光电检测器件的特性参数.ppt

2.2光电检测器件的特性参数 见课本P171 光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件它的性能对光电检测系统影响很大，如能够缩小系统的体积、减轻系统的重量、增大系统的作用距离等根据光电检测器件对辐射的作用形式的不同（或说工作机理的不同），可分为光电检测器件和热电检测器件两大类 热电检测器件工作的物理过程：器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱 热电检测器件目前常用的有热释电检测器、热敏电阻、热电偶和热电堆等它们的特点是： ①响应波长无选择性从可见光到远红外的各种波长都表现出了同样的敏感 ②响应慢即吸收辐射后再产生信号所需要的时间长，一般在几毫秒以上2 光电检测器件的物理基础： 光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。

外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化 光电检测器件应用广泛，我们通常所说的光电检测器件指的就是这种检测器件这种检测器件可分两大类：电真空或光电发射型检测器件，如光电管和光电倍增管；固体或半导体光电检测器件，如光导型（光敏电阻）和光伏型（光电池与光电二、三极管等）检测器件它们的特点是： ①响应波长有选择性因为这些器件都存在某一截止波长λ0，超过此波长，器件无响应 ②响应快一般为纳秒到几百微秒31、响应度（或称灵敏度）S 响应度是光电检测器输出信号和输入辐射功率之间关系的度量，描述的是光电检测器件的光——电转换效能定义为光电检测器输出电压V0或输出电流I0与入射光功率P（或光通量Φ）之比，即 式中，SV和SI分别成为电压响应度和电流响应度由于光电检测器的响应度随入射光的波长而变化，因此又有光谱响应度和积分响应度SV=Vo/PiSI=Io/Pi42、光谱响应度S(λ) 光谱响应度S(λ)是光电检测器的输出电压或输出电流与入射到检测器上的单色辐通量（光通量）之比，即 式中： S(λ)为光谱响应度；Φ(λ)为入射的单色通量单色通量或光通量。

光谱响应度是表述入射的单色通量单色通量或光通量所产生的检测器的输出电压（或电流）它的值愈大意味着检测器愈灵敏 S(λ)=Vo/Φ(λ) (V/W)S(λ)=Io/Φ(λ) (A/W)53、积分响应度S 积分响应度表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度 对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为 光电检测器输出的电流或电压与入射光通量之比称为积分响应度由于光电检测器输出的光电流是由不同的波长的光辐射引起的，所以输出光电流应为 由上两式可得积分响应度为 式中，式中λ0和λ1分别为光电检测器的长波限和短波限由于采用不同的辐射源，因此提供数据时应指明采用的辐射波长的范围64、响应时间t 响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间称为响应时间为衡量其长短，常用时间常数t的大小来表示。

当用一个辐射脉冲照射光电检测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，则光电检测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从10%上升到90%峰值处所需的时间称为检测器的上升时间，而把从90%下降到10%处所需的时间称为下降时间矩形光矩形光脉冲脉冲入入射射光光tOτrτfI光光tO10.10.975、频率响应S(f) 由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将会有较大的影响光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应，利用时间常数可得到光电检测器响应度与入射调制频率的关系 ，其表达式为 式中：S(f)是f时的响应度；S0为频率是零时的响应度；t为时间常数 如果在一个频率响应关系中 ，则 显然，时间常数决定了光电检测器频率响 应的带宽86、热噪声 从响应度的定义来看，似乎只要有辐射存在，不管它的功率如何小，都可检测出来，但事实上并非如此。

当入射辐射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入射到检测器上这并不是检测器不好引起的，而是它所固有的“噪声”引起的如果对这些随时间而起伏的电压（流）按时间取平均值，则平均值为零但这些值的均方根不等于零，这个均方根电压（流）称为检测器的噪声电压（流）热噪声为载流子无规则的热运动造成的噪声当温度（热力学温度）等于零时，导体或半导体中每一个电子携带着1C的电量作随机运动（相当于微电脉冲），尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压其均方值为： =4kTRΔf， =4kT(Δf/R) 式中：R为导体电阻，k为玻耳兹曼常数，T为导体的热力学温度，Δf为测量系统的噪声带宽热噪声存在于任何电阻中；热噪声与温度成正比，还说明噪声是由各种频率分量组成的，就像白光是由各种波长的光组成的一样，所以热噪声也叫白噪声 97、散粒噪声 散粒噪声或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声 在每个时间间隔内，穿越势垒的载流子数或从阴极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。

理论证明，这种起伏引起的均方噪声电流为 Δf 式中 为流过器件电流的直流分量（平均值）,q为电子电荷， 显然，散粒噪声也属于白噪声108、信噪比（S/N） 信噪比是判断噪声大小通常使用的参数它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率比，即 用分贝（dB）表示，则为 lg lg 利用S/N 评价两种光电器件性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较但对于单个光电检测器件吗，其S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关，入射辐射强，接收面积大，则S/N就大，但性能不一定就好因此，用S/N来评价光器件有一定的局限性119、线性度（非线性误差δ） 线性度是描述光电检测器的光电特性或光照特性输出信号与输入信号保持线性关系的程度，即在规定范围内，光电检测器的输出电量正比于输入光量的性能如果在某一规定的范围内光电检测器的响应度为常数，则这一规定的范围称为线性区 光电检测器线性区的大小与检测器后的电子线路有很大关系。

因此要获得所要的线性区，必须设计有相应的后续电子线路线性区的下限一般由光电器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或后续电子线路所述上限频率决定光电检测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化实线为实际响应曲线虚线为拟合直线ΦIOI2I112 线性度是辐射功率的复杂函数，是指光电器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度通常用非线性误差 来度量，即 式中： 为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差； 、 分别为线性区中的最小和最大响应值1310、工作温度 光电检测器工作温度不同时，工作性能将会有所变化例如HgCdTe（汞镉碲）检测器在低温（77K）工作时，有较高的信噪比而锗掺铜光电导器件在4K左右时，能有较高的信噪比但如果温度升高，它们的性能会逐渐变差，以致无法使用又如InSb（锑化铟）器件，工作温度在300K，长波限为7.5um，峰值波长在6um；而工作温度为77K时，长波限为5.5um，峰值波长为5um，变化很明显对于热电检测器，由于环境检测工作温度变化会使响应度和热噪声发生变化，所以，光电检测器工作温度是最佳工作状态时的温度，是光电检测器重要的性能参数之一。