光电探测器

一`光电探测器第一节 光辐射探测器的主要指标光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。

光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应，分成光热探测器、光电探测器和光压探测器，光压探测器使用得很少。

本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。

光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。

这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。

光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器。

它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。

光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。

例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子，引起半导体的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应，所对应的器件称为光导器件；又如半导体PN 结在光辐照下，产生光生电动势，称为光生伏特效应，利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件。

外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律，探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。

P k E h E -=ν ---------------------------------- (2.1-1)上式中 νh 是入射光子的能量，E p 是探测器材料的功函数，即光电子的逸出功，E k 是光电子离开探测器表面的动能。

这种探测器有一个截止频率和截止波长C ν和C λ： hp E c =ν , ()()nm eV E E hC p p C 1240==λ --------(2.1-2)频率低于C ν 或波长长于C λ 的光波不能被探测到，因为这样的光子能量不足以使电子克服材料的逸出功。

由于电子的发射必须在真空中进行，所以外光电效应器件都属于电真空器件。

光探测器的一些主要特性和参数1，灵敏度（或称响应度）（sensitivity 或 responsibility ）灵敏度R V (或R I ) 的定义为：探测器输出电压V S （或输出电流I S ）与输入光功率P 之比。

P V R S V =（单位为V/W ）或 PIR S I =（单位为A/W ）---------- (2.1-3) 由于灵敏度与入射光波长有密切的关系，入射波长不同，探测器的灵敏度也不同，所以一般还须给出灵敏度的光谱响应 (spectral response) 特性，如图2.1所示。

在光谱响应特性曲线中，峰值灵敏度下降一半时的波长范围（图2.1中的从S λ到L λ的范围）为探测器的光谱响应范围（注：对具体器件的光谱响应范围的定义可能不同，例如对光电倍增管的定义为下降到峰值灵敏度的1% 或 0.1%的波长范围）。

量子效率(Quantum Efficiency ， QE)是从光的量子特性出发来定义灵敏度，表示单位时间内流出探测器件的电子流与入射光子流之比： νηh Pe I =----------------------------------- (2.1-4)上式中 I 为光生电流，e 为电荷，P 为光辐射功率。

量子效率与灵敏度之间的关系为：λS λLλP R1图2.1 探测器灵敏度的光谱响应%1001240⨯⨯=ληI R -------------------------- (2.1-5)R I 为给定波长时的灵敏度，单位为 (A/W), 波长的单位取为 (nm) 。

2，噪声等效功率 (Noise Equivalent Power ，NEP)NEP 定义为：探测信噪比S/N ＝1时（信噪比是指信号的峰峰值和噪声的有效值之比），入射到探测器上的信号光功率。

它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。

由于噪声电平与测量带宽的根号成正比，所以NEP 规定在1Hz 带宽条件下的测量结果。

NEP 越小，则探测器的探测灵敏度越高。

1==N S P NEP （单位为W/Hz 1/2）----- (2.1-6)或者写为：InoiseR I NEP =------------------------------- (2.1-7) I noise 为在1Hz 测量带宽内的噪声电流（单位为A/Hz 1/2），R I 为在峰值响应波长P λ上的灵敏度，单位为A/W 。

3, 噪声等效辐射照度 (Noise Equivalent Irradiance ，NEI)NEI 定义为：信噪比为1时的信号光辐射照度（单位面积上的辐射功率），即噪声等效功率 (NEP) 再除以探测器的靶面积A d 。

dA NEPNEI =（单位为W/Hz 1/2cm -2）--------------- (2.1-8) 4，探测率D (detectivity)探测率D 定义为NEP 的倒数，这样D 越大表明探测器的灵敏度越高。

PN SNEPD 11=== （单位为Hz 1/2W -1）------- (2.1-9)5，比探测率D * (D —star 或称品质因数 figure of merit)由于探测器靶面积A d 不同，以及测量电路带宽Δf 不同，D 值也会不同。

一般来说噪声电压正比于f A d ∆⋅，因此把噪声除以f A d ∆⋅，相当于把探测率D 值归一为A d =1cm 2和 Δf ＝1Hz 时的值，这时的探测率称为比探测率D *，以便对不同探测器之间的比较。

D *越大，探测器探测弱信号的能力越强。

()NEPf d A D 21*∆= （单位为121-⋅⋅W Hzcm ）----- (2.1-10)6，探测器的时间常数τ（time constant ，TC ） 和截止频率(cut-off frequency, f C ) 探测器的时间常数是表征它对入射光功率随时间变化的响应，用τ来表示。

从时域的角度看，时间常数τ定义为上升时间t r 和下降时间t f 之和，t r 和t f 反映了探测器对阶跃信号的时间响应。

如图2.2所示，表示输入理想的方波脉冲信号时探测器的输出，时间常数为输出波形前沿的上升时间（从0.1到0.9）和后沿的下降时间 (从0.9到0.1) 之和：τ=+t r t f 。

注意τ与入射光波长和探测器负载阻抗有关。

从频域的角度看，1/τ即为探测器的高频截止园频率，即τω1=C 。

探测器工作在 f频率（注意：这里的频率 f 是指光强度的变化频率，例如对光强的调制频率）下的灵敏度响应特性与τ的关系可以用下式表示：ttP 10.9 0.1 图2.2 探测器的时间响应()2021)(τπf R f R +=-------------------------- (2.1-11)R 0 为探测直流光强时的灵敏度，当光强信号的园频率为τπω12 ==f 时，灵敏度下降为 R 0 的0.707倍，πτ21=C f ，称为截止频率。

除此之外，还有一些重要的指标，如反映探测器噪声电平的暗电流I d ，探测器的接收截面A d （会影响灵敏度和时间响应），探测器随温度的变化特性，半导体光电探测器的结电容（决定了时间响应），以及最大反偏电压、光照功率允许范围等，在使用时都必须注意的。

光探测器的噪声任何一个探测器都有噪声的随机输出，通常采用统计的方法来讨论，并用噪声功率（或电平）的有效值（即均方根值）给出。

1，热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)探测器有一个等效电阻R ，电阻中自由电子的热运动引起电阻两端电压的随机起伏而产生的噪声，称为热噪声。

理论和实验都表明热噪声与频率无关，因此属于白噪声。

任何一个电子学器件都会有热噪声，热噪声均方振幅电压值可以表示为： n n f kTR V ∆=42-------------------------- (2.1-12)R(f)1 0.707C 图2.3 探测器的频率响应式中 k 为玻尔兹曼常数 (1.38×10-23J/K)，T 为绝对温度（K ），R 为电阻阻值（Ω），Δf n 为测试系统等效噪声带宽。

这个噪声源等效于与电阻相串联的电压源，或者看成与电阻相并联的电流噪声源，它的噪声电流均方值为：Rf kT i nn ∆=42----------------------------- (2.1-13) 热噪声的功率谱密度（定义为单位频率范围的噪声功率）为：kTR f S 4)(= ---------------------- (2.1-14)严格说，热噪声还不是真正的白噪声，热噪声功率谱密度更精确的公式应写为：1exp 4)(--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛kT hf hfR f S --------------- (2.1-15) 只有当hf kT >>时，才近似为式(2.1-14)，但在大部分情况下这个关系都可以满足，因此我们总是把热噪声作为白噪声来处理。

2，散粒噪声(shot noise)散粒噪声（或称散弹噪声）最早是在电子管电路中发现的，由阴极热电子随机性发射而引起。

在半导体器件中，当电荷载流子通过PN 结时也有类似的随机产生和流动，这类由于粒状电流引起的起伏称为散粒噪声。

在散粒噪声极限下探测到的信号，称为量子极限探测。

散粒噪声也属于白噪声类，其功率谱密度为： d i eI f S 2)(= ------------------------- (2.1-16)上式中 e 为电子电荷 (1.59×10-19库伦)，I d 为流过的电流（无光照射时即为暗电流）。

散粒噪声的电流有效值可以写为： n d S f eI I ∆=2 ------------------------ (2.1-17)相应的噪声电压有效值为：n d S f R eI V ∆=22 -------------------- （2.1-18）上式中R 为探测器的电阻，如果探测器具有内增益M ，在上二式中还要乘以M 因子，例如光电倍增管和半导体雪崩二极管光探测器具有M 增益因子。

3，闪烁噪声 (flicker noise)闪烁噪声属于器件内部的低频噪声，大约在1KHz 以下的频域范围。

如光电阴极表面局部不均匀性，引起发射电子的缓慢随机起伏，半导体器件也有类似的情况，其噪声电流的有效值可以用经验公式表述：21)/(βαf f AI I n f ∆= ------------ (2.1-19)A 为与探测器有关的系数，I 为流过探测器的总直流电流，2≈α，1≈β。