光輻射探測的理論基礎(1)-資料下載頁

　　

【正文】 ??p0eIMhv???光照時每產生一個光電子，在探測器的外電路中都輸出一個電子 外電路中單位時間內輸出的電子數大于甚至遠大于單位時間內產生的光電子數 －－ 光電增益 M 光電增益 M 比較： 光電增益 與 量子效率 光電科學與工程學院 College Of Optoelectric Science and Engineering 光電探測器概述 半導體的光電效應 光電探測器的噪聲 光電探測器的性能參數 光電科學與工程學院 College Of Optoelectric Science and Engineering 光電探測器的噪聲 光電探測器概述 噪聲的基本概念 噪聲的表示方法 探測器噪聲分類 光電科學與工程學院 College Of Optoelectric Science and Engineering 信號平均值處有 隨機 起伏－－含有 噪聲 例如： 放音機的噪聲 激光器的噪聲 光電探測器的噪聲 噪聲的基本概念 噪聲 影響信號（特別是弱信號）的測量和處理 2ni 2nu用均方噪聲 多個噪聲源 （互不相關） 2222 12 nknnn iiii ???????總 光電探測器的噪聲 噪聲的表示方法 噪聲功率譜 光電探測系統噪聲： 光電探測器的噪聲 噪聲 影響信號（特別是弱信號）的測量和處理 光電探測器的噪聲 探測器的噪聲 1．熱噪聲 (Johnson噪聲 ) 2. 散粒噪聲 3．產生－復合噪聲 4． 1/f 噪聲 5．溫度噪聲 1．熱噪聲 (Johnson噪聲 ) 熱噪聲是由于載流子的熱運動而引起電流或電壓的隨機起伏。 22n r n r44kT fi ,u kT f RR???? 光電探測器的噪聲 f? 為測量的頻帶寬度 熱噪聲： 白噪聲 2. 散粒噪聲（ Shot噪聲） 光電探測器的 散粒噪聲 是由于探測器在光輻射作用或熱激發下引起光電子或載流子的隨機起伏 2ns 2ei I f??I為器件輸出平均電流 散粒噪聲：白噪聲 光電探測器的噪聲 3．產生－復合噪聲 －－又稱為 g－ r噪聲 （ Generation Rebination） 半導體器件中由于載流子的產生與復合而引起的平均載流子濃度的隨機起伏。 2n g r 4ei M I f??I為總的平均電流； M為光電增益 光電探測器的噪聲 2n g r 22c4e1M I fi?????產生－復合噪聲不再是 “ 白 ” 噪聲？？ 4． 1/f 噪聲 1/f 噪聲通常又稱為電流噪聲 －－也稱為閃爍噪聲或過剩噪聲 2nfcIiff????低頻區： 1kHz以下 機理目前尚不清楚 光電探測器的噪聲 5．溫度噪聲 熱探測器中由于器件本身吸收和傳導等的熱交換引起的溫度起伏 2 2 2 2Tn 4W G t G kT f? ? ? ?G為器件的熱導 光電探測器的噪聲 光探測器的噪聲 1．熱噪聲 (Johnson噪聲 ) 2. 散粒噪聲 3．產生－復合噪聲 4． 1/f 噪聲 5．溫度噪聲 實際的光電探測器所含的噪聲種類及大小，后面各章結合器件介紹。 光電科學與工程學院 College Of Optoelectric Science and Engineering 光電探測器概述 半導體的光電效應 光電探測器的噪聲 光電探測器的性能參數 光探測器的特性參數 主要特性參數： 1．光電特性 2. 靈敏度與光譜特性 3．等效噪聲功率和比探測率 4．響應時間與頻率特性 1．光電特性 光電特性是指電學參量與光輻射參量之間的函數關系。 例如： I=f（ Ф） I=f（ E） 光探測器的特性參數 例 1： P109 光電倍增管的 光電特性 線性度 重要性 光電科學與工程學院 College Of Optoelectric Science and Engineering 2. 靈敏度與光譜特性 靈敏度 是表征探測器將入射光信號轉換成電信號能力的特性參數，又稱為 響應率 。 ΦUS U ?ΦIS I ? 光探測器的特性參數 2. 靈敏度與光譜特性 光譜靈敏度 ： ? ? ? ?? ???? ΦUS U ? ? ? ? ?? ???? ΦIS I ?例 1：人眼 光譜靈敏度 例 2：硅光電器件 光譜靈敏度 S 光探測器的特性參數 2. 靈敏度與光譜特性 靈敏度 是表征探測器將入射光信號轉換成電信號能力的特性參數，又稱為 響應率 。 光譜靈敏度 ： 積分靈敏度： ? ? ? ?? ????ΦUSU ? ? ?? ?? ????ΦISI ?ΦUS U ?ΦIS I ? 光探測器的特性參數 2. 靈敏度與光譜特性 光譜靈敏度 ： 積分靈敏度： ? ? ? ?? ???? ΦIS I ?ΦISI ?用 單色 光測量； 一般為曲線 例： P139 圖 5－ 9 用 標準光源 測量； 一般為具體數據 例： P130 表 5－ 1 光探測器的特性參數 2. 靈敏度與光譜特性 靈敏度 是表征探測器將入射光信號轉換成電信號能力的特性參數，又稱為 響應率 。 SU(λ)或 SI(λ)隨波長 λ的變化關系稱為探測器的 光譜特性 （曲線）。 例：硅光電器件的 光譜特性 S 光探測器的特性參數 2. 靈敏度與光譜特性 峰值波長 λ p 截止波長 λ 0 光譜特性 （曲線） 光譜響應 范圍 例： P85 表 3－ 2 光探測器的特性參數 2. 靈敏度與光譜特性 靈敏度與 量子效率（自學） I()()( ) cI e eS M MΦ h v h? ? ????? ? ? ?0?p?1 . 理 想 曲 線 2 . 實 際 曲 線I m a xS? ?IS ?I m a x50 S％0光子探測器光譜特性曲線 峰值波長 λ p 截止波長 λ 0 光探測器的特性參數 3．噪聲等效功率和比探測率 光探測器的特性參數 輻射通量 信號電流 噪聲電流 minΦ3．噪聲等效功率和比探測率 光探測器的特性參數 輻射通量 信號電流 噪聲電流 minΦ當探測器輸出的信號電流 I (或電壓 U)等于探測器本身的噪聲電流 (或電壓 )均方根值時，入射到探測器上的信號輻射通量稱為 噪聲等效功率（簡稱NEP） 2nm i niIΦN E P??3．噪聲等效功率和比探測率 2nIiN E PS?探測能力： 探測器靈敏度 探測器噪聲水平 光探測器的特性參數 2nm i n iIΦN E P ??2nm i n/55iIΦN E P ?方便測量 3．噪聲等效功率和比探測率 光探測器的特性參數 輻射通量 信號電流 噪聲電流 minΦ2nm i niIΦN E P?? 噪聲等效功率 －－又稱為 最小可探測功率 3．等效噪聲功率和比探測率 )W(1 12niSNE PD I?? 愈大愈好－－習慣 d*d2nd/IAf SD A f DN E P i A f???? ? ?（ ）/WHzcm 1 / 2?用 單位帶寬 和 單位面積 的噪聲電流來衡量探測器的 探測能力 光探測器的特性參數 4. 響應時間與頻率特性 矩形光脈沖，響應出現 上升沿和下降沿 正弦型調制光，響應率隨頻率升高而降低 光探測器的特性參數 τ－ 探測器響應時間 （時域） HC12 πf ??上限截止頻率 或 3dB帶寬 （頻域） 本章小結 ： （要點，課后自行總結） 1. 光學譜區： ～ 1000μm 可見光譜區： ～ 光輻射量度 －－輻射度量（電磁波譜） －－光度量（可見光譜區） 2. 半導體基礎：導帶 Ec、價帶 Ev及二者之間的禁帶 Eg 本征半導體、 P型半導體和 N型半導體 費米能級 Ef描述載流子的分布 本征吸收和雜質吸收；少子壽命 τ 3. 光電效應：光電導效應、光伏效應和光電子發射效應 光子探測器，光電轉換規律 4. 光探測器噪聲：散粒噪聲、熱噪聲、產生－復合噪聲、 電流噪聲（ 1/f噪聲） 、溫度噪聲、 5. 光探測器特性參數：光電特性、靈敏度、噪聲等效功率、響應時間