光电探测器
有机光电探测器的定义和分类
有机光电探测器的定义和分类有机光电探测器是一种通过有机材料将光信号转化为电信号的器件。
它具有结构简单、加工工艺成本低、可用于大面积器件制备等优点，因此被广泛应用于光电信息处理领域。
根据其工作原理的不同，有机光电探测器可以分为光电导型、光电流型和光电压型三类。
光电导型有机光电探测器是指那些在光照下，其电导率会随着光强度的增加而增加的器件。
这种器件的工作原理是利用光子的能量将有机材料中的电子激发到传导带中，从而形成电导电流。
光电导型有机光电探测器通常由有机半导体材料构成，例如聚合物、小分子化合物等。
这类器件具有响应速度较快、灵敏度较高、制备工艺简单等优点，因此在光通信、光存储、光传感等领域有着广阔的应用前景。
光电流型有机光电探测器是指那些在光照下，其输出信号是光电流的器件。
这种器件的工作原理是利用外界光照下的光子能量将有机材料中的载流子激发到传导带或者价带中，从而产生电流。
光电流型有机光电探测器通常由有机半导体材料构成，例如聚合物、小分子化合物等。
这类器件具有高电流响应、低噪声等特点，适用于光通信、光传感等领域。
光电压型有机光电探测器是指那些在光照下，其输出信号是光电压的器件。
这种器件的工作原理是通过光激发的载流子在有机材料中产生空间电荷分离形成电压信号。
光电压型有机光电探测器通常由有机半导体材料构成，例如聚合物、小分子化合物等。
这类器件具有高电压响应、低噪声等特点，适用于成像传感器、光电转换器等领域。
除了根据工作原理的分类，有机光电探测器还可以根据其器件结构的不同进行分类。
常见的有机光电探测器结构包括有机薄膜型、有机异质结型、有机量子阱型等。
其中，有机薄膜型具有制备工艺简单、成本低廉等优点，适用于大面积器件制备；有机异质结型具有电荷分离效果好、较高的光电转换效率等特点，适用于高性能光电器件制备；有机量子阱型则具有高载流子迁移率、低激子束缚能等特点，适用于光电转换效率、响应速度等要求较高的器件制备。
光电信号检测光电探测器概述概要课件
光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理基于光子与物质相互作用产生电子-空穴对或光生电场效 应，从而将光信号转换为电信号。
具体来说，当光子照射到光电探测器的敏感区域时，光子能量被吸收并产生电子 -空穴对，这些电子-空穴对在电场的作用下分离并形成光电流，从而完成光信号 到电信号的转换。
光电探测器的应用领域不断拓 展，如物联网、智能制造、无 人驾驶等新兴领域，为市场发 展带来更多机遇。
05
光电探测器的挑战与展望
光电探测器的挑战与展望
• 光电探测器是用于检测光信号并将其转换为电信号的器件，广泛应用于光通信、环境监测、安全监控等领域。随着光电子技术的发展，光电 探测器的性能不断提高，应用范围不断扩大。
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04
光电探测器的市场前景
全球市场情况
光电探测器在全球范围内应用广泛，包括通信、工 业、医疗、安全等领域。
随着技术的不断进步和应用需求的增加，全球光电 探测器市场规模持续增长。
市场竞争激烈，各大厂商在技术研发、产品创新等 方面不断投入，以提高市场份额。
中国市场情况
02
01
03
中国光电探测器市场发展迅速，成为全球最大的光电 探测器市场之一。
光电探测器的分类
01
光电探测器可以根据工作原理、材料、波长响应范围、光谱响应特、光电发射型等；按材料可分为硅基、锗 基、硫化铅等；按波长响应范围可分为可见光、红外、紫外等；按光谱响应特 性可分为窄带、宽带等。
03
•·
02
光电探测器的应用
通信领域的应用
光纤通信
光电探测器在光纤通信中起到至关重要的作用。它们能够将光信 号转换为电信号，使得信息的传输和处理成为可能。
光电探测器
单光子雪崩二极管探测器构成和分类
SPAD探测成像技术主要包括： 单光子雪崩二极管、雪崩淬灭电路、雪崩信号读取电路三部分
其中淬灭电路，分为： 被动式淬灭、主动式淬灭、门脉冲淬灭 雪崩信号读取电路，根据每次能够读出的像素数目可分为： 像素串行读出、像素并行读出、列并行读出
三 单光子雪崩二极管的工作原理
Vs ( ) RV ( ) P ( )
I s ( ) RI ( ) P ( )
④ 频率响应度
频率响应度R(f)：响应度随入射光频率而变化的性能 参数。其表达式为：
R0 R( f ) [1 (2f ) 2 ]1/ 2
式中R(f)为频率为f 时的响应度；R0为频率为零时的响 应度；为探测器的响应时间或称时间常数,由材料和外 电路决定。
单光子雪崩二极管的工作原理
单光子雪崩二极管就是利用APD 的雪崩效应使光电流得 到倍增的高灵敏度的光子检测器。理论上，当APD 的反 向偏压无限接近其雪崩阈值电压时，认为电流增益接近 无穷大；实际上，当APD 的反向偏压不超过雪崩电压时， 电流增益增长到一定量就会饱和 ，该饱和值无法确保 APD 一定能够检测到单光子信号。因此，通常使APD 两 端的偏置电压高于其雪崩电压，确保当有光子信号到达 时，APD 会被迅速触发而产生雪崩，这种偏置方式称为 盖革模式。由于APD 只有工作在盖革模式下才具备单光 子探测能力，所以通常直接用单光子雪崩二极管（SPAD） 来表示。
SPAD的探测机理
拉通结构将吸收区和倍增区合二为一，漂移区和倍增区分开， 这种特点保证了SPAD高量子效率、高响应速度和高内部增益的 优点。宽尺寸的π 区能够吸收大部分的入射光子，并确保只有 在该区产生的光生载流子才能进入倍增区引发碰撞电离。N+区 和P 区都很窄，所以光生空穴进入高场区中发生碰撞电离的贡 献很小；π 区的光生空穴向相反方向运动，不可能进入高场倍 增区。另一方面，硅材料中空穴离化率比电子离化率小的多， 所以硅雪崩管主要是靠电子在倍增区产生碰撞电离。噪声主要 由雪崩过程的随机起伏引起，只有一种载流子引起碰撞电离， 噪声也就比较小。
光电探测器原理及应用
光电探测器原理及应用
光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，其基本原理是利用光的能量激发材料中的电子从而产生电流。
根据光电效应的不同机制，光电探测器通常可以分为光电二极管、光电导、光电二极管阵列等多种类型。
光电二极管是最基本的光电探测器之一，其工作原理是光照射到光敏材料表面时，材料中的电子会被光激活并跃迁至导带中，从而形成电流。
光电二极管具有响应速度快、灵敏度高等特点，广泛应用于光通信、光谱分析、光电测量等领域。
光电导是一种利用光照射后材料电阻发生变化的光电探测器，其工作原理是光激发后，光电导材料中的载流子浓度发生改变，从而引起电阻的变化。
光电导具有较高的灵敏度和较宽的光谱响应范围，可广泛应用于光谱分析、光学测量、遥感等领域。
光电二极管阵列是由多个光电二极管组成的阵列结构，可以同时检测多个光信号，具有高灵敏度和高分辨率的特点。
光电二极管阵列常被用于光通信、图像传感、光谱分析等领域，如CCD（电荷耦合器件）摄像头就是经典的光电二极管阵列应
用之一。
此外，光电探测器还广泛应用于激光测距仪、扫描仪、光电子显像、医学诊断、环境监测等领域。
例如，激光测距仪利用光电探测器检测激光脉冲的发射和接收时间差，实现对目标距离的测量；扫描仪利用光电探测器对扫描光线的反射或透射光进行检测，实现图像的数字化处理和存储。
总之，光电探测器通过将光信号转化为电信号，实现了光能量的检测和测量。
其应用领域广泛，并在科学研究、工业生产、医疗诊断等领域发挥着重要的作用。
光电探测器
2、光电导(PC)探测器
其工作原理基于内光电效应。 光电导效应？
半导体吸收能量足够大的光子后，会把其 中的一些电子或空穴从原来不导电的束缚 态激活到能导电的自由态，从而使半导体 电导率增加。
(1)特点
光电导探测器的结构一般为金属一半导体 一金属（测
一、 光电探测器的定义 及工作原理
光电探测器接收光信号并进行光电转换， 是半导体电子学的重要器件，是光电系统中 的重要组成部分，被称为这类仪器的“心 脏”。
光电探测器是利用入射的光子流与探测 材料中的电子之间直接互相作用，从而改变 电子能量状态的光子效应来制作的一类器件。
二、光电探测器的分类
PE探测器
2001年，美国军方实验室的Liang等人利用 MOCVD方法以蓝宝石为衬底生长ZnO薄膜，制 备出MSM结构肖特基型紫外探测器。
2004年，浙江大学叶志镇等利用磁控溅射生 长的ZnO薄膜，采用Au电极形成肖特基接触， Al电极形成欧姆接触，在Si(100)衬底上制 备出肖特基型ZnO紫外探测器，Si3N4为绝缘 隔离层，器件性能较好。
光电探测器
PC探测器
PV探测器
1、光电子（PE）发射探测器
此探测器的工作原理是基于外光电效应。
当辐射照射在某些金属、金属氧
外
化物或半导体材料表面时，若光
光 电
子能量hv足够大，则足以使材料
效
内一些电子完全脱离材料从表面
应
逸出。
与外光电相对应的则为内光电效应，两 者的不同点在与内光电效应的入射光子并不 直接将光电子从光电材料内部轰击出来，而 只是将光电材料内部电子从低能态激发到高 能态，于是在低能态留下一个空位一空穴对， 而在高能态上产生一自由移动的电子，形成 光生电子一空穴对。通过检测这一性能的变 化，来探测光信号的变化。本节主要讨论的 利用内光电效应的光电探测器的制备及其性 能特点。
什么是光的光电探测器和光电导
什么是光的光电探测器和光电导？光的光电探测器和光电导是光电传感器的重要类型，用于检测和测量光信号。
本文将详细介绍光的光电探测器和光电导的原理、结构和应用。
1. 光电探测器（Photodetector）的原理和结构：光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
它基于光子的能量被半导体材料吸收，激发带载流子，从而形成电流的原理。
最常见的光电探测器类型是光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube），前文已经详细介绍过。
除了这两种常见类型，还有其他一些光电探测器，如光电晶体管、光电场效应晶体管和光电导等。
光电探测器的结构和工作原理与具体的类型有关。
总体而言，光电探测器通常包括光敏元件、电极、引线和封装等部分。
光敏元件是用于吸收光信号并产生电荷载流子的材料，电极用于收集和测量电流，引线用于连接光电探测器与外部电路，封装则是保护和固定光电探测器的外壳。
2. 光电探测器的应用：光电探测器在许多领域有着广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：-光通信：光电探测器用于接收光信号，将光信号转换为电信号，并通过电路进行处理和解码，实现光通信的接收端。
-光测量：光电探测器可以用于测量光的强度、波长、频率和相位等参数，用于光谱分析、光度计和光谱仪等。
-光电检测：光电探测器可以用于检测物体的存在、位置和运动等，用于光电开关、光电传感和光电探测等应用。
-光电能转换：光电探测器可以将光能转化为电能，用于太阳能电池板和光伏发电系统等。
3. 光电导（Photoconductor）的原理和结构：光电导是一种能够根据光信号的强度来改变电导率的材料。
光电导的原理是光照射到材料上时，光子的能量被吸收，激发带载流子，从而改变材料的导电性能。
光电导材料通常是半导体材料，如硒化铟（Indium Selenide）、硒化镉（Cadmium Selenide）和硒化铅（Lead Selenide）等。
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。
光电探测器原理与应用
光电探测器原理与应用光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件，是现代光电技术中的重要组成部分，广泛应用于通信、医学、物理学等领域。
本文将从光电探测器的原理、种类以及应用进行探讨。
一、光电探测器的原理光电探测器的原理基于光电效应，即光能被物质吸收后，其中的光子能激发物质内部的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对，产生电流和电势差，将光信号转换为电信号并放大处理。
而光电探测器的基本结构，则由光敏材料、光电转换部件、电荷放大器等组成，具有宽频带、高响应速度等特点。
二、光电探测器的种类光电探测器主要分为以下几种：①硅光电二极管硅光电二极管是一种常见的光电探测器，其结构简单，大小小巧，响应速度快，但灵敏度较低。
硅光电二极管的光电转换部件为PN结，探测范围为红外线波段。
②掺铟镓光电二极管掺铟镓光电二极管响应范围为近红外至中红外波段，具有较高的灵敏度和响应速度，广泛应用于红外光谱分析、制导弹道等领域。
③掺铊锗光电二极管掺铊锗光电二极管响应范围为中红外波段，具有较高的探测率和灵敏度，广泛应用于红外光谱分析、空间测量等领域。
④光电倍增管光电倍增管响应范围涵盖紫外线至近红外波段，具有高灵敏度、高信噪比和低失真等特点，广泛应用于低光强度信号的检测和测量。
⑤光伏噪声探测器光伏噪声探测器是一种激光光源的光功率变化探测器，响应波长范围覆盖整个光谱，具有高信噪比、高稳定性等特点，广泛应用于光通信、激光测距、光谱分析等领域。
三、光电探测器的应用光电探测器具有广泛的应用领域，其中主要包括：①光通信光电探测器在光通信中起到重要作用，光电二极管和光电倍增管是常用的探测器。
光电探测器接收光信号并转换为电信号，再经过解调和放大处理后，完成光通信中数据的传输和接收。
②光谱分析光电探测器在光谱分析领域中广泛应用，通过对不同波长的光线进行探测和分析，完成对样品的化学成分、结构和性质的测量和研究。
掺铟镓光电二极管和光伏噪声探测器是常用的光谱探测器。
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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：
Vn 4kBTRf n
2
k 为玻尔兹曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻阻值，Δfn为测试系统等效噪声带宽
热噪声的功率谱密度：
S ( f ) 4kBTR
S的单位（物理量纲）是什么？室温下热噪 声的功率谱密度大概在什么量级（R=50Ω）？
光探测器－噪声
2.散粒噪声(shot noise)
电荷载流子的起伏称为散粒噪声，白噪声 散粒噪声功率谱密度：
Si ( f ) 2eI S
e 为电子电荷， Is为探测器的光生电流 散粒噪声的电流有效值：
最小可探测的光功率是多少？ 400nm的光＝？ 个光子
1.3微通道光电倍增管
普通的光电倍增管有十多个倍增级，因此电子渡越时间较长
通道式电子倍增器(Channel Electron Multiplier＝CEM): 渡越时间很短(<2ns)
增益：
AV G 2a V 0
1.真空管光电探测器－种类
• 真空管光电二极管 • 光电倍增管 (photomultiplier tube 或简称：PMT) • 微通道光电倍增管
1.1真空管光电二极管
+ K：阴极 A：阳极
V
特点： 结构简单，灵敏度较低，可检测较强的光辐射信号，极间电容小，频率响应特 性较快 由于光电倍增管制作工艺的成熟以及半导体光电探测器的发展，真空管光电二极 管已可以被这些器件所取代。
NEP
2eI d Gf S
e为电子电量， Id、S、G 分别 是光电倍增管的暗电流（安 培）、阳极辐射灵敏度（安培 /瓦）和放大倍数， 为测量系 统的带宽（一般取1赫兹）
1.2光电倍增管
主要指标：
6.探测功率范围 • 由阴极材料和倍增级的输出能力所决定 • 安全入射光功率为10-9—10-10W
1 S / N 1 D NEP P
单位为Hz1/2· W-1
光探测器－参数
4.比探测率D*
D
*
Ad f
NEP
1 2
（单位为 cm· Hz1/2· W-1）
光探测器－参数
5.截止频率(cut-off frequency, fC)
表征它对入射光功率随时间变化的响应
R(f) 1 0.707
If AI S f n / f
2
A为与探测器有关的系数 Is 为流过探测器的总直流电流 功率谱密度＝1/f，因此经常被称为1/f噪声
光探测器－噪声
4.产生-复合噪声
光电导探测器中的激发载流子是电子-空穴对，它们的产 生和复合都是按照散粒噪声的规律随机起伏的
噪声的噪声电流和电压的有效值：
I g r 4eI d M 2 f n Vg r 4eI d M 2 R 2 f n
1. 光导型器件
优点：可探测到40 μm的光波，相对灵 敏 缺点： 热噪声大，一般需冷却至液氦或液 氮温度； 产生复合噪声大
（大小与信号光功率成正比）
Rd
V
RL
结合光外差技术可提高信噪比 响应慢，如PbS:ms量级，InSb在us 量级
半导体光电探测器
2.半导体光电二极管－PN结 光伏型器件：基于P－N结的光伏效应
光探测器
蒋燕义
什么是光探测器？
物理量
（可测量）
光
热量
光辐射探测器
电流
光电探测器
电压
光辐射探测器
• 又名“光热探测器”
晶格振动
光
热量
温度
光辐射探测器－特点
“慢热”——响应时间慢
最快只能响应到ns量级
“木
讷”——灵敏度低
“兼容性好”——响应波长范围广
Hale Waihona Puke 光电探测器－特点 时间响应快
灵敏度高
2. 阳极灵敏度： • 阳极输出电流 与照射到阴极 上的光通量之 比 • 阳极灵敏度与 工作波长和所 加的电压有关
阳极灵敏度与阴极灵敏度的关系？
1.2光电倍增管
主要指标：
3.电流放大倍数（增益） • PMT 的倍增级数目 n 以及 材料有关，一般的光电倍 增管倍增极数目为 n=9~12， δ是倍增极的平均二次电子 发射率 • A为常数，E为极间电压， α与倍增级材料有关
2.半导体光电探测器
内光电效应 半导体材料：
Silicon：190–1100 nm Germanium (锗)：400–1700 nm Indium gallium arsenide：800–2600 nm Lead(II) sulfide (硫化铅)：<1000–3500 nm 特点： 体积小 灵敏度高 响应速度快 易于集成化
4V0 a 2 V
内壁导电层
3kV
a=L/d为管长与管径之比，A为决定二次发 射系数的物质常数，约为0.2~0.25之间， V0 为垂直管壁方向的二次电子平均发射电 位，约为1~2伏，V为所加的工作电压
图2.16 微通道倍增管
1.3微通道光电倍增管
Microchannel Plate=MCP
微通道电子倍增器 • 把大量CEM并联起来，构成微 通道板 • 将光阴极材料结合MCP，就 可构成多通道式光电倍增管 光阴极 阳极
光电阴极材料
光电阴极 银氧铯Ag-O-Cs 单碱型Sb-Cs 双碱型Cs-K-Sb 多碱型Cs-Na-K-Sb 日盲型Cs-Te 日盲型Cs-I 半导体型GaAs-Cs2O 半导体型InAsP-Cs2O 峰值波长 (nm) 750-800 340-400 330-420 330-640 170-210 120-140 850 400 波长极限 (nm) 1200 700 700 900 320 200 930 1100 阴极灵敏度 (mA/W) 2-3 20-50 30-90 20-60 20-30 15-20 50-70 40-50 量子效率 (峰值) 0.4% 15% 30% 25% 15% 12% 20% 20%
7. 时间常数τ： • 与光电倍增管的结构有关 • 通常为1－20 ns，最好的可达0.5 ns
1.2光电倍增管
• 负高压连接
(a)
• C1－C2：防止 阳极电流的过早 饱和
(b)
图2.10 光电倍增管的连接原理图 (a) 用于脉冲光强测量 (b) 用于直流光强测量
• RL： 响应时间； 输出的线性 度 阻抗匹配
1.2光电倍增管
• 工作电压： 当工作电压增加时，增益会增加，但暗电流也会增加
电源电压增加，可以降低时间常数
• 渡越时间：
从输入脉冲光开始到 光电倍增管达到最大输 出的时间间隔
幅度 输入脉冲光
t
光电倍增管输出信号
t
电子渡越时间
1.2光电倍增管
Hamamatsu（日本滨松公司）R955型光电倍增管的主要指标： 波长范围：160 — 930 nm 峰值波长： 400 nm 阴极材料： 多碱材料 窗口材料： 熔石英 阴阳极间最大电压：1250V 正常电压：1000V 阴极灵敏度：0.68mA/W 阴极辐照度：200μA/lm 阳极灵敏度： 6.8e6 mA/W 阳极辐照度： 2000A/lm 电流放大系数： 1E7 暗电流：10nA 上升时间：2.2ns 渡越时间：22ns
具有波长选择性
光电探测器－分类
光导器件 内光电 光 电 探 测 器 光伏器件
电子逸出
外光电
光真空器件
外光电效应－原理
• 爱因斯坦的光电效应定律
Ek h E p
光电子离开探测 器靶面后的动能
入射光 子能量
探测器 材料逸 出功
• 截止频率或截止波长
C
Ep h
hc C Ep
光探测器－参数
图2.17 微通道光电倍增管示意图 多级串联可以提高增益 目前三级串联的商品器件的上升时间 为0.32ns，增益可达5 ×106
多通道式光电倍增管特点: 体积小 响应时间快 可实现二维图象记录
问题1
1. 一束功率为0.1 mW的1064 nm光用日盲型Cs-I阴极材料做成 的真空光电二极管探测。如果负载电阻为1兆欧，那么在负载 电阻两端测得的电压为多少？ 2. 用光电倍增管探测一束每秒20个光子的532 nm绿光，所用 阴极材料的量子效率为0.15，光电倍增管共有12级电子倍增 级（二次电子发射系数为4）.如果负载电阻为1兆欧，那么在 负载电阻两端测得的电压为多少？ 3. 已知光电倍增管的增益系数为106，量子效率为0.1，暗电 流为10-15 A，请估算它的最小可探测光功率（波长为532 nm， 光电倍增管的等效电阻为R=106）。