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1、光电子技术Photoelectronic TechniquePhotoelectronic Technique光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 周自刚周自刚周自刚周自刚 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
2、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
3、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 3
4、0 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R29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
5、光谱灵敏度曲线光谱灵敏度曲线。二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R28引入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，有变化量变化量二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R27式中式中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。，为入射光功率能被响应的百分比。二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R26 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
6、度称为频率灵敏度频率灵敏度Rf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Rf25频率灵敏度频率灵敏度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
7、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Rf24 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探。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。测。光纤耦合光纤
8、耦合 自由光输入自由光输入三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf23 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。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Rf22 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，相应曲线，相应曲线称为称为频
9、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Rf21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
10、，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，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15PI 特性曲线的线性部分的斜率特性曲线的线性部分的斜率从灵敏度从灵敏度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
11、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
12、，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为为五、通量阈五、通量阈Pth13(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
13、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 12NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。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。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值大的探测器值大的探测器其探测能力一定好其探测能力一定好”的结论的结论并不充分并不充分。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
14、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，定义定义 称为称
15、为归一化探测度归一化探测度。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，甚至使探测
16、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电子数之比通量阈通量阈探测器所能探测的最小
17、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61、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 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
18、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 半半导导体体光光电电探探测测器器由由于于体体积积小小，重重量量轻轻，响响
19、应应速速度度快快，灵灵敏敏度度高高，易易于于与与其其它它半半导导体体器器件件集集成成，是是光光源源的的最最理理想想探探测测器器，可可广广泛泛用用于于光光通通信信、信号处理信号处理、传感系统传感系统和和测量系统测量系统。由由于于超超高高速速光光通通信信、信信号号处处理理、测测量量和和传传感感系系统统的的需需要要，需需要要超超高高速速高高灵灵敏敏度度的的半半导导体体光光电电探探测测器器。为为此此，发发展展了了谐谐振振腔腔增增强强型型（RCE）光光电电探探测测器器、金金属属半半导导体体-金金属属行行波波光光电电探探测测器器，以以及及分分离离吸吸收收梯梯度度电电荷荷和和信信增增（SAGCM）雪崩光电探
20、测器（）雪崩光电探测器（APD）等。）等。3知识应用知识应用1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，可以同时探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，从而提高测来自多个分子的荧光信号，从而提高探测探测灵敏度和探测速度灵敏度和探测速度。荧光相关光谱术（荧光相关光谱术（FCS）利用）利用单光子计数光电倍增管探测单光子计数光电倍增管探测DNA靶序列。靶序列。2知识应用知识应用2本讲小结本讲小结1、积分灵敏度、光谱灵敏度、频率灵敏度、量子效率、通量阈、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、归一化探测度噪声等效功率、归一化探测度等等概念、表达形式、特点、应用等概念、表达形式、特点、应用等12、量子效率、量子效率的物理意义、类别、关系等的物理意义、类别、关系等