讲义2.4光电器件的特性参数

第三节光电器件的特性参数光电测试技术中常用的器件有:光电器件光电发射器件光电导器件光伏器件热电探测器光电成像器件光调制器件光子探测器光电器件是一种能把光信号转化为电信号的器件,它工作的物理基础是各种光电效应在光电系统中起着将光信号转化为电信号的核心作用,因此在光电系统中光电器件的选取和使用，在很大程度上决定了光电系统的性能光子探测器--利用各种光子效应热电探测器--吸收光辐射而导致温升,产生温度变化效应并最终转换为电信号热探测器与光子探测器的区别热探测器对光信号的响应无波长选择性。光电成像器件的本质也是利用各种光电效应,它与光电器件的最大不同在于它能够输出图像或电视图像,因而其应用越来越多。光调制器件是利用各种光电子物理学的方法,即各种物理效应实现光的变换,以实现光的调制和扫描,是光电测试技术中的重要手段之一。一、光电器件的探测灵敏度(响应度)光电器件探测灵敏度又称为响应度,它定量描述光电器件输出的电信号和输入的光信号之间的关系。它定义为光电器件输出的方均根电压Us(或电流Is)与入射光通量Φ(或光功率P)之比。sVURsIIRRv和RI分别称为光电器件的电压灵敏度和电流灵敏度,单位为V/W和A/W。测量光电器件灵敏度的光源一般选用500K的黑体。单色灵敏度又叫光谱灵敏度,它描述光电器件对单色辐射的响应能力,使用波长为λ的单色辐射源,则表示为单色灵敏度Rλ。如果使用复色辐射源,则称为积分灵敏度。单色电压灵敏度和单色电流灵敏度用公式表示为)()()(VRV)()()(IRI积分灵敏度表示探测器对连续入射光辐射的反应灵敏程度。对包含有各种波长的辐射光源,总的光通量为光电器件输出的电流或电压与人射的总的光辐射通量之比为积分电流或电压灵敏度。0)(d以峰值响应的50%之间的波长范围定义光电器件的光谱响应宽度。如图是光电器件的相对光谱响应曲线。光谱响应--光谱灵敏度Rλ随波长的变化关系。相对光谱响应--以最大光谱响应为基准来表示各波长的响应,二、时间响应和频率响应光电器件输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号,光电器件的电信号输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴的扩展,其扩展特性可由响应时间来描述。光电器件的响应落后于光信号的特性称为惰性,由于惰性的存在,会使先后作用的信号在输出端相互交叠,从而降低信号的调制度。如果探测器测试的是随时间快速变化的物理量,则由于惰性的影响会造成输出严重畸变。表示时间响应选择性的方法主要有两种:一种是脉冲响应特性法,另一种是频率响应特性法.1脉冲响应特性如果用阶跃光信号作用于光电器件,则光电器件的响应从稳态值的10%上升到90%所用的时间tr叫作器件的上升时间,下降时间tf定义为光电器件的响应从稳态值的90%下降到10%所用的时间。2频率响应特性由于光电器件响应的产生和消失都存在一个滞后过程,因此入射光辐射的频率对器件的灵敏度有较大影响,频率响应特性光电器件的响应随入射光的频率变化的特性称为它的频率响应特性。如图为频率特性,用公式表示为式中,R(ω)表示器件的频率响应;Ro为器件在零频时的响应度;ω=2πf为信号的圆频率;f为频率;τ为器件的响应时间。当器件的输出信号功率降到零频时的一半,即信号幅度下降到零频的0.707时,R(f)/R0=0.707,可得器件的上限截止频率fc三、噪声等效功率(NEP)从灵敏度R的定义,有输入光通量才有输出电流，但事实并非如此。暗电流或噪声电流--是瞬时噪声电流的有效值，记为2/12)(nnii灵敏度R的定义失去了意义噪声等效功率又称为最小可测功率,它定义为光电器件输出的信号电压的有效值等于噪声方均根电压值时的入射光功率,用公式表示则为式中,Us/Un为器件输出的信噪比;Фs为入射光功率;Rv为光电器件的电压灵敏度.NEP的单位为瓦(W)。vnSsnnssRUUUUUNEP/实际测量中多是测出Rv和Un然后计算出NEP.实验发现,许多光电器件的NEP与器件的光敏面积A和测量系统的带宽Δf的乘积的平方根成正比。因为面积大接收到的背景噪声功率也大,为了便于光电器件之间的性能比较,应该除去器件面积和测量带宽的影响。为此又引入归一化噪声等效功率四、探测度D与比探测度D*显然噪声等效功率NEP越小,光电器件的性能越好。但参数NEP不符合人们的传统认知习惯。为此定义NEP的倒数为光电器件的探测度,作为衡量光电器件探测能力的一个重要指标。探测度D用公式表示为D的单位是W-1。它描述器件在单位输入光功率下输出的信号信噪比,显然D值越大,器件的性能越好.四、探测度D与比探测度D*与归一化噪声等效功率相应的归一化探测度又称为比探测度,用D*替表示。五量子效率量子效率是描述光电器件光电转换能力的重要参量,表示在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。***设波长为λ的光辐射的单个光子能量为hν=hc/λ,其光通量为Φ,则人射光子数为Φ/hν,相应的光电流为Is,而每秒钟产生的光电子数为Is/q,q为电子电荷,因此量子效率可以表示为量子效率η可以视为微观灵敏度,它是一个统计平均量若η(λ)=1,则人射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子一空穴对;但实际上η(λ)通常小于1对于有增益的光电器件(如光电倍增管),常用增益或放大倍数来描述。