4.2光电探测器的性能参数.ppt

《光电子技术》Photoelectronic  TechniquePhotoelectronic  Technique   光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 周自刚周自刚周自刚周自刚 Laser光电探测器光电探测器       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测不到激光而进行声光报警Laser    光电探测器在光电探测器在军事军事和和国民经济的各个领域国民经济的各个领域有广泛用途在可见光或近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、红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量工业自动控制、光度计量等；在红等；在红外波段主要用于外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感导弹制导、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？）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）选择一个好的光电探测器需要注意哪些关键指标？？光电倍增管光电倍增管 本讲主要内容本讲主要内容一、积分灵敏度一、积分灵敏度R 二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度Rλ三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf四、量子效率四、量子效率η六、噪声等效功率六、噪声等效功率NEP 七、归一化探测度七、归一化探测度D*五、通量阈五、通量阈Pth       灵敏度也常称作灵敏度也常称作响应度响应度，是光电探测器光电转换特性，光电转换的，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。

光谱特性以及频率特性的量度        光电流光电流i(或光电压或光电压u)和入射光功率和入射光功率P之间的关系之间的关系i＝＝f (P)，称为探测器，称为探测器的的光电特性光电特性一、积分灵敏度一、积分灵敏度R 30灵敏度灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即定义为这个曲线的斜率，即                                    (线性区内线性区内)  (安安/瓦瓦) (线性区内线性区内)  (伏伏/瓦瓦)  R i和和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和和u称为电表测量的电流、称为电表测量的电流、电压有效值电压有效值       光功率光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率是指分布在某一光谱范围内的总功率有些教材有些教材采用微安采用微安/流明流明一、积分灵敏度一、积分灵敏度R 29        光功率谱密度光功率谱密度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，于是光谱灵敏度Rλ定义为定义为       Rλ是常数时，相应探测器称为是常数时，相应探测器称为无选择性探测器无选择性探测器(如光热探测器如光热探测器)，光子探，光子探测器则是选择性探测器。

测器则是选择性探测器二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度Rλ28通常给出的是通常给出的是相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度Sλ定义为定义为  Rλm是指是指Rλ的最大值，的最大值，Sλ为无量纲，随为无量纲，随λ变化的曲线称为变化的曲线称为光谱灵敏度曲线光谱灵敏度曲线二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度Rλ27引入相对光谱功率密度函数，它的定义为引入相对光谱功率密度函数，它的定义为只要注意到只要注意到和和就有就有积分上式，有积分上式，有变化量变化量二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度Rλ26式中式中0 . 1并注意到并注意到由此便得由此便得式中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将随调频将随调频f的升高而的升高而下降，这时的灵敏度称为下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度频率灵敏度Rf，，定义为定义为if是光电流时变函数的付里叶变换，通常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。

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、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf24频率灵敏度频率灵敏度这就是探测器的这就是探测器的频率特性频率特性，，R f随随f 升高而下降的速度与升高而下降的速度与τ值大小关系很大值大小关系很大一般规定，一般规定，R f下降到下降到从上式可见：从上式可见：当当f

其冲击响应振荡极小，常适于高速光源时间或频率特性探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光纤耦合 自由光输入自由光输入三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf22        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一辐射功率相应的稳定值i      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光电流是两端电压u、、光功率光功率P、光波长、光波长λ和光强调制频率和光强调制频率f的函数，即的函数，即三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf21      以以u，，P，，λ为参变量，为参变量，i＝＝F（（f）的关系称为）的关系称为光电频率特性光电频率特性，相应的曲，相应的曲线称为线称为频率特性曲线频率特性曲线。

同样，同样，i=F (P)及曲线称为及曲线称为光电特性曲线光电特性曲线i＝＝F (λ)及其曲线称为及其曲线称为光谱特性曲线光谱特性曲线而而i＝＝F (u)及其曲线称为及其曲线称为伏安特性曲线伏安特性曲线      当这些曲线给出时，灵敏度当这些曲线给出时，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三、频率灵敏度三、频率灵敏度Rf20        量子效率量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量：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子数之比四、量子效率四、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，对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，  =1实际上，实际上，  <1量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好19        如果说灵敏度如果说灵敏度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，那么量子效率特性，那么量子效率η则是对同一个问题的微观则是对同一个问题的微观—宏观描述。

宏观描述这里给出量子效率和灵敏度关系这里给出量子效率和灵敏度关系对某一波长来说，其光谱量子效率对某一波长来说，其光谱量子效率 ：：    c是材料中的光速是材料中的光速量子效率正比于灵敏度而反比于波长量子效率正比于灵敏度而反比于波长 四、量子效率四、量子效率η18量子效率量子效率:内量子效率、外量子效率和外微分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率来衡量激光器转换效率的高低功率效率定义为功率效率定义为              为辐射的光功率；为辐射的光功率；     为注入的电功率为注入的电功率四、量子效率四、量子效率η17内量子效率定义为内量子效率定义为   式中，式中，   为有源区内每秒产生的光子数；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为有源区内每秒注入的电子-空穴对数空穴对数 由于有源区内电子由于有源区内电子-空穴的复合分为辐射复合和非辐射复合，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，转换为晶格的辐射复合后发射光子，非辐射复合的能量以声子形式释放，转换为晶格的振动。

振动2)内量子效率内量子效率  四、量子效率四、量子效率η16(3)外量子效率外量子效率定义外量子效率定义外量子效率       为为式中，式中，     为激光器每秒发射的光子数；为激光器每秒发射的光子数；     为激光器每秒注入的电子为激光器每秒注入的电子-空空穴对数四、量子效率四、量子效率η15(4)外微分量子效率外微分量子效率:          P－－I 特性曲线的线性部分的斜率特性曲线的线性部分的斜率当当        >>          时，时，                                   p它对应它对应P-I  曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量LD 效率的重要指标效率的重要指标四、量子效率四、量子效率η14从灵敏度从灵敏度R的定义式的定义式五、通量阈五、通量阈Pth可见，如果可见，如果P＝＝0，应有，应有i=0实际情况是，当实际情况是，当P＝＝0时，光电探测器的输出电流并不为零时，光电探测器的输出电流并不为零 这个电流称为这个电流称为暗电流或噪声电流暗电流或噪声电流，记为，记为它是瞬时噪声电流的有效值。

它是瞬时噪声电流的有效值显然，这时灵敏度显然，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探测器的这种特性13光功率光功率Ps和和Pb分别为信号和背景光功率分别为信号和背景光功率即使即使Ps和和Pb都为零，也会有噪声输出都为零，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等于噪声电流等于噪声电流in，那么就认，那么就认为刚刚能探测到光信号存在为刚刚能探测到光信号存在   依照这一判据，定义探测器的通依照这一判据，定义探测器的通量阈量阈Pth为为五、通量阈五、通量阈Pth12于是有于是有 ：：(电压信噪比电压信噪比) 例：若例：若Ri=10μA/μW，，in=0.01μA，则通量阈，则通量阈Pth＝＝0.001μW即小于0.001微瓦的信号微瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所以，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，这就是采用另一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率噪声等效功率NEP（（Noise Equivalent Power）） 。

它定义为单位信噪比时的信号光功率它定义为单位信噪比时的信号光功率信噪比SNR定义为定义为                 (电流信噪比电流信噪比) 　　　　NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强所以越小，表明探测微弱信号的能力越强所以NEP是描述光电探测器是描述光电探测器探测能力的参数探测能力的参数六、噪声等效功率六、噪声等效功率NEP 11　　常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现　　常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D值大的探测器其值大的探测器其探测能力一定好探测能力一定好”的结论并不充分的结论并不充分　　　　NEP越小，探测器探测能力越高，不符合人们越小，探测器探测能力越高，不符合人们“越大越好越大越好”的习惯，的习惯，于是取于是取NEP的倒数并定义为探测度的倒数并定义为探测度D，即，即七、归一化探测度七、归一化探测度D*这样，这样，D值大的探测器就表明其探测力高值大的探测器就表明其探测力高　主要是探测器光敏面积　主要是探测器光敏面积A和测量带宽和测量带宽Δf对对D值影响甚大值影响甚大10探测器的噪声功率探测器的噪声功率N ∝∝Δf，所以，所以于是由于是由D的定义知的定义知另一方面，探测器的噪声功率另一方面，探测器的噪声功率N∝∝ A 所以所以又有又有七、归一化探测度七、归一化探测度D*9把两种因素一并考虑，把两种因素一并考虑，定义定义 称为归一化探测度。

称为归一化探测度　　这时就可以说：　　这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好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　　考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长值时注明响应波长λ、光辐射、光辐射调制频率调制频率f及测量带宽及测量带宽Δf，即，即D*(λ, f ,Δf )七、归一化探测度七、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，例如用时必须注意到，例如光敏面积光敏面积，探测器，探测器电阻电阻，，电容电容等       特别是特别是极限工作条件极限工作条件，正常使用时都不允，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，甚至使探测器损坏作，甚至使探测器损坏      通常规定了通常规定了工作电压工作电压、、电流电流、、温度温度以及以及光照光照功率允许范围功率允许范围，使用时要特别加以注意使用时要特别加以注意 其它参数其它参数 光敏电阻光敏电阻光电二极管光电二极管 光电池光电池7参数参数物理描述物理描述表达式表达式单位单位积分灵敏度积分灵敏度光电转换特性的量度光电转换特性的量度安安/瓦瓦伏伏/瓦瓦光谱灵敏度光谱灵敏度对某一波长光电转换的量度对某一波长光电转换的量度安安/瓦瓦频率灵敏度频率灵敏度电流随调制频率变化的量度电流随调制频率变化的量度安安/瓦瓦量子效率量子效率吸收的光子数和激光的电子数之比吸收的光子数和激光的电子数之比通量阈通量阈探测器所能探测的最小光信息功率探测器所能探测的最小光信息功率瓦瓦噪声等效功率噪声等效功率单位信噪比时的信号光功率单位信噪比时的信号光功率瓦瓦归一化探测度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与噪声等效功率成倒数、光敏面积和噪声功率有关厘米厘米.赫兹赫兹1/2/瓦瓦光电检测器件的性能参数光电检测器件的性能参数6知识巩固1、光电探测器的特性的微观量、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是宏观量描述是什么？什么？量子效率量子效率   单位时间单位光量子数产生的光电子数。

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就是等量子光谱响应曲线中用光电子数代替电流或电压 52、光电信息转换器件的主要特性：、光电信息转换器件的主要特性：1．光电特性．光电特性 ―─ IФ [光电流光电流]＝＝F（（Ф））[光通量光通量]2．光谱特性．光谱特性 ―─ IФ [光电流光电流]＝＝F（（λ））[入射光波长入射光波长]3．伏安特性．伏安特性 ―─ IФ [光电流光电流]＝＝F（Ｕ）（Ｕ）[电压电压]4．频率特性．频率特性 ―─ IФ [光电流光电流]＝＝F（（f））[入射光调制频率入射光调制频率]知识巩固41、了解半导体光电探测器的发展及应用了解半导体光电探测器的发展及应用         半半导导体体光光电电探探测测器器由由于于体体积积小小，，重重量量轻轻，，响响应应速速度度快快，，灵灵敏敏度度高高，，易易于于与与其其它它半半导导体体器器件件集集成成，，是是光光源源的的最最理理想想探探测测器器，，可可广广泛泛用用于于光光通通信信、、信信号号处处理理、、传传感感系系统统和和测测量量系系统统最最近近几几年年，，由由于于超超高高速速光光通通信信、、信信号号处处理理、、测测量量和和传传感感系系统统的的需需要要，，需需要要超超高高速速高高灵灵敏敏度度的的半半导导体体光光电电探探测测器器。

为为此此，，发发展展了了谐谐振振腔腔增增强强型型（（RCE））光光电电探探测测器器、、金金属属半半导导体体-金金属属行行波波光光电电探探测测器器，，以以及及分分离离吸吸收收梯梯度度电电荷荷和和信信增增（（SAGCM）雪崩光电探测器（）雪崩光电探测器（APD）等 知识延伸知识延伸32、光电倍增管探测器解决、光电倍增管探测器解决DNA排序问题排序问题 金属壳光电倍增管的金属通道电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，时探测来自多个分子的荧光信号，从而提高探测从而提高探测灵敏度和探测速度灵敏度和探测速度荧光相关光谱术（荧光相关光谱术（FCS）利用单）利用单光子计数光电倍增管探测光子计数光电倍增管探测DNA靶靶序列 2本讲小结本讲小结1、积分灵敏度、光谱灵敏度、频率灵敏度、量子效率、通量阈、、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、归一化探测度噪声等效功率、归一化探测度等等概念、表达形式、特点、应用等概念、表达形式、特点、应用等12、量子效率、量子效率的具体表达形式、内在关系的具体表达形式、内在关系。