第1章光电导探测.ppt

第第1章章 光电导探测器光电导探测器v光电子器件的种类很多、很广，由于其类型和用途不同，对光电子器件的种类很多、很广，由于其类型和用途不同，对其性能和参数的要求也不同，评价的参数和方法也不尽相同，其性能和参数的要求也不同，评价的参数和方法也不尽相同，在此处只能就其共性进行描述。在此处只能就其共性进行描述。v由于本课程主要涉及由于本课程主要涉及光电探测器光电探测器和和光电成像器件光电成像器件两大类，两大类，所以对它们的性能参数也分两大类。所以对它们的性能参数也分两大类。对光电探测器有：对光电探测器有：响应特性响应特性、噪声特性噪声特性，包括，包括响应率响应率、探测探测率率、时间常数时间常数及及噪声噪声等。等。对光电成像器件有：包括上面参数，还有对光电成像器件有：包括上面参数，还有成像特性成像特性，包括：，包括：分分辨率辨率、空间频率特性空间频率特性以及以及空间抽样特性空间抽样特性等。等。1.1 光电子器件的基本特性光电子器件的基本特性v信号噪声比信号噪声比乃是反映器件总体特性的综合参乃是反映器件总体特性的综合参数，对描述光电探测器以及光电成像器件都数，对描述光电探测器以及光电成像器件都是必不可少的。是必不可少的。v本节只叙述光电器件的本节只叙述光电器件的响应特性、探测率以响应特性、探测率以及吸收系数及吸收系数，其他特性在各章叙述。，其他特性在各章叙述。1.1.1 光谱响应率和响应率光谱响应率和响应率v响应率响应率定义定义:v光电探测器光电探测器输出信号电压输出信号电压或或电流电流与与单位入射光单位入射光功率功率之之比比，即单位入射光功率作用下探测器输，即单位入射光功率作用下探测器输出信号电压或电流称为响应率出信号电压或电流称为响应率.v有光谱响应率有光谱响应率 和积分响应率和积分响应率R。v是传感器灵敏度相似的是传感器灵敏度相似的概概念念.R1.光谱响应率光谱响应率v光谱电压响应率光谱电压响应率Ru：光电器件在单色：光电器件在单色(在波长在波长 附近一个很小的波长范围内附近一个很小的波长范围内)辐射功率作用下产生辐射功率作用下产生的信号电压为的信号电压为:v 光谱电流响应率光谱电流响应率Ri：光电器件在单色：光电器件在单色(在波长在波长 附近一个很小的波长范围内附近一个很小的波长范围内)辐射功率作用下产生辐射功率作用下产生的信号电流为，则：的信号电流为，则：dPduRsu：dPdiRsi光电器件的光谱响应曲线光电器件的光谱响应曲线:归一化，可得归一化，可得相对光谱响应率相对光谱响应率：Rm为光谱响应率的最大值为光谱响应率的最大值.R mR R()1.0 mRRR)(光谱量子效率光谱量子效率 :单色入射辐射量子数单色入射辐射量子数 由产生的信号量子数由产生的信号量子数 光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定,而与光而与光源无关。源无关。PsNNPNsNv把把 转化为转化为 ：v 以以m为单位，则为单位，则 以以A/W为单位。为单位。v如果如果以以nm为单位，则为单位，则 以以mA/W为单位。为单位。v此公式计算简单，常在工程中应用到。此公式计算简单，常在工程中应用到。v光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定，而与光源无关。定，而与光源无关。iR1.24siidiehcRRhcedP1.24iRiRiR简称为响应率响应率R，为器件输出信号与输入功率之比:电压响应率电压响应率:P入射辐射功率 us输出信号电压 电流响应率：电流响应率：Is输出信号电流 量子效率量子效率:NP入射辐射量子数 Ns由NP所产生的信号量子数 响应率实质上反映了器件的灵敏程度，因此，响应率又被叫做灵敏度或积分灵敏度，而相应的光谱响应率叫做光谱灵敏度。PuRsuPIRsIPsNN 2.积分响应率积分响应率光度量的电压响应率和电流响应率光度量的电压响应率和电流响应率:输入光通量输入光通量 对给定色温的光源，其光通量与辐射功率对给定色温的光源，其光通量与辐射功率P之比是一定的之比是一定的,辐辐射响应率与光度响应率的关系射响应率与光度响应率的关系:suuRsIIRKRRuuKRRIIPK 3 .光谱响应率与响应率的关系光谱响应率与响应率的关系 v光源辐射功率谱密度光源辐射功率谱密度 定义为单位波长范围内的辐射定义为单位波长范围内的辐射功率，即：功率，即：v光源辐射功率谱密度随波长的分布曲线如图光源辐射功率谱密度随波长的分布曲线如图1-2，是，是光源的特性。光源的特性。光源光谱辐射功率谱密度归一化光源光谱辐射功率谱密度归一化:Pm：单色辐射功率最大值：单色辐射功率最大值 P：单色辐射功率的相对值：单色辐射功率的相对值 mPPP)(ddPPP d Pm 1)(P P 称为器件同光源的称为器件同光源的光谱匹配系数光谱匹配系数它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。mmmmmRdPdRPRdPPdRRPPR0000)()()()()()(00)()()(dPdRP0000(A/W)sR dPP R dIRPdPP d器件的光谱响应同光源的光谱辐射的匹配程度器件的光谱响应同光源的光谱辐射的匹配程度:在光源固定的情况下，面积在光源固定的情况下，面积A1是不变的，如果与曲线重是不变的，如果与曲线重合得愈多，面积合得愈多，面积A2愈大，也就是光谱匹配愈好，愈大，也就是光谱匹配愈好，愈大；愈大；反之，如果两曲线没有重合之处，反之，如果两曲线没有重合之处，=0，即二者完全失，即二者完全失配，则该光电器件对光源没有探测能力。配，则该光电器件对光源没有探测能力。1200)()()(AAdPdRP 1 1)(P)(P )(R )(R 1A 2A v光谱匹配是选择光电探测器，如像管、光电倍增管、红外成光谱匹配是选择光电探测器，如像管、光电倍增管、红外成像器件的光电转换材料的重要像器件的光电转换材料的重要依据依据。v希望光电探测器尽量与光源匹配。由于夜视器件大部分工作希望光电探测器尽量与光源匹配。由于夜视器件大部分工作在夜晚，其红外波段辐射较集中，因此，制作夜视探测器要在夜晚，其红外波段辐射较集中，因此，制作夜视探测器要尽量向红外方向延伸。尽量向红外方向延伸。v要探测那个波段的光辐射的信号，就要使器件的响应范围与要探测那个波段的光辐射的信号，就要使器件的响应范围与光辐射的波段尽量一致。光辐射的波段尽量一致。1 1)(P)(P )(R )(R 1A 2A 功率谱密度功率谱密度波长波长(nm)400800120016002000紫外线紫外线 可见光可见光红外线红外线黄绿光黄绿光01.1.2 最小可探测辐射功率和探测率最小可探测辐射功率和探测率 1.最小可探测辐射功率最小可探测辐射功率Pmin：当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率射辐射功率 P入射辐射功率；入射辐射功率；un噪声电压均方根；噪声电压均方根；us输出信号电压。输出信号电压。unnsRuuuPPmin噪声噪声v光电探测器输出的电流或电压在其平均值上光电探测器输出的电流或电压在其平均值上下起伏下起伏.v 这种起伏是一种这种起伏是一种无规则的、随机的无规则的、随机的，在某一瞬间的幅度，在某一瞬间的幅度不能预先知道，并且与其前后相邻时刻的幅度大小也毫无不能预先知道，并且与其前后相邻时刻的幅度大小也毫无关系，这种起伏称为噪声，这种噪声是物理过程中所固有关系，这种起伏称为噪声，这种噪声是物理过程中所固有的，是不可能人为消除的。的，是不可能人为消除的。v由于噪声是在平均值附近的随机起伏，其瞬间值是不确由于噪声是在平均值附近的随机起伏，其瞬间值是不确定的，其长时间的平均值为零，简单地求平均没有意义，定的，其长时间的平均值为零，简单地求平均没有意义，有意义的是足够长时间内求其有意义的是足够长时间内求其平方平均值平方平均值或或均方根均方根。v当有多个噪声源同时存在时，只要这些噪声源是独立，互当有多个噪声源同时存在时，只要这些噪声源是独立，互不相关的，其噪声功率就可进行相加。不相关的，其噪声功率就可进行相加。v在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性，另外，噪声也限制了系统可能信号探测的准确性，另外，噪声也限制了系统可能探测到的最小信号功率，因为信号太弱，就被噪声探测到的最小信号功率，因为信号太弱，就被噪声所掩没，难以被发现。所掩没，难以被发现。当入射辐射较弱时，所产生的信号电压等于噪声电当入射辐射较弱时，所产生的信号电压等于噪声电压时，此时信号被淹没在噪声之中，而不能分辨信压时，此时信号被淹没在噪声之中，而不能分辨信号，此时该入射的辐射功率为该探测器所能探测到号，此时该入射的辐射功率为该探测器所能探测到的最小功率，因此，又称为的最小功率，因此，又称为噪声等效功率噪声等效功率vNEP(Noise Equalance Power)。当然。当然Pmin越小，器件越小，器件的探测能力越强，的探测能力越强，Pmin越小越好，但这不符合人们的习越小越好，但这不符合人们的习惯表示方法，因此引入探测率惯表示方法，因此引入探测率。unnsRuuuPPmin 最小可探测辐射功率最小可探测辐射功率Pmin：当输出信号电压等于输出噪声电压均方根当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率值时的探测器的入射辐射功率 P入射辐射功率；入射辐射功率；un噪声电压均方根；噪声电压均方根；us输出信号电压。输出信号电压。unnsRuuuPPmin2.探测率探测率D 对对Pmin取倒数作为衡量探测器探测能力的参数称为探取倒数作为衡量探测器探测能力的参数称为探测率测率 D越大，表示器件的探测性能越好越大，表示器件的探测性能越好 PuuNEPPDns11minvNEP(Noise Equalance Power)。当然。当然Pmin越小，器件越小，器件的探测能力越强，的探测能力越强，Pmin越小越好，但这不符合人们的习越小越好，但这不符合人们的习惯表示方法，因此引入探测率惯表示方法，因此引入探测率。v探测率与探测器的面积和工作频率带宽有关，探测率与探测器的面积和工作频率带宽有关，为了将不同面积和不同工作带宽的器件进行比为了将不同面积和不同工作带宽的器件进行比较，必须消除两个因素的影响。较，必须消除两个因素的影响。2/1minmin)(fAPP2/12/1minmin)()(11fADfAPPD1/21/2()()snunu uRDA fA fPu表示探测器接收面积为表示探测器接收面积为1cm2，工作带宽为，工作带宽为1Hz时的单位入射辐射功率所产生的信噪比。时的单位入射辐射功率所产生的信噪比。v研究指出，探测率与器件的面积和工作带宽成反比。研究指出，探测率与器件的面积和工作带宽成反比。v 的测量是在一定的条件下进行的，如一的测量是在一定的条件下进行的，如一定的黑体光源的温度，调制频率，测量系统定的黑体光源的温度，调制频率，测量系统的带宽等，测量值的的带宽等，测量值的 (T,f,)如如(500,900,5)。DDf为了描述单色情况，还引入光谱探测率为了描述单色情况，还引入光谱探测率*(,)Dff它表示器件对波长为它表示器件对波长为 的辐射的探测率的辐射的探测率.目前基本上用目前基本上用 取代了取代了D，若无特殊说明，本书所称的，若无特殊说明，本书所称的探测率均指探测率均指 而言。而言。DD1.1.3 光吸收系数光吸收系数v光入射到材料，会发生吸收、色散、反射、光入射到材料，会发生吸收、色散、反射、折射等现象。对半导体而言，材料吸收光的折射等现象。对半导体而言，材料吸收光的原因，在于光与处在各种状态的电子、晶格原因，在于光与处在各种状态的电子、晶格原子和杂质原子的相互作用。原子和杂质原子的相互作用。v设入射光的强度为设入射光的强度为I0，入射到样品厚度为，入射到样品厚度为x处的光