第十一講光電探測器的性能參數(shù)

1、 光電探測器在光電探測器在軍事軍事和和國民經(jīng)濟的各個領域國民經(jīng)濟的各個領域有廣泛用途。在可見光或有廣泛用途。在可見光或 近紅外波段主要用于射線測量和探測、近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量工業(yè)自動控制、光度計量等；在等；在 紅外波段主要用于紅外波段主要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。等方面。 （1）如何衡量一個光電探測器的質(zhì)量好壞？）如何衡量一個光電探測器的質(zhì)量好壞？ （2）選擇一個好的光電探測器需要注意哪些關鍵指標？）選擇一個好的光電探測器需要注意哪些關鍵指標？ 光電倍增管光電倍增管 本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容 一、積分靈敏度一、積

2、分靈敏度R 二、光譜靈敏度二、光譜靈敏度R 三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度Rf 四、量子效率四、量子效率 六、噪聲等效功率六、噪聲等效功率NEP 七、歸一化探測度七、歸一化探測度D* 五、通量閾五、通量閾Pth 靈敏度也常稱作靈敏度也常稱作響應度響應度，是光電探測器光電轉換特，是光電探測器光電轉換特 性，光電轉換的光譜特性以及頻率特性的性，光電轉換的光譜特性以及頻率特性的量度量度。 光電流光電流i(或光電壓或光電壓u)和入射光功率和入射光功率P之間的關系之間的關系if (P)，稱為探測器的，稱為探測器的光電特性光電特性。 一、積分靈敏度一、積分靈敏度R 31 光電鼠標靈敏度光電鼠標靈敏度 dP

3、di Ri P i dP du R u P u 靈敏度靈敏度R定義為這個曲線的斜率，即定義為這個曲線的斜率，即 (線性區(qū)內(nèi)線性區(qū)內(nèi)) (安安/瓦瓦) (線性區(qū)內(nèi)線性區(qū)內(nèi)) (伏伏/瓦瓦) R i和和R u分別稱為分別稱為積分積分電流和積分電壓電流和積分電壓靈敏度靈敏度，i和和u稱為電表測量的電流、稱為電表測量的電流、 電壓電壓有效值有效值。 光功率光功率P是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率?？偣β?。 或微安或微安/流明流明 一、積分靈敏度一、積分靈敏度R 30 dP i R 光功率譜密度光功率譜密度P由于光電探測器的光譜選擇性，在其它條件下不變的由于光電探測器的光譜選擇

4、性，在其它條件下不變的 情況下，光電流將是光波長的函數(shù)，記為情況下，光電流將是光波長的函數(shù)，記為i，于是光譜靈敏度，于是光譜靈敏度R定義為定義為 R是常數(shù)時，相應探測器稱為是常數(shù)時，相應探測器稱為無選擇性探測器無選擇性探測器(如光熱探測器如光熱探測器)，光子探，光子探 測器則是選擇性探測器。測器則是選擇性探測器。 二、光譜靈敏度二、光譜靈敏度R 29 通常給出的是通常給出的是相對光譜靈敏度相對光譜靈敏度S定義為定義為 Rm是指是指R的最大值，的最大值，S為無量綱，隨為無量綱，隨變化的曲線稱為變化的曲線稱為光譜靈敏度曲線光譜靈敏度曲線。 m RRS / 二、光譜靈敏度二、光譜靈敏度R 28 引入

5、相對光譜功率密度函數(shù)，引入相對光譜功率密度函數(shù)， 它的定義為它的定義為 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 積分上式，有積分上式，有 dP 變化量變化量 二、光譜靈敏度二、光譜靈敏度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 稱為稱為光譜利用率系數(shù)光譜利用率系數(shù)，為入射光功率能被響應的百分比。，為入射光功

6、率能被響應的百分比。 0 df 0 dfs f 二、光譜靈敏度二、光譜靈敏度R 26 S 若入射光是強度調(diào)制，在其它條件不變下，光電流若入射光是強度調(diào)制，在其它條件不變下，光電流 if 將隨調(diào)頻將隨調(diào)頻 f 的升的升 高而下降，這時的靈敏度稱為高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度頻率靈敏度Rf P i R f f 2 0 )2(1f i i f f 定義為定義為 if 是光電流時變函數(shù)的付里葉變換，通常是光電流時變函數(shù)的付里葉變換，通常 稱為探測器的稱為探測器的響應時間響應時間（或時間常數(shù)），由（或時間常數(shù)），由材料材料、結構結構和和外電路外電路決定。決定。 三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度Rf

7、25 頻率靈敏度頻率靈敏度 2 0 )2(1f R R f 00 707.02/RR 2 1 c f 這就是探測器的這就是探測器的頻率特性頻率特性，R f 隨隨 f 升高而下降的速度與升高而下降的速度與值大小關系很大。值大小關系很大。 一般規(guī)定，一般規(guī)定，R f下降到下降到 當當 f fc 時，認為光電流能時，認為光電流能線性再現(xiàn)線性再現(xiàn)光功率光功率P的變化。的變化。 頻率頻率 fc 為探測器的為探測器的截止響應頻率截止響應頻率或或響應頻率響應頻率 三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度Rf 24 例如：德國例如：德國Advanced Laser Diode Systems公司提供帶寬可達公司提供帶寬可

8、達35GHz、 響應頻率范圍覆蓋響應頻率范圍覆蓋400nm到到1.6 m 的高速光電二極管。該光電二極管采用的高速光電二極管。該光電二極管采用 MSM（金屬（金屬-半導體半導體-金屬）的結構，具有非常低的電容、電阻，因而具有金屬）的結構，具有非常低的電容、電阻，因而具有 極高的極高的響應速度響應速度。其沖擊響應振蕩極小，常適于高速光源時間或頻率特性。其沖擊響應振蕩極小，常適于高速光源時間或頻率特性 探測。探測。 光纖耦合光纖耦合 自由光輸入自由光輸入 三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度Rf 23 當探測器對突然光照的輸出電流，要經(jīng)過當探測器對突然光照的輸出電流，要經(jīng)過一定時間一定時間才能上升到與這才

9、能上升到與這 一輻射功率相應的一輻射功率相應的穩(wěn)定值穩(wěn)定值i。 2 1 c f 當輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過當輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過一定時間一定時間才能下降才能下降到零到零。 一般而論，上升和下降時間相等，時間常數(shù)近似地決定于一般而論，上升和下降時間相等，時間常數(shù)近似地決定于 三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度Rf 22 以以u，P，為參變量，為參變量，iF（ f ）的關系稱為）的關系稱為光電頻率特性光電頻率特性，相應曲，相應曲 線稱為線稱為頻率特性曲線頻率特性曲線。 i=F (P)及曲線稱為及曲線稱為光電特性曲線光電特性曲線。 iF ()及其曲線稱為及其曲線稱為光譜特性曲線光譜

10、特性曲線。 iF (u)及其曲線稱為及其曲線稱為伏安特性曲線伏安特性曲線。 一旦曲線給出，靈敏度一旦曲線給出，靈敏度R值就可從曲線中求出，還可以利用值就可從曲線中求出，還可以利用伏安特性伏安特性 等曲線來設計探測器的使用電路。等曲線來設計探測器的使用電路。 三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度Rf 21 ),(fPuFi 光電流是兩端電壓光電流是兩端電壓u、光功率光功率P、光波長、光波長和光強調(diào)制頻率和光強調(diào)制頻率f的函數(shù)，即的函數(shù)，即 量子效率量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù) 光電子數(shù)與入射與入射光量光量 子數(shù)子數(shù)之比之比。 四、量子效率四、量子效

11、率 對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子，對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子， =1 實際上，實際上， 時，時， ex P th P 對應對應P-I 曲線閾值以上線性部分的斜率，是衡量曲線閾值以上線性部分的斜率，是衡量LD 效率效率的重要指標。的重要指標。 四、量子效率四、量子效率 15 PI 特性曲線的線性部分的斜率特性曲線的線性部分的斜率 0 / )( / )( eII hPP N N th thex n ex D 0 / )( / eII hP th ex D 從靈敏度從靈敏度R的定義式的定義式 五、通量閾五、通量閾Pth dP di R i P i 2/1 2 )( nn

12、 ii 可見，如果可見，如果P0 i=0 實際情況是，當實際情況是，當P0時，光電探測器的輸出電流時，光電探測器的輸出電流并不為零并不為零。 這個電流稱為這個電流稱為暗電流或噪聲電流暗電流或噪聲電流，記為，記為 它是瞬時噪聲電流的有效值。它是瞬時噪聲電流的有效值。 顯然，這時靈敏度顯然，這時靈敏度R巳失去意義，我們必須定義一個新參量來描述光電巳失去意義，我們必須定義一個新參量來描述光電 探測器的這種特性。探測器的這種特性。 14 光功率光功率Ps和和Pb分別為信號和背景光功率。分別為信號和背景光功率。 即使即使Ps和和Pb都為零，也會有噪聲輸出。都為零，也會有噪聲輸出。 噪聲的存在，限制了探測

13、微弱信號的能力。噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。 如果信號光功率產(chǎn)生的信號如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流光電流 is等于等于噪聲電流噪聲電流 in，那么就認為，那么就認為剛剛剛剛 能探測到光信號存在。能探測到光信號存在。 定義探測器的定義探測器的通量閾通量閾Pth為為 )(瓦 i n th R i P 五、通量閾五、通量閾Pth 13 n s i i SNR n s u u SNR (電壓信噪比電壓信噪比) 例：若例：若Ri=10A/W，in=0.01A，則通量閾，則通量閾Pth0.001W。即小于。即小于0.001微微 瓦的信號光功率不能被探測器所得知，所以，瓦的信號光功率不能被探測器

14、所得知，所以，通量閾是探測器所能探測的通量閾是探測器所能探測的 最小光信號功率最小光信號功率。 采用一種更通用的表述方法，這就是采用一種更通用的表述方法，這就是噪聲等效功率噪聲等效功率NEP（Noise Equivalent Power） 。它定義為單位信噪比時的信號光功率。信噪比。它定義為單位信噪比時的信號光功率。信噪比SNR定義為定義為 (電流信噪比電流信噪比) 六、噪聲等效功率六、噪聲等效功率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，表明探測微弱信號的能力越強。越小，表明探測微

15、弱信號的能力越強。 NEP是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。 六、噪聲等效功率六、噪聲等效功率NEP 11 但是，當在同類型的不同探測器之間進行比較時，發(fā)現(xiàn)但是，當在同類型的不同探測器之間進行比較時，發(fā)現(xiàn)“D值大的探測值大的探測 器其探測能力一定好器其探測能力一定好”的結論的結論并不充分并不充分。 )( NEP 1 1 瓦D NEP越小，探測器探測能力越高，不符合人們越小，探測器探測能力越高，不符合人們“越大越好越大越好”的習慣，的習慣， 于是取于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測度的倒數(shù)并定義為探測度D，即，即 七、歸一化探測度七、歸一化探測度D* 這樣，這樣，D值大

16、的探測器就表明其探測力高。值大的探測器就表明其探測力高。 主要是探測器主要是探測器光敏面積光敏面積A和測量和測量帶寬帶寬f對對D值影響甚大。值影響甚大。 10 為什么？為什么？ 由于探測器的噪聲功率由于探測器的噪聲功率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的定義知的定義知 另一方面，探測器的噪聲功率另一方面，探測器的噪聲功率N A 所以所以 又有又有 七、歸一化探測度七、歸一化探測度D* 9 把兩種因素一并考慮，把兩種因素一并考慮， 2 1 )( fAD fADD * /W)Hz(cm 2 1 定義定義 稱為稱為歸一化探

17、測度歸一化探測度。 這時就可以說：這時就可以說：D*大的探測器其探測能力一定好。大的探測器其探測能力一定好。 考慮到光譜的響應特性，一般給出考慮到光譜的響應特性，一般給出D*值時注明響應波長值時注明響應波長、光輻射、光輻射 調(diào)制頻率調(diào)制頻率f及測量帶寬及測量帶寬f，即，即D*(, f ,f )。 七、歸一化探測度七、歸一化探測度D* 8 在使用時必須還考慮在使用時必須還考慮光敏面積光敏面積，探測器，探測器電阻電阻， 電容電容等。等。 特別是特別是極限工作條件極限工作條件，正常使用時都不允許超，正常使用時都不允許超 過這些指標，否則會影響探測器的正常工作，甚過這些指標，否則會影響探測器的正常工作

18、，甚 至使探測器損壞。至使探測器損壞。 通常規(guī)定了通常規(guī)定了工作電壓工作電壓、電流電流、溫度溫度以及以及光照功光照功 率允許范圍率允許范圍，使用時要特別加以注意。，使用時要特別加以注意。 其它參數(shù)其它參數(shù) 光敏電阻光敏電阻 光電池光電池 7 參數(shù)參數(shù)物理描述物理描述表達式表達式單位單位 積分靈敏度積分靈敏度光電轉換特性的量度光電轉換特性的量度 安安/瓦瓦 伏伏/瓦瓦 光譜靈敏度光譜靈敏度對某一波長光電轉換的量度對某一波長光電轉換的量度 安安/瓦瓦 頻率靈敏度頻率靈敏度電流隨調(diào)制頻率變化的量度電流隨調(diào)制頻率變化的量度 安安/瓦瓦 量子效率量子效率吸收的光子數(shù)和激光的電子數(shù)之比吸收的光子數(shù)和激光的

19、電子數(shù)之比 通量閾通量閾探測器所能探測的最小光信息功率探測器所能探測的最小光信息功率 瓦瓦 噪聲等效功率噪聲等效功率單位信噪比時的信號光功率單位信噪比時的信號光功率 瓦瓦 歸一化探測度歸一化探測度與噪聲等效功率成倒數(shù)、光敏面積和噪聲功率有關與噪聲等效功率成倒數(shù)、光敏面積和噪聲功率有關 厘米厘米.赫茲赫茲1/2/瓦瓦 p i dp di R i 光電探測器的性能參數(shù)對比表光電探測器的性能參數(shù)對比表 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、光電探測器的特性的微觀量、光電探測器的特

20、性的微觀量-宏觀量描述是什么？宏觀量描述是什么？ 是量子效率，可表示為是量子效率，可表示為 i R e h 單位時間單位光量子數(shù)產(chǎn)生的光電子數(shù)。單位時間單位光量子數(shù)產(chǎn)生的光電子數(shù)。 就是等量子光譜響應曲線中用光電子數(shù)代替電流或電壓。就是等量子光譜響應曲線中用光電子數(shù)代替電流或電壓。 量子效率包括內(nèi)量子效率、外量子效率和外微分量子效率。量子效率包括內(nèi)量子效率、外量子效率和外微分量子效率。 5 知識鞏固知識鞏固 答：答： 2、光電探測器的主要特性包括哪些？、光電探測器的主要特性包括哪些？ 答：主要有答：主要有 1光電特性光電特性 I 光電流光電流F（）光通量光通量 2光譜特性光譜特性 I 光電流光電流F（）入射光波長入射光波長 3伏安特性伏安特性 I 光電流光電流F（）電壓電壓 4頻率特性頻率特性 I 光電流光電流F（f）入射光調(diào)制頻率入射光調(diào)制頻率 4 知識鞏固知識鞏固 半導體光電探測器半導體光電探測器 半導體光電探測器由于半導體光電探測器由于體積小體積小，重量輕重量輕，響應速度快響應速度快，靈敏度高靈敏度高，易，易 于與其它半導體器件于與其它半導體器件集成集成，是光源的最理想探