4.2-光电探测器的性能参数

4.2-光电探测器的性能参数夜色降临，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。一、积分灵敏度R30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/流明一、积分灵敏度R29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。二、光谱灵敏度Rλ28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。二、光谱灵敏度Rλ27引入相对光谱功率密度函数，它的定义为只要注意到和就有积分上式，有二、光谱灵敏度Rλ26式中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。二、光谱灵敏度Rλ25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，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。三、频率灵敏度Rf24频率灵敏度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，Rf下降到从上式可见：当f>时，它对应P-I曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量LD效率的重要指标。四、量子效率η14从灵敏度R的定义式五、通量阈Pth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。13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。依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为五、通量阈Pth12于是有：(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

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，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)　　NEP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。六、噪声等效功率NEP11　　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。　　NEP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，即七、归一化探测度D*这样，D值大的探测器就表明其探测力高。　主要是探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响甚大。10探测器的噪声功率N∝Δf，所以于是由D的定义知另一方面，探测器的噪声功率N∝A所以又有七、归一化探测度D*9把两种因素一并考虑，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)。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。其它参数7光电检测器件的性能参数6参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。52、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]41、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、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（RCE）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（SAGCM）雪崩光电探测器（APD）等。32、光电倍增管探测器解决DNA排序问题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。荧光相关光谱术（FCS）利用单光子计数光电倍增管探测DNA靶序列。2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、噪声等效功率、归一化探测度等概念、表达形式、特点、应用等12、量子效率的具体表达形式、内在关系