第十一讲光电探测器的性能参数

1、 光电探测器在光电探测器在军事军事和和国民经济的各个领域国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或有广泛用途。在可见光或 近红外波段主要用于射线测量和探测、近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量工业自动控制、光度计量等；在等；在 红外波段主要用于红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。等方面。 （1）如何衡量一个光电探测器的质量好坏？）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？）选择一个好的光电探测器需要注意哪些关键指标？ 光电倍增管光电倍增管 本讲主要内容本讲主要内容 一、积分灵敏度一、积

2、分灵敏度R 二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R 三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf 四、量子效率四、量子效率 六、噪声等效功率六、噪声等效功率NEP 七、归一化探测度七、归一化探测度D* 五、通量阈五、通量阈Pth 灵敏度也常称作灵敏度也常称作响应度响应度，是光电探测器光电转换特，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性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度量度。 光电流光电流i(或光电压或光电压u)和入射光功率和入射光功率P之间的关系之间的关系if (P)，称为探测器的，称为探测器的光电特性光电特性。 一、积分灵敏度一、积分灵敏度R 31 光电鼠标灵敏度光电鼠标灵敏度 dP

3、di Ri P i dP du R u P u 灵敏度灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即定义为这个曲线的斜率，即 (线性区内线性区内) (安安/瓦瓦) (线性区内线性区内) (伏伏/瓦瓦) R i和和R u分别称为分别称为积分积分电流和积分电压电流和积分电压灵敏度灵敏度，i和和u称为电表测量的电流、称为电表测量的电流、 电压电压有效值有效值。 光功率光功率P是指分布在某一光谱范围内的是指分布在某一光谱范围内的总功率。总功率。 或微安或微安/流明流明 一、积分灵敏度一、积分灵敏度R 30 dP i R 光功率谱密度光功率谱密度P由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件下不变的由于光电探测器的光谱选择

4、性，在其它条件下不变的 情况下，光电流将是光波长的函数，记为情况下，光电流将是光波长的函数，记为i，于是光谱灵敏度，于是光谱灵敏度R定义为定义为 R是常数时，相应探测器称为是常数时，相应探测器称为无选择性探测器无选择性探测器(如光热探测器如光热探测器)，光子探，光子探 测器则是选择性探测器。测器则是选择性探测器。 二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R 29 通常给出的是通常给出的是相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度S定义为定义为 Rm是指是指R的最大值，的最大值，S为无量纲，随为无量纲，随变化的曲线称为变化的曲线称为光谱灵敏度曲线光谱灵敏度曲线。 m RRS / 二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R 28 引入

5、相对光谱功率密度函数，引入相对光谱功率密度函数， 它的定义为它的定义为 m P P f dPdP didi ddfPRSdi mm 0 0 ddfPRSdii mm 0 0 0 df df dfSPdR mm 只要注意到只要注意到 和和 就有就有 积分上式，有积分上式，有 dP 变化量变化量 二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R 27 式中式中 0 0 1 dP P df m m PP / dRR mim KRKdR P i R imm 0 0 df dfS K 0 . 1 并注意到并注意到 由此便得由此便得 式中式中 称为称为光谱利用率系数光谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。，为入射光功

6、率能被响应的百分比。 0 df 0 dfs f 二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R 26 S 若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流 if 将随调频将随调频 f 的升的升 高而下降，这时的灵敏度称为高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度频率灵敏度Rf P i R f f 2 0 )2(1f i i f f 定义为定义为 if 是光电流时变函数的付里叶变换，通常是光电流时变函数的付里叶变换，通常 称为探测器的称为探测器的响应时间响应时间（或时间常数），由（或时间常数），由材料材料、结构结构和和外电路外电路决定。决定。 三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf

7、25 频率灵敏度频率灵敏度 2 0 )2(1f R R f 00 707.02/RR 2 1 c f 这就是探测器的这就是探测器的频率特性频率特性，R f 随随 f 升高而下降的速度与升高而下降的速度与值大小关系很大。值大小关系很大。 一般规定，一般规定，R f下降到下降到 当当 f fc 时，认为光电流能时，认为光电流能线性再现线性再现光功率光功率P的变化。的变化。 频率频率 fc 为探测器的为探测器的截止响应频率截止响应频率或或响应频率响应频率 三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf 24 例如：德国例如：德国Advanced Laser Diode Systems公司提供带宽可达公司提供带宽可

8、达35GHz、 响应频率范围覆盖响应频率范围覆盖400nm到到1.6 m 的高速光电二极管。该光电二极管采用的高速光电二极管。该光电二极管采用 MSM（金属（金属-半导体半导体-金属）的结构，具有非常低的电容、电阻，因而具有金属）的结构，具有非常低的电容、电阻，因而具有 极高的极高的响应速度响应速度。其冲击响应振荡极小，常适于高速光源时间或频率特性。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。探测。 光纤耦合光纤耦合 自由光输入自由光输入 三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf 23 当探测器对突然光照的输出电流，要经过当探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间一定时间才能上升到与这才

9、能上升到与这 一辐射功率相应的一辐射功率相应的稳定值稳定值i。 2 1 c f 当辐射突然降去后，输出电流也需要经过当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间一定时间才能下降才能下降到零到零。 一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地决定于一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地决定于 三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf 22 以以u，P，为参变量，为参变量，iF（ f ）的关系称为）的关系称为光电频率特性光电频率特性，相应曲，相应曲 线称为线称为频率特性曲线频率特性曲线。 i=F (P)及曲线称为及曲线称为光电特性曲线光电特性曲线。 iF ()及其曲线称为及其曲线称为光谱特性曲线光谱

10、特性曲线。 iF (u)及其曲线称为及其曲线称为伏安特性曲线伏安特性曲线。 一旦曲线给出，灵敏度一旦曲线给出，灵敏度R值就可从曲线中求出，还可以利用值就可从曲线中求出，还可以利用伏安特性伏安特性 等曲线来设计探测器的使用电路。等曲线来设计探测器的使用电路。 三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf 21 ),(fPuFi 光电流是两端电压光电流是两端电压u、光功率光功率P、光波长、光波长和光强调制频率和光强调制频率f的函数，即的函数，即 量子效率量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数 光电子数与入射与入射光量光量 子数子数之比之比。 四、量子效率四、量子效

11、率 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1 实际上，实际上， 时，时， ex P th P 对应对应P-I 曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量LD 效率效率的重要指标。的重要指标。 四、量子效率四、量子效率 15 PI 特性曲线的线性部分的斜率特性曲线的线性部分的斜率 0 / )( / )( eII hPP N N th thex n ex D 0 / )( / eII hP th ex D 从灵敏度从灵敏度R的定义式的定义式 五、通量阈五、通量阈Pth dP di R i P i 2/1 2 )( nn

12、 ii 可见，如果可见，如果P0 i=0 实际情况是，当实际情况是，当P0时，光电探测器的输出电流时，光电探测器的输出电流并不为零并不为零。 这个电流称为这个电流称为暗电流或噪声电流暗电流或噪声电流，记为，记为 它是瞬时噪声电流的有效值。它是瞬时噪声电流的有效值。 显然，这时灵敏度显然，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。探测器的这种特性。 14 光功率光功率Ps和和Pb分别为信号和背景光功率。分别为信号和背景光功率。 即使即使Ps和和Pb都为零，也会有噪声输出。都为零，也会有噪声输出。 噪声的存在，限制了探测

13、微弱信号的能力。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如果信号光功率产生的信号光电流光电流 is等于等于噪声电流噪声电流 in，那么就认为，那么就认为刚刚刚刚 能探测到光信号存在。能探测到光信号存在。 定义探测器的定义探测器的通量阈通量阈Pth为为 )(瓦 i n th R i P 五、通量阈五、通量阈Pth 13 n s i i SNR n s u u SNR (电压信噪比电压信噪比) 例：若例：若Ri=10A/W，in=0.01A，则通量阈，则通量阈Pth0.001W。即小于。即小于0.001微微 瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所以，瓦的信号光功率不能被探测器

14、所得知，所以，通量阈是探测器所能探测的通量阈是探测器所能探测的 最小光信号功率最小光信号功率。 采用一种更通用的表述方法，这就是采用一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率噪声等效功率NEP（Noise Equivalent Power） 。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为定义为 (电流信噪比电流信噪比) 六、噪声等效功率六、噪声等效功率NEP 12 1)SNR( NEP i s i s s n i s s s i n th P SNR P i i R i i i R i P NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。越小，表明探测微

15、弱信号的能力越强。 NEP是描述光电探测器探测能力的参数。是描述光电探测器探测能力的参数。 六、噪声等效功率六、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值大的探测值大的探测 器其探测能力一定好器其探测能力一定好”的结论的结论并不充分并不充分。 )( NEP 1 1 瓦D NEP越小，探测器探测能力越高，不符合人们越小，探测器探测能力越高，不符合人们“越大越好越大越好”的习惯，的习惯， 于是取于是取NEP的倒数并定义为探测度的倒数并定义为探测度D，即，即 七、归一化探测度七、归一化探测度D* 这样，这样，D值大

16、的探测器就表明其探测力高。值大的探测器就表明其探测力高。 主要是探测器主要是探测器光敏面积光敏面积A和测量和测量带宽带宽f对对D值影响甚大。值影响甚大。 10 为什么？为什么？ 由于探测器的噪声功率由于探测器的噪声功率N f，所以，所以 )(fi n 2 1 )( fD 2 1 )( Ai n 2 1 )( AD 于是由于是由D的定义知的定义知 另一方面，探测器的噪声功率另一方面，探测器的噪声功率N A 所以所以 又有又有 七、归一化探测度七、归一化探测度D* 9 把两种因素一并考虑，把两种因素一并考虑， 2 1 )( fAD fADD * /W)Hz(cm 2 1 定义定义 称为称为归一化探

17、测度归一化探测度。 这时就可以说：这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。大的探测器其探测能力一定好。 考虑到光谱的响应特性，一般给出考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长值时注明响应波长、光辐射、光辐射 调制频率调制频率f及测量带宽及测量带宽f，即，即D*(, f ,f )。 七、归一化探测度七、归一化探测度D* 8 在使用时必须还考虑在使用时必须还考虑光敏面积光敏面积，探测器，探测器电阻电阻， 电容电容等。等。 特别是特别是极限工作条件极限工作条件，正常使用时都不允许超，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，甚过这些指标，否则会影响探测器的正常工作

18、，甚 至使探测器损坏。至使探测器损坏。 通常规定了通常规定了工作电压工作电压、电流电流、温度温度以及以及光照功光照功 率允许范围率允许范围，使用时要特别加以注意。，使用时要特别加以注意。 其它参数其它参数 光敏电阻光敏电阻 光电池光电池 7 参数参数物理描述物理描述表达式表达式单位单位 积分灵敏度积分灵敏度光电转换特性的量度光电转换特性的量度 安安/瓦瓦 伏伏/瓦瓦 光谱灵敏度光谱灵敏度对某一波长光电转换的量度对某一波长光电转换的量度 安安/瓦瓦 频率灵敏度频率灵敏度电流随调制频率变化的量度电流随调制频率变化的量度 安安/瓦瓦 量子效率量子效率吸收的光子数和激光的电子数之比吸收的光子数和激光的

19、电子数之比 通量阈通量阈探测器所能探测的最小光信息功率探测器所能探测的最小光信息功率 瓦瓦 噪声等效功率噪声等效功率单位信噪比时的信号光功率单位信噪比时的信号光功率 瓦瓦 归一化探测度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与噪声等效功率成倒数、光敏面积和噪声功率有关 厘米厘米.赫兹赫兹1/2/瓦瓦 p i dp di R i 光电探测器的性能参数对比表光电探测器的性能参数对比表 dP i R p i R f f i R e h i n th R i P 1 i SNRs PNEP NEPfAD/ * p u dp du R u 6 1、光电探测器的特性的微观量、光电探测器的特

20、性的微观量-宏观量描述是什么？宏观量描述是什么？ 是量子效率，可表示为是量子效率，可表示为 i R e h 单位时间单位光量子数产生的光电子数。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。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。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 知识巩固知识巩固 答：答： 2、光电探测器的主要特性包括哪些？、光电探测器的主要特性包括哪些？ 答：主要有答：主要有 1光电特性光电特性 I 光电流光电流F（）光通量光通量 2光谱特性光谱特性 I 光电流光电流F（）入射光波长入射光波长 3伏安特性伏安特性 I 光电流光电流F（）电压电压 4频率特性频率特性 I 光电流光电流F（f）入射光调制频率入射光调制频率 4 知识巩固知识巩固 半导体光电探测器半导体光电探测器 半导体光电探测器由于半导体光电探测器由于体积小体积小，重量轻重量轻，响应速度快响应速度快，灵敏度高灵敏度高，易，易 于与其它半导体器件于与其它半导体器件集成集成，是光源的最理想探