光电探测器的性能参数PPT学习教案

if
i f 0
1 (2f )2
τ称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。
23
三、频率灵敏度Rf
频率灵敏度
Rf
R0
1 (2f )2
这就是探测器的频率特性，R f随f 升高而下降的速度与τ值大小关系很大。
一般规定，R f下降到
R0 / 2 0.707R0
频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。
表达式
Ri
di dp
i p
du u Ru dp p
R
i dP
Rf
if p
h
e
Ri
Pth
in Ri
NEP Ps SNR i 1
单位
安/瓦 伏/瓦 安/瓦 安/瓦
瓦 瓦
D*
Af / NEP
厘米.赫兹1/2/ 瓦
5
1、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是 什么？
量子效率
h
e
Ri
单位时间单位光量子数产生的光电子数。 就是等量子光谱响应曲线中用光电子数代替电流或电压。
二光谱灵敏度r28通常给出的是相对光谱灵敏度s27引入相对光谱功率密度函数它的定义为就有积分上式有dp变化量二光谱灵敏度r并注意到由此便得25若入射光是强度调制在其它条件不变下光电流若入射光是强度调制在其它条件不变下光电流iiff将随调频将随调频ff的升高的升高而下降这时的灵敏度称为而下降这时的灵敏度称为频率灵敏度频率灵敏度rrff是光电流时变函数的付里叶变换通常称为探测器的响应时间或时间常数由材料结构和外电路决定
半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去，用功率效率和量子效
率来衡量激光器转换效率的高低。
功率效率定义为
p Pex / Pin
Pex 为辐射的光功率； Pin为注入的电功率。
16
四、量子效率η
(2)内量子效率
i＝
有源区里每秒钟产生的光子数 有源区里每秒钟注入的电子－空穴对数
内量子效率定义为
i Np / Nn-p
2
2、光电倍增管探测器解决DNA排序问题
金属壳光电倍增管的金属通道电
子倍增极允许多通道输出，可以同 时探测来自多个分子的荧光信号， 从而提高探测灵敏度和探测速度。
荧光相关光谱术（FCS）利用单 光子计数光电倍增管探测DNA靶 序列。
1
本讲小结
1、积分灵敏度、光谱灵敏度、频率灵敏度、量子效率、通量阈 、噪声等效功率、归一化探测度等概念、表达形式、特点、应用 等
光纤耦合
自由光输入
21
三、频率灵敏度Rf
探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这 一辐射功率相应的稳定值i。
当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。
一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由
决定。
fc
1
2
光电流是两端电压u、光功率P、光波长λ和光强调制频率f的函数，即
光电倍增管
本讲主要内容
一、积分灵敏度R 二、光谱灵敏度Rλ 三、频率灵敏度Rf 四、量子效率η 五、通量阈Pth 六、噪声等效功率NEP 七、归一化探测度D*
30
一、积分灵敏度R
灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特性，光电转换的 光谱特性以及频率特性的量度。
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f (P)，称为探测器 的光电特性。
6
光电检测器件的性能参数
参数
积分灵敏度 光谱灵敏度 频率灵敏度
量子效率 通量阈 噪声等效功率 归一化探测度
物理描述
光电转换特性的量度 对某一波长光电转换的量度 电流随调制频率变化的量度 吸收的光子数和激光的电子数之比 探测器所能探测的最小光信息功率 单位信噪比时的信号光功率 与噪声等效功率成倒数、光敏面积和噪声功率有关
28
二、光谱灵敏度Rλ
的为情光况功下率，谱光密电度流P将λ由是于光光波电长探的测函器数的，光记谱为选iλ，择于性是，光在谱其灵它敏条度件R下λ定不义变
R
i dP
Rλ是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测器)，光子探 测器则是选择性探测器。
27
二、光谱灵敏度Rλ
通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为
in (in2 )
它是瞬时噪声电流的有效值。
显然，这时灵敏度R巳失去意义，我们必须定义一个新参量来描述光电 探测器的这种特性。
12
五、通量阈Pth
光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率。 即使Ps和Pb都为零，也会有噪声输出。 噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。
通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in，那么就认
＝
pex I
h
e0
定义外量子效率ex为
ex
Nex Nn
Pex / h
I / e0
式中，N
ex为激光器每秒发射的光子数；N
为激光器每秒注入的电子-空
n
穴对数。
14
四、量子效率η
当 Pex >>
(4)外微分量子效率:
P－I 特性曲线的线性部分的斜率
( pex pth )
D
h
( I Ith )
e0
光电探测器的性能参数
会计学
1
光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近
红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红 外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
（1）如何衡量一个光电探测器的质量好坏？ （2）选择一个好的光电探测器需要注意哪些关键指标 ？
4
知识巩固
2、光电信息转换器件的主要特性：
1．光电特性 ―─ IФ [光电流]＝F（Ф）[光通量] 2．光谱特性 ―─ IФ [光电流]＝F（λ）[入射光波长] 3．伏安特性 ―─ IФ [光电流]＝F（Ｕ）[电压] 4．频率特性 ―─ IФ [光电流]＝F（f）[入射光调制频率]
3
1、了解半导体光电探测器的发展及应用。
7
其它参数
光电探测器还有其它一些特性参数，在使 用时必须注意到，例如光敏面积，探测器电阻， 电容等。
特别是极限工作条件，正常使用时都不允 许超过这些指标，否则会影响探测器的正常工 作，甚至使探测器损坏。
通常规定了工作电压、电流、温度以及光 照功率允许范围，使用时要特别加以注意。
光敏电阻
光电二极管
光电池
常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D值大的探测器其 探测能力一定好”的结论并不充分。
主要是探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响甚大。
9
七、归一化探测度D*
探测器的噪声功率N ∝Δf，所以
in
(f )
于是由D的定义知
1
D (f ) 2
另一方面，探测器的噪声功率N∝ A
所以
1
in ( A) 2
i F (u, P, , f )
20
三、频率灵敏度Rf
以u，P，λ为参变量，i＝F（f）的关系称为光电频率特性，相应的曲
线称为频率特性曲线。 同样，i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。
i＝F (λ)及其曲线称为光谱特性曲线。
而i＝F (u)及其曲线称为伏安特性曲线。
当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线中求出，而且还可 以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。
19
四、量子效率η
量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量 子数之比。
对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1
实际上， <1
量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。
18
四、量子效率η
如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光电、光谱以及频率 特性，那么量子效率η则是对同一个问题的微观—宏观描述。
Ps
(SNR ) i 1
NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测
器探测能力的参数。
10
七、归一化探测度D*
NEP越小，探测器探测能力越高，不符合人们“越大越好”的习惯 ，于是取NEP的倒数并定义为探测度D，即
D 1 (瓦1 ) NEP
这样，D值大的探测器就表明其探测力高。
29
一、积分灵敏度R
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
di Ri dP
i P
Ru
du dP
u P
(线性区内) (安/瓦) (线性区内) (伏/瓦)
有些教材 采用微安 /流明
R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为电表测量的电流 、电压有效值。
光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。
S R / Rm
Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光谱灵敏度曲 线。
引入相对光谱功率密度函数，它的定义为
f '
P ' P 'm
26
二、光谱灵敏度Rλ
只要注意到
dP ' P 'd '
和
di i d
dP ' 变化量
就有
di S Rm P 'm f 'd 'd
积分上式，有
i
2、量子效率的具体表达形式、内在关系
采用另一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率NEP（Noise Equivalent Power） 。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为
SNR is
(电流信噪比)
in
SNR us
(电压信噪比)
un
于是有 ：
NEP Pth
in is Ri is
is Ri
in is
Ps SNRi
半导体光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快， 灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源的最理想探 测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统 。最近几年，由于超高速光通信、信号处理、测量和传感系 统的需要，需要超高速高灵敏度的半导体光电探测器。为此 ，发展了谐振腔增强型（RCE）光电探测器、金属半导体金属行波光电探测器，以及分离吸收梯度电荷和信增（ SAGCM）雪崩光电探测器（APD）等。
式中，
N
为有源区内每秒产生的光子数；
p
N n-p
为有源区内每秒注入的电子-
空穴对数。 由于有源区内电子-空穴的复合分为辐射复合和非辐射复合，
辐射复合后发射光子，非辐射复合的能量以声子形式释放，转换为晶格的
振动。
15
四、量子效率η
(3)外量子效率
ex＝
激光器每秒钟发射的电子数 激光器每秒钟注入的电子－空穴对数
dn电 dn光
dt
dt
i(t) e P(t)
hv
h
e
Ri
这里给出量子效率和灵敏度关系
heΒιβλιοθήκη Ri对某一波长来说，其光谱量子效率 ：
hc
e
Ri
c是材料中的光速。量子效率正比于灵敏度而反比于波长。
17
四、量子效率η
量子效率:内量子效率、外量子效率和外微分量子效率。 (1)功率效率
p
激光器辐射的光功率＝ pex 激光器消耗的电功率 Vj＋I2Rs
为刚刚能探测到光信号存在。
光电 效应
电流 增益
放大器过程
is
输出
依照这一判据，定义探测器的通 Ps
信号加
量阈Pth为
Pb
噪声
Pth
in Ri
(瓦)
内部
in
噪声
11
六、噪声等效功率NEP
例光：功若率R不i=能10被μ探A/测μW器，所in得=0知.0，1μ所A，以则，通通量量阈阈P是th＝探0测.0器01所μW能。探即测小的于最0小.0光01信微号瓦功的率信。号
di [
0
0
S Rm P 'm f 'd ' ] d
Rm
dP
'm
0 S
f'd'
0 f 'd '
0 f 'd '
25
二、光谱灵敏度Rλ
式中 并注意到
0
f ' d '
1 P 'm
0
P ' d '
P
/
P 'm
0
s f 'd '
f'
Rim Rm d
1.0
S
0 f 'd '
由此便得
从上式可见：
fc
1
2
当f<fc时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。 如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。
22
三、频率灵敏度Rf
例如： 德国Advanced Laser Diode Systems公司提供带宽可达35GHz 、响应频率范围覆盖400nm到1.6 μm 的高速光电二极管。该光电二极管采 用MSM（金属-半导体-金属）的结构，具有非常低的电容、电阻，因而具 有极高的响应速度。其冲击响应振荡极小，常适于高速光源时间或频率特 性探测。
Pth 时，
D
(I
Pex /h
Ith )/e0
它对应P-I 曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量LD 效率的重要指标 。
13
五、通量阈Pth
从灵敏度R的定义式
Ri
di dP
可见，如果P＝0，应有i=0
i P
实际情况是，当P＝0时，光电探测器的输出电流并不为零。
这个电流称为暗电流或噪声电流，记为
1/ 2
R
i P
Rm dK
Rim K
式中
K
0 S f 'd '
0 f 'd '
称为光谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。
24
三、频率灵敏度Rf
若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流if将随调频f的升高 而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf，
定义为
Rf
if P
if是光电流时变函数的付里叶变换，通常
又有
1
D ( A) 2
8
七、归一化探测度D*
把两种因素一并考虑，
1
D ( Af ) 2
定义
D* D Af
1
(cm Hz 2 / W)
称为归一化探测度。
这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。
考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长λ、光辐射 调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ, f ,Δf )。