光电探测器件
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第二章 光电探测器件
光电探测器件是光辐射探测器件中的一 大类，它利用各种光电效应，使入射辐射强 度转换成电学信息或电能。
2-1 光电探测器基本特性
一、光电器件的探测灵敏度（响应度） 它定义为光电器件输出的方均根电压Us（或电 流Is）与入射光通量Φ （或光功率P）之比。 即 U
RVHale Waihona Puke Baidu
s
Is RI
光电器件的频率响应
实际上，截止频率和响应时间是在频域和时 域描述器件时间特性的两种形式。
三、噪声等效功率 （NEP） 噪声等效功率又称为最小可测功率，它定 义为光电器件输出的信号电压的有效值等于噪 声方均根电压值时的入射光功率
s Un NEP U s / U n RV
式中，Us/Un为器件输出的信噪比；Φ s为入射 光功率；Rv为光电器件的电压灵敏度。 NEP的单位为瓦 (W)。 实际测量中多是测出Rv和Un。然后计算出 NEP。
表示时间响应选择性的方法主要有两种
（1）脉冲响应特性法 用阶跃光信号作用于光 电器件。 光电器件的响应从稳态值 的10%上升到90%所用的时 间tr叫作器件的上升时间 光电器件的响应从稳态值 的90%下降到10%所用的时 间tf叫器件的下降时间。
光电器件的脉冲时间响应特性
a）探测器输入光脉冲 b）探测器输出电信号
（2）频率响应特性 通常定义光电器件的响应随入射光的调制 频率而变化的特性为它的频率响应特性。
R( ) (1 2 2 )1/ 2 R0
R(ω) － 器件的频率响应； R0 － 器件在零频时的响应度； ω=2πf － 信号的调制圆频率； F － 调制频率； τ － 器件的响应时间。
当器件的输出信号功率降到零频时的一半， 即信号幅度下降到零频的0.707时，可得器件 1 的上限截止频率 fc 2
2－2 典型光电导器件－光敏电阻
一、光敏电阻原理与结构 1、原理
光敏电阻是一种利用光电导效应制成的光电探测器件。 本征型光敏电阻可用来检测可见光和近红外辐射。 非本征型（杂质型）光敏电阻可以检测红外波段甚 至于远红外波段辐射。
如果使用复色辐射源，则称为积分灵敏度。
RI
1
0
R( )( )d
0
( )d
式中λ0和λ1分别为光电器件的短波限和长波限。
由于相对光谱响应更容易测得，因此常用相 对光谱响应来表示。 以最大光谱响应为基准来表示各波长的响应， 以峰值响应的50%之间的波长范围定义光电器 件的光谱响应宽度。得到光电器件的相对光谱 响应曲线。
某型号InGaAs光敏二级管的相对光谱响应
二、响应时间和频率响应
光电器件输出的电信号都要在时间上落后于作 用在其上的光信号，即光电器件的电信号输出相对 于输入的光信号要发生沿时间轴的扩展，其扩展特 性可由响应时间来描述。
光电器件的这种响应落后于作用光信号的特性 称为惰性，由于惰性的存在，会使先后作用的信号 在输出端相互交叠，从而降低了信号的调制度。如 果探测器测试的是随时间快速变化的物理量，则由 于惰性的影响会造成输出严重畸变。
与归一化噪声等效功率相应的归一化探测度又 称为比探测度，用D*表示。
( Ad f )1/ 2 U s / U n Rv 1 1/ 2 D* ( Ad f ) ( Ad f )1/ 2 NEP * NEP Un
光电器件光敏面积Ad的常用单位为cm2。带宽Δ f的单 位为Hz，噪声电压Un的单位为V，Rv的单位为V/W时， D*的单位为cm· Hz1/2W。
RV和RI分别称为光电器件的电压灵敏度和电流灵敏度。 单位为V/W和A/W。
说明：测量光电器件灵敏度的光源一般选用500K的黑体。
如果使用波长为λ 的单色辐射源，则称为单色 灵敏度 （又叫光谱灵敏度），用Rλ 表示。
V ( ) RV ( ) ( ) I ( ) RI s ( )
当光电器件的质量很高，内部噪声很低以至于可 以忽略不计时，D*仅由背景噪声决定，这种器件称 为达到背景限的探测器。
光谱探测度是在单位光谱功率下测得的，可以 表示为
( Ad f )1/ 2 D * ( ) NEP( )
五、量子效率
是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数。它是在 某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子 数之比。 波长λ 的光辐射的单个光子能量为hν＝hc/ λ ，设其光通 量为Φ ，则入射光子数为Φ / hν ，相应的光电流为Is，而每 秒钟产生的光电子数为Is/q，q为电子电荷，因此量子效率可 以表示为
Is / q hcIs hc ( ) RI ( ) / h q q
量子效率η可以视为微观灵敏度，它是一个统计平均量，若η (λ )=1(理论上)，则入射一个光量子就能发射一个电子或产 生一对电子－空穴对 ；但实际上η (λ)通常小于1，对于有增 益的光电器件 （如光电倍增管），常用增益或放大倍数来描 述。
四、探测度D与比探测度D* 噪声等效功率NEP越小，光电器件的性能越 好。但参数NEP不符合人们的传统认知习惯。 为此定义NEP的倒数为光电器件的探测度。 作为衡量光电器件探测能力的一个重要指标。 探测度D用公式表示为
U s / U n Rv 1 D NEP s Un
D的单位是W-1。它描述的是器件在单位输入 光功率下输出的信号信噪比，D值越大，器 件的性能越好。
D*后面常附有测量条件。
如D*(500K，900，1)表示是用500K黑体作光源，调 制频率为900Hz，测量带宽Δf 为1Hz。 对于长波红外光电器件，因环境辐射波长与信号 波长十分接近，因此D*的测量与背景温度及测量视 场角有关。在没有特殊标注的情况下，通常是指视 场立体角为2π球面度，背景温度为300K。
实验发现，许多光电器件的NEP与器件的光敏 面积A和测量系统的带宽Δf 的乘积的平方根成 正比。因为面积大接收到的背景噪声功率也大， 为了便于光电器件之间的性能比较，应该除去 器件面积和测量带宽的影响。为此又引入归一 化噪声等效功率 NEP*
NEP* s Us ( Af )1/ 2 Un Un RV ( Af )1/ 2
光电探测器件是光辐射探测器件中的一 大类，它利用各种光电效应，使入射辐射强 度转换成电学信息或电能。
2-1 光电探测器基本特性
一、光电器件的探测灵敏度（响应度） 它定义为光电器件输出的方均根电压Us（或电 流Is）与入射光通量Φ （或光功率P）之比。 即 U
RVHale Waihona Puke Baidu
s
Is RI
光电器件的频率响应
实际上，截止频率和响应时间是在频域和时 域描述器件时间特性的两种形式。
三、噪声等效功率 （NEP） 噪声等效功率又称为最小可测功率，它定 义为光电器件输出的信号电压的有效值等于噪 声方均根电压值时的入射光功率
s Un NEP U s / U n RV
式中，Us/Un为器件输出的信噪比；Φ s为入射 光功率；Rv为光电器件的电压灵敏度。 NEP的单位为瓦 (W)。 实际测量中多是测出Rv和Un。然后计算出 NEP。
表示时间响应选择性的方法主要有两种
（1）脉冲响应特性法 用阶跃光信号作用于光 电器件。 光电器件的响应从稳态值 的10%上升到90%所用的时 间tr叫作器件的上升时间 光电器件的响应从稳态值 的90%下降到10%所用的时 间tf叫器件的下降时间。
光电器件的脉冲时间响应特性
a）探测器输入光脉冲 b）探测器输出电信号
（2）频率响应特性 通常定义光电器件的响应随入射光的调制 频率而变化的特性为它的频率响应特性。
R( ) (1 2 2 )1/ 2 R0
R(ω) － 器件的频率响应； R0 － 器件在零频时的响应度； ω=2πf － 信号的调制圆频率； F － 调制频率； τ － 器件的响应时间。
当器件的输出信号功率降到零频时的一半， 即信号幅度下降到零频的0.707时，可得器件 1 的上限截止频率 fc 2
2－2 典型光电导器件－光敏电阻
一、光敏电阻原理与结构 1、原理
光敏电阻是一种利用光电导效应制成的光电探测器件。 本征型光敏电阻可用来检测可见光和近红外辐射。 非本征型（杂质型）光敏电阻可以检测红外波段甚 至于远红外波段辐射。
如果使用复色辐射源，则称为积分灵敏度。
RI
1
0
R( )( )d
0
( )d
式中λ0和λ1分别为光电器件的短波限和长波限。
由于相对光谱响应更容易测得，因此常用相 对光谱响应来表示。 以最大光谱响应为基准来表示各波长的响应， 以峰值响应的50%之间的波长范围定义光电器 件的光谱响应宽度。得到光电器件的相对光谱 响应曲线。
某型号InGaAs光敏二级管的相对光谱响应
二、响应时间和频率响应
光电器件输出的电信号都要在时间上落后于作 用在其上的光信号，即光电器件的电信号输出相对 于输入的光信号要发生沿时间轴的扩展，其扩展特 性可由响应时间来描述。
光电器件的这种响应落后于作用光信号的特性 称为惰性，由于惰性的存在，会使先后作用的信号 在输出端相互交叠，从而降低了信号的调制度。如 果探测器测试的是随时间快速变化的物理量，则由 于惰性的影响会造成输出严重畸变。
与归一化噪声等效功率相应的归一化探测度又 称为比探测度，用D*表示。
( Ad f )1/ 2 U s / U n Rv 1 1/ 2 D* ( Ad f ) ( Ad f )1/ 2 NEP * NEP Un
光电器件光敏面积Ad的常用单位为cm2。带宽Δ f的单 位为Hz，噪声电压Un的单位为V，Rv的单位为V/W时， D*的单位为cm· Hz1/2W。
RV和RI分别称为光电器件的电压灵敏度和电流灵敏度。 单位为V/W和A/W。
说明：测量光电器件灵敏度的光源一般选用500K的黑体。
如果使用波长为λ 的单色辐射源，则称为单色 灵敏度 （又叫光谱灵敏度），用Rλ 表示。
V ( ) RV ( ) ( ) I ( ) RI s ( )
当光电器件的质量很高，内部噪声很低以至于可 以忽略不计时，D*仅由背景噪声决定，这种器件称 为达到背景限的探测器。
光谱探测度是在单位光谱功率下测得的，可以 表示为
( Ad f )1/ 2 D * ( ) NEP( )
五、量子效率
是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数。它是在 某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子 数之比。 波长λ 的光辐射的单个光子能量为hν＝hc/ λ ，设其光通 量为Φ ，则入射光子数为Φ / hν ，相应的光电流为Is，而每 秒钟产生的光电子数为Is/q，q为电子电荷，因此量子效率可 以表示为
Is / q hcIs hc ( ) RI ( ) / h q q
量子效率η可以视为微观灵敏度，它是一个统计平均量，若η (λ )=1(理论上)，则入射一个光量子就能发射一个电子或产 生一对电子－空穴对 ；但实际上η (λ)通常小于1，对于有增 益的光电器件 （如光电倍增管），常用增益或放大倍数来描 述。
四、探测度D与比探测度D* 噪声等效功率NEP越小，光电器件的性能越 好。但参数NEP不符合人们的传统认知习惯。 为此定义NEP的倒数为光电器件的探测度。 作为衡量光电器件探测能力的一个重要指标。 探测度D用公式表示为
U s / U n Rv 1 D NEP s Un
D的单位是W-1。它描述的是器件在单位输入 光功率下输出的信号信噪比，D值越大，器 件的性能越好。
D*后面常附有测量条件。
如D*(500K，900，1)表示是用500K黑体作光源，调 制频率为900Hz，测量带宽Δf 为1Hz。 对于长波红外光电器件，因环境辐射波长与信号 波长十分接近，因此D*的测量与背景温度及测量视 场角有关。在没有特殊标注的情况下，通常是指视 场立体角为2π球面度，背景温度为300K。
实验发现，许多光电器件的NEP与器件的光敏 面积A和测量系统的带宽Δf 的乘积的平方根成 正比。因为面积大接收到的背景噪声功率也大， 为了便于光电器件之间的性能比较，应该除去 器件面积和测量带宽的影响。为此又引入归一 化噪声等效功率 NEP*
NEP* s Us ( Af )1/ 2 Un Un RV ( Af )1/ 2