《光电探测器的性能与参数.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电探测器的性能与参数.ppt（27页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,探测器件,热电探测元件,光子探测元件,气体光电探测元件,外光电效应,内光电效应,非放大型,放 大 型,光电导探测器,光磁电探测器,光生伏特探测器,本征型,掺杂型,非放大,放大型,真空光电管,充气光电管,光电倍增管,变像管,摄像管,像增强器,光敏电阻,红外探测器,光电池,光电二极管,光电三极管,光电场效应管,雪崩型光电二极管,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
2、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,4.2 光电探测器的性能参数,光电倍增管,一、积分灵敏度R,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。,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
3、总功率。,有些教材采用微安/流明,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。,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,引入相对光谱功率密度函数，它的定义为,把(2)和(3)式代入(1)式，只要注意到,和,就有,积分上式，有,变化量,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。,三、频率灵敏度Rf(响应频率fc和响
4、应时间t),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。,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。,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
5、400nm到1.6 m 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,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,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(P)及曲线称为光电
6、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。,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。,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,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
7、率正比于灵敏度而反比于波长。,五、通量阈Pth和噪声等效功率NEP,从灵敏度R的定义式,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。,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。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,(电压信噪比),例：若Ri=10
8、A/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定义为,(电流信噪比),于是有：,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。,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,六、归一化探测度D*,这样，D值大的探测器就表明其探测力高。,常需要在同类型的
9、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。,主要是探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响甚大。,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,把两种因素一并考虑，,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、光辐射调制频率f及测量带宽f，即D*(,f,f)。,七、其它参数,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
10、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。,光敏电阻,光电二极管,光电池,光电检测器件的性能参数,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,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。,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,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。,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。,
