4.2 光电探测器的性能参数

h Ri e
对某一波长来说 其光谱量子效率 ： 对某一波长来说，其光谱量子效率
hc R i e
c是材料中的光速。量子效率 是材料中的光速。量子效率正比于灵敏度而反比于波长。 比于灵敏度而反比于波长。
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量子效率:内量子效率、外量子效率和外微分量子效率。 (1)功率效率

p

10
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
D 1 (瓦 NEP
1
)
这样，D值大的探测器就表明其探测力高。 常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D值大的探测器其 探测能力 定好”的结论并 充分 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。


0
s f 'd '
R im R m d
1.0
f'


0
f 'd '
S
R
K
i R m d K R im K P S f 'd '
0


0
f 'd '
称为光谱利用率系数 为入射光功率能被响应的百分比 称为光谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。
SNR is in
(电流信噪比) (电压信噪比)
Ps
i ( SNR ) i 1
SNR
us un
于是有 ：
NEP
Pth
in is i i Ps s n R i is R i is SNR
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。
P s P b
in is
11
例：若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，则通量阈Pth＝0.001μW。即小于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
ex
h e0
I
定义外量子效率 e x 为
ex
N ex P / h ex Nn I / e0
N e x为激光器每秒发射的光子数； N 为激光器每秒注入的电子-空 式中， 式中 n 穴对数。
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(4)外微分量子效率: P－I 特性曲线的线性部分的斜率
( p e x p th )
D
空穴对数。 由于有源区内电子 于有源 内 子-空穴的复合分为辐射复合和非辐射复合， 复合分 射复合 非 射复合， 辐射复合后发射光子，非辐射复合的能量以声子形式释放，转换为晶格 的振动。
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(3)外量子效率
激 光 器 每 秒 钟 发 射 的 电 子 数 e x＝ ＝ 激 光 器 每 秒 钟 注 入 的 电 子 － 空 穴 对 数 p
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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
R
f

if P
if是光电流时变函数的付里叶变换，通常 i f 0 if 1 ( 2 f ) 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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频率灵敏度
p ex 激 光 器 辐 射 的 光 功 率 ＝ 激 光 器 消 耗 的 电 功 率 V j＋ I 2 R
s
半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去 用功率效率和量子效 半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去，用功率效率和量子效 率来衡量激光器转换效率的高低。 功率效率定义为

p
Pe x / Pi n
9
探测器的噪声功率N ∝Δf，所以
i
n

( f )
1 2
于是由D的定义知
D ( f )
1 2
另一方面，探测器的噪声功率N∝ A 所以 又有
in ( A )
D ( A)

1 2
8
把两种因素一并考虑， 定义
D
*
D (Af )
D Af

1 2
( cm Hz
1 2
/W)
Pe x 为辐射的光功率 为辐射的光功率； Pi n为注入的电功率。 为注入的电功率
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(2)内量子效率
i＝
有源区里每秒钟产生的光子数 有源区里每秒钟注入的电子－空穴对数
内量子效率定义为
i N
p
/ N
n -p
N n -p 式中， N 为有源区内每秒产生的光子数； 为有源区内每秒注入的电子p
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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。
R
f

R0 1 ( 2 f ) 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。 般规定，R f下降到 一般规定
R0 / 2 0 . 707 R 0
频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。 1 f 从上式可见： c 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。
光纤耦合
自由光输入
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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 决定。
fc
1 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 I th )
h
e0
当 Pe x >>
Pt h 时，
D
Pe x / h ( I I th ) / e 0

它对应P-I 曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量LD 效率的重要指标。
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从灵敏度R的定义式
di Ri dP
i P
可见，如果P＝0，应有i=0 实际情况是，当 实际情况是 当P＝0时，光电探测器的输出电流并不为零。 时 光电探测器的输出电流并不为零。 1/ 2 这个电流称为暗电流或噪声电流，记为 i (i 2 )
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。 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 )。
7
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。 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 作，甚至使探测器损坏。 通常规定了工作电压、电流、温度以及光 照功率允许范围，使用时要特别加以注意。
本讲主要内容
30
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。
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。
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灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
Ri di i dP P
(线性区内) (安/瓦)
Ru
du u dP P
表达式
di i Ri p p dp
单位
安/瓦 伏/瓦 安/瓦 安/瓦
Ru
du u dp p
R
R
f
i dP
p

if
h Ri e i P th n Ri NEP P s SNR

瓦
i 1
瓦 厘米.赫兹1/2/ 瓦
D
*

A f / NEP
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。 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。 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。 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。
《光电子技术 光电子技术》 》
Photoelectronic Technique
Laser Laser
光电探测器
夜色降临，海面上有一无形的，视而不见，触而不觉的哨兵--红外 激光探测器监视着海面 当有不速之客到来 光线挡断 光电探测器探 激光探测器监视着海面，当有不速之客到来，光线挡断，光电探测器探 测不到激光而进行声光报警。
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通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为
S R / Rm
Rλm是指Rλ的最大值， 的最大值 Sλ为无量纲，随 为无量纲 随λ变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。 变化的曲线称为光谱灵敏度曲线 引入相对光谱功率密度函数 它的定义为 引入相对光谱功率密度函数，它的定义为
f ' P ' P 'm
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只要注意到 和 就有 积分上式 有 积分上式，有
dP ' P ' d '
di