光电探测器物理基础
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7
二、有关响应方面的性能参数
1.响应率(或称响应度)Rv或RI 2.单色灵敏度 3.积分灵敏度 4.响应时间 5.频率响应 6.光谱响应
8
1.响应率(或称响应度)Rv或RI
1）响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探 测器输出信号与输入辐射之间关系的参数。又称 为光电探测器的灵敏度。
当辐射经过调制时，则要说明调制频率。
3
2.电路的通频带和带宽
➢ 因噪声限制了探测器的极限性能(后面将详细讨论)。 噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，有些噪声
还是频率的函数。 在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽。
4
3.工作温度
许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测 器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密 切关系，所以必须明确工作温度。
单色灵敏度，又叫光谱响应度，用Rλ表示，
2）定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测
器上单色辐射通量(光通量)之比。
RV
(VV/Ws )
()
R I
(A/IWs )
( )
式中， Φ(λ)为入射的单色辐射通量或光通量。如果Φ(λ)为 光通量，则Rλv的单位为V／lm。
10
3.积分灵敏度
率响应。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调 制频率的关系，其表达式为：
R( f )
R0
1
[1 (2f )2 ]2
R( f )为频率是 f 时的响应度；
R0为频率是零时的响应度；
τ为时间常数。
当 R( f ) 1 0.707 时，可得放大器
R0
2
的上限截止频率
1
f上 2
显然，时间常数决定了光电探测 器频率响应的带宽。
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6.光谱响应
1）定义： 不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的 响应率和比探测率等特性参量随光辐射波长变化的特 性。 2）单色灵敏度和单色探测率，峰值波长 3）光子探测器的光谱响应 与波长有关，截止波长 4）热探测器的光谱响应 与波长无关，与辐射功率有关。
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三、有关噪声方面的参数
从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不 管它的功率如何小，都可探测出来。但当入射功率 很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法 肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器 不好引起的，而是它所固有的“噪声”引起的。 如果对这些随时间而起伏的电压(流)按时间取平均 值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零， 这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。
1.1.3 光电探测器的性能参数
➢光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计 的，而探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来 表征。 实际参量 参考参量 测量条件
1
一、光电探测器的工作条件
➢光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关， 在给出性能参数时，要注明有关的工作条件。这一 点很重要，因为只有这样，光电探测器才能互换使 用。 ➢主要工作条件有： 1．辐射源的光谱分布 2．电路的通频带和带宽 3．工作温度 4．光敏面尺寸 5．偏置情况
当用一个辐射脉冲照射光电探测器， 如果这个脉冲的上升和下降时间很 短，如方被，则光电探测器的输出 由于器件的惰性而有延迟，把从10 ％上升到90％峰值处所需的时间称 为探测器的上升时间，而把从90％ 下降到10％处所需的时间称为下降 时间。
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5.频率响应
入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频
2
1.辐射源的光谱分布
➢ 很多光电探测器（特别是光子探测器），其响 应是辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内 的辐射有信号输出，称为光谱响应，它决定了 探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测 器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用 辐射源的光谱分布。
如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。 假如辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度。
R
0 1
R ( )d
0 ()d
1
式中， 、0 分1 别为光电探测器的长波限和短波限。
由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同 一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提 供数据时应指明采用的辐射源及其色温。
12
4.响应时间
1）响应时间是描述光电探测器对 入射辐射响应快慢的一个参数。
2）当入射辐射到光电探测器后或 入射辐射遮断后，光电探测器的输 出上升到稳定值或下降到照射前的 值所需时间称为响应时间。常用时 间常数τ的大小来表示。
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1.信噪比(S／N)
1）作用：判定噪声大小。
2）表示：在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比：
S N
Ps PN
I
2 s
RL
I
2 N
RL
I
2 s
I
2 N
分贝(dB)表示：
(
S N
)dB
10lg
I
2 S
I
2 N
20lg IS IN
3）注意
利用S／N评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率 相同的情况下才能比较。
通用的工作温度是：
室温(295K)、
干冰温度(195K)、
液氮温度(77K)、
液氢温度(20.4K)
液氦温度(4.2K)
5
4.光敏面尺寸
探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探 测器的信噪比与光敏面积的平方根成比例。
参考面积一般为1cm2。
6
5.偏置情况
大多数探测器需要某种形式的偏置。 例如：光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流 偏置电源 信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要说明 偏置的情况。 此外，对于受背景光子噪声限制的探测器，应 注明光学视场和背景温度。 对于非密封型的薄膜探测器，要标明湿度。
2）定义：光电探测器的输出均方根电压Vs或电流 Is与入射到光电探测器上的平均光功率之比。
Rv＝Vs／Φs
RI＝is／Φs
分别称为光电探测器的电压响应率和电流响应率。
3）测量响应率的辐射源一般是500K的黑体。
4）单色灵敏度和积分灵敏度。
9
2．单色灵敏度
1）如果使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色响应率或
积分灵敏度表示探测器对连续Hale Waihona Puke Baidu射通量的反应
程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通
量为：
0 ()d
光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量 之比称为积分灵敏度。
11
由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐 射引起的，所以输出光电流为：
Is
0 1
Is
()d
0 1
R
()
(
)d
可得积分灵敏度为：
二、有关响应方面的性能参数
1.响应率(或称响应度)Rv或RI 2.单色灵敏度 3.积分灵敏度 4.响应时间 5.频率响应 6.光谱响应
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1.响应率(或称响应度)Rv或RI
1）响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探 测器输出信号与输入辐射之间关系的参数。又称 为光电探测器的灵敏度。
当辐射经过调制时，则要说明调制频率。
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2.电路的通频带和带宽
➢ 因噪声限制了探测器的极限性能(后面将详细讨论)。 噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，有些噪声
还是频率的函数。 在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽。
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3.工作温度
许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测 器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密 切关系，所以必须明确工作温度。
单色灵敏度，又叫光谱响应度，用Rλ表示，
2）定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测
器上单色辐射通量(光通量)之比。
RV
(VV/Ws )
()
R I
(A/IWs )
( )
式中， Φ(λ)为入射的单色辐射通量或光通量。如果Φ(λ)为 光通量，则Rλv的单位为V／lm。
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3.积分灵敏度
率响应。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调 制频率的关系，其表达式为：
R( f )
R0
1
[1 (2f )2 ]2
R( f )为频率是 f 时的响应度；
R0为频率是零时的响应度；
τ为时间常数。
当 R( f ) 1 0.707 时，可得放大器
R0
2
的上限截止频率
1
f上 2
显然，时间常数决定了光电探测 器频率响应的带宽。
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6.光谱响应
1）定义： 不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的 响应率和比探测率等特性参量随光辐射波长变化的特 性。 2）单色灵敏度和单色探测率，峰值波长 3）光子探测器的光谱响应 与波长有关，截止波长 4）热探测器的光谱响应 与波长无关，与辐射功率有关。
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三、有关噪声方面的参数
从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不 管它的功率如何小，都可探测出来。但当入射功率 很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法 肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器 不好引起的，而是它所固有的“噪声”引起的。 如果对这些随时间而起伏的电压(流)按时间取平均 值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零， 这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。
1.1.3 光电探测器的性能参数
➢光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计 的，而探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来 表征。 实际参量 参考参量 测量条件
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一、光电探测器的工作条件
➢光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关， 在给出性能参数时，要注明有关的工作条件。这一 点很重要，因为只有这样，光电探测器才能互换使 用。 ➢主要工作条件有： 1．辐射源的光谱分布 2．电路的通频带和带宽 3．工作温度 4．光敏面尺寸 5．偏置情况
当用一个辐射脉冲照射光电探测器， 如果这个脉冲的上升和下降时间很 短，如方被，则光电探测器的输出 由于器件的惰性而有延迟，把从10 ％上升到90％峰值处所需的时间称 为探测器的上升时间，而把从90％ 下降到10％处所需的时间称为下降 时间。
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5.频率响应
入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频
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1.辐射源的光谱分布
➢ 很多光电探测器（特别是光子探测器），其响 应是辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内 的辐射有信号输出，称为光谱响应，它决定了 探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测 器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用 辐射源的光谱分布。
如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。 假如辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度。
R
0 1
R ( )d
0 ()d
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式中， 、0 分1 别为光电探测器的长波限和短波限。
由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同 一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提 供数据时应指明采用的辐射源及其色温。
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4.响应时间
1）响应时间是描述光电探测器对 入射辐射响应快慢的一个参数。
2）当入射辐射到光电探测器后或 入射辐射遮断后，光电探测器的输 出上升到稳定值或下降到照射前的 值所需时间称为响应时间。常用时 间常数τ的大小来表示。
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1.信噪比(S／N)
1）作用：判定噪声大小。
2）表示：在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比：
S N
Ps PN
I
2 s
RL
I
2 N
RL
I
2 s
I
2 N
分贝(dB)表示：
(
S N
)dB
10lg
I
2 S
I
2 N
20lg IS IN
3）注意
利用S／N评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率 相同的情况下才能比较。
通用的工作温度是：
室温(295K)、
干冰温度(195K)、
液氮温度(77K)、
液氢温度(20.4K)
液氦温度(4.2K)
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4.光敏面尺寸
探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探 测器的信噪比与光敏面积的平方根成比例。
参考面积一般为1cm2。
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5.偏置情况
大多数探测器需要某种形式的偏置。 例如：光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流 偏置电源 信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要说明 偏置的情况。 此外，对于受背景光子噪声限制的探测器，应 注明光学视场和背景温度。 对于非密封型的薄膜探测器，要标明湿度。
2）定义：光电探测器的输出均方根电压Vs或电流 Is与入射到光电探测器上的平均光功率之比。
Rv＝Vs／Φs
RI＝is／Φs
分别称为光电探测器的电压响应率和电流响应率。
3）测量响应率的辐射源一般是500K的黑体。
4）单色灵敏度和积分灵敏度。
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2．单色灵敏度
1）如果使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色响应率或
积分灵敏度表示探测器对连续Hale Waihona Puke Baidu射通量的反应
程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通
量为：
0 ()d
光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量 之比称为积分灵敏度。
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由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐 射引起的，所以输出光电流为：
Is
0 1
Is
()d
0 1
R
()
(
)d
可得积分灵敏度为：