第十一讲光电探测器的性能参数介绍

《光电子技术》PhotoelectronicTechnique光电探测器的性能参数周自刚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？光电倍增管本讲主要内容一、积分灵敏度R二、光谱灵敏度Rλ三、频率灵敏度Rf四、量子效率η六、噪声等效功率NEP七、归一化探测度D*五、通量阈Pth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R31光电鼠标灵敏度dPdiRiPidPduRuPu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。或微安/流明一、积分灵敏度R30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。二、光谱灵敏度Rλ29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。mRRS/二、光谱灵敏度Rλ28引入相对光谱功率密度函数，它的定义为mPPf''''''dPdPdididdfPRSdimm'''0''0]'[ddfPRSdiimm0'0'0'''''dfdfdfSPdRmm只要注意到和就有积分上式，有'dP变化量二、光谱灵敏度Rλ27式中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二、光谱灵敏度Rλ26S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RfPiRff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。三、频率灵敏度Rf25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下降到当ffc时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。频率fc为探测器的截止响应频率或响应频率三、频率灵敏度Rf24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三、频率灵敏度Rf23当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，时间常数近似地决定于三、频率灵敏度Rf22以u，P，λ为参变量，i＝F（f）的关系称为光电频率特性，相应曲线称为频率特性曲线。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。i＝F(u)及其曲线称为伏安特性曲线。一旦曲线给出，灵敏度R值就可从曲线中求出，还可以利用伏安特性等曲线来设计探测器的使用电路。三、频率灵敏度Rf21),,,(fPuFi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。20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则量子效率和灵敏度关系对某一波长的光谱量子效率：量子效率正比于灵敏度，而反比于波长。iRehdtdndtdn光电)()(tPhveti四、量子效率η19c：材料中的光速量子效率:内量子效率、外量子效率和外微分量子效率(1)功率效率半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去，用功率效率和量子效率来衡量激光器转换效率的高低。四、量子效率η18pijexRIVP2激光器辐射光功率激光器消耗光功率功率效率定义为inexpPP为辐射的光功率；为注入的电功率。exPinP由于有源区内电子-空穴的复合分为辐射复合和非辐射复合，辐射复合后发射光子，非辐射复合的能量以声子形式释放，转换为晶格振动。(2)内量子效率四、量子效率η17i有源区里每秒产生光子数有源区每秒注入电空对数内量子效率定义为pnpiNNpNn-pN为有源区内每秒产生的光子数为有源区内每秒注入的电子-空穴对数(3)外量子效率四、量子效率η16ex激光器每秒发射的电子数激光器每秒注入电空对数外量子效率定义为0//eIhPNNexnexexexNnN为激光器每秒发射的光子数为激光器每秒注入的电子-空穴对数0//eIhPex(4)外微分量子效率当时，exPthP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η15P－I特性曲线的线性部分的斜率0/)(/)(eIIhPPNNththexnexD0/)(/eIIhPthexD从灵敏度R的定义式五、通量阈PthdPdiRiPi2/12)(nnii可见，如果P＝0→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。14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。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定义探测器的通量阈Pth为)(瓦inthRiP五、通量阈Pth13nsii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)六、噪声等效功率NEP121)SNR(NEPisissnisssinthPSNRPiiRiiiRiPNEP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。六、噪声等效功率NEP11但是，当在同类型的不同探测器之间进行比较时，发现“D值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。)(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为什么？由于探测器的噪声功率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所以又有七、归一化探测度D*9把两种因素一并考虑，21)(fADfADD*/W)Hz(cm21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在使用时必须还考虑光敏面积，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。其它参数光敏电阻光电池7参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光电探测器的性能参数对比表dPiRpiRffiRehinthRiP1iSNRsPNEPNEPfAD/*pudpduRu61、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是什么？是量子效率，可表示为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。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知识巩固答：2、光电探测器的主要特性包括哪些？答：主要有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]4知识巩固半导体光电探测器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。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。3知识应用1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知识应用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、量子效率的物理意义、类别、关系等人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。西南科技大学SchoolofScience,SouthwestUniversity