光电探测器的性能与参数

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
表达式
Ri

di dp

i p
Ru

du dp

u p
R

i dP
Rf
if p


h
e
Ri
Pth

in Ri
NEP Ps SNRi 1


Rm
dP
'm

0
S
f'd'
0
0
f ' d ' f ' d '
UP
DOWN BACK
主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
式中
0
f ' d'
1 P 'm
0
P' d'

P
/
P 'm
并注意到 Rim Rm d
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光纤耦合
自由光输入
UP
DOWN BACK
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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
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。
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
Ri

di dP

i P
(线性区内) (安/瓦) 有些教材
采用微安
Ru

du dP

u P
(线性区内) (伏/瓦) /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。
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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。
五、通量阈Pth和噪声等效功率NEP
从灵敏度R的定义式
Ri

di dP

i P
可见，如果P＝0，应有i=0
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
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。
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光电倍增管
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4.2 光电探测器的性能参数
光电倍增管
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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。
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把两种因素一并考虑， 定义
1
D ( Af ) 2
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 )。
与噪声等效功率成倒数、光敏面积 D* Af / NEP 和噪声功率有关
单位
安/瓦 伏/瓦 安/瓦
安/瓦
瓦 瓦 厘米.赫 兹1/2/瓦
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知识巩固
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1、光电探测器的特性的微观量宏观量描述是什么？
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。
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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。
光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。
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二、光谱灵敏度Rλ
条 于件是光下光功不 谱率变灵谱的敏密情度度况Rλ定P下λ由义，于为光光电电流探将测是器光的波光长谱的选函择数性，，记在为其iλ，它
R

i dP
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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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。
三、频率灵敏度Rf(响应频率fc和响应时间t)
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
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。
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。
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光电 效应
电流 增益
放大器过程
is
输出
Ps
信号加
噪声
Pb
内部
in
噪声
依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为
Pth

in Ri
(瓦)
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例：若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，则通量阈Pth＝0.001μW。即
引入相对光谱功率密度函数，它的定义为
f '

P ' P 'm
(3)
把(2)和(3)式代入(1)式，只要注意到
dP' P'd'
dP ' 变化量
和
di i d
就有
di S RmP'm f'd'd
积分上式，有
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i
0
di [ 0
S Rm P'm f'd'] d
决定。
1
fc 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
i F(u, P,, f )
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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。
由此便得
R

i P

RmdK

1.0
Rim K

式中
K
0 S f'd'

0 f'd'

0
S
s f'd'
f'

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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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。
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探测器的噪声功率N ∝Δf，所以
于是由D的定义知
in (f )
1
D (f ) 2
另一方面，探测器的噪声功率N∝ A
所以
1
in ( A) 2
又有
1
D (A) 2
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UP
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
SNR is
(电流信噪比)
in
SNR us
1
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。
通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为
S R / Rm
(2)
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。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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热电探测元件
探测器件
光子探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管
wk.baidu.com光电导探测器
光磁电探测器
像增强器 摄像管 变像管
本征型 光敏电阻
掺杂型
非放大
红外探测器 光电池 光电二极管
光生伏特探测器
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
(电压信噪比)
un
于是有 ：NEP Pth

in is Ri is

is Ri
in is

Ps SNRi
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。
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量子效率


h
e
Ri
单位时间单位光量子数产生的光电子数。
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七、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
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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 频率灵敏度 量子效率
通量阈 噪声等效功率 归一化探测度
六、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。
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


h
e
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。
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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。
主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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？