻射通量（光通量）的響應(yīng)程度；即探測器的輸出電壓（流）與入射到探測器上總輻射通量（光通量）之比。41光電探測器概述5/8/20244.時(shí)間響應(yīng)特性

——探測器對(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。

（b）響應(yīng)脈沖（a）輻射脈沖42光電探測器概述5/8/2024實(shí)際器件的響應(yīng)都具有滯后現(xiàn)象（惰性）：（a）輻射脈沖（a）輻射脈沖（b）響應(yīng)脈沖（b）響應(yīng)脈沖43光電探測器概述5/8/2024描述時(shí)間響應(yīng)特性的參數(shù)：弛豫時(shí)間和幅頻特性。⒈弛豫時(shí)間：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)間的定義1：（1）起始弛豫（上升時(shí)間常數(shù)）——器件的響應(yīng)從零上升至穩(wěn)定值的90%時(shí)所需的時(shí)間t1；（2）衰減弛豫（下降時(shí)間常數(shù)）——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10%時(shí)所需的時(shí)間t2

。44光電探測器概述5/8/2024（1）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)間，約為63%；（2）衰減弛豫定義為響應(yīng)值下降至穩(wěn)定值的時(shí)所需的時(shí)間，約為37%。弛豫時(shí)間的定義2：這些上升或下降的時(shí)間就表示了器件惰性的大小。45光電探測器概述5/8/2024響應(yīng)時(shí)間上升時(shí)間：

10%----90%；

下降時(shí)間：

90%----10%；

表示探測器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)；用時(shí)間常數(shù)表示10.90.1tt入射光響應(yīng)時(shí)間：46光電探測器概述5/8/20245.頻率響應(yīng)R（f）光電探測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性；頻率是f

時(shí)的響應(yīng)度；頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；時(shí)間常數(shù)（）。47光電探測器概述5/8/2024上限截止頻率：f48光電探測器概述5/8/20242.2.3其它參數(shù)定義：在某一特定波長上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比

量子效率η(λ)表達(dá)式：反映了入射輻射與最初的光敏元的相互作用49光電探測器概述5/8/20242.線性度I1I2I⊿maxt探測器的輸出光電壓（流）與輸入光功率成線性變化的程度和范圍。用非線性誤差描述。一般，在弱光照射下探測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)光照射下一般趨于平方根關(guān)系。50光電探測器概述5/8/2024

光電效應(yīng)發(fā)生的條件：E=h

Eg(半導(dǎo)體禁帶寬度)

截止波長：截止波長本征半導(dǎo)體的長波限51光電探測器概述5/8/2024§2-3光電探測器的噪聲參數(shù)顯然，噪聲un(t)表示了u(t)偏離us(t)的程度。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)為噪聲。光電探測器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過程中，同樣要引入噪聲，稱為光電探測器的噪聲。若us(t)表示信號(hào)，經(jīng)過傳輸或變換后輸出u(t)，則：un(t)表示噪聲一、噪聲概念52光電探測器概述5/8/2024前兩種又稱為有形噪聲，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)部，表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏，稱為無規(guī)噪聲。根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因，大體上可以把噪聲分為人為噪聲、自然干擾和物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾三類。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，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53光電探測器概述5/8/2024探測器放大器示波器(a)(b)(c)光起伏噪聲對(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，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)探測器也失去了探測弱光信號(hào)的能力。54光電探測器概述5/8/2024從上面討論中，我們應(yīng)該建立這樣的觀念：上述現(xiàn)象并不是探測器不好所致，它是探測器所固有的不可避免的現(xiàn)象。任何一個(gè)探測器，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，就是從噪聲中如何提取信號(hào)的問題，這是當(dāng)今信息探測理論研究的中心課題之一。55光電探測器概述5/8/2024

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溫度噪聲放大器噪聲光電系統(tǒng)噪聲分類56光電探測器概述5/8/2024主要來源：

系統(tǒng)外部，通常由電、磁、機(jī)械等因素引起。如電源50Hz干擾、工業(yè)設(shè)備電火花干擾等，具有一定規(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；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)引起的熱噪聲、光探測過程中光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)引起的散粒噪聲等。57光電探測器概述5/8/2024光輻射探測系統(tǒng)是光電信息的變換、傳輸及處理的系統(tǒng)，除光探測器外，還有各種光學(xué)、機(jī)械和電子系統(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。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。

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)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。58光電探測器概述5/8/2024實(shí)際情況是，當(dāng)P＝0時(shí)，光電探測器的輸出電流并不為零。這個(gè)電流稱為暗電流或噪聲電流，它是瞬時(shí)噪聲電流的有效值。記為：從靈敏度R的定義式：可見，如果P＝0，應(yīng)有Is=059光電探測器概述5/8/2024考慮到噪聲因素后，一個(gè)光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換過程的模型如圖所示：圖中的光功率Ps和Pb分別為信號(hào)和背景光功率。可見，即使Ps和Pb都為零，也會(huì)有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測微弱信號(hào)的能力。通常認(rèn)為，如果信號(hào)光功率產(chǎn)生的信號(hào)光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測到光信號(hào)存在。60光電探測器概述5/8/20242.3.1噪聲的基本概念概率分布密度（時(shí)域）功率譜密度（頻域）白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)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嬖谟谡麄€(gè)頻帶范圍內(nèi)。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它“顏色”的噪聲，下面是常見的色噪聲：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。61光電探測器概述5/8/2024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。)(tun)0(g)(tgtt00(a)(b)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。長時(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)間平均值無法描述噪聲大小。62光電探測器概述5/8/20242.光電系統(tǒng)噪聲的分類電學(xué)噪聲探測器噪聲光學(xué)噪聲介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)光調(diào)制器光電探測器電子電路→→→→→目標(biāo)或光源63光電探測器概述5/8/20244.噪聲的影響弱信號(hào)的探測系統(tǒng)的極限探測能力64光電探測器概述5/8/20242.3.2光電探測器的噪聲原因：載流子隨機(jī)漲落特點(diǎn)：白噪聲電子的粒子性表達(dá)式：散粒噪聲隨機(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)體中的載流子數(shù)；光電倍增器的倍增系數(shù)等。65光電探測器概述5/8/20242.熱噪聲原因：載流子隨機(jī)性出現(xiàn)特點(diǎn)：白噪聲載流子的運(yùn)動(dòng)性表達(dá)式：[注意]：熱噪聲雖然是溫度T的函數(shù)，但并不是溫度變化引起的溫度噪聲。66光電探測器概述5/8/2024注意：散粒噪聲和熱噪聲都是與頻率無關(guān)的“白噪”聲。即：散粒噪聲和熱噪聲的大小與頻率的高低無關(guān)。67光電探測器概述5/8/20243.溫度噪聲原因：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，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)生物體的溫度噪聲。表達(dá)式：

68光電探測器概述5/8/2024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：對(duì)于熱噪聲，材料的溫度T一定，引起粒子隨機(jī)性波動(dòng)，從而產(chǎn)生了隨機(jī)性電流；對(duì)于溫度噪聲，材料溫度有變化ΔT，從而導(dǎo)致熱流量的變化Δφ，此變化就表示了溫度噪聲的大小。在熱探測器件中必須考慮溫度噪聲的影響。69光電探測器概述5/8/20244.產(chǎn)生-復(fù)合噪聲原因：在半導(dǎo)體中，因載流子（電子、空穴）

產(chǎn)生復(fù)合