Transcript 1.了解光电探测器的性能参数。

第二章 光电检测器概述
2.2 光电探测器的性能参数
本专题学习要求：
1.了解光电探测器的性能参数。
2.了解各指标的意义。
3.掌握部分参数的计算方法。
分类
与其他器件一样，光电探测器有一套根据实际需要
而制定的评价体系，能够科学地反映各种光电探测器的
共同因素。描述光电探测器的性能指标主要有：
响应度（Responsivity）
可探测性
光谱响应(Spectral response)
线性度(Linearity)
动态范围（Dynamic range）
量子效率(Quantum efficiency)
1.响应度
响应度（Responsivity）也称灵敏度，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，响
应度为输入单位光功率信号时探测器所产生的输出。
光电流i(或光电压 u)、入射光功率P：i＝f (P)，称为探
测器的光电响应特性。
相关的性能参数还有：单色灵敏度，积分灵敏度，响应
时间，频率响应。
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即：
di i
Ri 

dP P
(线性区内) (安/瓦)
du u
Ru 

dP P
(线性区内) (伏/瓦)
有些教材
采用微安
/流明
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。
2.可探测性
可探测性表征的是探测器从噪声中挖掘有
用信息的本领。
描述这个指标的包括:等效噪声功率，探测
率，暗电流等
3.光谱响应
光谱响应是表征光电探测器的响应度或探测率随波
长变化的特征参数。
如果我们设波长可变的光功率谱密度为 P ，由于光
电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情况下，光
电流将是光波长的函数，记为 i（或 u ），光谱灵敏度
定义为 R ：
如果 R 是常数，则相应的探测器成为无选择性探测
器（如光热探测器（Thermal detectors））；否则，是
选择性探测器（如光子探测器(Photon detectors)），仅
对一定的波长范围内的辐射有信号输出。
光谱带宽(Spectral bandwidth)：由光谱响应可知，
选择性探测器仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出，
我们把能够探测到的光谱带宽称为光谱带宽。
4.线性度
线性度是指探测器的输出光电流或电压与输入
光的辐射通量成比例的程度。一般探测器线性的下
限往往由暗电流和噪声等因素决定的，而上限通常
由饱和效应或过载决定的，在这一范围内，若探测
器的响应度是常数，则成为线性区。
光电探测器的线性范围的大小与工作状
态有很大关系。如偏置电压、光信号调制频
率、信号输出电路等。
因此要获得宽的线性范围，必须使探测
器工作在最佳工作状态。
5.动态范围
动态范围（Dynamic range）: 在信号系
统理论中，被定义为最大不失真电平与噪声电
平之差，我们将其引入到光电探测器中，指的
是不失真地探测到光信号的变化范围。
6.量子效率
量子效率（Quantum efficiency）表示某一特定波长
下单位时间内产生平均的光电子数(或电子－空穴数)与入
射光子数之比，是衡量探测器物理性质的一个重要参数。
量子效率与入射光子能量（即入射光波长）有关，对
内光电效应还与材料内电子的扩散长度有关；对于外光电
效应与光电材料的表面逸出功有关。
单位波长辐射通量 Фeλ ，光能基本单位E=hv=hc/λ ，
则dλ内的辐射通量为 Фeλdλ，假设量子流速率N为每秒
入射的光量子数，则在此窄带内：
由灵敏度 R，线性区内光电流与光功率成线性关系可得每
秒产生的光电子数：
式中Is为信号电流，q为电子电荷。因此量子效率η(λ)为
量子效率正比于灵敏度而反比于波长
有关响应方面的性能参数
光电探测器的响应表现了仪器对光信号的
反应程度，对分析探测器的性能好坏有着重要
的参考作用，除响应度外，关于响应方面的参
数还有：单色灵敏度、积分灵敏度、响应时间
和响应频率等。
单色灵敏度
单色灵敏度：探测器在波长为  的单色光照射下，输出
的电压VS ( ) 或电流 I S ( ) 与入射的单色辐射通量 e ( ) 之
比称为单色灵敏度。即：
VS ( )
Rv ( ) 
e ( )
或
I S ( )
RI ( ) 
e ( )
Ru ( ) 或 RI ( ) 随波长  的变化关系称为探测器的光谱响应
函数。
积分灵敏度
积分灵敏度:是指探测器对于连续辐射通量反
应灵敏度。
辐射光源一般包含各种波长的光，即：

    ( )d
0
对选择性探测器来说，输出的光电流是由不
同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为：
0
0
1
1
I S   I S ( )d    R ( )d 
则光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之
比即为积分响应度：
0 和 1 为光电探测器能探测到的波长上下限，由于不
同辐射源或不同色温的同一辐射源发出的光谱通量不同
，因此提供数据时应标明辐射源及色温。
响应时间
响应时间：当照射探测器的辐射通量突然从零
增加到某值时，即阶跃光输入，一般探测器瞬间输
出信号不能完全跟随输入的变化。同样，在光照停
止时也是这样。这是由于探测器惰性而出现上升沿
和下降沿，通常用探测器输出上升到稳定值或下降
到照射前的值所需的时间，即响应时间 来衡量探
测器的惰性。

当阶跃光输入时，光信号上升沿输出电流为：
I S (t )  I 0 (1  e
 t /1
)
一般定义 I S (t ) 上升到稳态值 I 0 的0.63倍的时间为探测器
的上升响应时间，即  上  1
在下降沿，探测器的输出电流为：
I S (t )  I 0 e  t / 2
同样定义I S (t )下降到稳态值I 0 的0.37倍的时间为探测器的
下 降 响 应 时 间 ， 此 时 下   2
，一般光电器件
。  
1
2
频率响应
频率响应：频率响应是探测器的另一重要参
数，表征了探测器对于快速调制光辐射的反应能
力。频率响应可以通过以下方式获得：计算不同
频率下的输出电压（均方根值）与输入光功率（
均方根值）的比值。
有关噪声方面的参数
探测器的噪声主要分为外部噪声和内部噪
声两部分，这里主要研究内部噪声。
这种噪声并不是探测器性能不好引起的，
而是源于它内部所固有的“噪声”。由于其随
机分布的特点，对这些随时间而起伏的电压(
流)按时间取平均值，平均值等于零。但这些
值的均方根不等于零，这个均方根电压(流)称
为探测器的噪声电压(流)。
根据产生噪声的机制的不同，噪声分为好多种：
1.由信号之外的杂散光引起的输出电流或电压的起伏所带
来的背景噪声
2.在较低的测试或工作频率工作的光电探测器会存在闪烁
噪声
3.由于入射光子的粒子性所带来的量子噪声
4.由于导电材料内部自由电子不规则热运动所产生热噪声
5.光生载流子产生和复合的随机性所带来的产生-复合噪声
以及其他噪声。
现实中常用以下的一些参数来表征噪声所带来的
影响：
1.信噪比(S/N)
2.等效噪声输入(ENI)
3.噪声等效功率(NEP)
4.探测率D与比探测率D*
5.暗电流
1.信噪比
信噪比(S/N)：判定系统噪声大小通常使用的
参数。它用负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功
率之比来表示，即：
若用分贝(dB)表示，则为：
注意事项：
利用S/N评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐
射功率相同的情况下比较才有意义。单个光电探测器，
其S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。
如果入射信号功率比较大，接收面积比较小的话，
S/N的表现值就比较大，但此种光电探测器的性能却不一
定就好。因此仅用S/N参数来评价光电检测器件的优劣有
一定的局限性。
2.等效噪声输入
等效噪声输入(ENI）被定义为器件当特定带宽内(1Hz)
光电探测器件输出的均方根信号电流恰好等于均方根噪声
电流时光输入通量。
等效噪声输入可以用来确定光电探测器件的探测极限(
以输入通量为瓦或流明表示)，小于等效噪声输入量的光入
射时，信号电流会淹没于噪声电流之中，此时便无法区分
两者。
3.噪声等效功率(NEP)
噪 声等 效 功 率 (NEP) ： 又 称 最 小 可 探 测 功 率
Pmin 。 它 定 义 为 当 信 号 功 率 与 噪 声 功 率 之 比 为
1(S/N=1)时，入射到探测器上的辐射通量(单位为
瓦)。即：
在ENI单位为瓦时等效于NEP。一般一个性能良
好的探测器件的NEP约为10-11W。通过NEP定义可以
发现，NEP越小，均方根噪声电流越小，从而表明
器件的性能越好。
实际应用中可以通过改进探测器的设计来减小
NEP值。由于噪声频谱很宽，为了减小噪声的影响，
将探测器后面的放大器做成窄带同放大器，并将其
中心频率选为调制频率。这样产生的信号不会受影
响但却可以去除一部分噪声，从而减小了NEP值，在
这种情况下可以对NEP重新定义，即：
式中Δf为电子线路带宽。
4.探测率D与比探测率D*
引入两个新的性能参数——探测率D和比探测率D*。
探测率D又成为探测度，定义为等效噪声功率NEP的倒数
，即：
从其定义来看，D愈大，光电探测器的性能就愈好
为了方便比较，需要把探测率D标准化(归一化)到
测量带宽为1Hz、光电探测器光敏面积为lcm2。这样就
能方便地比较不同测量带宽、对不同光敏面积的光电
探测器测量得到的探测率，这一归一化的探测率称之
为比探测率，这里用D*表示。D*的表达式为:
VN为噪声电压，Ad为探测器光敏面积，Δf为测量带宽
。
5.暗电流
暗电流：即光电探测器在反偏压情况下，没有输入信
号和背景辐射时所产生的反向直流电流(加电源时)。
习题
光电二极管的响应度为 0.85 A/W, 饱和输入光功率为
1.5 mW, 当入射功率分别为 1mW 和2mW时光电流分别为
多少？
解 当输入光功率为1mW, 由 I=RP,可以得到
I=0.85 A/W x 1mW = 0.85 mA.
当输入光功率为2mW,光电二极管已经不在线性区工作，
公式I=RP不在适用。
这个例子告诉我们，在选择光电探测器的时候，除了考虑
光电器件的光谱范围、时间响应特性外，光电探测器的线性
特性也是重要的一个方面。
测量带宽为1Hz时，面积为0.4cm2的某探测器的噪声等效
功率为3 x 10-9 W/(Hz)0.5,问该探测器的比探测率D*是？
解 根据式(2.20),
D*=(0.4 cm2)0.5/3 x 10-9 W/(Hz)0.5
=0.632 cm x 0.333 x 109 (Hz)0.5/W
=2.11 x 10 8 cm Hz0.5/W
下图描述的是斩光器系统，即风扇式轮叶，在一定转速
下，将连续光调制(斩断)成一定频率的周期性脉冲光，
试理论分析用于此系统探测的探测器件的应满足的频率
响应。
解：对于此系统，入射到探测器上的光辐射，可以用数
学上delta函数表示 P(t )  P0 (t )
 0, t  0
由此探测器相应产生的电压为： v(t )   t /
v0e , t  0
由于δ函数频谱是常数，它包含了所有频率信息，而且
均匀分布，因此探测器的频率响应由v(t)的频谱决定。
对v(t)进行Fourier变换，得到：

v0
 i 2 ft
V ( f )   v(t )e
dt 
1  i 2 f 

由此得到光电探测器响应率与频率之间的关系，满足以下
关系式：
式中， R0为频率是f=0时的响应度；τ为响应时间。
一般规定 R(f)/ R0=1/=0.707时的频率fc称为探测器的截
响应频率。
fc 
1
2