1、概述,光輻射探測系統(tǒng)由信息源、傳輸介質和接收系統(tǒng)組成。接收光學系統(tǒng)把信息源光輻射和背景及其它雜散光經傳輸介質一起會聚在光探測器上。,光輻射所攜帶的信息，如：光譜能量分布、輻射通量、光強分布、溫度分布等由光探測器轉變成電信號測量出來，經電子線路處理后，可供分析、記錄、存儲或直接顯示，從而識別被測目標。,因此，光探測器是實現光電轉換的關鍵部件，它的性能好壞對整個光輻射探測的質量起著至關重要的作用。,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 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

2、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, charged coupled device）,2.1.1 發(fā)展簡況,熱電偶溫度計,熱釋電探測器,光電二極管、三極管,光電池,光電二極管陣列,Si /PIN光電二極管,熱電阻、熱電偶,熱敏電阻,熱釋電探測器,耦合式GaAs/AlGaAs 多量子阱紅外探測器結構,(CCD) Charged coupled device,2.1.2 光輻射探測器分類,光輻射探測器件是利用各種光電效應，或光熱效應使入射光輻射強度轉換成電學信息或電能的儀器。,按用途分：成像、非成像探測器； 按光譜響應分：紫外光、可見光、近紅外

3、、 中紅外、遠紅外探測器； 按結構分：單元、多元、陣列光探測器； 按工作轉換機理分：光子（光電）、熱探測器,光電探測器件的工作原理是基于光電效應，而熱探測器需要經過加熱物體的中間過程，因此，前者反應速度快。,光電轉換器件主要是利用物質的光電效應，即當物質在一定頻率的光的照射下，釋放出光電子的現象。當光照射金屬、金屬氧化物或半導體材料的表面時，會被這些材料內的電子所吸收，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，這種現象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應。 有些物質受到光照射時，其內部原子釋放電子，但電子仍留在物體內部，使物體的導電性增加，這種現象稱

4、為內光電效應。,半導體的特點：由于原子間的相互作用而使能級分裂，離散的能級形成能帶。分為價帶、導帶和禁帶。,半導體的能帶結構,價帶：晶體中原子的內層電子能級相對應的能帶被電子所填滿，這種能帶稱為價帶； 導帶：價帶以上未被電子填滿或者是空的能帶稱為導帶； 禁帶：導帶和價帶之間的能隙稱為禁帶。導帶底和價帶頂的能級間隙就是禁帶寬度Eg 。,半導體可分為本征半導體.P型半導體.N型半導體。 本征半導體：硅和鍺都是半導體，而純硅和鍺晶體稱本征半導體。硅和鍺為4價元素，其晶體結構穩(wěn)定。,半導體類型,雜質半導體的形成：通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體。,N型半導體：在純凈

5、的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。,N型半導體,N型半導體：由于雜質原子的最外層有5個價電子，所以除了與周圍硅原子形成共價鍵外，還多出一個電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就可使它們成為自由電子，顯負電性。這N是從“Negative（負）”中取的第一個字母。,結論： N型半導體的導電特性：是靠自由電子導電，摻入的雜質越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能也就越強。,多子：N型半導體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，稱為多數載流子，簡稱多子。 少子：空穴為少數載流子，簡稱少子。 施主原子：雜質原子可以提供電子，稱施子原子。,P型半導體：在純凈的4價本

6、征半導體（如硅晶體）中混入了3價原子，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型半導體。,空穴的產生：由于雜質原子的最外層有3個價電子，當它們與周圍的硅原子形成共價鍵時，就產生了一個“空位”（空位電中性），當硅原子外層電子由于熱運動填補此空位時，雜質原子成為不可移動的負離子，同時，在硅原子的共價鍵中產生一個空穴 ，由于少一電子，所以帶正電。P型取“Positve（正）”一詞的第一個字母。,P型半導體,結論： 1、多子的濃度決定于雜質濃度。原因：摻入的雜質使多子的數目大大增加，使多子與少子復合的機會大大增多。因此，對于雜質半導體，多子的濃度愈高，少子的濃度就愈低。

7、 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。,多子：P型半導體中，多子為空穴。 少子：為電子。 受主原子：雜質原子中的空位吸收電子，稱受主原子。,P型半導體雜質濃度越高，費米能級越低，N型半導體雜質濃度越高，費米能級越高。,PN結的能帶結構,價帶,導帶,能隙,EF,結區(qū),P區(qū),N區(qū),PN結的形成,當型半導體和型半導體結合在一起時，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散。,電子和空穴都是帶電的，它們擴散的結果就使區(qū)和區(qū)中原來的電中性條件破壞了。區(qū)一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，區(qū)一側因失去電子而留下不能移動的正離子。這些不能

8、移動的帶電粒子通常稱為空間電荷，它們集中在區(qū)和區(qū)交界面附近形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，即PN的結。,這個區(qū)域內多數載流子已擴散到對方并復合掉了，或者說消耗殆盡了，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。,區(qū)一側呈現負電荷，區(qū)一側呈現正電荷，因此空間電荷 區(qū)出現了方向由區(qū)指向區(qū)的電場，由于這個電場是載流子擴散運動形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為內電場。它對多數載流子的擴散運動起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。,內電場是由多子的擴散運動引起的，伴隨著它的建立將帶來兩種影響：一是內電場將阻礙多子的擴散，二是P區(qū)和N區(qū)的少數載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）一旦靠近PN結，便在內電場的作用下漂移到對

9、方，這種少數載流子在內電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動，結果使空間電荷區(qū)變窄。,因此，擴散運動使空間電荷區(qū)加寬，內電場增強，有利于少子的漂移而不利于多子的擴散；而漂移運動使空間電荷區(qū)變窄，內電場減弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂移。,在一定條件下（例如溫度一定），多數載流子的擴散運動逐漸減弱，而少數載流子的漂移運動則逐漸增強，最后擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PN結處于動態(tài)平衡。,結的單向導電性,（1） 外加正向電壓 （正偏）,PN結上加正向電壓，外電場與內電場方向相反，擴散與漂移運動平衡被破壞。外電場驅使P區(qū)空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負電荷，同時N區(qū)自

10、由電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正電荷，則空間電荷區(qū)變窄，內電場被削弱，多子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內，外電場愈強，正向電流愈大，這時PN結呈現的電阻很低，即PN結處于導通狀態(tài)。,發(fā)光二極管,（2） 外加反向電壓 （反偏）,在PN結上加反向電壓，外電場與內電場的方向一致，擴散與漂移運動的平衡同樣被破壞。外電場驅使空間電荷區(qū)兩側的空穴和自由電子移走，于是空間電荷區(qū)變寬，內電場增強，使多數載流子的擴散運動難于進行，同時加強了少數載流子的漂移運動，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。由于少數載流子數量很少，因此反向電流不大，PN結的反向電阻很高，即PN結處于

11、截止狀態(tài)。,光電二極管,外加反偏電壓于結內電場方向一致，沒有光照時，反向電流很小（一般小于0.1微安），稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子-空穴對，稱為光生載流子。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，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。同時勢壘區(qū)一側一個擴散長度內的光生載流子先向勢壘區(qū)擴散，然后在勢壘區(qū)電場的作用下也參與導電。光的強度越大，反向電流也越大。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應

12、變化。,光電探測器（1）,光電子發(fā)射探測器（光電子發(fā)射效應或外光電效應）,金屬氧化物或半導體表面,自由電子,光輻射,光電導探測器（光電導效應或內光電效應）,半導體材料,自由電子空穴,光輻射,電導率變化,光電探測器（2）,光伏探測器（光生伏特效應或內光電效應）,金屬氧化物或半導體表面,電子空穴對,光輻射,光電磁探測器（光電磁效應或內光電效應）,垂直磁場中的半導體材料,載流子 濃度梯度,光輻射,光磁電動勢,光電池、光電二極管、雪崩光電二極管、PIN管及光電晶體管,光生電動勢,光電探測器特點,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生所需的光子 效應，因此無法被探測。 波長短

13、于長波限的入射輻射，功率一定時，波長越短，光子數越少，因此光子探測器的理論響應率應正比于波長。,熱探測器（光熱效應）,熱探測器,物理性質變化,溫差電動 （溫差電效應）,電阻率變化 （測輻射熱計效應）,自發(fā)極化強度變化（熱釋電效應）,氣體體積和壓強變化,熱探測器特點,非選擇性探測器，光熱效應與入射光子的性質無關，即光電信號取決于入射輻射功率與入射輻射的光譜成份無關。 不需制冷可在室溫下工作比光子探測器有更 寬的光譜響應范圍，可在X射線和毫米波段使用。但響應時間比光子探測器長。且取決于熱探測器熱容量的大小和散熱的快慢。,2-2 光電探測器的響應性能參數,光電探測器的定義,定義：光子探測器是指入射在

14、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受束縛的電子相互作用（光電子效應），從而逸出表面或釋放出自由電子和自由空穴來參與導電的器件。,光電磁 效應,光電子 發(fā)射效應,光電導 效應,光生伏特效應,2.2.1 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 、 4.2K4. 光敏面尺寸：1cm25. 偏置情況,光電探測器和其它器件一樣，有一套根據實際需要而制定的特性參數。 它是在不斷總結各種光電探測器的共同基礎上而給以科學定義的，所以這一套性能參數科學地反映了各種探測

15、器的共同因素。 依據這套參數，可以評價探測器性能的優(yōu)劣，比較不同探測器之間的差異，從而達到根據需要合理選擇和正確使用光電探測器的目的。 顯然，了解各種性能參數的物理意義十分重要。,2.2.2 響應性能參數,響應率（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。 器件對全色入射輻射的響應能力，定義為器件的輸出信號與輸入輻射功率之比，用R來表示。,輸出信號用電壓表示：,輸出信號用電流表示：,2. 單色靈敏度（光譜響應度）,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。 器件對單色入射輻射

16、的響應能力。,實用表示法,用光譜量子效率來表示光譜響應率，定義：,NP：入射輻射量子數,NS：由NP 產生的信號量子數,由于光譜量子效率和光譜響應率R表示的是同一事件，所以它們之間必有聯系：,e：電子電量,c：真空光速,h：普朗克常數,注意：光譜響應率和光譜量子效率僅由器件的響應特性所決定，而與光源無關。 由上式可繪出R曲線，稱為等量子效率曲線。 R關系曲線即光譜響應隨波長的變化關系，因此，R曲線也稱為光譜響應特性曲線。,由上式可得,3. 積分響應度 R,探測器對連續(xù)輻射通量（光通量）的響應程度；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。,4. 時間響應特性,探測器對變

17、化信號響應快慢的能力。 理想器件的響應脈沖與輻射脈沖是一致的。,實際器件的響應都具有滯后現象（惰性）：,描述時間響應特性的參數：弛豫時間和幅頻特性。,弛豫時間：響應落后于作用信號的現象稱為弛豫。 弛豫時間也稱為時間常數。,弛豫時間的定義1： （1）起始弛豫（上升時間常數）器件的響應從零上升至穩(wěn)定值的90%時所需的時間t1； （2）衰減弛豫（下降時間常數） 當信號撤去后，器件的響應從穩(wěn)定值下降至穩(wěn)定值的10%時所 需的時間t2 。,（1）起始弛豫定義為響應值上升至穩(wěn)定值的時所需的時間 ，約為63%； （2）衰減弛豫定義為響應值下降至穩(wěn)定值的 時所需的時間，約為37%。,弛豫時間的定義2：,這些上

18、升或下降的時間就表示了器件惰性的大小。,響應時間,上升時間 ： 10%-90%； 下降時間 ： 90%-10% ；,表示探測器對入射輻射響應快慢的參數；用時間常數 表示,響應時間：,5. 頻率響應 R（f）,光電探測器的響應隨入射輻射的調制頻率而變化的特性；,上限截止頻率：,2.2.3 其它參數,定義：在某一特定波長上每秒鐘內產生的光 電子數與入射光量子數之比,量子效率(),表達式：,反映了入射輻射與最初的光敏元的相互作用,2. 線性度,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與輸入光功率成線性關系；強

19、光照射下一般趨于平方根關系。,光電效應發(fā)生的條件：E=h Eg (半導體禁帶寬度) 截止波長：,截止波長,本征半導體的長波限,2-3 光電探測器的噪聲參數,顯然，噪聲un(t)表示了u(t)偏離us(t)的程度。,信號在傳輸和處理過程中總會受到一些無用信號的干擾，人們常稱這些干擾信號為噪聲。 光電探測器在進行光電轉換過程中，同樣要引入噪聲，稱為光電探測器的噪聲。,若us(t)表示信號，經過傳輸或變換后輸出u(t)，則：,un(t)表示噪聲,一、噪聲概念,前兩種又稱為有形噪聲，一般可以預知，因而總可以設法減少和消除。最后一種噪聲來自物理系統(tǒng)內部，表現為一種無規(guī)則起伏，稱為無規(guī)噪聲。,根據噪聲產生

20、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)內部的起伏干擾三類。,例如，電阻中自由電子的熱運動，真空管中電子的隨機發(fā)射，半導體中載流子隨機的產生和復合等，這些隨機因素把一種無規(guī)則起伏施加給有用信號。,二、噪聲分類,起伏噪聲對有用信號的影響，如圖所示。假定入射光是正弦強度調制的，放大器是一個可以任意改變放大量的理想放大器。,當入射光強度較大時，在示波器上可以看到正弦變化的信號電壓波形 。 降低入射光功率時，增大放大率，則正弦電壓信號上出現許多無規(guī)起伏，使信號變得模糊不清。 再降低入射光功率時，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

21、化，此時噪聲完全埋沒了信號。當然這時探測器也失去了探測弱光信號的能力。,從上面討論中，我們應該建立這樣的觀念：,上述現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象。 任何一個探測器，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，事先無法預知的電壓起伏。 這種無規(guī)起伏，在統(tǒng)計學中稱為隨機起伏，它是微觀世界服從統(tǒng)計規(guī)律的反映。 從這個意義上說，實現光信號的探測，就是從噪聲中如何提取信號的問題，這是當今信息探測理論研究的中心課題之一。,光電系統(tǒng)噪聲分類,主要來源： 系統(tǒng)外部，通常由電、磁、機械等因素引起。如電源50Hz干擾、工業(yè)設備電火花干擾等，具有一定規(guī)律性，采取適當措施（如

22、屏蔽、濾波、遠離噪聲源等）可將其減小或消除； 系統(tǒng)內部材料、器件或固有的物理過程的自然擾動。如：任何導體中帶電粒子無規(guī)則運動引起的熱噪聲、光探測過程中光子計數統(tǒng)計引起的散粒噪聲等。,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、機械和電子系統(tǒng)，整個系統(tǒng)在工作時總會受到無用信號的干擾。 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。,實際情況是，當P0時，光電探測器的輸出電流并不為零。這個電流稱為暗電流或噪聲電流，它是瞬時噪聲電流的有效值。記為：,從靈敏度R的定義式：,可見，如果P0，應有Is=0,考慮到噪聲因素后，一個光電探測器完成光電轉

23、換過程的模型如圖所示：,圖中的光功率Ps和Pb分別為信號和背景光功率。 可見，即使Ps和Pb都為零，也會有噪聲輸出。 噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。 通常認為，如果信號光功率產生的信號光電流is等于噪聲電流in，那么就認為剛剛能探測到光信號存在。,2.3.1 噪聲的基本概念,概率分布密度（時域） 功率譜密度（頻域） 白噪聲 色噪聲,白噪聲在整個頻譜內每個頻點的能量為常數且基本恒定，不管對信號進行低通還是高通處理，均不能有效地濾除白噪聲，因為它存在于整個頻帶范圍內。,白色包含了所有的顏色，因此白噪聲的特點就是包含各種噪聲。白噪聲定義為在無限頻率范圍內功率密度為常數的信號，這就意味著還存在

24、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、藍噪聲、紫噪聲、棕色噪聲、灰色噪聲、黑噪聲。,噪聲的描述,噪聲電壓隨時間無規(guī)則起伏情況重畫如下。,無法用預先確知的時間函數來描述它。然而，噪聲本身是統(tǒng)計獨立的，所以能用統(tǒng)計的方法來描述。 長時間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機會是相等的，其時間平均值一定為零。所以用時間平均值無法描述噪聲大小。,2. 光電系統(tǒng)噪聲的分類,電學噪聲,探測器噪聲,光 學 噪 聲,介 質,光學系統(tǒng),光調制器,光電探測器,電子電路,目標或光源,4. 噪聲的影響,弱信號的探測 系統(tǒng)的極限探測能力,2.3.2 光電探測器的噪聲,原因：載流子隨機漲落 特點

25、：白噪聲 電子的粒子性 表達式：,散粒噪聲,隨機事件有：物體輻射的或接收的光子數；陰極發(fā)射的電子數；半導體中的載流子數；光電倍增器的倍增系數等。,2. 熱噪聲,原因：載流子隨機性出現 特點：白噪聲 載流子的運動性 表達式：,注意：熱噪聲雖然是溫度T的函數，但并不是溫度變化引起的溫度噪聲。,注意：散粒噪聲和熱噪聲都是與頻率無關的“白噪”聲。即：散粒噪聲和熱噪聲的大小與頻率的高低無關。,3.溫度噪聲,原因：它是由于材料的溫度起伏而產生的噪聲。當材料的溫度發(fā)生變化時，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致產生物體的溫度噪聲。 表達式：,溫度噪聲與熱噪聲在產生原因、表示形式上有一定的差別，主要區(qū)別在于：,對于熱噪聲，材料的溫度T一定，引起粒子隨機性波動，從而產生了隨機性電流 ； 對于溫度噪聲，材料溫度有變化T，從而導致熱流量的變化，此變化就表示了溫度噪聲的大小。