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1、光电探测器的性能参数Laser光电探测器光电探测器 夜色降临，海面上有一无形的，视而不见，触而不觉的哨兵夜色降临，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。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
2、波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。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？）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 灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特性，光电转换
3、的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。光谱特性以及频率特性的量度。 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，称为探测器的光电特性。的光电特性。一、积分灵敏度一、积分灵敏度R 30dPdiRiPidPduRuPu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分别称为积分电流和积分电压灵敏度，分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和和u称为电表测量的电流、称为电表测量的电流、
4、电压有效值。电压有效值。 光功率光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。是指分布在某一光谱范围内的总功率。有些教材有些教材采用微安采用微安/流明流明一、积分灵敏度一、积分灵敏度R 29dPiR 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，于是光谱灵敏度R定义为定义为 R是常数时，相应探测器称为无选择性探测器是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(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
5、。二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R28通常给出的是相对光谱灵敏度通常给出的是相对光谱灵敏度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，随变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。mRRS/二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R27引入相对光谱功率密度函数，它的定义为引入相对光谱功率密度函数，它的定义为mPPfdPdPdididdfPRSdimm00 ddfPRSdiimm000dfdfdfSPdRmm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R26式中式中S001dPPdfmmPP/dRRmimKR
6、KdRPiRimm00dfdfSK0 . 1并注意到并注意到由此便得由此便得式中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。称为光谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。0df0dfsf二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R25 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的升高而的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf，PiRff20)2(1fiiff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 称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电
7、路决定。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、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf24频率灵敏度频率灵敏度20)2(1fRRf00707.02/RR21cf这就是探测器的频率特性，这就是探测器的频率特性，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下降到下降到从上式可见：从上式可见：当当ffc时，认为光电流能线性再现光功率时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。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。如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。 频率频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。为
8、探测器的截止响应频率和响应频率。三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf23 例如：例如： 德国德国Advanced Laser Diode Systems公司提供带宽可达公司提供带宽可达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。探测。光纤耦合光纤耦合
9、 自由光输入自由光输入三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf22 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一辐射功率相应的稳定值i。21cf),(fPuFi 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。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，时间常数近似地由一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由 决定。决定。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，即三、频率灵敏度三
10、、频率灵敏度Rf21 以以u，P，为参变量，为参变量，iF（f）的关系称为光电频率特性，相应的曲）的关系称为光电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。线称为频率特性曲线。同样，同样，i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。及曲线称为光电特性曲线。iF ()及其曲线称为光谱特性曲线。及其曲线称为光谱特性曲线。而而iF (u)及其曲线称为伏安特性曲线。及其曲线称为伏安特性曲线。 当这些曲线给出时，灵敏度当这些曲线给出时，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。利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探测器的使用
11、电路。三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf20 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。子数之比。四、量子效率四、量子效率 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，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， exPthPexDth0/()/PhIIep它对应它对应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 效率的重要指标。效率的重要指标。四、量子效率四、量子效率14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PthdPdiR
12、iPi2/12)(nnii 可见，如果可见，如果P0，应有，应有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并不为零。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。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。13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
13、存在，限制了探测微弱信号的能力。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等于噪声电流等于噪声电流in，那么就认，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。为刚刚能探测到光信号存在。 依照这一判据，定义探测器的通依照这一判据，定义探测器的通量阈量阈Pth为为)(瓦inthRiP五、通量阈五、通量阈Pth12于是有于是有 ：nsiiSNRnsuuSNR(电压信噪比电压信噪比) 例：若例：若Ri=10A/W，in，则通量阈，则通量阈Pth。即小于微瓦的信号光功率不能被探测器所。即小于微瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所以，通
14、量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。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采用另一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率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) 1)SNR(NEPisissnisssinthPSNRPiiRiiiRiPNEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。所以越小，表明探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测是描述光电探测器探测能力的参数。器探测能力的参数。六、噪
15、声等效功率六、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值大的探测器其值大的探测器其探测能力一定好探测能力一定好”的结论并不充分。的结论并不充分。)(NEP11瓦DNEP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。主要是探测器光敏面积主要是探测器光敏面积A和测量带宽和测量带宽f对对D
16、值影响甚大。值影响甚大。10探测器的噪声功率探测器的噪声功率N f，所以，所以)(fin21)(fD21)( Ain21)(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，21)(fADfADD*)W/Hzcm(21定义定义 称为归一化探测度。称为归一化探测度。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
17、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 光电探测器还有其它一些特性参数，在使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，探测器电阻用时必须注意到，例如光敏面积，探测器电阻，电容等。，电容等。 特别是极限工作条件，正常使用时都不允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。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。照功
18、率允许范围，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二极管光电二极管 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
19、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pidpdiRi光电检测器件的性能参数光电检测器件的性能参数dPiRpiRffiRehinthRiP1iSNRsPNEPNEPfAD/*pudpduRu6知识巩固1、光电探测器的特性的微观量、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是宏观量描述是什么？什么？量子效率量子效率iReh 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
20、压。 52、光电信息转换器件的主要特性：、光电信息转换器件的主要特性：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知识巩固41、了解半导体光电探测器的发展及应用。、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，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
21、器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统测器，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。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（，发展了谐振腔增强型（RCE）光电探测器、金属半导体）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（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（）雪崩光电探测器（APD）等。）等。 知识延伸知识延伸32、光电倍增管探测器解决、光电倍增管探测器解决DNA排序问题排序问题 金属壳光电倍增管的金属通道电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，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。从而提高探测灵敏度和探测速度。荧光相关光谱术（荧光相关光谱术（FCS）利用单）利用单光子计数光电倍增管探测光子计数光电倍增管探测DNA靶靶序列。序列。 2