光电探测器.pptx

光探测器 蒋燕义 什么是光探测器？ 光 物理量 （可测量） 热量 电流 电压 光电探测器 光辐射探测器 光辐射探测器 又名“光热探测器” 光 热量 温度 晶格振动 光辐射探测器－特点 “慢热”——响应时间慢 最快只能响应到ns量级 “木讷”——灵敏度低 “兼容性好”——响应波长范围广 光电探测器－特点 时间响应快 灵敏度高 具有波长选择性 光电探测器－分类 光电探测器 内光电 外光电 光导器件 光伏器件 光真空器件 电子逸出 爱因斯坦的光电效应定律 外光电效应－原理 入射光子能量 探测器材料逸出功 光电子离开探测器靶面后的动能 截止频率或截止波长 1. 灵敏度（sensitivity） 光探测器－参数 单位为V/W 单位为A/W 光谱响应 (spectral response) 特性 量子效率(Quantum Efficiency） 光探测器－参数 单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比 如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率为多少(光波长为1um)？ 2.噪声等效功率（NEP） 光探测器－参数 信噪比: SNR 信号的峰值和噪声的有效值(√带宽)之比 NEP 单位为W/Hz1/2 表征探测器的噪声电平和探测器对微弱光信号的探测能力 3.噪声等效辐射照度 (Noise Equivalent Irradiance，NEI) 光探测器－参数 探测器的靶面积Ad NEI （单位为W/Hz1/2·cm-2） 带宽 Δf 4.探测率D (detectivity) 光探测器－参数 单位为Hz1/2·W-1 4.比探测率D* 光探测器－参数 （单位为 cm·Hz1/2·W-1） 5.截止频率(cut-off frequency, fC) 光探测器－参数 表征它对入射光功率随时间变化的响应 Vs R1 C R2 响应光谱 频谱响应 噪声 光探测器－参数 光探测器－噪声 1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise) 白噪声 k 为玻尔兹曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻阻值，Δfn为测试系统等效噪声带宽 热噪声均方振幅电压值： 电流均方值： 光探测器－噪声 1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise) 电阻中自由电子的热运动，白噪声？ k 为玻尔兹曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻阻值，Δfn为测试系统等效噪声带宽 热噪声均方振幅电压值： 热噪声的功率谱密度： S的单位（物理量纲）是什么？室温下热噪声的功率谱密度大概在什么量级（R=50Ω）？ 光探测器－噪声 2.散粒噪声(shot noise) 电荷载流子的起伏称为散粒噪声，白噪声 散粒噪声功率谱密度： 散粒噪声的电流有效值： e 为电子电荷， Is为探测器的光生电流 电压有效值: 与光的散粒噪声的关系？ 求入射光为nW量级时的噪声大小？（0.5A/W， R=50Ω，带宽300kHz） 光探测器－噪声 3.闪烁噪声 (flicker noise) 器件内部的低频噪声 闪烁噪声的电流有效值： A为与探测器有关的系数 Is 为流过探测器的总直流电流 功率谱密度＝1/f，因此经常被称为1/f噪声 光探测器－噪声 4.产生-复合噪声 光电导探测器中的激发载流子是电子-空穴对，它们的产生和复合都是按照散粒噪声的规律随机起伏的 噪声的噪声电流和电压的有效值： Id为探测器的暗电流，M为探测器的内增益 种类 真空管光电探测器（PMT等） 半导体光电探测器 热电探测器 多通道探测器、成像器件 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应 1.真空管光电探测器 光电阴极材料 探测器窗口 光吸收系数大 传输能量损失小 光电子逸出功低 透过率大 光电阴极材料 光电阴极 峰值波长 (nm) 波长极限 (nm) 阴极灵敏度 (mA/W) 量子效率 (峰值) 银氧铯Ag-O-Cs 750-800 1200 2-3 0.4% 单碱型Sb-Cs 340-400 700 20-50 15% 双碱型Cs-K-Sb 330-420 700 30-90 30% 多碱型Cs-Na-K-Sb 330-640 900 20-60 25% 日盲型Cs-Te 170-210 320 20-30 15% 日盲型Cs-I 120-140 200 15-20 12% 半导体型GaAs-Cs2O 850 930 50-70 20% 半导体型InAsP-Cs2O 400 1100 40-50 20% 1.真空管光电探测器－种类 真空管光电二极管 光电倍增管 (photomultiplier tube 或简称：PMT) 微通道光电倍增管 1.1真空管光电二极管 K：阴极 A：阳极 + V 特点： 结构简单，灵敏度较低，可检测较强的光辐射信号，极间电