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1、,光电子技术 Photoelectronic Technique 光电探测器的性能参数 周自刚,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。,Laser,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R,三、频率灵敏
2、度Rf,四、量子效率,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if (P)，称为探测器的光电特性。,一、积分灵敏度R,30,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,一、积分灵敏度R,29,光功率谱密度P由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件
3、下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为i，于是光谱灵敏度R定义为,R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R,28,通常给出的是相对光谱灵敏度S定义为,Rm是指R的最大值，S为无量纲，随变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。,二、光谱灵敏度R,27,引入相对光谱功率密度函数，它的定义为,只要注意到,和,就有,积分上式，有,变化量,二、光谱灵敏度R,26,式中,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。,二、光谱灵敏度R,25,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
4、的灵敏度称为频率灵敏度Rf，,定义为,if是光电流时变函数的付里叶变换，通常,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Rf,24,频率灵敏度,这就是探测器的频率特性，R f随f 升高而下降的速度与值大小关系很大。,一般规定，R f下降到,从上式可见：,当ffc时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。 如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。,频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。,三、频率灵敏度Rf,23,例如：德国Advanced Laser Diode Systems公司提供带宽可达35GHz、响应频率范围覆盖400nm到1.6 m 的高速光电
5、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Rf,22,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。,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,决定。,光电流是两端电压u、光功率P、光波长和光强调制频率f的函数，即,三、频率灵敏度Rf,21,以u，P，为参变量，iF（f）的关系称为光电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。,同样，i=F
6、(P)及曲线称为光电特性曲线。,iF ()及其曲线称为光谱特性曲线。,而iF (u)及其曲线称为伏安特性曲线。,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Rf,20,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,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。,19,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，那么量子效率则是对同一个问题的微观宏观描述。,这里给出量子效率和灵敏度关系
7、,对某一波长来说，其光谱量子效率 ：,c是材料中的光速。量子效率正比于灵敏度而反比于波长。,四、量子效率,18,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。 功率效率定义为 为辐射的光功率； 为注入的电功率。,四、量子效率,17,内量子效率定义为 式中， 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。 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，转换为晶格的振动。,(2)内量子效率,四、量子效率,16
8、,(3)外量子效率,定义外量子效率 为 式中， 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。,四、量子效率,15,(4)外微分量子效率: PI 特性曲线的线性部分的斜率,当 时，,它对应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,14,从灵敏度R的定义式,五、通量阈Pth,可见，如果P0，应有i=0,实际情况是，当P0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。,13,光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率
9、。 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。 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in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。,依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为,五、通量阈Pth,12,于是有 ：,(电压信噪比),例：若Ri=10A/W，in=0.01A，则通量阈Pth0.001W。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。,采用另一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率NEP（Noise Equivalent Power） 。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义
10、为,(电流信噪比),NEP越小，表明探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。,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“D值大的探测器其探测能力一定好”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f对D值影响甚大。,10,探测器的噪声功率N f，所以,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，,定义,
11、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、光辐射调制频率f及测量带宽f，即D*(, f ,f )。,七、归一化探测度D*,8,光电探测器还有其它一些特性参数，在使用时必须注意到，例如光敏面积，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,光电二极管,光电池,7,光电检测器件的性能参数,6,1、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是什么？,量子效率,
12、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。,5,2、光电信息转换器件的主要特性：,1光电特性 I 光电流F（）光通量 2光谱特性 I 光电流F（）入射光波长 3伏安特性 I 光电流F（）电压 4频率特性 I 光电流F（f）入射光调制频率,4,1、了解半导体光电探测器的发展及应用。,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。最近几年，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。,3,2、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,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,1,2、量子效率的具体表达形式、内在关系,
