4.2 光电探测器的性能参数

率来衡量激光器转换效率的高低。
功率效率定义为
p P ex / P in
P 为注入的电功率。 ex 为辐射的光功率； P in
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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
N n-p 式中， N为有源区内每秒产生的光子数； 为有源区内每秒注入的电子p
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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。
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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。 e h dn dn光 电 i ( t ) P ( t ) Ri hv e dt dt h Ri 这里给出量子效率和灵敏度关系
光纤耦合
自由光输入
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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
N ex P / h ex Nn I / e0
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 式中， n 穴对数。
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四、量子效率η
(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
( I I th )
h
e0
当 P ex >>
P th 时，
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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 0.707 R0
频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。 1 f 从上式可见： c 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。
P s P b
内部 噪声 光电 效应 电流 增益
is
输出 信号加 噪声
in
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六、噪声等效功率NEP
例：若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，则通量阈Pth＝0.001μW。即小于0.001微瓦的信号 光功率不能被探测器所得知，所以，通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。 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
is in u SNR s un SNR
(电流信噪比) (电压信噪比)
于是有 ：
NEP P th
in is i i P s s n P s Ri is Ri is SNRi
( 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。
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 Ri e
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。
4
2、光电信息转换器件的主要特性：
知识巩固
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]
0
25
二、光谱灵敏度Rλ
式中 并注意到 由此便得 式中


0
f ' d '
1 P ' m


0
P ' d ' P/ P 'm


0
s f ' d '
Rim Rm d
1.0
f '


0
S f ' d '
i R Rm dK Rim K P S f ' d '
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。
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四、量子效率η
(3)外量子效率
激光器每秒钟发射的电子数 ex＝ ＝ 激光器每秒钟注入的电子－空穴对数 pex I h e0
定义外量子效率ex为
ex
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
if
噪声等效功率
归一化探测度
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
h Ri e in P th Ri NEP P s SNR i 1

瓦 瓦
D*
1/2 Af / NEP 厘米.赫兹 / 瓦
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光电探测器的性能参数 周自刚
Laser Laser
光电探测器
夜色降临，海面上有一无形的，视而不见，触而不觉的哨兵--红外 激光探测器监视着海面，当有不速之客到来，光线挡断，光电探测器探 测不到激光而进行声光报警。
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？
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二、光谱灵敏度Rλ
光功率谱密度Pλ由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件下不变 的情况下，光电流将是光波长的函数，记为iλ，于是光谱灵敏度Rλ定义 为 i R 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
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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。
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。
di i d
dP ' 变化量
di S Rm P 'm f ' d 'd
i di [ S Rm P 'm f ' d ' ] d
0 0



f ' d ' 0 Rm dP 'm S f ' d ' 0 f 'd '
光敏电阻
光电二极管
光电池
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光电检测器件的性能参数
参数
积分灵敏度 光谱灵敏度
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
表达式
di i Ri dp p
单位
安/瓦
伏/瓦 安/瓦 安/瓦
Ru
du u dp p
R
Rf
i dP
p
频率灵敏度
量子效率 通量阈
电流随调制频率变化的量度
i F (u, P, , f )
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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。
K
0


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。
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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 i f 0 if 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。
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七、归一化探测度D*
探测器的噪声功率N ∝Δf，所以
in (f )
1 2
于是由D的定义知
D (f )
1 2
另一方面，探测器的噪声功率N∝ A 所以 又有
in ( A)
D ( A)

1 2
8
七、归一化探测度D*
把两种因素一并考虑， 定义
*
D ( Af )
Af

1 2
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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。
D D
(cm Hz / W)
1 2
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 )。
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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。
n n
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。
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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 为刚刚能探测到光信号存在。 放大器过程 依照这一判据，定义探测器的通 量阈Pth为 in P (瓦) th Ri
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一、积分灵敏度R
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
di i Ri dP P
(线性区内) (安/瓦)
Ru
du u dP P
有些教材 采用微安 /流明
(线性区内) (伏/瓦)
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。
eFra Baidu bibliotek
对某一波长来说，其光谱量子效率 ： hc Ri e c是材料中的光速。量子效率正比于灵敏度而反比于波长。
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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＋I 2 R s
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
通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为
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
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二、光谱灵敏度Rλ
只要注意到 和 就有 积分上式，有
dP ' P ' d '
D
P ex /h ( I I th )/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。
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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。 1/ 2 这个电流称为暗电流或噪声电流，记为 i (i 2 )
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1、了解半导体光电探测器的发展及应用。
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*
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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。