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1、,,,,,,,,,,,,,,,光電子技術PhotoelectronicTechnique光電探測器的性能參數(shù)周自剛,,,,,,,,,,,,夜色降臨，海面上有一無形的，視而不見，觸而不覺的哨兵--紅外激光探測器監(jiān)視著海面，當有不速之客到來，光線擋斷，光電探測器探測不到激光而進行聲光報警。,Laser,光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟的各個領域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。,（1）如何衡量一個光電探測器的質量好壞？（2）選擇一個好的光電探測器需要注意哪些關鍵指標？,光電倍增管,本講主要內(nèi)容,一、積
2、分靈敏度R,二、光譜靈敏度R,三、頻率靈敏度Rf,四、量子效率,六、噪聲等效功率NEP,七、歸一化探測度D*,五、通量閾Pth,靈敏度也常稱作響應度，是光電探測器光電轉換特性，光電轉換的光譜特性以及頻率特性的量度。,光電流i(或光電壓u)和入射光功率P之間的關系if(P)，稱為探測器的光電特性。,一、積分靈敏度R,30,靈敏度R定義為這個曲線的斜率，即,(線性區(qū)內(nèi))(安/瓦),(線性區(qū)內(nèi))(伏/瓦),Ri和Ru分別稱為積分電流和積分電壓靈敏度，i和u稱為電表測量的電流、電壓有效值。光功率P是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率。,有些教材采用微安/流明,一、積分靈敏度R,29,光功率譜密度P由于光電
3、探測器的光譜選擇性，在其它條件下不變的情況下，光電流將是光波長的函數(shù)，記為i，于是光譜靈敏度R定義為,R是常數(shù)時，相應探測器稱為無選擇性探測器(如光熱探測器)，光子探測器則是選擇性探測器。,二、光譜靈敏度R,28,通常給出的是相對光譜靈敏度S定義為,Rm是指R的最大值，S為無量綱，隨變化的曲線稱為光譜靈敏度曲線。,二、光譜靈敏度R,27,引入相對光譜功率密度函數(shù)，它的定義為,只要注意到,和,就有,積分上式，有,,,變化量,二、光譜靈敏度R,26,式中,,并注意到,由此便得,式中,稱為光譜利用率系數(shù)，為入射光功率能被響應的百分比。,,,二、光譜靈敏度R,25,若入射光是強度調制，在其它條件不變下
4、，光電流if將隨調頻f的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf，,定義為,if是光電流時變函數(shù)的付里葉變換，通常,稱為探測器的響應時間或時間常數(shù)，由材料、結構和外電路決定。,三、頻率靈敏度Rf,24,頻率靈敏度,這就是探測器的頻率特性，Rf隨f升高而下降的速度與值大小關系很大。,一般規(guī)定，Rf下降到,從上式可見：,當f
5、nm到1.6m的高速光電二極管。該光電二極管采用MSM（金屬-半導體-金屬）的結構，具有非常低的電容、電阻，因而具有極高的響應速度。其沖擊響應振蕩極小，常適于高速光源時間或頻率特性探測。,光纖耦合,自由光輸入,三、頻率靈敏度Rf,22,探測器對突然光照的輸出電流，要經(jīng)過一定時間才能上升到與這一輻射功率相應的穩(wěn)定值i。,當輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過一定時間才能下降到零。,一般而論，上升和下降時間相等，時間常數(shù)近似地由,決定。,光電流是兩端電壓u、光功率P、光波長和光強調制頻率f的函數(shù)，即,三、頻率靈敏度Rf,21,以u，P，為參變量，iF（f）的關系稱為光電頻率特性，相應的曲線稱為頻率特
6、性曲線。,同樣，i=F(P)及曲線稱為光電特性曲線。,iF()及其曲線稱為光譜特性曲線。,而iF(u)及其曲線稱為伏安特性曲線。,當這些曲線給出時，靈敏度R的值就可以從曲線中求出，而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特性曲線來設計探測器的使用電路。,三、頻率靈敏度Rf,20,量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。,四、量子效率,對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子，=1,實際上，<1,量子效率是一個微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。,19,如果說靈敏度R是從宏觀角度描述了光電探測器的光電、光譜以及頻率特性，那么量子效率則是對同一個問題的微觀宏觀描述。,這里給出量子
7、效率和靈敏度關系,對某一波長來說，其光譜量子效率：,c是材料中的光速。量子效率正比于靈敏度而反比于波長。,,,四、量子效率,18,量子效率:內(nèi)量子效率、外量子效率和外微分量子效率。,(1)功率效率,半導體激光器把電功率轉化為光功率發(fā)射出去，用功率效率和量子效率來衡量激光器轉換效率的高低。功率效率定義為為輻射的光功率；為注入的電功率。,四、量子效率,17,內(nèi)量子效率定義為式中，為有源區(qū)內(nèi)每秒產(chǎn)生的光子數(shù)；為有源區(qū)內(nèi)每秒注入的電子-空穴對數(shù)。由于有源區(qū)內(nèi)電子-空穴的復合分為輻射復合和非輻射復合，輻射復合后發(fā)射光子，非輻射復合的能量以聲子形式釋放，轉換為晶格的振動。,(2)內(nèi)量子效率,四、量子效率,
8、16,(3)外量子效率,定義外量子效率為式中，為激光器每秒發(fā)射的光子數(shù)；為激光器每秒注入的電子-空穴對數(shù)。,四、量子效率,15,(4)外微分量子效率:PI特性曲線的線性部分的斜率,當時，,它對應P-I曲線閾值以上線性部分的斜率，是衡量LD效率的重要指標。,四、量子效率,14,從靈敏度R的定義式,五、通量閾Pth,可見，如果P0，應有i=0,實際情況是，當P0時，光電探測器的輸出電流并不為零。這個電流稱為暗電流或噪聲電流，記為,它是瞬時噪聲電流的有效值。顯然，這時靈敏度R巳失去意義，我們必須定義一個新參量來描述光電探測器的這種特性。,13,光功率Ps和Pb分別為信號和背景光功率。即使Ps和Pb都
9、為零，也會有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。通常認為，如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流is等于噪聲電流in，那么就認為剛剛能探測到光信號存在。,依照這一判據(jù)，定義探測器的通量閾Pth為,五、通量閾Pth,12,于是有：,(電壓信噪比),例：若Ri=10A/W，in=0.01A，則通量閾Pth0.001W。即小于0.001微瓦的信號光功率不能被探測器所得知，所以，通量閾是探測器所能探測的最小光信號功率。,采用另一種更通用的表述方法，這就是噪聲等效功率NEP（NoiseEquivalentPower）。它定義為單位信噪比時的信號光功率。信噪比SNR定義為,(電流信噪比),NEP越小，
10、表明探測微弱信號的能力越強。所以NEP是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。,六、噪聲等效功率NEP,11,常需要在同類型的不同探測器之間進行比較，發(fā)現(xiàn)“D值大的探測器其探測能力一定好”的結論并不充分。,NEP越小，探測器探測能力越高，不符合人們“越大越好”的習慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測度D，即,七、歸一化探測度D*,這樣，D值大的探測器就表明其探測力高。,主要是探測器光敏面積A和測量帶寬f對D值影響甚大。,10,探測器的噪聲功率Nf，所以,于是由D的定義知,另一方面，探測器的噪聲功率NA,所以,又有,七、歸一化探測度D*,9,把兩種因素一并考慮，,定義,稱為歸一化探測度。,這時就可以說：D
11、*大的探測器其探測能力一定好?？紤]到光譜的響應特性，一般給出D*值時注明響應波長、光輻射調制頻率f及測量帶寬f，即D*(,f,f)。,七、歸一化探測度D*,8,光電探測器還有其它一些特性參數(shù)，在使用時必須注意到，例如光敏面積，探測器電阻，電容等。特別是極限工作條件，正常使用時都不允許超過這些指標，否則會影響探測器的正常工作，甚至使探測器損壞。通常規(guī)定了工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍，使用時要特別加以注意。,其它參數(shù),光敏電阻,光電二極管,光電池,7,光電檢測器件的性能參數(shù),6,1、光電探測器的特性的微觀量-宏觀量描述是什么？,量子效率,單位時間單位光量子數(shù)產(chǎn)生的光電子數(shù)。就是等量子光
12、譜響應曲線中用光電子數(shù)代替電流或電壓。,5,2、光電信息轉換器件的主要特性：,1光電特性I光電流F（）光通量2光譜特性I光電流F（）入射光波長3伏安特性I光電流F（）電壓4頻率特性I光電流F（f）入射光調制頻率,4,1、了解半導體光電探測器的發(fā)展及應用。,半導體光電探測器由于體積小，重量輕，響應速度快，靈敏度高，易于與其它半導體器件集成，是光源的最理想探測器，可廣泛用于光通信、信號處理、傳感系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。最近幾年，由于超高速光通信、信號處理、測量和傳感系統(tǒng)的需要，需要超高速高靈敏度的半導體光電探測器。為此，發(fā)展了諧振腔增強型（RCE）光電探測器、金屬半導體-金屬行波光電探測器，以及分離吸收梯度電荷和信增（SAGCM）雪崩光電探測器（APD）等。,3,2、光電倍增管探測器解決DNA排序問題,金屬殼光電倍增管的金屬通道電子倍增極允許多通道輸出，可以同時探測來自多個分子的熒光信號，從而提高探測靈敏度和探測速度。,熒光相關光譜術（FCS）利用單光子計數(shù)光電倍增管探測DNA靶序列。,2,本講小結,1、積分靈敏度、光譜靈敏度、頻率靈敏度、量子效率、通量閾、噪聲等效功率、歸一化探測度等概念、表達形式、特點、應用等,1,2、量子效率的具體表達形式、內(nèi)在關系,
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