光电探测器的性能与参数

UPDOWNBACK共28页1主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数探测器件热电探测元件光子探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管UPDOWNBACK共28页2主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数Laser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--红外激光探测器监视着海面，当有不速之客到来，光线挡断，光电探测器探测不到激光而进行声光报警。LaserUPDOWNBACK共28页3主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数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UPDOWNBACK共28页4主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数4.2光电探测器的性能参数光电倍增管UPDOWNBACK共28页5主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数一、积分灵敏度R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。dPdiRiPidPduRuPu光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f(P)，称为探测器的光电特性。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。有些教材采用微安/流明UPDOWNBACK共28页6主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数1dPiR光功率谱密度Pλ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iλ，于是光谱灵敏度Rλ定义为Rλ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。通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。)2(/mRRS二、光谱灵敏度RλUPDOWNBACK共28页7主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数引入相对光谱功率密度函数，它的定义为)3('''mPPf'''dPdPdididdfPRSdimm'''0''0]'[ddfPRSdiimm0'0'0'''''dfdfdfSPdRmm把(2)和(3)式代入(1)式，只要注意到和就有积分上式，有'dP变化量UPDOWNBACK共28页8主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数式中S0''0''1'dPPdfmmPP'/dRRmimKRKdRPiRimm0'0'''dfdfSK0.1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。0''df0''dfs'fUPDOWNBACK共28页9主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数三、频率灵敏度Rf(响应频率fc和响应时间t)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，PiRff20)2(1fiiff定义为if是光电流时变函数的付里叶变换，通常τ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。UPDOWNBACK共28页10主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数频率灵敏度20)2(1fRRf00707.02/RR21cf这就是探测器的频率特性，Rf随f升高而下降的速度与τ值大小关系很大。一般规定，Rf下降到从上式可见：当ffc时，认为光电流能线性再现光功率P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。频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。UPDOWNBACK共28页11主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数例如：德国AdvancedLaserDiodeSystems公司提供带宽可达35GHz、响应频率范围覆盖400nm到1.6μm的高速光电二极管。该光电二极管采用MSM（金属-半导体-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探测。光纤耦合自由光输入UPDOWNBACK共28页12主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数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i。21cf),,,(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。一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由决定。光电流是两端电压u、光功率P、光波长λ和光强调制频率f的函数，即UPDOWNBACK共28页13主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数以u，P，λ为参变量，i＝F（f）的关系称为光电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。同样，i=F(P)及曲线称为光电特性曲线。i＝F(λ)及其曲线称为光谱特性曲线。而i＝F(u)及其曲线称为伏安特性曲线。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。UPDOWNBACK共28页14主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数量子效率：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。四、量子效率η对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1实际上，1量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。UPDOWNBACK共28页15主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光电、光谱以及频率特性，那么量子效率η则是对同一个问题的微观—宏观描述。iRehiRehc这里给出量子效率和灵敏度关系对某一波长来说，其光谱量子效率：c是材料中的光速。量子效率正比于灵敏度而反比于波长。iRehdtdndtdn光电)()(tPhvetiUPDOWNBACK共28页16主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数五、通量阈Pth和噪声等效功率NEP从灵敏度R的定义式dPdiRiPi2/12)(nnii可见，如果P＝0，应有i=0实际情况是，当P＝0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。UPDOWNBACK共28页17主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数光功率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。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in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。光电效应sinisPbP内部噪声信号加噪声电流增益放大器过程输出依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为)(瓦inthRiPUPDOWNBACK共28页18主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数nsiiSNRnsuuSNR(电压信噪比)例：若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，则通量阈Pth＝0.001μW。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。采用另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)于是有：1)SNR(NEPisissnisssinthPSNRPiiRiiiRiPNEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。UPDOWNBACK共28页19主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数)(NEP11瓦DNEP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，即六、归一化探测度D*这样，D值大的探测器就表明其探测力高。常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。主要是探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响甚大。UPDOWNBACK共28页20主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数探测器的噪声功率N∝Δf，所以)(fin21)(fD21)(Ain21)(AD于是由D的定义知另一方面，探测器的噪声功率N∝A所以又有UPDOWNBACK共28页21主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数把两种因素一并考虑，21)(fADfADD*)W/Hzcm(21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λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ,f,Δf)。UPDOWNBACK共28页22主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数七、其它参数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，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。光敏电阻光电二极管光电池UPDOWNBACK共28页23主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数光电检测器件的性能参数参数物理描述表达式单位积分灵敏度光电转换特性的量度安/瓦伏/瓦光谱灵敏度对某一波长光电转换的量度安/瓦频率灵敏度电流随调制频率变化的量度安/瓦量子效率吸收的光子数和激光的电子数之比通量阈探测器所能探测的最小光信息功率瓦噪声等效功率单位信噪比时的信号光功率瓦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厘米.赫兹1/2/瓦pidpdiRidPiRpiRffiRehinthRiP1iSNRsPNEPNEPfAD/*pudpduRuUPDOWNBACK共28页24主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数知识巩固1、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是什么？量子效率iReh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。UPDOWNBACK共28页25主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数2、光电信息转换器件的主要特性：1．光电特性―─IФ[光电流]＝F（Ф）[光通量]2．光谱特性―─IФ[光电流]＝F（λ）[入射光波长]3．伏安特性―─IФ[光电流]＝F（Ｕ）[电压]4．频率特性―─IФ[光电流]＝F（f）[入射光调制频率]知识巩固UPDOWNBACK共28页26主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数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，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