第2章 光电探测-2 2013.4.12

1 1 D* ( Af ) 2 / NEP NEP *
D * D Af
归一化探测度
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λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf， 即D*(λ, f ,Δf )。
二、噪声特性

在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号 并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏， 它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。
响应时间。对调制频率低的入射光，具有较好
的响应度，对调制频率高的入射光，响应度变差。 具有低通特性，光电导驰豫限制了器件对调制 频率高的光信号的响应。
11
响应度下降为最大值的0.707倍时，所对应的调制 频率称为截止频率。即Rv 0.707 Rv0 所对应的。 1 此时， Rv Rv0 2 2 2 1 2 1 2 增大 截下降， 下降 截增大 说明光生载流子寿命越长，对高频调制响应越差。

若用分贝（dB）表示，为
I S2 I S 10 lg 2 20 lg S IN IN N
６、噪声等效功率(NEP)

定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入 射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。
这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电 压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）
(二)光谱灵敏度Rλ
由于光电探测器的光谱选择性，不同波长的光功率谱 密度在其它条件不变下所产生的光电流i是波长的函 数，记为iλ (或uλ )，于是定义光谱灵敏度Rλ 为
Rλ＝diλ／dPλ
如果Rλ是常数，则相应的探测器称为无选择性探测器 (如光热探测器)。光子探测器是选择性探测器。通常 给出的是相对光谱灵敏度Sλ，它定义为
hv Ri e
考虑到式，又有光谱量子效率
e i (t ) P(t ) hv

hc Ri e
di i Ri dP P
量子效率正比于灵敏度，反比于波长。
光电子技术研究所
通量阈Pth和噪声等效功率NEP
从灵敏度R的定义式
di i Ri dP P
可见，如果P＝0，应有i=0源自光电探测器常见的噪声

热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声
1、热噪声



或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运 动造成的噪声。 导体或半导体中每一电子都携带着电子电 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。 热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度 成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪 声。
从10％上升到90％峰值处所需
的时间称 r 为探测器的上升时 间,而把从90％下降到10％处所 需的时间称为下降时间f，如图 6—5所示。探测器响应时间由
材料、结构和外电路决定。
综上所述， 光电流是两端电
压V、光功率P、光波长和光 强度调制频率f的函数，即
以V、P、λ、f为参量， i＝F(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。 i=F(P)及其曲线称为光电特性曲线； i＝P(λ)及其曲线称为光谱特性曲线；
D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。
(七)其它参数
is SNR in
(电流信噪比) (电压信噪比)
us SNR un
NEP Pth Ps
( SNR ) i
1
NEP Pth Ps
( SNR ) u
1
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、归一化探测度D* 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
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响应时间
1

1
响应时间 响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的 一个参数。 当入射辐射到光电探测器后，光电探测器的输出上 升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间称为响 应时间,通常用时间常数的大小来表示。
当用一个矩形辐射脉冲照射光 电探测器时，把探测器的输出
光电探测器和其它器件一样，有一套 根据实际需要而制定的特性参数。 它是在不断总结各种光电探测器的共 性基础上而给以科学定义的。
依据这一套参数，人们就可以评价探 测器性能的优劣，比较不同探测器之 间的差异，根据需要 合理选择和
正确使用光电探测器的目的。
光电子技术研究所
(一)积分灵敏度
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。 光电探测器本质是一个外电压偏置的电流输出 器件，通过负载电阻又可变为电压输出器件。 光照下，它有两个极端的输出状态——短路电流 和开路电压。负载电阻为零时，输出电流为短路 电流，负载电阻比探测器内阻大得多时，输出电 压为开路电压。 这个短路电流和开路电压，就是信号电流和信号 电压。 光电子技术研究所
1 D (瓦 1 ) NEP
D值越大，探测器的探测能力高。
“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Δf对D值影 响甚大。
通常情况下 NEP Af 为了比较比较各种探测器的性能，需除去A、f 的差别 所带来的影响
归一化参数来表示
NEP* NEP Af
实际情况是，当P＝0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
I n (in2 )
1/ 2
它是瞬时噪声电流的有效值。灵敏度R巳失去意义， 须定义一个新参量来描述光电探测器的特性。
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。
光谱灵敏度通常以灵敏度随波长变化的规律曲线来表 示。有时只取灵敏度的相对比值，且把最大的灵敏度 取为1，这种曲线称为归一化光谱灵敏度曲线。
S=R/Rm
(三)频率灵敏度Rf
如果入射光是强度调制的， 在其它条件不变下，光电流if 将随调制频率ｆ的升高而下降， 这时的灵敏度称为频率灵敏度 Rf，定义为 式中 称为探测器响 应时间或时间常数。 由材料、结构和外电 路决定。一般规定， Rf下降到R／ 2 ＝ 0．707R时的频率fc 为探测器的截止响应 频率或响应频率。
Sλ＝Rλ／RλM
式中RλM是指的最大值， 相应的波长称为峰值波长。 光电子技术研究所
由Sλ＝S(λ)所绘制的曲线称为探测器的光谱灵敏度曲线。 如果入射光功率有一波长范围，引入相对光功率谱密度 函数fλ，它的定义为 fλ＝Pλ／PλM 将探测器的Sλ曲线和入射光的fλ曲线画在图中，明显可 见光电探测器和入射光功率的光谱匹配是多么重要。 光电子技术研究所
偏置电压一定，光电流i(或光电压u)和 入射光功率P之间的关系i＝f(P)(或u＝g
(P))称为光电探测器的 光电特性，相 应的曲线称为光电特性曲线。
灵敏度定义为相应曲 线的斜率，即电流灵 敏度Ri和电压灵敏度 Ru。分别为
Ri＝di／dp
Ru＝du／dp
(安／瓦)
(伏／瓦)
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i和u均是电表测量的电流、电压 有效值。因为式中的光功率P一 般是指分布在某一定光谱范围内 的总功率，因此，这里的Ri和Ru 又分别称为积分电流灵敏度和积 分电压灵敏度。
i F (V , P, , f )
i=F(V)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。
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(四)量子效率
灵敏度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，量子效率η则是对同一个问题 的微观---宏观描述。现在把量子效率和灵敏度联系 起来， 可得



4、1/f噪声

或称闪烁噪声或低频噪声。 噪声的功率近似与频率成反比 多数器件的1/f噪声在200~300Hz以上已 衰减到可忽略不计。
５、信噪比

信噪比是判定噪声大小的参数。 是负载电阻上信号功率与噪声功率之比
2 2 PS I S RL IS S 2 2 N PN I N RL IN
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
in Pth (瓦 ) 探测器所能探测的最小光信号功率 Ri
除了通量阈来描述光电探测器的这种特性外， 还可以用噪声等效功率NEP来描述。 定义为单位信噪比时的信号光功率。

e NEP (W ) SNR

一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。 NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。

噪声等效功率是一个可测量的量。
设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0
然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN 则按比例计算，要使U0＝UN，的辐射功率为
NEP P U0 UN
2
(W )
７、探测率与归一化探测率

探测率D定义为噪声等效功率的倒数 1 D NEP 经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大 器带宽Δf 乘积的平方根成正比

归一化探测率D*，即
1 D D ( Ad f )1/ 2 NEP*
*
1 I i T


T
0
i (t )dt
用均方噪声来表示噪声值大小
1 T i(t ) [i(t ) i(t )]2 dt T 0
2

噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响 对信号特别是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测 系统的噪声所限制。 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减 小和消除噪声是十分重要的问题。