第四章 光辐射探测2.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,UP,DOWN,BACK,*,共,27,页,*,4.2,光电探测器的性能参数,光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要而制定的特性参数，用于评价探测器的性能优劣。,光电探测器的性能参数主要的有：积分灵敏度,R,，,光谱灵敏度,R,，,频率灵敏度,R,f,，,量子效率,，,通量阈,P,th,和噪声等效功率,NEP,，,归一化探测度,D,*,等。,一、积分灵敏度,R,灵敏度也常称作响应度，它是光电探测器光电转换特性的量度。,光电流 （或光电压,u,）,和入射光功率,P,之间的关系 称为探测器的光电特性。,灵敏度,R,定义为这个曲线的斜率：,R,i,电流灵敏度（积分电流灵敏度）,R,u,电压灵敏度（积分电压灵敏度）,二、光谱灵敏度,R,相对光谱灵敏度：,光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要。,参见教材,114,面图,4-6,。,如果是 常数，则相应的探测器为无选择性探测器，如：光热探测器；反之，则为选择性探测器，如光子探测器。,是,指 的最大值，对应的波长称为峰值波长。,三、频率灵敏度,R,f,（,响应频率,f,c,和响应时间,）,如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流 将随调制频率,f,的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度,R,f,。,探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。,四、量子效率,光谱量子效率：,量子效率表示探测器吸收的光子数和激发的电子书之比。,五、通量阈,Pth,和噪声等效功率,NEP,通量阈,探测器所能探测的最小光信号功率,噪声等效功率,NEP,单位信噪比时的信号光功率。,信噪比,SNR,定义为：,六、归一化探测度,D*(,读作,D,星,),探测度,D,：,探测器光敏面积,A,和测量带宽,f,对,D,值影响大。探测器的噪声功率,探测器的噪声功率,定义归一化探测度：,给出,D,*,值时注明响应波长,、,光辐射调制频率,f,及测量带宽,f,即,D,*,(,f,f,),。,七、其它参量,光电探测器还有其它一些参量，在使用时必须注意到。主要的有：光敏面积、探测器电阻、电容、工作电压、工作电流、温度、光照功率范围等。,4.3,光电探测器的噪声,主要分为,:,有形噪声和无规噪声,前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。,后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。,例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种无规则起伏施加给有用信号。,起伏噪声对有用信号的影响。,假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变放大量的理想放大器。,一、噪声的概念,当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形。,降低入射光功率时，增大放大率，发现正弦电压信号上出现许多无规起伏，使正弦信号变得模糊不清,(,图,(b),。,再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小，而杂乱无章的变化愈来愈大。最后只剩下了无规则的起伏，完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完全埋没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。,探,测,器,放,大,器,示波器,(a),(b),(c),光,从上面讨论中，我们应该建立这样的观念：,上述现象并不是探测器不好所致。,它是探测器所固有的不可避免的现象,。,任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。,这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。,从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。,二、噪声的描述,噪声电压随时间无规则起伏情况。,显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。,然而，,噪声本身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述,。,长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。,),(,t,u,n,),0,(,g,),(,t,g,t,t,0,0,(a),(b),但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时间的平均值，再开方，就得到所谓,方均根噪声电压,u,n,，即,这正是,我们用电压表所测量到的那种有效电压,。,虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，,但其方均根电压却具有确定值。,这就是噪声电压,(,噪声电流也一样,),服从统计规律的反映。,由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这些因素又彼此独立，,所以总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和,，即,为此，,把探测器输出的方均根噪声电压,(,电流,),称为探测器的噪声电压,(,电流,),。,显然，探测噪声的存在，就使得探测器对光信号的探测本领受到一个限制。,所以定量估计探测器的噪声大小就显得很重要了。,由于许多时域问题往往在频域中讨论可能更为方便，方法是,付里叶变换,。,若噪声电压为,u,n,(,t,),，则其付里叶变换对为,成立的条件是,u,n,(,t,),绝对可积，即,显然，无限延续的噪声电压并不能满足上式。,因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。,为了克服这个困难，但还要使用付里叶变换的方法，办法是引入噪声电压的自相关和功率谱。,自相关定义为：,意思是对噪声电压进行相关运算并求时间平均值。,显然它满足绝对可积条件，因而它的变换谱存在，即,在自相关定义中，令,t,0,，则,),0,(,g,),(,t,g,t,0,式中 表示噪声电压平方的平均值，,它的物理意义：,噪声电压消耗在,1,电阻上的平均功率,。,同样，在,(3),式中令,t,0,，则有：,式中使用了 的关系。,为了表述得更清楚一些，还可以从,(4),式出发，并令,再应用付里叶变换对，可以证明：,比较,(5),和,(6),式，就有,或,它们是单位频带噪声电压消耗在,1,电阻上的平均功率，称为,噪声电压的功率谱,。,实际上，探测器的测量带宽是有限的，用,f,表示，那么当,g,(,f,),常数,(,这种噪声又称为白噪声,),时,:,于是，,求噪声 或,V,n,的问题就转化为求解噪声功率谱,g,(,f,),的问题了,.,三、光电探测器的噪声源,依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为,散粒噪声、产生,复合噪声、热噪声,和,低频噪声,。,是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。,因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在,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。,按噪声产生的原因，可分为以下几类,噪声,外部原因,内部原因,人为噪声,自然噪声,散粒噪声,产生复合噪声,光子噪声,热噪声,低频噪声,温度噪声,放大器噪声,1.,散粒噪声：,无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏（以光电子发射为例）。,由于,起伏单元是电子电荷量,e,，故称为,散粒噪声,，这种噪声存在于,所有,光电探测器中。,热激发散粒方均噪声电流为,其有效值为,相应的噪声电压为,如果探测器具有内增益,M,，则上式还应乘以,M,。,光电探测器是依靠内场把电子,空穴对分开，空穴对电流贡献不大，主要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器,2.,产生复合噪声,对光电导探测器，载流子热激发是电子,空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。,因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生,复合散粒噪声，简称为产生,复合噪声，记为,I,g-r,和,V,g-r,即,M,是光电导的内增益。,3.,光子噪声,以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为热激发直流电流,I,d,为零。,由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。,因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光子起伏，故称为,光子噪声,。,它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大。于是我们只要把,i,d,用,i,b,和,i,s,代替，即可得到光子噪声的表达式。,即光子散粒噪声电流,这适用于光电发射和光伏情况，如果有内增益，则再乘以,M,。,而光电子产生,复合噪声,这里,i,b,和,i,s,又可用光功率,P,b,和,P,s,表示出来,考虑到,i,d,、,i,b,和,i,s,的共同作用，光电探测器的总散粒噪声可统一表示为,总散粒噪声可统一表示为,S,=2 (,光电发射和光伏,),或,S,=4 (,光电导,),M,内增益系数,(,无内增益,=1),B,(,测量带宽,),4.,热噪声,电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动势。,这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的,热噪声,，或称为,约翰逊（,Johnson,）噪声,。,热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。,可以证明，单个电子的噪声贡献为,K,是波尔兹曼常数，,T,为绝对温度，,m,是电子质量，,0,为电子的平均碰撞时间。,浓度为,n,，体积,V,Ad,的电阻样品中共有,nV,个电子，它们产生电流脉冲的个数等于电子平均碰撞的个数，,由固体物理得知，电阻样品的电阻值 为,于是噪声功率谱为,由,电阻,R,的热噪声电流为,相应的热噪声电压为,有效噪声电压和电流分别为,一个电阻,R,在其噪声等效电路中，可以等效为电阻,R,与一个电压源,U,n,的串联，也可以等效为电阻,R,与一个电流源,I,n,相并联，如图所示。,V,n,R,I,n,R,A,d,x,5.1/,f,噪声,1/f,噪声又称为,闪烁或低频噪声,。,这种噪声是由于,光敏层的微粒不均匀,或,不必要的微量杂质的存在,，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。,几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约,1KHz,以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率,f,成反比，故称为低频噪声或,1/,f,噪声。,实验发现，探测器表面的工艺状态,(,缺陷或不均匀等,),对这种噪声的影响很大，所以有时也称为,表面噪声或过剩噪声,。,1/,f,噪声的经验规律为：,式中，,K,f,为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数；,为系数，它与流过元件的电流有关，其值通常取,2,；,为与元件材料性质有关的系数，其值在,0.81.3,之间，大部分材料的,值取；,与元件阻值有关，一般在,1.4,1.7,之间。,一般说，只要限制低频端的调制频率不低于,1,千赫兹，这种噪声就可以防止。,.,温度噪声,它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在热探测器件中必须考虑温度噪声的影响。,当材料的温度发生变化时，由于有温差,T,的存在，因而引起材料有热流量的变化,，这种热流量的变化导致产生物体的,温度噪声。,温度为,T,的物体的热流量噪声方均值为,A,为,传热面积,；,h,为,传热系数,，其单位为,W/(m,2,K,),；,k,为玻耳兹曼常数；,T,为材料温度；,f,为,通带宽度,。,温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上有一定的差别，主要区别在于：,对于热噪声，材料的温度,T,一定，引起粒子随机性波动，从而产生了随机性电流 ；,对于温度噪声，材料温度有变化,T,，从而导致热流量的变化,，此变化就表示了温度噪声的大小。,