第二章 光电检测器概述

本专题学习要求：

1. 了解光电探测器的性能参数。　　　 2. 了解各指标的意义。3. 掌握部分参数的计算方法。

2.2 光电探测器的性能参数

分类

与其他器件一样，光电探测器有一套根据实际需要而制定的评价体系，能够科学地反映各种光电探测器的共同因素。描述光电探测器的性能指标主要有：响应度（ Responsivity ）可探测性光谱响应 (Spectral response)

线性度 (Linearity)

动态范围（ Dynamic range ）量子效率 (Quantum efficiency)

响应度（ Responsivity ）也称灵敏度，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，响应度为输入单位光功率信号时探测器所产生的输出。

光电流 i( 或光电压 u) 、入射光功率 P ： i ＝ f (P) ，称为探测器的光电响应特性。

相关的性能参数还有：单色灵敏度，积分灵敏度，响应时间，频率响应。

1. 响应度

dP

diRi P

i

dP

duRu

P

u

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 )

R i 和 R u 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

2. 可探测性

可探测性表征的是探测器从噪声中挖掘有用信息的本领。 描述这个指标的包括 : 等效噪声功率，探测率，暗电流等

3. 光谱响应

光谱响应是表征光电探测器的响应度或探测率随波长变化的特征参数。

如果我们设波长可变的光功率谱密度为 ，由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为 （或 ），光谱灵敏度 定义为 ：

P

i uR

如果 是常数，则相应的探测器成为无选择性探测器（如光热探测器（ Thermal detectors ））；否则，是 选 择 性 探 测 器 （ 如 光 子 探 测 器 (Photon detectors) ），仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。

光谱带宽 (Spectral bandwidth) ：由光谱响应可知，选择性探测器仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出，我们把能够探测到的光谱带宽称为光谱带宽。

R

4. 线性度

线性度是指探测器的输出光电流或电压与输入光的辐射通量成比例的程度。一般探测器线性的下限往往由暗电流和噪声等因素决定的，而上限通常由饱和效应或过载决定的，在这一范围内，若探测器的响应度是常数，则成为线性区。

光电探测器的线性范围的大小与工作状态有很大关系。如偏置电压、光信号调制频率、信号输出电路等。 因此要获得宽的线性范围，必须使探测器工作在最佳工作状态。

5. 动态范围

动态范围（ Dynamic range ） : 在信号系统理论中，被定义为最大不失真电平与噪声电平之差，我们将其引入到光电探测器中，指的是不失真地探测到光信号的变化范围。

6. 量子效率

量子效率（ Quantum efficiency ）表示某一特定波长下单位时间内产生平均的光电子数 ( 或电子－空穴数 )与入射光子数之比，是衡量探测器物理性质的一个重要参数。

量子效率与入射光子能量（即入射光波长）有关，对内光电效应还与材料内电子的扩散长度有关；对于外光电效应与光电材料的表面逸出功有关。

单位波长辐射通量 Фeλ ，光能基本单位 E=hv=hc/λ ，则dλ 内的辐射通量为 Фeλdλ ，假设量子流速率 N 为每秒入射的光量子数，则在此窄带内：

由灵敏度 ，线性区内光电流与光功率成线性关系可得每秒产生的光电子数：

R

式中 Is 为信号电流， q 为电子电荷。因此量子效率 η(λ) 为

量子效率正比于灵敏度而反比于波长

有关响应方面的性能参数

光电探测器的响应表现了仪器对光信号的反应程度，对分析探测器的性能好坏有着重要的参考作用，除响应度外，关于响应方面的参数还有：单色灵敏度、积分灵敏度、响应时间和响应频率等。

单色灵敏度

单色灵敏度：探测器在波长为 的单色光照射下，输出的电压 或电流 与入射的单色辐射通量 之比称为单色灵敏度。即：

或 随波长 的变化关系称为探测器的光谱响应函数。

( )SV ( )SI ( )e

( )( )

( )S

ve

VR

或 ( )( )

( )S

Ie

IR

( )uR ( )IR

积分灵敏度

积分灵敏度 : 是指探测器对于连续辐射通量反应灵敏度。辐射光源一般包含各种波长的光，即：

对选择性探测器来说，输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为：

0( )d

0 0

1 1

( ) ( )S SI I d R d

则光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比即为积分响应度：

和 为光电探测器能探测到的波长上下限，由于不同辐射源或不同色温的同一辐射源发出的光谱通量不同，因此提供数据时应标明辐射源及色温。

0 1

响应时间

响应时间：当照射探测器的辐射通量突然从零增加到某值时，即阶跃光输入，一般探测器瞬间输出信号不能完全跟随输入的变化。同样，在光照停止时也是这样。这是由于探测器惰性而出现上升沿和下降沿，通常用探测器输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间，即响应时间 来衡量探测器的惰性。

当阶跃光输入时，光信号上升沿输出电流为：

一般定义 上升到稳态值 的 0.63倍的时间为探测器的上升响应时间，即在下降沿，探测器的输出电流为：

同样定义 下降到稳态值 的 0.37倍的时间为探测器的下降响应时间，此时 ，一般光电器件 。

1/0( ) (1 )t

SI t I e ( )SI t 0I

1 上

2/0( ) t

SI t I e ( )SI t 0I

2 下

1 2

频率响应

频率响应：频率响应是探测器的另一重要参数，表征了探测器对于快速调制光辐射的反应能力。频率响应可以通过以下方式获得：计算不同频率下的输出电压（均方根值）与输入光功率（均方根值）的比值。

有关噪声方面的参数

探测器的噪声主要分为外部噪声和内部噪声两部分，这里主要研究内部噪声。 这种噪声并不是探测器性能不好引起的，而是源于它内部所固有的“噪声”。由于其随机分 布 的 特点， 对 这 些 随 时 间 而起伏 的 电 压( 流 )按时间取平均值，平均值等于零。但这些 值 的 均 方 根 不 等 于零， 这 个 均 方 根 电 压( 流 ) 称为探测器的噪声电压 ( 流 ) 。

根据产生噪声的机制的不同，噪声分为好多种：1. 由信号之外的杂散光引起的输出电流或电压的起伏所带来的背景噪声2. 在较低的测试或工作频率工作的光电探测器会存在闪烁噪声3. 由于入射光子的粒子性所带来的量子噪声4. 由于导电材料内部自由电子不规则热运动所产生热噪声5. 光生载流子产生和复合的随机性所带来的产生 -复合噪声以及其他噪声。

现实中常用以下的一些参数来表征噪声所带来的影响：1. 信噪比 (S/N)

2. 等效噪声输入 (ENI)

3. 噪声等效功率 (NEP)

4. 探测率 D 与比探测率 D*

5. 暗电流

1. 信噪比

信噪比 (S/N) ：判定系统噪声大小通常使用的参数。它用负载电阻 RL 上产生的信号功率与噪声功率之比来表示，即：

若用分贝 (dB) 表示，则为：

注意事项： 利用 S/N 评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下比较才有意义。单个光电探测器，其 S/N 的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。 如 果 入 射 信 号 功 率 比较大 ，接收面 积 比较小 的话， S/N 的表现值就比较大，但此种光电探测器的性能却不一定就好。因此仅用 S/N 参数来评价光电检测器件的优劣有一定的局限性。

2. 等效噪声输入

等效噪声输入 (ENI ）被定义为器件当特定带宽内(1Hz) 光电探测器件输出的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流时光输入通量。 等效噪声输入可以用来确定光电探测器件的探测极限( 以输入通量为瓦或流明表示 ) ，小于等效噪声输入量的光入射时，信号电流会淹没于噪声电流之中，此时便无法区分两者。

3. 噪声等效功率 (NEP)

噪声等效功率 (NEP) ：又称最小可探测功率Pmin 。它定义为当信号功率与噪声功率之比为1(S/N=1) 时，入射到探测器上的辐射通量 ( 单位为瓦 ) 。即：

在 ENI 单位为瓦时等效于 NEP 。一般一个性能良好的探测器件的 NEP约为 10-11W 。通过 NEP 定义可以发现， NEP越小，均方根噪声电流越小，从而表明器件的性能越好。

实际应用中可以通过改进探测器的设计来减小NEP 值。由于噪声频谱很宽，为了减小噪声的影响，将探测器后面的放大器做成窄带同放大器，并将其中心频率选为调制频率。这样产生的信号不会受影响但却可以去除一部分噪声，从而减小了 NEP值，在这种情况下可以对 NEP 重新定义，即：

式中 Δf 为电子线路带宽。

4. 探测率 D 与比探测率 D*

引入两个新的性能参数——探测率 D 和比探测率 D* 。 探测率 D又成为探测度，定义为等效噪声功率 NEP 的倒数，即：

从其定义来看， D愈大，光电探测器的性能就愈好

为了方便比较，需要把探测率 D 标准化 (归一化 )到测量带宽为 1Hz 、光电探测器光敏面积为 lcm2 。这样就能方便地比较不同测量带宽、对不同光敏面积的光电探测器测量得到的探测率，这一归一化的探测率称之为比探测率，这里用 D* 表示。 D* 的表达式为 :

VN 为噪声电压， Ad 为探测器光敏面积， Δf 为测量带宽。

5. 暗电流

暗电流：即光电探测器在反偏压情况下，没有输入信号和背景辐射时所产生的反向直流电流 (加电源时 ) 。

习题

光电二极管的响应度为 0.85 A/W, 饱和输入光功率为 1.5 mW, 当入射功率分别为 1mW 和 2mW 时光电流分别为多少？

解 当输入光功率为 1mW, 由 I=RP, 可以得到 I=0.85 A/W x 1mW = 0.85 mA.

当输入光功率为 2mW, 光电二极管已经不在线性区工作，公式 I=RP 不在适用。 这个例子告诉我们，在选择光电探测器的时候，除了考虑光电器件的光谱范围、时间响应特性外，光电探测器的线性特性也是重要的一个方面。

测量带宽为 1Hz 时，面积为 0.4cm2 的某探测器的噪声等效功率为 3 x 10-9 W/(Hz)0.5,问该探测器的比探测率 D* 是？

解 根据式 (2.20),

D*=(0.4 cm2)0.5/3 x 10-9 W/(Hz)0.5

=0.632 cm x 0.333 x 109 (Hz)0.5/W

=2.11 x 10 8 cm Hz0.5/W

下图描述的是斩光器系统，即风扇式轮叶，在一定转速下，将连续光调制 ( 斩断 ) 成一定频率的周期性脉冲光，试理论分析用于此系统探测的探测器件的应满足的频率响应。

解：对于此系统，入射到探测器上的光辐射，可以用数学上 delta 函数表示由此探测器相应产生的电压为：由于 δ 函数频谱是常数，它包含了所有频率信息，而且均匀分布，因此探测器的频率响应由 v(t) 的频谱决定。对 v(t)进行 Fourier 变换，得到：

0( ) ( )P t P t

/0

0, 0( )

, 0t

tv t

v e t

2 0( ) ( )1 2

i ft vV f v t e dt

i f

由此得到光电探测器响应率与频率之间的关系，满足以下关系式：

式中， R0 为频率是 f=0 时的响应度； τ 为响应时间。

一般规定 R(f)/ R0=1/=0.707 时的频率 fc 称为探测器的截止响应频率。

1

2cf

E N D !