光学系统
探测器
前放
信号处理
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光子噪声
探测噪声
处理电路噪声
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声
探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合 噪声， 温度噪声，1/f噪声
探测器的噪声
噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声 S(f)
噪声的主导地位：
在低频时， 1/f噪声起主导作用 在中频时，产生复合噪声起主导作用
0 0
光电导为： 暗电导为：
q(nn p p )
0 q(n0 n p0 p )
那么它的短路光电流密度为：
光电导效应
s J 0 E q( n p ) E hvAL
产生的短路光电流： I 0 光电导的响应时间： 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时 间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称 为弛豫过程或惰性。 考察其瞬态过程：
Is q
s
hv
qV ) 1) kT
P N N Id
＋
二极管的伏安特性电流：
I d I 0 (exp(
Is
V
－
I
那么流过PN结的电流为：
qV I I d I S I 0 (exp( ) 1) I S kT
光伏效应
它的供电电流为：
qV I I d I S I 0 (exp( ) 1) I S kT
等效噪声功率与探测率
当探测器的输出信号电 流I s或电压Vs 等于噪声的均方
2 2 根电流 in 或电压 vn 时，所对应的入射光功 率 s
NEP
s Is
2 in
它反映了能探测到的最小光功率
响应时间：
或Vs f ( s )
本征半导体光电导效应图
性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等
光电导效应
当入射光功率为 s 为常数时： 用来产生光电效应的光功率: s 产生非平衡载流子的光子数： s
s
hv
产生非平衡载流子的浓度： n p s hvAL 在稳定光照下，光生载流子不断产生，同时也不断复合。在 稳定时光生载流子的浓度为： n p n
光电导效应
光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。 当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量，引起载 流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 主要有本征光电导与非本征光电导。 下面讨论本征光电导： 讨论光电探测器的一般步骤： 定性分析：工作原理 定量计算： I s f ( s )
Vs s
探测器的输出信号电压 Vs或电流I s与入射光功率 s之比
Sv
或
IS Sv s
光谱响应率
探测器在波长为 的单色光照射下，输出 的电压Vs ( )或电流I s ( ) 与入射光功率 S 之比：
Sv Vs ( ) s
或
I S ( ) Sv s
探测器的主要参数
dn(t ) 1 g n(t ) dt
J 0 A
光电导效应
积分得到： n(t ) n0 (1 exp( )) 同样停止光照时： Nhomakorabeat
n(t ) n0 (t ) exp( )
t

矩形脉冲光照弛豫过程图
频率响应：
n
g 1
2 2

n0 1 2 2
E0 Ef
金属表面势垒 E0 W
Ef
W E0 E f
半导体光电反射
E0
半导体的光电发射逸出供为：
EA
W
w Eg E A
（其中EA为电子亲和势）
Eg 半导体光电发射
Ec Ef
注意：在光电效应里面：包括内电光与外电光 效应，都存在着一个阀值波长问题
探测器的噪声
一般光电系统的噪声：
目标
Id
短路电流为： I sc I s 开路电压：Voc kT ln( Is 1) q Id
v
二极管伏安特性
I 说明：第三象限为光电流区 第四象限为光电池区 第一象限不利用
光敏二极管伏安特性
v
光电发射效应
金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够大，它 和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象， 也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。 外光电效应的两个基本定律： 1．光电发射第一定律——斯托列托夫定律： 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时， 饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与 入射 光强度成正比：
正弦光照弛豫过程图
光电导效应
光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系
J 0 q ( n p ) E
注意条件：
s
hcAL
hv Eg
理想情况
0
实际情况
0
光生伏特效应
光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半 导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 产生机制：
2. 光电发射第二定律——爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强 度无关： Emax=(1/2)mυ2max=hν- hν0=hν- W
光电发射效应
表面势垒：金属表面形成 的偶电层使表面电位突变。 光电发射大致可分三个过程： 1)金属的电子吸收光子能量，从基态 跃迁到能量高于真空能级的激发态。 2)受激电子从受激地点出发，在向表 面运动过程中免不了要同其它电子或晶 格发生碰撞，而失去一部分能量。 3)达到表面的电子，如果仍有足够的 能量足以克服表面势垒对电子的束缚 （即逸出功）时，即可从表面逸出。 E
白噪声
1/f噪声
f
在高频时，白噪声起主导作用
噪声的克服
等效噪声带宽 若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率 增益的最大值为Am,则噪声带宽为： Am
f
A(f)
N(f)
f
1 f Am
f
A( f )df
f


0
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。
探测器的主要参数
响应率（积分灵敏度）
光生载流子的浓度梯度
光电磁效应
势垒效应（PN结）
PN结光伏效应
半导体的PN结 P型 N型 P型
光生伏特效应
N型
Efp
Efn
Ef
能级弯曲的原因： 在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级 能级是相对于电子来说的，在经过PN结时电场力做功， 电势能降低
P-N结光伏效应
若入射光功率为 s , 光电流的大小为：