光电探测器的性能参数

光电信号处理 华中科技大学光学与电子信息学院 光电探测器的性能参数 1 1 3光电探测器的性能参数 光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计的 探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来表征 光电探测器的工作条件 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关 所以在给出性能参数时 要注明有关的工作条件 主要工作条件有 1 辐射源的光谱分布2 电路的通频带和带宽3 工作温度4 光敏面尺寸5 偏置情况 一 有关响应方面的性能参数 1 响应率 或称响应度 Rv或RI2 单色灵敏度3 积分响应度4 响应时间5 频率响应 1 响应率 或称响应度 Rv或RI 响应率是描述探测器灵敏度的参量 它表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数 定义 光电探测器的输出均方根电压Vs或电流Is与入射到光电探测器上的平均光功率之比 即 Rv Vs P V W RI Is P A w Rv和RI称为光电探测器的电压响应率和电流响应率 测量响应率的辐射源一般是500K的黑体 使用波长为 的单色辐射源 则称为单色响应率R 在可见光波段 光电探测器的响应率又称为光电探测器的灵敏度 并分为单色灵敏度和积分灵敏度 2 单色灵敏度 单色灵敏度又叫光谱响应度 用R 表示 是光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上单色辐射通量 光通量 之比 即R v V W R I A W 式中 为入射的单色辐射通量或光通量 如果 为光通量 则R v的单位为V lm 3 积分响应度 积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应程度 对包含有各种波长的辐射光源 总光通量为 光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度 由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的 所以输出光电流为 可得积分响应度为 式中 分别为光电探测器的长波限和短波限 由于采用不同的辐射源 甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同 因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温 4 响应时间 响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数 即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后 光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间 常用时间常数 的大小来表示 当用一个辐射脉冲照射光电探测器 如果这个脉冲的上升和下降时间很短 如方被 则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟 把从10 上升到90 峰值处所需的时间称为探测器的上升时间 而把从90 下降到10 处所需的时间称为下降时间 5 频率响应 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应 二有关噪声方面的参数 从响应度的定义来看 好象只要有光辐射存在 不管它的功率如何小 都可探测出来 当入射功率很低时 输出只是些杂乱无章的变化信号 无法肯定是否有辐射入射在探测器上 这并不是探测器不好引起的 而是它所固有的 噪声 引起的 如果对这些随时间起伏的电压 流 按时间取平均值 则平均值等于零 但这些值的均方根不等于零 这个均方根电压 流 称为探测器的噪声电压 流 1 信噪比 S N 判定噪声大小通常使用信噪比这个参数 在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比 即 若用分贝 dB 表示 则为 利用S N评价两种光电探测器性能时 必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较 对单个光电探测器 其S N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关 如果入射辐射强 接收面积大 S N就大 但性能不一定就好 因此用S N评价器件有一定的局限性 2 等效噪声输入 ENI 功率 定义 探测器在特定带宽内 1Hz 产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时辐射源的输入通量 此时 其他参数 如频率温度等应加以规定 这个参数是在确定光电探测器件的探测极限 以输入通量为瓦或流明表示 时使用 3 噪声等效功率 NEP 最小可探测功率Pmin 定义为信号功率与噪声功率之比为1 即S N 1时 入射到探测器上的辐射通量 单位为瓦 即 NEP在ENI单位为瓦时与之等效 一个良好的探测器件的NEP约为10 11W NEP越小 噪声越小 器件的性能越好 4 探测率D与比探测率D 只用NEP无法比较两个不同来源的光探测器的优劣 为此 引入两个新的性能参数 探测率D和比探测率D 探测率D定义为NEP的倒数 即 W 1 显然 D愈大 光电探测器的性能就愈好 探测率D所提供的信息与NEP一样 也是一项特征参数 显然 D愈大 光电探测器的性能就愈好 它描述的特性是 光电探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领 即光电探测器能响应的入射光功率越小 则其探测率越高 但是仅根据探测率D还不能比较不同的光探测器的优劣 这是因为如果两只由相同材料制成的光电探测器 尽管内部结构完全相同 但光敏面积Ad不同 测量带宽不同 则D值也不相同 为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较 需要把探测率D标准化 归一化 到测量带宽为1Hz 光电探测器光敏面积为1cm2 这样就能方便地比较不同测量带宽 对不同光敏面积的光电探测器测量得到的探测率 实验测量和理论分析表明 对于许多类型的光电探测器来说 其噪声电压VN与光电探测器光敏面积