光电检测技术及应用.pptx

第三章第三章主要内容主要内容3.13.1光探测器的物理基础光探测器的物理基础 3.23.2光探测器的特性参数光探测器的特性参数3.33.3光电发射器件光电发射器件3.43.4光电导器件光电导器件3.53.5光伏特器件光伏特器件3.63.6各种光电探测器件的性能比较和应用选择各种光电探测器件的性能比较和应用选择 3.13.1光探测器的物理基础光探测器的物理基础一、光探测器的分类一、光探测器的分类1、光光探探测测器器的的物物理理效效应应通通常常分分为为两两类类：光光电电效效应应和和光光热热效应，如表效应，如表3-1（a）（）（b）所示。）所示。效应效应相应的探测器相应的探测器外光电效应外光电效应（1）光阴极发射光电子）光阴极发射光电子光电管光电管（2）光电子倍增）光电子倍增打拿极倍增打拿极倍增通道电子倍增通道电子倍增光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器内光电效应内光电效应（1）光光电电导导（本本征征或或非非本征）本征）光电管或光敏电阻光电管或光敏电阻（2）光生伏特）光生伏特pn结和结和pin结（零偏）结（零偏）pn结和结和pin结（反偏）结（反偏）雪崩、肖特基势垒雪崩、肖特基势垒光电池光电池光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管肖特基势垒光电二极管（3）光电磁）光电磁光子牵引光子牵引光电磁探测器光电磁探测器光子牵引探测器光子牵引探测器（a）光电效应）光电效应效效应应相应的探测器相应的探测器（1）测辐射热计）测辐射热计负电阻温度系数负电阻温度系数正电阻温度系数正电阻温度系数超导超导热敏电阻测辐热计热敏电阻测辐热计金属测辐射热计金属测辐射热计超导远红外探测器超导远红外探测器（2）温差电）温差电热电偶、热电堆热电偶、热电堆（3）热释电）热释电热释电探测器热释电探测器（4）其他）其他高莱盒、液晶灯高莱盒、液晶灯（b）光热效应）光热效应2 2、光电探测器也可分为：、光电探测器也可分为：单元器件；单元器件；阵列器件；阵列器件；成像器件。成像器件。单单元元器器件件只只是是把把投投射射在在其其光光接接受受面面元元上上的的平平均均光光能能量变成电信号；量变成电信号；阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。成成像像器器件件一一般般放放在在光光学学系系统统的的像像面面上上，能能获获得得物物面面上的图像信号。上的图像信号。光光电电检检测测器器件件还还可可从从用用途途上上分分为为用用于于检检测测微微弱弱信信号号的的存存在在及及其其强强弱弱的的探探测测器器，这这时时主主要要考考虑虑的的是是器器件件探探测测微微弱弱信信号号的的能能力力，要要求求器器件件输输出出灵灵敏敏度度高高，噪噪声声低低；用用于于控控制制系系统统中中作作光光电电转转换换器器，主主要要考考虑虑的的是是光光电电转转换的效能。换的效能。3、目目前前，光光电电探探测测器器的的种种类类很很多多，新新的的器器件件也也不不断断出出现现。按按照照现现阶阶段段各各类类常常用用光光电电探探测测器器工工作作原原理理和和结结构构又又可可分类分类如下：如下：光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 真空光电器件真空光电器件 真空摄象管真空摄象管 变象管变象管 象增强器象增强器 光敏电阻光敏电阻 光电探测器光电探测器 光电池光电池 光电二极管光电二极管 光电三极管光电三极管 光电耦合器光电耦合器 固体光电器件固体光电器件 光中断器光中断器 位置传感器位置传感器PSDPSD 电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD 自扫描光电二极管自扫描光电二极管 列阵列阵SSPDSSPD二、光电探测器原理二、光电探测器原理 光电探测器利用材料的光电效应制成。光电探测器利用材料的光电效应制成。在在光光辐辐射射作作用用下下，电电子子逸逸出出材材料料表表面面，产产生生光光电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应；电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应；电电子子并并不不逸逸出出材材料料表表面面的的为为内内光光电电效效应应。光光电电导导效效应应、光光生生伏伏特特效效应应及及光光磁磁电电效效应应均均属属于于内内光光电效应。电效应。1 1、光电子发射效应光电子发射效应图图3-3光电子发射过程光电子发射过程(a)金金属属光光电电子子发发射射体体(b)具具有有正正电电子子亲亲和和势势的的半半导导体光电子发射体体光电子发射体(c)具有负电子亲和势的半导体光电子发射体具有负电子亲和势的半导体光电子发射体外光电效应具有两个基本定律：外光电效应具有两个基本定律：光光电电发发射射第第一一定定律律 当当入入射射辐辐射射的的光光谱谱分分布布不不变变时时，饱和光电流饱和光电流I I与入射的辐通量成正比。与入射的辐通量成正比。光光电电发发射射第第二二定定律律 发发射射的的光光电电子子的的最最大大动动能能随随入入射射光光子子光光频频率率的的增增加加而而线线性性地地增增加加，而而与与人人射射光光的的强强度度无无关关。该该定定律律为为爱爱因因斯斯坦坦发发现现，故故又又称称爱爱因因斯斯坦坦定定律律，表达式为表达式为 1/2mv1/2mvmaxmax2 2=h=h-式中式中 m m为光电子的质量；为光电子的质量；v vmaxmax为出射光电子的最大速度；为出射光电子的最大速度；为光频率；为光频率；为发射体材料的逸出功。为发射体材料的逸出功。公公式式表表明明：入入射射光光子子的的能能量量必必须须大大于于物物体体的的逸逸出出功功，才才能使电子有足够的动能逸出表面。能使电子有足够的动能逸出表面。讨论：讨论：产生一个光电子必须克服材料表面对其束缚产生一个光电子必须克服材料表面对其束缚的能量。的能量。光电子的动能与照射光的强度无关，仅随入光电子的动能与照射光的强度无关，仅随入射光的频率增加而增加。射光的频率增加而增加。在临界情况下，当电子逸出材料表面后，能在临界情况下，当电子逸出材料表面后，能量全部耗尽而速度减为零，即量全部耗尽而速度减为零，即v=0，Ek=0，则，则=/h=0。也就是说当入射光频率为。也就是说当入射光频率为0时，时，光电子刚刚能逸出表面；当光频光电子刚刚能逸出表面；当光频0时，则时，则无论光通量多大。也不会有光电子产生。无论光通量多大。也不会有光电子产生。0称为光电子发射效应的低频限。这就是外光称为光电子发射效应的低频限。这就是外光电效应光电探测器的光谱响应表现出选择性电效应光电探测器的光谱响应表现出选择性的物理基础。的物理基础。2光电导效应光电导效应（1）定义）定义:当半导体材料受光照射时，由于对当半导体材料受光照射时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大的现象。材料电导率增大的现象。（2）光电导效应可分为本征型和杂质型两类。）光电导效应可分为本征型和杂质型两类。（3）本征型的长波限条件由禁带宽度）本征型的长波限条件由禁带宽度Eg决定，决定，（光子的能量，取决于半导体材料的禁带宽度（光子的能量，取决于半导体材料的禁带宽度Eg=E1-E0，放出的能量越大，发出的光辐射，放出的能量越大，发出的光辐射波长就越短），即波长就越短），即（4 4）杂质型）杂质型杂杂质质型型光光电电导导效效应应则则是是能能量量足足够够大大的的光光子子使使施施主主能能级级中中的的电电子子或或受受主主能能级级中中的的空空穴穴跃跃迁迁到到导导带或价带，从而使电导增加。带或价带，从而使电导增加。此此时时长长波波限限由由杂杂质质的的电电离离能能E Ei i决决定定，因因为为E Ei i EEg g，所所以以杂杂质质型型光光电电导导的的长长波波限限比比本本征征型型光光电导的要长得多。电导的要长得多。图图3-16说明光电导用图说明光电导用图3、光生伏特效应、光生伏特效应（1）半导体）半导体P-N结结无光照无光照在无光照时，在无光照时，PN结内存在内部自建电场结内存在内部自建电场E，在，在热平衡条件下，热平衡条件下，PN结中漂移电流等于扩散电流，结中漂移电流等于扩散电流，净电流为零。用电压表量不出净电流为零。用电压表量不出PN结两端有电压，结两端有电压，称为零偏状态。称为零偏状态。如果如果PN结正向偏置（结正向偏置（P区接正、区接正、N区接负），区接负），则有较大正向电流流过则有较大正向电流流过PN结。结。如果把如果把PN结反向偏置（结反向偏置（P区接负，区接负，N区接正），区接正），则有一个很小的反向电流通过则有一个很小的反向电流通过PN结，这个电流结，这个电流在反向击穿前几乎不变，称为反向饱和电流。在反向击穿前几乎不变，称为反向饱和电流。PN结伏安特性如图结伏安特性如图3-35所所示，经理论推导，在外加示，经理论推导，在外加偏压下，流过偏压下，流过PN结的电流结的电流方程为：方程为：图3-35 PN结及其伏安特性有光照射有光照射P-N结结当光照射当光照射PN结时结时,在零偏置条件下，不管光在零偏置条件下，不管光照在照在P区还是区还是N区，入射光产生的光生载流区，入射光产生的光生载流子在内建电场的作用下，都会引起由子在内建电场的作用下，都会引起由N区流区流向向P区的光电流区的光电流Ip。这时用电压表就能量出。这时用电压表就能量出P区正、区正、N区负的开路电压区负的开路电压U0，称为光生电压。，称为光生电压。从理论上说，从理论上说，P-N结光电器件可使用于正偏结光电器件可使用于正偏置、零偏置、反偏置，但理论和实践证明，置、零偏置、反偏置，但理论和实践证明，正偏置，呈单向导电性，没有光电效应产生，正偏置，呈单向导电性，没有光电效应产生，只有反偏置和零偏置才能产生明显的光电效只有反偏置和零偏置才能产生明显的光电效应。应。（2）光照光照P-N结的电流电压特性结的电流电压特性零偏置：光伏特工作模式零偏置：光伏特工作模式反向偏置：光电导工作模式反向偏置：光电导工作模式零偏置：光伏特工作模式零偏置：光伏特工作模式如图，光生电流如图，光生电流IP由由N指向指向P，因此这个光生电，因此这个光生电流在负载上引起的压降流在负载上引起的压降U，好象是加在，好象是加在PN结上结上的正向偏压，这个正向偏压的正向偏压，这个正向偏压U产生的电流产生的电流Id由由P指向指向N，因此流过，因此流过PN结的总电流可表示为：结的总电流可表示为：反向偏置：光电导工作模式反向偏置：光电导工作模式 如果给如果给PN结加上一个反向偏置电压结加上一个反向偏置电压U，外加，外加电压所建的电场方向与电压所建的电场方向与PN结内建电场方向相同，结内建电场方向相同，PN结的势垒高度由结的势垒高度由eUD增加到增加到eUDeU，使光照，使光照产生的电子空穴对在强电场作用下更容易产生漂产生的电子空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性；同时，这个反移运动，提高了器件的频率特性；同时，这个反向偏压使流过向偏压使流过PN结的反向电流结的反向电流Id达到饱和。达到饱和。在光照反偏条件下工作时，观察到的光电信在光照反偏条件下工作时，观察到的光电信号是光电流，而不是光电压，这便是结型光电探号是光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的工作原理。测器的工作原理。图3-36 光照下PN结及其伏安特性4、光磁电效应、光磁电效应半导体置于磁场中，用激光辐射线垂直照射半导体置于磁场中，用激光辐射线垂直照射其表面，使光子能量足够大。从而：其表面，使光子能量足够大。从而：在表面层内激发出光生载流子；在表面层内激发出光生载流子；在表面层和体内形成载流子浓度梯度；在表面层和体内形成载流子浓度梯度；导致光生载流子向体内扩散导致光生载流子向体内扩散。在扩散的过程中，由于磁场产生出洛伦兹力在扩散的过程中，由于磁场产生出洛伦兹力的作用，电子空穴对的作用，电子空穴对(载流子载流子)偏向两端，产生电偏向两端，产生电荷积累，形成电位差。这就是光磁电效应。荷积累，形成电位差。这就是光磁电效应。3.2 3.2 光电探测器的主要特性参数光电探测器的主要特性参数 判判断断光光电电探探测测器器的的优优劣劣的的指指标标，以以及及根根据据特特定的要求恰当地选择探测器的依据定的要求恰当地选择探测器的依据。因此，最关心的问题有：因此，最关心的问题有：1.光电探测器的量子效率，即单位时间内探测器传输光电探测器的量子效率，即单位时间内探测器传输出的光电子数与入射到探测器表面的光子数之比；出的光电子数与入射到探测器表面的光子数之比；2.根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号，根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号，即探测器的响应率大小。即探测器的响应率大小。3.探测器的光谱响应范围是否同测量光信号的相对光探测器的光谱响应范围是否同测量光信号的相对光谱功率分布一致。谱功率分布一致。4.对某种探测器，它能探测的极限功率是多少对某种探测器，它能探测的极限功率是多少需需要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生电信号的信噪比。电信号的信噪比。5.当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是否能正确反映光信号的波形否能正确反映光信号的波形探测器的响应时间。探测器的响应时间。6.当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅度是否能线性地响应。度是否能线性地响应。1量子效率量子效率 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。流。I=（e/h）P式中：式中：光电转换因子，光电转换因子，=e/h；P/h单位时间内入射到探测器表面的光子数单位时间内入射到探测器表面的光子数I/e单位时间内被光子激励的光电子数单位时间内被光子激励的光电子数=Ih/ep即单位时间内探测器传输出的光电子即单位时间内探测器传输出的光电子数与入射到探测器表面的光子数之比。数与入射到探测器表面的光子数之比。对于理想的探测器，对于理想的探测器，=1，实际上，实际上1。显然，量子效率越高越好，量子效率是一个微显然，量子效率越高越好，量子效率是一个微观参数。观参数。2.响应率响应率(响应度响应度)响应率响应率(响应度响应度)是与量子效率是与量子效率相对应的一个宏观参相对应的一个宏观参数。数。它是指单位入射的光辐射功率所引起的反应，即探测它是指单位入射的光辐射功率所引起的反应，即探测器的输出信号电压或电流与入射的光辐射功率器的输出信号电压或电流与入射的光辐射功率P或光辐或光辐射通量射通量e之比之比，称为响应率。，称为响应率。一般有两种方法表示：电压响应度和电流灵敏度一般有两种方法表示：电压响应度和电流灵敏度.（1）电压响应度电压响应度Ru=Us/P或或Sv=Vs/e单位为单位为Vw。（2）电流灵敏度电流灵敏度Sd=Is/P或或Si=Is/e单位为单位为Aw。注意概念：注意概念：如探测器的入射光是光通量信号，那么得如探测器的入射光是光通量信号，那么得到的将是光照响应率单位为单位为到的将是光照响应率单位为单位为vlm，或光照灵，或光照灵敏度单位为敏度单位为Alm。3 3光谱响应和光谱响应率光谱响应和光谱响应率 光光谱谱响响应应是是光光电电探探测测器器响响应应度度随随入入射射光光的的波波长长改改变变而而改改变变的的特特性性，即即上上述述三三个个参参量量、R Ru u（或（或S Sv v）和）和S Sd d（或（或S Si i）都是入射光波长的函数。）都是入射光波长的函数。几个慨念：几个慨念：光谱响应曲线光谱响应曲线 归一化光谱响应曲线归一化光谱响应曲线 峰值响应波长峰值响应波长 光谱响应的截止波长光谱响应的截止波长 光谱响应率。即光谱响应率。即S Sv v()=V()=Vs s()/()/e e()()或或 S Si i()=I()=Is s()/()/e e()()光谱响应函数光谱响应函数(曲线曲线)。相对光谱响应函数。相对光谱响应函数(曲线曲线)。4响应时间和频率响应响应时间和频率响应 响应时间响应时间通常用响应时间通常用响应时间来衡量。来衡量。当阶跃光输入时，光信号探测器在上升弦的输出电流当阶跃光输入时，光信号探测器在上升弦的输出电流为：为：Is（t）=I01-exp（-t/1）定义：定义：Is（t）上升到稳态值）上升到稳态值I0的的063倍的时间为探测倍的时间为探测器的上升响应时间，即器的上升响应时间，即上上=1。同样，光信号探测器在下降弦的输出电流为同样，光信号探测器在下降弦的输出电流为Ix（t）=I0exp（-t/2）定义定义Ix（t）下降到稳态值）下降到稳态值I0的的037倍的时间为探测器倍的时间为探测器的下降响应时间，即的下降响应时间，即下下=2。一般光电器件。一般光电器件1=2。频率响应频率响应 由由于于探探测测器器存存在在惰惰性性当当用用一一定定振振幅幅的的正正弦弦调调制制光光照照射射探探测测器器时时，若若调调制制频频率率低低，则则响响应应度度与与调调制制频频率率无无关关；若若频频率率高高。响响应应度度就就随随频频率率升升高高而而降低。探测器的响应度与调制频率的关系是：降低。探测器的响应度与调制频率的关系是：式式中中，S S0 0为为调调制制频频率率f=0f=0时时的的响响应应度度，f f为为调调制制频频率率。当当调调制制频频率率升升高高时时，S S（t t）就就下下降降，一一般般规规定定S S（f fc c）=S S0 0/1.414/1.414时时的的调调制制频频率率f fc c为为探探测测器器的的响响应应频频率率。即即f fc c=1/2=1/2。由由此此可可以以看看出出，响响应应时时间间和和响响应应频频率率是是从从不不同同角角度度来来表表征征探探测测器器的的动动态态特特性。性。5 5等效噪声功率和探测率等效噪声功率和探测率 如如果果入入射射到到探探测测器器上上的的光光功功率率或或辐辐通通量量按按某某一一频频率率变变化化，当当探探测测器器输输出出信信号号电电流流I Is s (或或电电压压V Vs s)等等于于噪噪声声的的均均方方根根电电流流(或或电电压压)时时，所所对对应应的的入入射射光光功功率率P P或或辐辐通量通量e e称为等效噪声功率称为等效噪声功率NEPNEP。即。即 NEP=P/NEP=P/（U Us s/U/Un n）=U=Un n/R/Ru u 或或 NEP=NEP=e e/（U Us s/U/Un n）NEP=P/NEP=P/（I Is s/I/In n）=I=In n/S/Sd d 或或 NEP=NEP=e e/（I Is s/I/In n）式式中中，（U Us s/U/Un n）、（I Is s/I/In n）分分别别称称为为电电压压和和电电流流信信噪噪比比。显显然然，NEPNEP值值越越小小越越好好，这这是是表表示示光光电电探探测测器器探探测测能能力力的的重重要要参参数数。一一个个较较好好的的光光电电探探测测器器的的等等效效噪噪声声功功率率约为约为1010-11-11瓦左右。瓦左右。6 6线性度线性度 线线性性是是指指探探测测器器的的输输出出光光电电流流或或电电压压与与输输入入的的光光功功率率或或辐辐通通量量成成比比例例的的程程度度和和范范围围。探探测测器器线线性性的的下下限限往往往往由由暗暗电电流流和和噪噪声声等等因因素素决决定定的的，而而上上限限通通常常由由饱饱和效应或过载决定的。和效应或过载决定的。实实际际上上,探探测测器器的的线线性性范范围围的的大大小小与与其其工工作作状状态态有有很很大大的的关关系系。如如偏偏置置电电压压、光光信信号号调调制制频频率率、信信号号输输出出电电路路等等，可可能能会会发发生生这这样样的的情情况况：一一个个探探测测器器的的光光电电流流信信号号用用运运算算放放大大器器作作电电流流电电压压转转换换输输出出，在在很很大大的的范范围围内内是是线线性性的的，而而同同一一探探测测器器，其其光光电电流流通通过过一一只只100100千千欧欧的的电电阻阻输输出出，线线性性范范围围可可能能就就很很小小。因因此此要要获获得得宽宽的的线线性性范范围围，必必须须使使探探测测器器工工作作在在最最佳佳的的工工作状态。作状态。探探测测器器的的线线性性在在光光度度和和辐辐射射度度等等测测量量中中是是一一个个十十分分重要的参数。重要的参数。7 7、光电探测器的噪声、光电探测器的噪声什么是噪声？任何虚假的和不需要的信号（内部和外部）什么是噪声？任何虚假的和不需要的信号（内部和外部）通常把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得通常把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得到噪声功率随频率变化关系，这就是噪声的功率谱到噪声功率随频率变化关系，这就是噪声的功率谱s(f)。根据噪声的功率谱与频率的关系，常见有两种典型情况：根据噪声的功率谱与频率的关系，常见有两种典型情况：一种是功率谱大小与频率无关的噪声，通常称为白噪一种是功率谱大小与频率无关的噪声，通常称为白噪声；一种噪声是功率谱与声；一种噪声是功率谱与1/f成正比，称为成正比，称为1/f噪声。噪声。图图37信号的随机起伏信号的随机起伏 图图38白噪声和白噪声和1/f噪声噪声一般光电检测系统的噪声可分为三类：一般光电检测系统的噪声可分为三类：（1）光子噪声）光子噪声包括：包括：A.信号辐射产生的噪声；信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。背景辐射产生的噪声。（2）探测器噪声）探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生包括：热噪声；散粒噪声；产生复合噪声；复合噪声；1/f噪声；噪声；温度噪声。温度噪声。（3）信号放大及处理电路噪声）信号放大及处理电路噪声 图39 光电测量系统噪声分类1 1热噪声热噪声(又称电阻噪声或白噪声又称电阻噪声或白噪声)凡凡有有功功耗耗电电阻阻的的元元件件都都有有热热噪噪声声，它它来来源源于于电电阻阻内内部部自自由由电电子子或或电电荷荷载载流流子子的的不不规规则则的的热热运运动动。热热噪噪声声与与温温度度T T成成正正比比；与与测测量量仪仪器器的的电电子子带带宽宽ff成成正正比比，与与频频率率无无关。关。热噪声均方电流热噪声均方电流I In n2 2和热噪声均方电压和热噪声均方电压V Vn n2 2分别由下式决定分别由下式决定 I In n2 24KTf/R4KTf/R V Vn n2 24KTf.R4KTf.R式式中中:K:K是是玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数；T T是是温温度度(K)(K)；R R是是器器件件电电阻阻值值；ff为为所所取取的的通通带带宽宽度度(频频率率范范围围)。因因此此，所所取取的的带带宽宽愈愈大大，噪噪声声功功率率也也愈愈大大。当当然然并并不不是是带带宽宽无无限限增增大大，噪噪声声功功率率也也会会无无限限增增大大。在在常常温温下下，上上式式只只适适合合于于10101212HzHz频率以下范围。频率以下范围。2 2 散粒噪声散粒噪声 一一种种由由电电子子或或光光生生载载流流子子的的粒粒子子性性所所引引起起的的噪噪声声。对对于于内内光光电电效效应应探探测测器器:(1):(1)光光生生载载流流子子(电电子子，空空穴穴对对)的的产产生生和和复复合合过过程程的的随随机机性性，每每一一瞬瞬时时通通过过PNPN结结的的载载流流子子数数总总有有微微小小的的不不规规则则起起伏伏，使使探探测测器器的的输输出出电电流流也也随随之之起起伏伏，引引起起散散粒粒噪噪声声。(2)(2)此此外外，光光辐辐射射中中光光子子到到达达率率的的起起伏伏在在某某些些探探测测器器光光电电转转换换后也表现为散粒噪声。散粒噪声由下式决定：后也表现为散粒噪声。散粒噪声由下式决定：I In n2 22eif2eif 式中：式中：i i为器件输出平均电流。为器件输出平均电流。可可以以看看出出，散散粒粒噪噪声声是是与与频频率率无无关关，与与带带宽宽有有关关的的白白噪声。噪声。3.产生产生复合噪声复合噪声在平衡状态时，载流子产生和复合的平均数在平衡状态时，载流子产生和复合的平均数是一定的，但其瞬间载流子的产生数和复合数是是一定的，但其瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起光电器件有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起光电器件电导率起伏。在外加电压下，电导率的起伏使输电导率起伏。在外加电压下，电导率的起伏使输出电流中带有产生复合噪声。出电流中带有产生复合噪声。如果频率低，满足w1时，4.1/f噪声（电流噪声）噪声（电流噪声）因导电元件内微粒的不均匀性和不必要的因导电元件内微粒的不均匀性和不必要的微量杂质存在，当电流流过时，在元件微粒间微量杂质存在，当电流流过时，在元件微粒间发生微火化放电而引起的微电爆脉冲就是发生微火化放电而引起的微电爆脉冲就是1/f噪噪声的起源。声的起源。1/f噪声的经验公式为噪声的经验公式为:3.3 3.3光电发射器件光电发射器件主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪音小。它们都有光电阴极、阳极和真度快和噪音小。它们都有光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种电流放大器件。空管壳组成，是一种电流放大器件。尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测；它的缺点是结特别适用于微弱光信号的探测；它的缺点是结构复杂，工作电压高体积较大；一系列型号构复杂，工作电压高体积较大；一系列型号的光电管和光电倍增管，覆盖了从近紫外光到的光电管和光电倍增管，覆盖了从近紫外光到近红外光的整个光谱区。近红外光的整个光谱区。一、光电倍增管一、光电倍增管 典型的电子发射型典型的电子发射型(外光电效应外光电效应)探测器。探测器。主主要要优优点点：灵灵敏敏度度高高、稳稳定定性性好好、响响应应速度快和噪声小；速度快和噪声小；缺点：结构复杂、工作电压高、体积大。缺点：结构复杂、工作电压高、体积大。具具有有较较高高的的电电流流增增益益：特特别别适适用用于于微微弱弱光信号的探测。光信号的探测。1 1基本工作原理基本工作原理光电倍增管的结构：光电倍增管的结构：光光电电倍倍增增管管内内电电子子的的倍倍增增主主要要靠靠选选择择良良好好的的倍倍增增极极的的材材料料、对对倍倍增增极极材材料料要要求求具具有有耐耐撞撞击、稳定性好、使用温度高等特点击、稳定性好、使用温度高等特点工工作作过过程程：(1)(1)光光子子透透过过入入射射窗窗口口入入射射在在光光电电阴阴极极上上；（2 2）光光电电阴阴极极的的电电子子受受光光子子激激发发，离离开开表表面面发发射射到到真真空空中中；（3 3）光光电电子子通通过过电电场场的的加加速速和和电电子子光光学学系系统统聚聚焦焦入入射射到到第第一一个个倍倍增增极极上上，由由于于光光电电子子能能量量很很大大，它它打打在在倍倍增增极极上上时时就就又又激激发发出出数数目目更更多多的的二二次次光光电电子子；在在电电场场的的作作用用下下，二二次次光光电电子子又又打打在在第第二二个个倍倍增增极极D2D2上上又又引引起起一一次次二二次次电电子子发发射射；如如此此继继续续下下去去，电电子子流流迅迅速速倍倍增增；（4 4）最最后后经经过过倍倍增增后后的的二二次次电电子子被被阳阳极极收收集集，形形成成阳阳极极光光电电流流。收收集集的的阳极电子流比阴极的电子流一般大阳极电子流比阴极的电子流一般大10102 210105 5倍。倍。2 2光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数 （1 1）灵敏度灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管的一个重要参数；灵敏度是衡量光电倍增管的一个重要参数；光光电电倍倍增增管管的的灵灵敏敏度度一一般般包包括括光光谱谱响响应应、阴阴极灵敏度和阳极灵敏度；极灵敏度和阳极灵敏度；阴阴极极的的光光谱谱灵灵敏敏度度取取决决于于光光电电阴阴极极和和窗窗口口的的材料性质。材料性质。阳阳极极的的灵灵敏敏度度等等于于阴阴极极的的光光谱谱灵灵敏敏度度与与光光电电倍倍增增管管放放大大倍倍数数或或称称为为内内增增益益的的乘乘积积，而而其其光光谱响应曲线基本上与阴极的。谱响应曲线基本上与阴极的。（2 2）放大倍数放大倍数(电流增益电流增益)在在一一定定的的工工作作电电压压下下，阳阳极极信信号号电电流流和和阴阴极极信信号号电电流流之之比比称称为为管管子子的的放放大大倍倍数数或或电电流流增增益益G G可用下式表示：可用下式表示：G=iG=iA A/i/iK K 电电流流增增益益表表征征了了光光电电倍倍增增管管的的内内增增益益特特性性。它它与与倍倍增增极极的的级级数数n n、第第一一倍倍增增极极对对阴阴极极光光电电子子的的收收集集效效率率1 1 、倍倍增增极极之之间间的的电电子子传传递递效效率率2 2 ，以以及及倍倍增增极极的的二二次次发发射射系系数数有有关关。因因此此电电流流增增益益的的表表达达式式应应为为：G=G=1 1（2 2）n n式式中中：良良好好的的电电子子光光学学设设计计结结果果下下1 1、2 2值值均均接近接近l l。主要取决于倍增极材料和极间电压。主要取决于倍增极材料和极间电压。（3 3）光谱响应度光谱响应度 光光电电倍倍增增管管的的光光谱谱响响应应度度曲曲线线就就是是光光电电阴阴极极的的光谱响应度曲线：它主要取决于光电阴极的材料。光谱响应度曲线：它主要取决于光电阴极的材料。（4 4）时间响应时间响应 描述光电倍增管的时间特性有三个参数：描述光电倍增管的时间特性有三个参数：响响应应时时间间:阳阳极极电电流流脉脉冲冲幅幅度度从从最最大大值值的的10%10%上上升到升到90%90%所经过的时间定义为响应时间。所经过的时间定义为响应时间。渡渡越越时时间间:从从函函数数光光脉脉冲冲的的顶顶点点到到阳阳极极电电流流输出最大值所经历的时间定义为渡越时间。输出最大值所经历的时间定义为渡越时间。渡渡越越时时间间分分散散(散散差差):):由由于于电电子子初初速速度度不不同同，电电子子透透镜镜场场分分布布不不一一样样，电电子子走走过过的的路路不不同同，在在重重复复光光脉脉冲冲输输入入时时，渡渡越越时时间间每每次次略略有有不不同同，有有一一定定起起伏伏，此此称称为为渡渡越越时时间间分分散散(散散差差)。渡渡越越时时间分散代表时间分辨率。间分散代表时间分辨率。（5）暗电流）暗电流指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。暗电流决定光电倍增管的极限灵敏度。极电流。暗电流决定光电倍增管的极限灵敏度。暗电流主要由热电子发射、极间漏电流、残余气体暗电流主要由热电子发射、极间漏电流、残余气体的离子发射、玻璃闪烁、场致发射等组成。的离子发射、玻璃闪烁、场致发射等组成。暗电流的产生与电源电压有密切关系，在低电压时，暗电流的产生与电源电压有密切关系，在低电压时，暗电流由漏电流决定；电压较高时，主要是热电子发暗电流由漏电流决定；电压较高时，主要是热电子发射；电压再大，则导致场致发射和残余气体的离子发射；电压再大，则导致场致发射和残余气体的离子发射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生自持放电。实射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生自持放电。实际使用中，为了得到比较高的信噪比，所加的电源电际使用中，为了得到比较高的信噪比，所加的电源电压必须适当，一般工作在压必须适当，一般工作在7001500V。减少暗电流的方法有：直流补偿、选频和锁相放大、减少暗电流的方法有：直流补偿、选频和锁相放大、制冷、电磁屏蔽、磁场散焦法。制冷、电磁屏蔽、磁场散焦法。（6）噪声噪声光电倍增管的噪声主要有热噪声、闪烁噪声、光电倍增管的噪声主要有热噪声、闪烁噪声、散粒噪声及低频噪声等。其中起主导作用的是散粒噪声及低频噪声等。其中起主导作用的是散粒噪声。散粒噪声。（7 7）伏安特性）伏安特性分为阴极和阳极伏安特性分为阴极和阳极伏安特性（8 8）线性）线性表表示示它它的的光光电电特特性性，是是光光电电测测量量系系统统中中的的一一个个重重要要指指标标。不不仅仅与与光光电电倍倍增增管管的的结结构构有有关关，很很大大程程度度上上还还取取决决于于外外部部的的高高压压供供电电电电路路及及信信号号输出电路。输出电路。产生非线性的因素有：产生非线性的因素有：内内因因：空空间间电电荷荷、光光电电阴阴极极的的电电阻阻率率、聚聚焦或收集效率的变化。焦或收集效率的变化。外外因因：由由于于信信号号电电流流造造成成负负载载电电阻阻的的负负反反馈和电压的再分配。馈和电压的再分配。（9 9）稳定性稳定性主主要要是是指指阳阳极极电电流流随随工工作作时时间间的的变变化化。主主要要表表现现在在两两方面：方面：在长期工作过程中，灵敏度的慢漂移。在长期工作过程中，灵敏度的慢漂移。滞后效应滞后效应3 3 光电倍增管的供电电路光电倍增管的供电电路（1 1）高压供电）高压供电电电压压极极性性(正正、负负高高压压之之分分）；线线性性供供电电方方式式；脉冲信号工作方式。脉冲信号工作方式。阳极接地，负高压供电阳极接地，负高压供电:可可消消除除外外部部信信号号输输出出电电路路与与阳阳极极之之间间的的电电位位差。差。阳极接地带来的问题：阳极接地带来的问题：（1）由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽）由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在比较筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在比较高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声；产生噪声；（2）如果靠近光电阴极的端面或玻壳接地，）如果靠近光电阴极的端面或玻壳接地，具有高负电位的阴极与地之间就会产生漏电具有高负电位的阴极与地之间就会产生漏电流。流。阴极接地：阴极接地：使用耐高压的耦合电容来输出信号，也可将外部信使用耐高压的耦合电容来输出信号，也可将外部信号电路与阳极高压电源隔开。号电路与阳极高压电源隔开。只适用于交流或脉冲信号测量系统。只适用于交流或脉冲信号测量系统。（2 2）信号输出）信号输出 光电倍增管的截止频率：光电倍增管的截止频率：f fc c=1/2=1/2 C Cs sR RL L 负载电阻输出：负载电阻输出：光光电电倍倍增增管管内内阻阻很很高高，可可视视为为恒恒流流源源。在在同样光功率输入时同样光功率输入时 R RL L时，输出电压增高；时，输出电压增高；R RL L增增大大，阳阳极极和和末末极极倍倍增增极极之之间间的的电电压压下下降降，会会出出现现空空间间电电荷荷效效应应，降降低低阳阳极极的的电电子子收集率，引起非线性。收集率，引起非线性。在在脉脉冲冲工工作作时时，要要考考虑虑极极间间电电容容和和杂杂散散电电容容(即即阳阳极极对对地地电电容容)影影响响，R RL L值值过过大大也也会会影影响响脉冲上升沿和脉宽。脉冲上升沿和脉宽。R RL L值值太太大大时时热热噪噪声声会会增增加加。因因此此R RL L值值一一般般由由实实验验确确定定最最佳佳值值。选选择择负负载载电电阻阻的的建建议议（1 1）在在频频响响要要求求比比较较高高的的场场合合，负负载载电电阻阻应应尽尽可可能能小小一一些些。（2 2）当当输输出出信信号号的的线线性性要要求求较较高高时时，选选择择的的负负载载电电阻阻应应使使信信号号电电流流在在它它上上面面产产生生的的压压降降在在几几伏伏以以下下。（3 3）负负载载电电阻阻应应比放大器的输入阻抗小得多。比放大器的输入阻抗小得多。为为有有效效提提高高其其效效率率，适适当当加加大大R R，中中间间各各级级采采用用均均匀匀分分压压，R R的的提提高高可可改改善善脉脉冲冲前前沿沿，对对快快速速光脉冲探测有益。光脉冲探测有益。运算放大器输出：运算放大器输出：4 4 光电倍增管的使用光电倍增管的使用光电倍增管的选择光电倍增管的选择 l l一一般般应应考考虑虑所所选选管管型型与与待待测测光光的的光光谱谱响响应应应应一一致，因此选择适当的光阴极是主要的；致，因此选择适当的光阴极是主要的；l l对对低低能能和和弱弱光光的的探探测测应应采采用用阴阴极极灵灵敏敏度度高高与与暗暗电流小、噪声低的管子；电流小、噪声低的管子；l l阴阴极极尺尺寸寸的的选选择择取取决决于于光光信信号号照照射射到到阴阴极极上上的的面面积积，光光束束窄窄可可选选用用小小阴阴极极直直径径的的管管子子，通通常常阴阴极极大小决定于光电倍增管的大小；大小决定于光电倍增管的大小；l l阳阳极极灵灵敏敏度度