光电探测器的性能参数.ppt

光电子技术 PhotoelectronicTechnique光电探测器的性能参数周自刚 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 Laser 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 光电倍增管 本讲主要内容 一 积分灵敏度R 二 光谱灵敏度R 三 频率灵敏度Rf 四 量子效率 六 噪声等效功率NEP 七 归一化探测度D 五 通量阈Pth 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 一 积分灵敏度R 30 灵敏度R定义为这个曲线的斜率 即 线性区内 安 瓦 线性区内 伏 瓦 Ri和Ru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 有些教材采用微安 流明 一 积分灵敏度R 29 光功率谱密度P 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i 于是光谱灵敏度R 定义为 R 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 二 光谱灵敏度R 28 通常给出的是相对光谱灵敏度S 定义为 R m是指R 的最大值 S 为无量纲 随 变化的曲线称为光谱灵敏度曲线 二 光谱灵敏度R 27 引入相对光谱功率密度函数 它的定义为 只要注意到 和 就有 积分上式 有 变化量 二 光谱灵敏度R 26 式中 并注意到 由此便得 式中 称为光谱利用率系数 为入射光功率能被响应的百分比 二 光谱灵敏度R 25 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 if是光电流时变函数的付里叶变换 通常 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 三 频率灵敏度Rf 24 频率灵敏度 这就是探测器的频率特性 Rf随f升高而下降的速度与 值大小关系很大 一般规定 Rf下降到 从上式可见 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 频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率 三 频率灵敏度Rf 23 例如 德国AdvancedLaserDiodeSystems公司提供带宽可达35GHz 响应频率范围覆盖400nm到1 6 m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 光纤耦合 自由光输入 三 频率灵敏度Rf 22 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 光电流是两端电压u 光功率P 光波长 和光强调制频率f的函数 即 三 频率灵敏度Rf 21 以u P 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 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 三 频率灵敏度Rf 20 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 四 量子效率 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 19 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 则是对同一个问题的微观 宏观描述 这里给出量子效率和灵敏度关系 对某一波长来说 其光谱量子效率 c是材料中的光速 量子效率正比于灵敏度而反比于波长 四 量子效率 18 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 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 功率效率定义为为辐射的光功率 为注入的电功率 四 量子效率 17 内量子效率定义为式中 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 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 2 内量子效率 四 量子效率 16 3 外量子效率 定义外量子效率为式中 为激光器每秒发射的光子数 为激光器每秒注入的电子 空穴对数 四 量子效率 15 4 外微分量子效率 P I特性曲线的线性部分的斜率 当 时 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 四 量子效率 14 从灵敏度R的定义式 五 通量阈Pth 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 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 13 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 依照这一判据 定义探测器的通量阈Pth为 五 通量阈Pth 12 于是有 电压信噪比 例 若Ri 10 A W in 0 01 A 则通量阈Pth 0 001 W 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 NoiseEquivalentPower 它定义为单位信噪比时的信号光功率 信噪比SNR定义为 电流信噪比 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 六 噪声等效功率NEP 11 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 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 七 归一化探测度D 这样 D值大的探测器就表明其探测力高 主要是探测器光敏面积A和测量带宽 f对D值影响甚大 10 探测器的噪声功率N f 所以 于是由D的定义知 另一方面 探测器的噪声功率N A 所以 又有 七 归一化探测度D 9 把两种因素一并考虑 定义 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 光辐射调制频率f及测量带宽 f 即D f f 七 归一化探测度D 8 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 其它参数 光敏电阻 光电二极管 光电池 7 光电检测器件的性能参数 6 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 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 5 2 光电信息转换器件的主要特性 1 光电特性 I 光电流 F 光通量 2 光谱特性 I 光电流 F 入射光波长 3 伏安特性 I 光电流 F 电压 4 频率特性 I 光电流 F f 入射光调制频率 4 1 了解半导体光电探测器的发展及应用 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 最近几年 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 3 2 光电倍增管探测器