基本特性参数.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二部分 各类光电、电光器件,第二章 光电检测器件,第一节 光电检测器件的基本参数,光电检测器件的类型,光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件.,光电检测器件分为两大类:,光子(光电子)检测器件,热电检测器件,光电器件的类型与特点,光电效应,：,光,照射到物体表面上使物体的,电学,特性,发生变化,光电子发射,：,物体受光照后,向外发射,电子多发生于金属和金属氧化物,光电导效应,：,半导体受光照后，,内部,产生,光生载流子，,使半导体中载流子数显著增加而,电阻减少,光生伏特效应,：,光照在半导体PN结或金属半导体接触上时，会在PN结或金属半导体接触的两侧产生,光生电动势,。,光子器件,热电器件,真空器件,固体器件,光电管,光电倍增管,真空摄像管,变像管,像增强管,光敏电阻,光电池,光电二极管,光电三极管,光纤传感器,电荷耦合器件（即,CCD,）,热电偶,/,热电堆,热辐射计,/,热敏电阻,热释电探测器,光电检测器件,光电检测器件的特点,光子器件,热电器件,响应,波长有选择性,，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。,响应,波长无选择性,，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感,响应快，,吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒,响应慢，,一般为几毫秒,光电器件的基本特性参数,响应特性,噪声特性,量子效率,线性度,工作温度,一、响应特性,响应度（或称灵敏度）：,是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的,光电转换效率。,响应度,：随入射,光波长,变化而变化,响应度：,电压,响应率和,电流,响应率,用均方值来表示噪声值大小,线性度:max/(Ymax Y0),I/q：每秒产生的光子数,光电探测器响应率与入射调制频率的关系,响应度：随入射光波长变化而变化,响应度：电压响应率和电流响应率,光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少,若用分贝（dB）表示，为,由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。,量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。,用均方值来表示噪声值大小,在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的，但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。,max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差；,电流响应率：光电探测器件输出电流与入射光功率之比。,用均方值来表示噪声值大小,电压响应率：光电探测器件输出电压与入射光功率之比。,电流响应率：光电探测器件输出电流与入射光功率之比。,光谱响应度,：,探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比。,积分响应度,：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度。,响应时间,：响应时间是描述光电探测器对入射光,响应快慢,的一个参数。,上升时间,：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出从稳定值的,10%上升到90%,所需要的时间。,下降时间,：入射光遮断后，光电探测器输出从稳定值的,90%,下降到稳定值的,10%,所需要的时间。,频率响应,：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应。,由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的,调制频率,对光电探测器的,响应,会有较大的影响。,光电探测器响应率与入射调制频率的关系,为调制频率为,f,时的响应率,为调制频率为零时的响应率,为时间常数（对于RC回路，,=RC）,上限截止频率,时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽,二、噪声特性,光辐射的探测过程：,检测、转换、传输、处理等。,信号：,有用：一般按一定的规律变化,无用：随时间无规律变化。,噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。,一个光电探测系统的,极限探测,能力往往受探测系统的,噪声,所限制。,所以在,精密测量、通信、自动控制,等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。,噪声的主要特性,噪声的概率分布,（1）,高斯分布（对于连续变量如电流、电压）,（2）泊松分布（对于离散变量如光子数、电子数）,在一定波长的光照下光电探测器,输出的电信号,并不是平直的，而是在平均值上下,随机地起伏,，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。,用,均方值,来表示噪声值大小,光电探测器常见的噪声,一、噪声的来源,探测系统：探测器件；前置放大、主放大电路；后处理（显示、打印等）,噪声源：与光信号检测有关的噪声,与电路有关的电路噪声。,与光信号检测有关的噪声包括：,热噪声,散粒噪声,产生-复合噪声,1/f噪声,热噪声：,载流子无规则热运动,造成的噪声,导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动,(,相当于微电脉冲,),，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为,热噪声电压。,I,2,NT,=4kT,f/R,L,热噪声存在于任何电阻中，,热噪声与温度成正比,，,与,频率无关，热噪声又称为白噪声。,2.,散粒噪声,：入射到光探测器,表面,的光子是随机的，光电子从光电阴极,表面逸出,是随机的，PN结中,通过结区,的载流子数也是随机的。,散粒噪声,I,2,Nsh,=2qI,DK,f,散粒噪声也是,白噪声，与频率无关,。,散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。,例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。,3.产生-复合噪声,半导体受,光照,，载流子不断产生-复合。,在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的，但在,某一瞬间,载流子的产生数和复合数是,有起伏,的。,载流子,浓度的起伏,引起半导体电导率的起伏。,在很低频时是,白噪声，,其余情况：,f,-2,无用：随时间无规律变化。,积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度。,量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。,一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。,积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度。,用均方值来表示噪声值大小,图29-4 传感器的线性度,光电子发射：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物,响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒,4.1/f噪声,或称闪烁噪声或低频噪声。此噪声与半导体同电极的接触情况、内部及表面的势垒有关。,噪声的功率,近似与频率成反比,多数器件的,1/f,噪声在,200300Hz,以上已衰减到可忽略不计。,衡量噪声的参数,信噪比,是负载电阻上信号,功率,与噪声,功率,之比。,若用分贝（,dB,）表示，为,2.噪声等效功率(,NEP,),定义：信号功率与噪声功率比为,1,（,SNR=1,）,时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流），即,一般一个良好的探测器件的NEP约为,10,-11,W,。,NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。,3.探测率与归一化探测率,探测率D,：为噪声等效功率的倒数,经过分析，发现,NEP,与检测元件的面积,A,d,和放大,器带宽,f,乘积的平方根成正比,归一化探测率,D,*,，即,D,*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。,三、量子效率,（）,量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的,光电子数与入射光量子数,之比。,对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，,=1,实际上，,1,量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。,量子效率与响应度的关系,I/q：每秒产生的光子数,P/h,：每秒入射的光子数,四、线性度,线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。,在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。,线性度:,max,/(Y,max,Y,0,),max,：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差；,Y,max,和,Y,0,：分别为线性区中最小和最大响应值。,图,29,-,4,传感器的线性度,五、工作温度,工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。,光电探测器在不同温度下，性能有变化。,例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化等。,