第十一讲 光电探测器的性能参数

采用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)
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六、噪声等效功率NEP
in is is in Ps NEP Pth Ps Ri is Ri is SNRi ( SNR )
等曲线来设计探测器的使用电路。
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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。 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。
(2)内量子效率
i
内量子效率定义为
有源区里每秒产生光子数
有源区每秒注入电空对数
i
Np N n p
Np
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-空穴对数
N n-p
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，转换为晶格振动。
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知识应用1
半导体光电探测器 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。
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。
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。
光电鼠标灵敏度
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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
Ri
di i dP P
(线性区内) (安/瓦) (线性区内) (伏/瓦)
或微安/流明
Rwk.baidu.com
du u dP P
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。
(1) 功率效率
p 激光器辐射光功率
激光器消耗光功率
P ex Vj I 2R i
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。
P 功率效率定义为 p ex P in
Pex 为辐射的光功率；
Pin 为注入的电功率。
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四、量子效率η
8
七、归一化探测度D*
把两种因素一并考虑， 定义
D ( Af )

1 2
1 2
D * D Af
(cm Hz /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 )。
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。
光纤耦合
自由光输入
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三、频率灵敏度Rf
当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。
（2）选择一个好的光电探测器需要注意哪些关键指标？
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。
一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地决定于
fc
1 2
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三、频率灵敏度Rf
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 )
以u，P，λ为参变量，i＝F（ f ）的关系称为光电频率特性，相应曲 线称为频率特性曲线。 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。 i＝F (u)及其曲线称为伏安特性曲线。 一旦曲线给出，灵敏度R值就可从曲线中求出，还可以利用伏安特性
频率 fc 为探测器的截止响应频率或响应频率
fc
1 2
当 f < fc 时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。
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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
Ps P b
内部 噪声 电流 光电 效应 增益 放大器过程
is
输出 信号加 噪声
P th
in (瓦) Ri
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。
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。
量子效率包括内量子效率、外量子效率和外微分量子效率。
4
知识巩固
2、光电探测器的主要特性包括哪些？
答：主要有 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]
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 '
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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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
0

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二、光谱灵敏度Rλ
式中


0
f ' d '
1 P ' m


0
P ' d ' P / P 'm
并注意到 由此便得 R
式中
Rim Rm d
i Rm dK Rim K 1.0 P S f ' d '
0

S

0
s f ' d '
f '


0
f ' d '
K


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
i
f 0
if 是光电流时变函数的付里叶变换，通常 i f
(4)外微分量子效率 P－I 特性曲线的线性部分的斜率
N ex ( Pex Pth ) / h D Nn ( I I th ) / e0
当 P ex >> P th 时，
D
Pex / h ( I I th ) / e0
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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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。
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二、光谱灵敏度Rλ
通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为
i
1
NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。
NEP是描述光电探测器探测能力的参数。
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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。
为什么？
但是，当在同类型的不同探测器之间进行比较时，发现“D值大的探测
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
dP ' P ' d '
di i d
dP ' 变化量
就有
积分上式，有
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
di i Ri dp p
单位
安/瓦 伏/瓦 安/瓦 安/瓦
Ru
du u dp p
R
Rf
i dP
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四、量子效率η
(3)外量子效率
ex
激光器每秒发射的电子数 激光器每秒注入电空对数

P ex / h I / e0
外量子效率定义为
ex
N ex P / h ex Nn I / e0
N ex 为激光器每秒发射的光子数
N n 为激光器每秒注入的电子-空穴对数
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四、量子效率η
1/ 2
Ri
di i dP P
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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。 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。 定义探测器的通量阈Pth为
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五、通量阈Pth
从灵敏度R的定义式 可见，如果P＝0 → 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 i (i 2 ) 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。
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光电探测器的性能参数 周自刚
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？
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。
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七、归一化探测度D*
由于探测器的噪声功率N ∝Δf，所以
in
于是由D的定义知
(f )
1 2
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
p
if

h Ri e in P th Ri
SNR i 1
瓦 瓦
NEP P s
归一化探测度
与噪声等效功率成倒数、光敏面积和噪声功率有关
D*
Af / NEP 厘米.赫兹1/2/瓦
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知识巩固
1、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是什么？ 答： 是量子效率，可表示为

h Ri e
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四、量子效率η

dn 电 dt dn光 dt
e i (t ) P(t ) hv

h Ri e
则量子效率和灵敏度关系
h Ri e

hc Ri e
c：材料中的光速
对某一波长的光谱量子效率 ：
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
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其它参数
在使用时必须还考虑光敏面积，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
光电池
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光电探测器的性能参数对比表
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