光电探测器的性能与参数
光电探测器
种类
• • • • 真空管光电探测器（PMT等） 半导体光电探测器 热电探测器 多通道探测器、成像器件
1.真空管光电探测器
• 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应
光电阴极材料 • 光吸收系数大 • 传输能量损失小 • 光电子逸出功低
探测器窗口 • 透过率大
G n
AE
1.2光电倍增管
主要指标：
4. 暗电流 • 主要来源于阴极和倍 增级的热电子发射 • 决定了光电倍增管可 探测的最小光功率 • 暗电流与管子的工作 温度以及所加电压有 关
1.2光电倍增管
主要指标：
5.噪声等效功率 • 与阳极暗电流相等 的阳极输出电流所 需要的光功率决定 了光电倍增管可探 测的最小光功率 • ～10-15—10-16瓦， • ～10-18—10-19瓦（冷 却后），单光子探 测水平
单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比
如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率 为多少(光波长为1um)？
光探测器－参数
2.噪声等效功率（NEP） • 信噪比: SNR 信号的峰值和噪声的有效值(√带宽)之比
• NEP
NEP P S / N 1/ Hz
单位为W/Hz1/2
R1
C
R2
Vs
fC
图2.3 探测器的频率响应
f
Vmax
1 = c
T
i t dt
0
光探测器－参数
响应光谱 频谱响应 噪声
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
白噪声
热噪声均方振幅电压值：
光电探测器 标准
光电探测器标准
光电探测器的标准通常包括以下几个方面：
响应度：光电探测器产生光电流与入射光功率之比，单位通常为A/W。
响应度与量子效率的大小有关，为量子效率的外在体现。
量子效率：描述光电探测器将光子转换为电子的能力。
暗电流和噪声：在没有光入射的情况下，探测器存在的漏电流被定义为暗电流。
其大小影响着光接收机的灵敏度大小，是探测器的主要指标之一。
等效噪声功率（NEP）：代表光电探测器的噪声水平。
跨阻增益：单位有的是V/A，有的是V/W，意思是输出电压信号幅度除以输入光电流或者光功率。
带宽：带宽是衡量光电探测器响应速度的指标。
输出信号幅度：在高频的光电探测器有的会做限幅处理，只有两三百毫伏，这将影响动态范围。
探测功率过大可能会导致探测器饱和无法探测到真实值，甚至烧坏探测器。
光纤接口还是自由空间光，两种类型的光敏面相差很大。
电源供电，双电源还是单电源。
这些标准因不同的光电探测器和应用而有所不同，选择适合的探测器需要考虑这些因素以达到最佳性能。
光电探测器探测性能多参数分析
光电探测器探测性能多参数分析光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的设备，广泛应用于光通信、光电子学、生物医学等领域。
光电探测器的探测性能对于其应用效果具有重要影响，因此准确分析和评估光电探测器的性能参数是必不可少的。
1. 灵敏度光电探测器的灵敏度是指能够探测到的最小光功率。
通常用单位面积功率密度来表示。
灵敏度越高，意味着该探测器在较弱的光信号条件下仍能正常工作。
灵敏度的高低取决于光电探测器的设计及其所采用的材料。
一种常见的评估指标是光电探测器的响应度。
2. 噪声等效功率噪声等效功率指的是在光电探测器工作状态下，由于设备本身所产生的噪声引入到输出信号中的功率。
噪声等效功率是光电探测器性能的重要参数之一，能够影响到信号与噪声的比值，从而影响信号的清晰度和精确度。
3. 响应时间响应时间是光电探测器从光信号到电信号的转换所需的时间。
这个时间对于对时间精度要求比较高的应用非常重要，如高速通信和光纤通信。
较快的响应时间有助于光电探测器更快地对光信号进行处理和传输。
4. 波长响应特性波长响应特性是指光电探测器对不同波长的光源的响应能力。
由于不同波长的光源具有不同的能量和频率特性，因此光电探测器在不同波长下的响应特性可能有所差异。
光电探测器的波长响应特性需要与具体应用需求匹配。
5. 饱和光功率饱和光功率是指使光电探测器输出信号达到最大值所需输入光功率。
饱和光功率与灵敏度相关，可以用来评估光电探测器的动态范围。
较高的饱和光功率可以使光电探测器在高强度光信号条件下工作稳定。
6. 线性范围光电探测器的线性范围指的是输入光功率的变化范围，使得其输出信号与输入信号之间呈现线性关系。
较宽的线性范围意味着光电探测器能够适应更大范围的输入光功率变化，从而提高测量的精确性和可靠性。
以上介绍的参数只是光电探测器性能分析中的一小部分，还有一些其他的性能指标也是需要考虑的，如扩散响应、非线性特性等。
在实际应用中，根据具体的需求选取相应的参数进行分析和评估是非常重要的。
光电探测器的性能测试与分析
光电探测器的性能测试与分析光电探测器是一种广泛应用于光学、光电子学、光电通信、生物医学等领域的基础元器件，具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好、成本低等优点。
然而，光电探测器的性能测试与分析是确保其正常工作和优化设计的必要步骤。
本文将介绍光电探测器的性能测试与分析方法。
一、光电探测器的基本结构和工作原理光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件，其基本结构包括光敏元件、前置放大电路和输出电路。
光敏元件通常采用半导体材料，如硅、锗、InGaAs等，具有光电转换和放大作用。
前置放大电路主要起放大和滤波功能，能够放大光电信号，并去除其中的杂音和干扰。
输出电路则将放大的信号输出到外部测量仪器或其他电子设备中。
在工作原理上，光电探测器一般采用光电效应或击穿效应。
光电效应是指光子通过光敏元件后形成电子-空穴对，进而产生电流。
击穿效应则是指当光信号足够强时，光敏元件内的电荷载流子得以大量产生，从而使电流产生剧烈变化。
二、光电探测器的性能指标光电探测器的性能指标通常包括以下几个方面：1. 灵敏度：指单位光功率下探测器输出信号的大小，单位一般为安培/瓦特（A/W）。
2. 相应速度：指探测器对光信号的响应速度，单位一般为赫兹（Hz）或皮秒（ps）。
3. 噪音等效功率：指在没有光信号的情况下，探测器输出的随机噪声功率密度，单位一般为瓦特（W）或分贝（dBm）。
4. 动态范围：指探测器能够处理的最大信号与最小信号之间的比值，单位一般为分贝（dB）。
5. 波长响应范围：指探测器对光信号的波长响应区间，单位一般为纳米（nm）。
以上性能指标是评估光电探测器性能好坏的重要标准。
三、光电探测器的性能测试步骤对光电探测器进行性能测试是确保其正常工作和优化设计的必要步骤。
下面介绍典型光电探测器的性能测试步骤：1. 灵敏度测试：将探测器置于恒强光源下，通过测量输出电流和光功率计算灵敏度。
2. 噪音等效功率测试：将探测器置于黑暗环境下，测量输出电流，通过绘制功率谱密度曲线来计算噪声等效功率。
光电探测器的性能与参数
依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为
02
06
04
01
03
05
02
01
05
03
02
04
探测器的噪声功率N ∝Δf，所以
01
于是由D的定义知
02
另一方面，探测器的噪声功率N∝ A
03
所以
04
又有
05
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λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ, f ,Δf )。
以u，P，λ为参变量，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。 同样，i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。 i＝F (λ)及其曲线称为光谱特性曲线。 而i＝F (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。
知识延伸
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。
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
光电探测器性能的参数(精)
光电探测器性能的参数
表征光电探测器性能参数主要有：量子效率、响应度、频率响应、噪声和探测度等。
其中量子效率和响应度表征了光电探测器将入射光转换成光电流本领的大小，频率响应表征了光电探测器工作速度的快慢，噪声和探测度表征了光电探测器所能探测到最小的入射光能量。
表征光电探测器性能参数主要有：量子效率、响应度、频率响应、噪声和探测度等。
其中量子效率和响应度表征了光电探测器将入射光转换成光电流本领的大小，频率响应表征了光电探测器工作速度的快慢，噪声和探测度表征了光电探测器所能探测到最小的入射光能量。
光电探测器综述(PD)讲解
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
光电探测器的性能参数
光电探测器的应用领域包括通 信、医疗、军事等
光电探测器的分类包括光电二 极管、光电三极管、光电倍增 管等
光电探测器的分类
按照工作原理分 类：光电管、光 电倍增管、光电 二极管、光电三 极管等
按照响应波长分 类：紫外探测器、 可见光探测器、 红外探测器等
按照响应速度分 类：慢速探测器、 快速探测器、超 高速探测器等
技术更新：光电探测器技术不 断更新，需要不断研发新产品
法规限制：法规限制光电探测 器的应用范围，需要寻找新的
应用领域
环保要求：环保要求不断提高， 需要研发环保型光电探测器
应用挑战
提高灵敏度：提 高光电探测器的 灵敏度，以适应 更广泛的应用领 域
降低功耗：降低 光电探测器的功 耗，以延长其使 用寿命和降低成 本
噪声功率
影响因素：光 电探测器的灵 敏度、噪声系
数、带宽等
测量方法：通 过测量光电探 测器的输出信 号与噪声信号 的比值来计算
应用：在光电探 测系统中，噪声 等效功率是评估 探测器性能的重
要指标之一
探测率
探测率是指光电探测器在单位时间内接收到的光子数 探测率与光电探测器的灵敏度、响应时间、噪声等因素有关 探测率是衡量光电探测器性能的重要参数之一 提高探测率可以提高光电探测器的探测效率和精度
提高稳定性：提 高光电探测器的 稳定性，以适应 各种恶劣环境
提高集成度：提 高光电探测器的 集成度，以实现 更小型化和便携 化的应用
感谢您的观看
汇报人：XX
工业测量：用于 测量温度、压力、 流量等工业参数
工业检测：用于 检测产品质量、 缺陷等
医疗领域
生物医学研究：用于细胞、 组织、器官的成像和检测
医疗影像诊断：用于X射线、 CT、MRI等设备的成像
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光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
二、光谱灵敏度Rλ
条 于件是光下光功不 谱率变灵谱的敏密情度度况Rλ定P下λ由义，于为光光电电流探将测是器光的波光长谱的选函择数性，，记在为其iλ，它
R
i dP
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f (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
Ri
di dP
i P
(线性区内) (安/瓦) 有些教材
采用微安
Ru
du dP
u P
(线性区内) (伏/瓦) /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。
(电压信噪比)
un
于是有 ：NEP Pth
in is Ri is
is Ri
in is
Ps SNRi
Ps
(SNR )i 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。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
dn电 dn光
dt dt
i(t) e P(t)
hv
h
e
Ri
这里给出量子效率和灵敏度关系
h
e
Ri
对某一波长来说，其光谱量子效率 ：
hc
e
Ri
c是材料中的光速。量子效率正比于灵敏度而反比于波长。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
物理描述
光电转换特性的量度 对某一波长光电转换的量度 电流随调制频率变化的量度 吸收的光子数和激光的电子数之比 探测器所能探测的最小光信息功率 单位信噪比时的信号光功率
表达式
Ri
di dp
i p
Ru
du dp
u p
R
i dP
Rf
if p
h
e
Ri
Pth
in Ri
NEP Ps SNRi 1
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光电倍增管
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
4.2 光电探测器的性能参数
光电倍增管
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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。
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光纤耦合
自由光输入
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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
主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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？
引入相对光谱功率密度函数，它的定义为
f '
P ' P 'm
(3)
把(2)和(3)式代入(1)式，只要注意到
dP' P'd'
dP ' 变化量
和
di i d
就有
di S RmP'm f'd'd
积分上式，有
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i
0
di [ 0
S Rm P'm f'd'] d
三、频率灵敏度Rf(响应频率fc和响应时间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
Rf
if P
if是光电流时变函数的付里叶变换，通常
if
i f 0
1 (2f )2
τ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。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
频率灵敏度
Rf
R0
1 (2f )2
这就是探测器的频率特性，R f随f 升高而下降的速度与τ 值大小关系很大。
一般规定，R f下降到 R0 / 2 0.707R0
频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。
与噪声等效功率成倒数、光敏面积 D* Af / NEP 和噪声功率有关
单位
安/瓦 伏/瓦 安/瓦
安/瓦
瓦 瓦 厘米.赫 兹1/2/瓦
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
知识巩固
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1、光电探测器的特性的微观量宏观量描述是什么？
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
SNR is
(电流信噪比)
in
SNR us
决定。
1
fc 2
光电流是两端电压u、光功率P、光波长λ和光强调制频
率f的函数，即
i F(u, P,, f )
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以u，P，λ为参变量，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。
Rm
dP
'm
0
S
f'd'
0
0
f ' d ' f ' d '
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式中
0
f ' d'
1 P 'm
0
P' d'
P
/
P 'm
并注意到 Rim Rm d
同样，i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。
i＝F (λ)及其曲线称为光谱特性曲线。
而i＝F (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。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
四、量子效率η
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。
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。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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η则是对同一个问 题的微观—宏观描述。
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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 工作，甚至使探测器损坏。
从上式可见：
fc
1
2
当f<fc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。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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 μm 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。
1
Rλ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Sλ定义为
S R / Rm
(2)
Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光 谱灵敏度曲线。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
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