第2章 光电探测器概述

光电探测器的工作条件

光谱匹配 电路的通频带和带宽 工作温度 光敏面尺寸 偏置情况
2.2 光电探测器的特性参数 1．光电特性 2. 灵敏度与光谱特性 3．等效噪声功率和比探测率 4．响应时间与频率特性
1．光电特性
光电特性是指电学参量与光辐射参量之间的函 数关系。
例如：I=f（Ф） I=f（E） 例1：P109 光电倍增管的 光电特性 线性度-重要性
k =1
SNR =
IS
2 IN
3．噪声等效功率和比探测率
辐射通量 信号电流 噪声电流
Φmin
NEP = Φmin
I=
2 IN
当探测器输出的信号电流I (或电压U)等于探测器 本身的噪声电流(或电压)均方根值时，入射到探 测器上的信号辐射通量称为噪声等效功率（简称 NEP）
3．噪声等效功率和比探测率
典Байду номын сангаас光电探测器的D*曲线
4. 响应时间与频率特性
矩形光脉冲，响应出 现上升沿和下降沿
通常光电器件输出的电信号都要在 时间上落后于作用在其上的光信号， 即光电器件电信号输出相对于输入 光信号要发生时间上的扩展，其扩 展特性可由响应时间来描述。光电 器件的这种相应落后于作用光信号 的特性称为惰性，将会使先后作用 的光信号产生交叠，从而降低了信 号的调制度。如果接收器件测试的 是随时间快速变化的物理量，则由 于惰性的影响会使输出产生严重畸 变。
2. 灵敏度与光谱特性
光谱灵敏度 ：
U (λ ) RU (λ ) = Φ (λ )
S
I (λ ) RI (λ ) = Φ (λ )
例1：人眼 光谱灵敏度
例2：硅光电器件 光谱灵敏度
2. 灵敏度与光谱特性 光谱特性（曲线）
光谱响应 范围
峰值波长λp
截止波长λ0
2. 灵敏度与光谱特性
光谱灵敏度 ：
NEP = Φmin
2 I = IN
探测能力：探测器灵敏度 探测器噪声水平
2 N
Φ = = NEP SNR
噪声等效功率
I RΦ
1 RI -1 (W ) = D= 2 NEP IN
愈大愈好－－习惯
－－又称为最小可探测功率
由于探测率与探测器面积以及测量系统的带宽有关，对于比较不同类型、 不同工作状态探测器的探测性能存在不便，为此，更常用的是采用比探 测率D*(叫作D星)，
2 2 2 IG = 4 qI ∆ = f 4 q G ηi E p Ad ∆f p −R
式中，Ep为入射光在探测器表面产生的辐照度；Ad为探测器的工 ηi为探测器的内量子效率；G为光是导器件的增益。 作面积；
半导体器件中由于载流子的产生与复合而 引起的平均载流子浓度的随机起伏。
1/f 噪声通常又称为电流噪声 4． 1/f 噪声 －－也称为闪烁噪声或过剩噪声
3．产生－复合噪声 －－又称为g－r噪声 （Generation Recombination）
光导型探测器的G-R噪声是由于半导体内的载流子在产生和复合过 程中，自由电子和空穴数随机起伏所形成，也属于白噪声，相当于光 伏型探测器中单向导电P-N结内的散粒噪声，只是这类双向电导元件 的G-R噪声比散粒噪声大倍。
I (λ ) RI (λ ) = Φ (λ )
用单色光测量； 一般为曲线
积分灵敏度：
I RI = Φ
用标准光源测量； 一般为具体数据
3．噪声等效功率和比探测率
辐射通量 信号电流 噪声电流
Φmin
探测器的总噪声电流的均方值等于各项互不相关噪声电流均方值之和
2 IN = ∑ I k2 K
只有信号电流足够强，才能与噪声电流区别开来。于是，用信号电流与噪 声电流之比——信噪比，作为表征探测系统探测能力和精度的一个十分重 要的指标，记作SNR。
1/f噪声的产生机制还不很清楚，一般认为，它与半导体的接触、 表面、内部存在的势垒有关，所以有时叫做“接触噪声”，其值随 信号调制频率的增加而减少，即
I ≈ KI ∆f / f
2 f 2
低频区： 1kHz以下
机理目前尚不清楚
5．温度噪声 热探测器中由于器件本身吸收和传导等的 热交换引起的温度起伏
G为器件的热导 由热探测器和背景之间的能量交换所造成的探 测器自身的温度起伏，称为温度噪声。
第2章 光电探测器概述
2.1 光电探测器概述 2.2 光电探测器的性能参数 2.3 光电探测器的噪声

补充知识：

半导体物理基础知识 探测器的校正
噪声的基本概念、表示方法 及分类
光电 子探 测器
② 光伏效应：半导体P-N结在吸收具有足够能量 的入射光子后，产生电子-空穴对，在 P-N结电场 作用下，两者以相反的方向流过结区，从而在外 电路产生光电流。基于这类效应的探测器有以硒、 ③ 光电导效应。半导体材料在没有光照下，具有 硅、锗、砷化镓等材料做成的光电二极管、光电 三极管等 。 一定的电阻，在接收入射光辐射能时，半导体释 放出更多的自由电子，表现为电导率增加 (电阻值 ① 外光电效应：当光子入射到探测器阴极表面 下降 )。这类光电探测器有各种半导体材料制成的 (一般是金属或金属氧化物 )时，探测器把吸收的 光敏电阻等。 热探测器利用热电效应。即探测器接收光辐射能 入射光子能量(hν=hc/λ)转换成自由电子的动能， 后，引起物体自身温度升高，温度的变化使探测 当电子动能大于电子从材料表面逸出所需的能量 器的电阻值或电容值发生变化 ( 测辐射热计 ) ，或 时，自由电子逸出探测器表面，并在外电场的作 表面电荷发生变化 ( 热释电探测器 ) ，或产生电动 用下，形成了流向阳极的电子流，从而在外电路 势 ( 热电偶，热偶堆 ) 等，通过这些探测器参量的 产生光电流。 变化，获取入射光辐射量。
多个噪声源 （互不相关） 噪声功率谱
光电探测系统噪声：
噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理
探测器的噪声
1．热噪声(Johnson噪声) 2. 散粒噪声 3．产生－复合噪声 4．1/f 噪声 5．温度噪声
1．热噪声(Johnson噪声)
热噪声由电阻材料中离散的载流子(主要是电子)的热运动造成。只 要电阻材料的温度大于绝对零度，则不管材料中有无电流通过，都存 在着热噪声。热噪声电流的均方值为
积分响应度和光谱响应度的关系为
I R= = Φ Φ
∫ R (λ )Φ (λ ) d λ ∫ Φ (λ ) d λ
λ
Φ
, R= E
λ
∫ R (λ ) E (λ ) d λ ∫ E (λ ) d λ
λ
E
,R = L
λ
∫ R (λ ) L (λ ) d λ ∫ L (λ ) d λ
λ
L
λ
可以看到：积分响应度不仅与探测器的光谱响应度有关 ，也与入射辐射的光谱特性有关，因而，说明积分响应 度时通常要求指出测量所用的光源特性。
2.3 光电探测器的噪声
噪声的基本概念 噪声的表示方法 探测器噪声分类
噪声的基本概念
信号平均值处有随机起伏－－含有噪声 例如： 放音机的噪声 激光器的噪声
噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理
噪声的表示方法
用均方噪声
2 in
2 i n总
2 un
=
2 i n1 2 + in2 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + i nk
由于光子流以间断入射的形式投射到探测器表面，以及探测器内部光 子转换成电子动能而产生的电子流具有统计涨落的特性，形成散粒噪声。 假设入射光子服从泊松(Poisson)概率密度分布，则可导出
= I n2 2qI p ∆f
I p 为平均电流A; 2 为散粒噪声电流均方值(A)；q为电子电量(K)； 式中， In ∆f 为测量系统的噪声等效带宽(1/s)。 散粒噪声属于白噪声，其频带宽度为无限大。实际上，通过系统的噪声 电流与测量系统的频带宽度(由探测器的频带宽度和测量系统的频带宽度所 决定的)成正比。这样，在满足测量系统工作性能的前提下，∆f应当尽可能 窄。
光电探测器
光电子探测器利用光电效应，把入射到物体表 面的辐射能变换成可测量的电量。
2.2 光电探测器的性能参数
① 探测器的输出信号值定量地表示多大的光辐射度量， 即探测器的响应度大小。 ② 对某种探测器，需要多大的辐射度量才能使探测器 产生可区别于噪声的信号量，即与噪声相当的辐射功率 大小。 ③ 探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围 等。另外，还有表面响应度的均匀性、视场角响应特性、 偏振响应特性等。
2.3 光探测器的噪声 1．热噪声(Johnson噪声) 2. 散粒噪声 3．产生－复合噪声 4．1/f 噪声 5．温度噪声 实际的光电探测器所含的噪声种类及大小， 后面各章结合器件介绍。
= IT2 4kT ∆f / R
式中，k为玻兹曼常数；T为元件的温度(K)；R为探测器的电阻值。 使探测器致冷或者探测器及前置放大器一起制冷，可以减少热噪声电 流。
热噪声是由于载流子的热运动而引起电流或电压 的随机起伏。
光电探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作 用或热激发下引起光电子或载流子的随机起伏 2. 散粒噪声（Shot噪声）
τ－探测器响应时间 （时域）
4. 响应时间与频率特性
正弦型调制光，响应率 随频率升高而降低
光辐射探测器本身也是一种阻抗元件，故 在光电信号转换中有一定的时间常数。当入 射光信号的调制频率f甚高时，探测器可能难 以响应。 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率 而变化的特性称为频率响应探测器的特征响 应频率fc定义R(fc)=0.707Rmax对应的频率。 若R、C分别为探测器和负载电阻所构成等效 电路的电阻和电容值，则 因此，实用上可用改变探测器的负载电阻 R或等效电容C的方法改变频率响应特性。
2. 灵敏度与光谱特性
灵敏度是表征探测器将入射光信号转换成电信 号能力的特性参数，又称为响应率/响应度。