第十一讲光电探测器的性能参数介绍.ppt

,光电子技术PhotoelectronicTechnique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？（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if(P)，称为探测器的光电特性。,一、积分灵敏度R,31,光电鼠标灵敏度,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。,或微安/流明,一、积分灵敏度R,30,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,29,通常给出的是相对光谱灵敏度S定义为,Rm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,28,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,27,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,26,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,25,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,当f时，,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,15,PI特性曲线的线性部分的斜率,从灵敏度R的定义式,五、通量阈Pth,可见，如果P0i=0,实际情况是，当P0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。,14,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,五、通量阈Pth,13,(电压信噪比),例：若Ri=10A/W，in=0.01A，则通量阈Pth0.001W。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),六、噪声等效功率NEP,12,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。,六、噪声等效功率NEP,11,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,为什么？,由于探测器的噪声功率Nf，所以,于是由D的定义知,另一方面，探测器的噪声功率NA,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,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。,其它参数,光敏电阻,光电池,7,光电探测器的性能参数对比表,6,1、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是什么？,是量子效率，可表示为,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。,5,知识巩固,答：,2、光电探测器的主要特性包括哪些？,答：主要有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,知识巩固,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。,3,知识应用1,光电倍增管探测器解决DNA排序问题,金属壳光电倍增管的金属通道电子倍增极允许多通道输出，可以同时探测来自多个分子的荧光信号，从而提高探测灵敏度和探测速度。,荧光相关光谱术（FCS）利用单光子计数光电倍增管探测DNA靶序列。,2,知识应用2,本讲小结,1、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、归一化探测度等概念、表达形式、特点、应用等,1,2、量子效率的物理意义、类别、关系等,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我