Transcript 4.1-3.光辐射的探测技术

第4章
光辐射的探测技术
回
发光源
调制
顾
光波导
解调
探测技术
主要内容
光电探测的物理效应
光电探测器的性能参数和噪声
光电探测器
光电探测方式
如何实现对光辐射的探测？
 当光入射到某些半导体上时，光子(或者说电磁波)与物质
中的微粒产生相互作用，引起物质的光电效应和光热效应
 在这种效应里实现了能量的转换，把光辐射的能量变成了
其它形式的能量，光辐射所带有的信息也变成了其它能量
形式(电、热等)的信息
 通过对这些信息(如电信息、热信息等)进行检测，也就实
现了对光辐射的探测
什么是光电探测？
 对光辐射的探测，最广泛使用的方法就是通过光电转换，
光信号  电信号，继而用现已十分成熟的电子技术对电
信号进行测量与处理，这就是光电探测
 转换途径：
 光电效应
 也有某些物质在吸收光辐射的能量后，主要表现为温度变化，产
生了物质的光热效应；这种温度变化又引起电信号的变化（热电
效应），间接实现了光电的转换
§4.1 光电探测的物理效应
光电探测的物理效应有哪些？
 光电效应
• 外光电效应(光电子发射)
• 内光电效应(光电导效应和光伏效应)
 光热效应 + 热电效应
• 温差电效应、热释电效应、测辐射热计效应
光子效应与光热效应
光子效应：单个光子的性质对产生的光电
子起直接作用的一类光电效应
光热效应：探测元件吸收大量光子，转换
成晶格热运动能量，温度升高，使探测器
的电学性质或其他物理性质发生变化。对
光频率没有选择性。
外光电效应
 即光电子发射
 在光照作用下，物体（金属或半导体）表面发射出光电子的现象
 满足两个定律

 Einstein方程
• 当    c （或
有光电子发射
Ek  h  E
E
 c
h
hc

 c
E
截止频率
截止波长
  c ）时，无论光强有多大，照射时间有多长，都不会
• 要使频率较低的光辐射产生外光电效应，可采用 E 较小的物质做发射体
 斯托列托夫定律
I k  Sk v
即 I出  I 入
 一般过程 光吸收→电子向界面运动→表面电子克服势垒向外逸出
内光电效应 – 光电导效应
 受到光照射的物质内部电子能量状态发生变化，但不存在
表面发射电子的现象
1. 光电导效应
① 光照变化引起半导体材料电导变化的现象
② 原因
• 材料吸收光子能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子
浓度增大
• 可分为本征型和杂质型两类
hc
c 
Eg
c 
hc
Ei
③ 描述方式
• 载流子迁移率  ：在外电场的作用下，载流子发
生漂移，漂移速度和电场强度之比称为迁移率
vN vN L

 N  E  V
2

m
/V  s

  vP  vP L
 P E
V
• 电导率
 ：描述载流子漂移的效果
  en N  epP
n、 p
分别表示热平衡时电子浓度和空穴浓度
单位 (Ω·m)-1
• 电导（热平衡暗电导） G
A
G 
L
(西门子 S )
A：半导体截面积
• 光电导：由载流子浓度增大致使电导率的增量
  en N  pP 
光生载流子浓度
此处半导体只是作为一个类似电阻作用的
“导体”，而不表现出“结”效应
• 光电导的驰豫
– 光照射到材料上时，总是会经过一个延迟的时间，光生载
流子才会增加到相应的数量而趋于稳定
– 同样，光照结束后，光生载流子也需要经历一定的时间才
能复合完毕
– 这反映了光电导材料对光强度变化反应快慢的程度
– 通常用弛豫时间来描述，驰豫时间越短，说明器件的响应
速度越快
光电导的电流增益 M
 𝚫𝑮 的增量将使外回路电流产生增量 𝚫𝒊
 但是，电流增量 𝚫𝒊 不等于每秒光激发的电荷量 𝒆𝑵
 定义，
𝚫𝒊
𝑽
𝑴=
= 𝟐 (𝝁𝒏 𝝉𝒏 + 𝝁𝒑 𝝉𝒑 )
𝒆𝑵 𝒍
其中，𝝉𝒏 、𝝉𝒑 表示载流子的寿命；𝑽 是端电压；𝒍 是半导体长度
 对于 N 型半导体 𝑴 =
𝑽
𝝁 𝝉
𝒍𝟐 𝒏 𝒏
=
𝑽 𝒗𝒏 𝒍
𝝉
𝒍𝟐 𝑽 𝒏
=
𝝉𝒏
𝒕𝒏
其中，𝒕𝒏 是渡越时间
即，如果渡越时间小于电子平均寿命，则有电流增益效果
光伏效应
2. 光伏效应
• 定义：当照射光激发出电子-空穴对时，PN 结的内建电场将把
e-p对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生电压
• 机理
– 无光照，处于平衡状态时，PN结→内建电场
– 有光照时， P、N、结区会产生e-p对
e→N区
在原内建电场的作用下移动
p→P区
使得无光照时形成的势垒高度降低 eV
D
相当于在PN结上加上了正向电压
↓
光生电压 I Ph : N  P
• 可测出开路电压或短路电流
• 驰豫时间比光电导短
I sc  I Ph
eVD-eV
光热效应
某些物质在受到光照后，由于温度变化而造成材
料性质发生变化的现象
光能量→晶格振动→温度升高→性质变化
根据不同材料、不同结构，可分为
 温差电效应
 热释电效应
 测辐射热计效应
温差电效应
1. 温差电效应
 Peltier Effect
d p
dt
 I
两种导体或半导体串联组成回路，通以
电流时，出现一头吸热另一头放热的现
象
 Seebeck Effect
Peltier效应的逆效应
 Thomson Effect
d
dT

I
dt
dx
在单一均匀导体上通以电流，如果在电
流流动的方向上存在温差，则在这段导
体上会有吸（或放）热的现象
且吸（或放）热的速率满足左边的公式
 塞贝克(Seebeck) 效应(1821年)
 由两种不同材料串联成的回路，其结点由于受到某种因素的作用
而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，即温差电效应
V  MT
Seebeck系数（V/K）





这是因为温度梯度导致载流子向冷端扩散、堆积
在温差较小时，V与△T是线性的
这是热能转换为电能的现象
通常为了得到较大的电动势而做成热电堆——多个热电偶串联
一般
光照→晶格振动→温差→电动势→测量
热释电效应
2. 热释电效应
 介质的极化强度随温度变化而改变，引起表面电荷变化的现象
 机理
• 根据原子或分子中正负电荷相对位置关系，可将晶体分为两种类型
晶体类型
非极性晶体
极性晶体
正、负电荷位置情况
中心对称
重心重合
非中心对称
重心重合
重心不重合
热释电机理
• 对于极化晶体，表面存在着一定量的极化电荷，并且在温度变化时发
生变化
T , Ps 
T大于Tc（居里温度）时，自发极化突然消失
• 温度恒定时，晶体表面的电荷会被空气中的异性电荷中和，因而观察
不到自发极化现象
• 温度变化时，中和过程(1~1000s)，赶不上电荷变化(10-12s)的速度，
因而显示出自极化现象
• 过程时间



只能探测调制频率大于 1 的辐射

 计量方法
• 一般是将热释电晶体放到电容器中，这样，其表面电极化强度
的变化就会引起电容的改变，从而在电路中测量出来
• 辐射引起的表面极化电荷改变为
 P 
Q  APs  A s T  AT
 T 
 热释电系数
A 特别注意的是，此处A应象电容器理
论中指明的一样，是有效电容面积，
接收辐射面与另一面的重合部分面积
• 将电流表与电容器极板连接，电流表中就会有电流通过，即短
路电流，△Q的电荷变化在外电路中（短路时）引起的电流为
Q
dT
i
 A
t
dt
• 热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件
测辐射热计效应
 测辐射热计效应
 入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象
与光电效应不同
R  T RT
电阻温度系数
 当温度变化足够小时
 金属
1
T 
T
 半导体
B
T   2
T
R  BT 
B是常数，典型值是3000k
1 1 

B    
 R  R e  T T0  
0




比
较
 以光电效应为基础的光电探测方法及以光热效应为基础的光热探测方
法已经获得广泛的应用，对两种效应作一比较，可以看出它们之间的
差别
光电探测
光热探测
对光波长的测量是有选择性的
对波长无选择性
响应时间比较长(达到毫秒数量
级)
响应速度快，几乎是瞬间完成
(μs~ns量级)
光电转换定律
 光电转换：将光辐射能量转换为光电流的过程
 光电转换定律
 设入射光功率P(t)，频率为ν，光生电荷量Q，则
dn
dE
 h  光
dt
dt
dn
dQ
i t  
 e 电
dt
dt
Pt  
1
2
基本关系为
it   D  Pt 
3
D：光电探测器的光电转换因子
D
e

h
4
dn电
  dt
dn光
dt
量子效率，即激发电子数
与探测器吸收总光子数之
比
光电转换定律
D
e

h
代入
it   D  Pt 
i t  
e
Pt 
h
① 光电探测器对入射光功率有响应，响应是
光电流，可视为一个电流源
② 平方律探测器——非线性器件
 2
P | E |
§4.2 光电探测器性能参数和噪声
性能参数
噪声
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
灵敏度
光谱灵敏度
频率响应和响应时间
量子效率
噪声等效功率NEP
归一化探测度
散粒噪声
产生—复合噪声
光子噪声
热噪声
1 噪声
f
性能参数
灵敏度R
 也称响应度
 Def：探测器输出信号电压（或电流）均方根值Vs（Is）与输入光功率均
方根值P的比值
电压灵敏度
电流灵敏度
Vs
P
I
Ri  s
P
Ru 
V / W 
A /W 
 是探测器光电转换特性的量度
 P一般是指分布在某一光谱范围内的总功率，所以又称为积分电压灵
敏度和积分电流灵敏度
性能参数
光谱灵敏度
 Def：灵敏度随波长而变化的特性
 通常以灵敏度随波长变化的规律曲线表示，衡量探测器光电转换的光
谱特性以及频率特性
 归一化光谱灵敏度曲线(相对灵敏度)
 当把灵敏度的最大值取为1，其它值取其与最大值的比值(通常﹤1)
性能参数
频率响应Rf和响应时间τ
 响应时间 τ
 表示光辐射照射到探测器上所引起的响应的快慢
 由材料（驰豫特性）、结构和外电路决定
 光电测量时，为了真实反映被测光辐射的大小及其变化规律，探
测器的响应时间必须小于光辐射变化的时间
性能参数
 频率响应 Rf
 Def：
Rf 
R0
1  2f 
2
其中 Rf表示调制频率为 f 时的灵敏度
R0表示调制频率为 0 时的灵敏度
 是光探测器的灵敏度在入射光波长不变时随入射光调制频率变化
的特性
R0
 一般规定，R f 
时的频率为探测器的截止响应频率 fc
2
fc 
1
2
性能参数
量子效率η
 Def：每个入射光子所释放的平均电子数（在光电转换定
律中有讨论）
单位时间产生的光电子平均数

I e e h

Ri
P h
e
Ri 
Is
P
单位时间入射光子平均数
 一般， η ﹤1
 对于光电倍增管、雪崩光电二极管等有内部增益机制的光探测器， η
可大于1
性能参数
噪声等效功率 NEP
 输入为0时，输出并不为0，由噪声引起
 Def：SNR=1时的入射光功率
SNR 
输出信号电压Vs (电流I s )
输出噪声电压Vn (电流I n )
 当SNR=1时一般难以探测到信号，常通过下式计算NEP
NEP  Ps |( SNR )i 1  Ps |( SNR )u 1
 NEP表征探测器的最小可探测功率
(W)
NEP越小，探测能力越强
性能参数
 由于噪声频谱很宽，为减小噪声的影响，一般将探测器后
面的放大器做成窄带型的，其中心频率为调制频率，这样
信号不受损失而噪声可以滤去很多，从而使NEP减小，此
时定义NEP为：
NEP 
NEP 
Vn P

Vs f
In P

I s f
(W/Hz1/2)
f 放大器带宽
性能参数
归一化探测度
 探测度D：NEP的倒数，即单位入射功率产生的信噪比
D
1
NEP
1 / W 
 归一化探测度D *
1
D 

NEP / A
*
D 
*
Af
P
Af
P
 Vs 
 
 Vn 
 Is 
 
 In 
D越大，探测能力越强
NEP  A
与线度无关的参量
噪
声
附加在有用信号上的各种干扰信号
是限制检测系统性能的决定性因素
波形杂乱无序
•
•
•
•
•
散粒噪声
产生—复合噪声
光子噪声
热噪声
1
f 噪声
噪
声
散粒噪声 In
 也称量子噪声
 光电发射材料表面光电子的随机发射或半导体内光生载流子的随
机产生和流动（随机起伏单元是一个电子的电荷量）
 反映了随机性，与信号电平有关：光信号越大，单位时间里打到
探测器面上的光子数越多，起伏也越大
 这种噪声的产生是与统计特性有关，因而是不可消除的，它决定
了噪声的最小极限
 表示为
I n  2eifM 2
e 为造成电流流动的粒子带的电荷
i 为探测器的暗电流(无光照时的电流)
f 测量带宽
M 探测器内部增益
噪
声
光子噪声
 恒定的光功率实际是光子数的统计平均值，每一瞬时到达探测器的光
子数有一定的涨落，因此导致激发的载流子也是随机起伏的，形成光
子噪声
 不管是信号光还是背景光都要产生光子噪声
 表示
 光电发射和光伏型
I ab  2eib f
 光电导型
I as  2eis f
b、s 分别表示背景光与信号光
I ab , g r  4eib M 2 f
I as , g r  4eis M 2 f
M 为光电导探测器的内增益
噪
声
产生—复合噪声 Igr
 半导体内光生载流子随机产生和复合过程引起的噪声
 半导体体内的载流子浓度处于产生与复合的动态平衡中，其浓度
总是围绕着其平均值涨落，从而引起电导率的起伏，导致外电路
电压或电流的起伏
I gr  4eiM 2 f
M 为光电导探测器的内增益
噪
声
热噪声
 也称白噪声
 光电探测器内电路中自由电子的随机运动（热运动）引起
的电压（或电流）起伏
Vn  4kTfR
I n  4kTf / R
R 为探测器的等效内阻
k 为玻尔兹曼常数
T 为热力学温度
噪
声
噪声
 也称低频噪声，原因不明
 主要出现在大约1kHz以下的低频区（指调制频率），可以比散拉噪
声大好几倍，也有称之为闪烁噪声，红噪声。一般来说，只要调制频
𝟏
𝒇
率不低于1kHz就可以避免这种噪声，在高频端， 噪声与白噪声相比
可以忽略。
 经验规律 I n 
Ai  f / f 
  2,   1
 通常
I n  Ai 2 f / f
§4.3 典型的光电探测器
按照工作转换机理的不同，可如下分类
光探测器
光电子发射
器件
• 光电管
• 光电倍增管
光电导器件
• 各种光敏电阻
光伏器件
• 光电池
• 雪崩光电管
• 光电二极管
• 光电三极管
热电器件
• 热敏电阻
• 热电偶
• 热电堆
• 气动管
• 热释电探测器
教材上有一些工程计算举例，请自己阅读
光电倍增管
典型的光电子发射型
(外光电效应)探测器
特别适用于微弱光信
号的探测
光谱范围
 紫外~近红外
优点
 灵敏度高
 稳定性好
 响应速度快
 噪声小
缺点
 结构复杂
 工作电压高
 体积大
结构和工作原理
增益 G  g N
g  bU
0.7
b：由材料和结构决定的系数
若g=5、N=9，
则G~2 ×106
光敏电阻
 也称光导管
 利用光电导效应工作，在光照下会改变自身的电阻；光照
越强，器件电阻率越低
 分类：
 本征型光敏电阻
• 一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测
 非本征型光敏电阻
• 通常在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测
光敏电阻的结构和偏置电路
光电导是具有内部增益M的器件，M的大小取
决于探测器类型、端电压u和结构尺寸（宽度
W 和长度L）
以CdS光敏电阻为例
梳状电极排列
使得较小面积
上的 CdS 层
W 更宽，而
长度 L 更小，
有利于提高 M
光敏电阻工作特性
光谱响应曲线、光谱响应范围
峰值响应波长 𝝀𝒎 =
𝒉𝒄
𝑬𝒈
光敏电阻的光照特性
 实际的光敏电阻在一定的端电压下光照特性是非线性的，
在低偏压和弱光照条件下近似为线性 𝒊 = 𝑲𝒖𝜶 𝑷𝜸
光敏电阻的伏安特性
 负载电阻𝑹𝑳 、点亮电阻𝑹𝒈 、
暗电阻𝑹𝒅
 匹配工作状态 𝑹𝑳 = 𝑹𝒈
 响应频率低，响应时间长
 偏置电压的选择
• 额定最大耗散功率 𝑷𝐦𝐚𝐱
𝒊𝟐 𝑹𝒈 ≤ 𝑷𝐦𝐚𝐱
• 偏压条件
𝑽<
𝑷𝐦𝐚𝐱
𝑹𝒈
𝟏/𝟐
∙ (𝑹𝑳 + 𝑹𝒈 )
• 匹配时 𝑽 < 𝟒𝑹𝒈 𝑷𝐦𝐚𝐱
𝟏/𝟐
同样条件下，光敏面积越小，能承受的偏置电压越低
光敏电阻的时间响应特性
光敏电阻的响应时间常数由电流上升时间 tr、
衰减时间 tf
光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电
压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间
（称为前历时间）等因素有关。
一般而言，照度越强，响应时间越短；前历时
间越长，响应时间也相应延长。
光敏电阻的稳定特性
 光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率，在弱光
照和强光照时都较大，而中等光照时,则较小。
 CdS光敏电阻的温度系数在10lx照度时约为0；照度高
于10lx时，温度系数为正；小于10lx时，温度系数反而
为负；照度偏离10lx愈多，温度系数也愈大。
 环境温度在0～+60℃的范围内时，光敏电阻的响应速
度几乎不变；在低温环境下，光敏电阻的响应速度变
慢。例如，-30℃时的响应时间约为+20℃时的两倍。
 光敏电阻的允许功耗随着环境温度的升高而降低。
光敏电阻使用注意事项
 用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性
匹配
 要防止光敏电阻受杂散光的影响
 要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值
 根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻
 几种典型的光敏电阻
 CdS 和 CdSe
• 低造价、可见光辐射探测器、光电导增益比较高(103～104)、响应时间比较长
(大约50ms)
 PbS
• 近红外辐射探测器；波长响应范围在1～3.4μm，峰值响应波长为2μm；内阻
（暗阻）大约为1MΩ；响应时间约200μs
 InSb
• 在77k下噪声性能大大改善；峰值响应波长为5μm；响应时间短(约50×10-9s)
 HgxCd1-xTe
• 化合物本征型，HgTe和GdTe的固溶体，禁带宽度随组分 x 呈线性变化。
• 当x=0.2时响应波长为 8～14μm，工作温度77k，用液氮致冷
光电池
 光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方
向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过，
内电流增益 M 等于 1
 应用最广泛的是硅光电池，因为它有一系列优点
 性能稳定
 光谱范围宽
 频率特性好
 转换效率高
 能耐高温辐射等
硅光电池——太阳能电池
 硅光电池：基于光生伏特效应
 基本结构
 2CR型——在一块 N 型硅片上用
扩散的方法掺入一些 P 型杂质而
形成的一个大面积 PN 结
 2DR型——在一块 P 型硅片上用
扩散的方法掺入一些 N 型杂质而
形成的一个大面积 PN 结
硅光电池结构示意图
实质是大面积的 pn 结
硅光电池的光电特性
• 光照特性
实际使用的开路电压和短路
电流都不是计算而是测量出
来的
• 伏安特性
雪崩光电管
 Avalanche Photo Diode
 APD对光电流的放大作用基于电离碰撞效应，在一定的条
件下，被加速的电子和空穴获得足够的能量，能够与晶格
碰撞产生新的电子-空穴对
 这种过程是一种连锁反应，从而由光吸收产生的一对电子
-空穴对可以产生大量的电子-空穴对而形成较大的二次光
电流
特点
 电流增益大、灵敏度高、频率响应快、不需要后续放
大电路，在微弱辐射的探测方面有广泛应用
 一般来说，反向电压越高，增益就越大
APD增益与偏置电压的关系
§4.4 光电探测方式
 光电探测是将光波（调制光）中的信息提取出来的过程
 对应不同的调制方式，要选用合理的探测方式以实现解调
 直接探测
• 光信号被探测器直接解调而输出相应的电压或电流
 光外差（相干）探测
• 用一束本振光（参考光）与信号光相干涉，探测器对它们的差
频分量响应形成输出，再由射频检波器对此输出进行解调，得
到有用信号信息
强度调制
幅度调制
偏振调制
容易转化
为电流强
度的变化
直接探测
相角变化
相干探测
频率调制
相位调制
一、直接探测
1、平方律特性
2
a) 光电流正比于光场振幅的平方 i p  E0
b) 光探测器电输出功率正比于入射光功率的平方 S p  i p2 RL   2 P2 RL  P2
2、信噪比特性
信号光功率
噪声功率
输出噪声功率
光电探测器的电功率
si
ni
no
so
根据平方律特性，有
总输入功率
si  ni
总输出功率
so  no

so  no  k si  ni   k si2  2si ni  ni2
2

 e 
k 
 RL
 h 
2
so  ks
2
i

no  k 2si ni  n
于是，输出信噪比为
2
i


so
ks
si ni 


2
no k 2si ni  ni
1  2si ni 

2
i
2

信噪比特性

so
si ni 

no 1  2si ni 
2
① 若
si
 1
ni
则
② 若
si
 1
ni
则
so  si 
  
no  ni 
so 1 si
 
no 2 ni
2
说明直接探测不适宜于输入信噪比小于1或者微
弱光信号的探测，而最适合于强光探测
二、外差探测
1、基本原理
Ec t   Ac cosct  c 
相同方向
相同偏振
Ed t   Ad cosd t  d 
根据平方律特性，其输出电流为
i p   Ec t   Ed t 
2
  { Ac2 cos2 ct   c   Ad2 cos2 d t   d  
Ac Ad cosd  c t   d  c   Ac Ad cosd  c t   d   c 
基本原理
i p   Ec t   Ed t 
2
平均值是1/2，直流(常数)项，经过
有限带宽的中频放大器后可滤去
  { Ac2 cos2 ct   c   Ad2 cos2 d t   d  
被放大
Ac Ad cosd  c t   d  c   Ac Ad cosd  c t   d   c 
中频项
IF  d  c 
和频项，频率极高，可采用
适当的滤波器将其滤去
于是
i p  Ac Ad cosIF t  d  c 
振幅、频率、相位调制的光波都可
被探测出来——全息探测技术
零拍探测
如果 ωc=ωd，即零拍探测，此时
i p  Ac Ad cos d   c 
即，探测器的输出电流与待测光振幅和相位成比例变化
1. 如果是振幅调制（信息在 Ac中），则相位相同
时输出电流最大；
2. 如果是相位调制，则要求本振光波相位为常数。
外差探测的优势
1. 足够高的增益，对弱信号探测特别有效（G=2Pd/Pc）
2. 良好的滤波性能：只有那些频率在中频频带内的杂散
光才可能进入系统
3. 具有良好的空间和偏振鉴别能力
2、信噪比特性
入射光信号光功率
入射光噪声功率
本振光信号光功率
本振光噪声功率
输出噪声功率
光电探测器的电功率
si
ni
sL
nL
no
so
总输入功率
si  ni  sL  nL
总输出功率
so  no
根据平方律特性，有
so  no  k si  ni  sL  nL 
2
于是，输出信噪比为
so
si

no nL  ni
 e 
k 
 RL
 h 
2
各种探测方式灵敏度比较
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