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1、,,,,,,,,,,,,,,,光電子技術(shù)PhotoelectronicTechnique光電探測(cè)器的性能參數(shù)周自剛,,,,,,,,,,,,夜色降臨，海面上有一無(wú)形的，視而不見(jiàn)，觸而不覺(jué)的哨兵--紅外激光探測(cè)器監(jiān)視著海面，當(dāng)有不速之客到來(lái)，光線(xiàn)擋斷，光電探測(cè)器探測(cè)不到激光而進(jìn)行聲光報(bào)警。,Laser,光電探測(cè)器在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見(jiàn)光或近紅外波段主要用于射線(xiàn)測(cè)量和探測(cè)、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。,（1）如何衡量一個(gè)光電探測(cè)器的質(zhì)量好壞？（2）選擇一個(gè)好的光電探測(cè)器需要注意哪些關(guān)鍵指標(biāo)？,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(cè)度D*,五、通量閾P(yáng)th,靈敏度也常稱(chēng)作響應(yīng)度，是光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換特性，光電轉(zhuǎn)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(guān)系if(P)，稱(chēng)為探測(cè)器的光電特性。,一、積分靈敏度R,30,靈敏度R定義為這個(gè)曲線(xiàn)的斜率，即,(線(xiàn)性區(qū)內(nèi))(安/瓦),(線(xiàn)性區(qū)內(nèi))(伏/瓦),Ri和Ru分別稱(chēng)為積分電流和積分電壓靈敏度，i和u稱(chēng)為電表測(cè)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(cè)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(zhǎng)的函數(shù)，記為i，于是光譜靈敏度R定義為,R是常數(shù)時(shí)，相應(yīng)探測(cè)器稱(chēng)為無(wú)選擇性探測(cè)器(如光熱探測(cè)器)，光子探測(cè)器則是選擇性探測(cè)器。,二、光譜靈敏度R,28,通常給出的是相對(duì)光譜靈敏度S定義為,Rm是指R的最大值，S為無(wú)量綱，隨變化的曲線(xiàn)稱(chēng)為光譜靈敏度曲線(xiàn)。,二、光譜靈敏度R,27,引入相對(duì)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(chēng)為光譜利用率系數(shù)，為入射光功率能被響應(yīng)的百分比。,,,二、光譜靈敏度R,25,若入射光是強(qiáng)度調(diào)制，在其它條件不變下
4、，光電流if將隨調(diào)頻f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱(chēng)為頻率靈敏度Rf，,定義為,if是光電流時(shí)變函數(shù)的付里葉變換，通常,稱(chēng)為探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。,三、頻率靈敏度Rf,24,頻率靈敏度,這就是探測(cè)器的頻率特性，Rf隨f升高而下降的速度與值大小關(guān)系很大。,一般規(guī)定，Rf下降到,從上式可見(jiàn)：,當(dāng)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(dǎo)體-金屬）的結(jié)構(gòu)，具有非常低的電容、電阻，因而具有極高的響應(yīng)速度。其沖擊響應(yīng)振蕩極小，常適于高速光源時(shí)間或頻率特性探測(cè)。,光纖耦合,自由光輸入,三、頻率靈敏度Rf,22,探測(cè)器對(duì)突然光照的輸出電流，要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能上升到與這一輻射功率相應(yīng)的穩(wěn)定值i。,當(dāng)輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能下降到零。,一般而論，上升和下降時(shí)間相等，時(shí)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(zhǎng)和光強(qiáng)調(diào)制頻率f的函數(shù)，即,三、頻率靈敏度Rf,21,以u(píng)，P，為參變量，iF（f）的關(guān)系稱(chēng)為光電頻率特性，相應(yīng)的曲線(xiàn)稱(chēng)為頻率特
6、性曲線(xiàn)。,同樣，i=F(P)及曲線(xiàn)稱(chēng)為光電特性曲線(xiàn)。,iF()及其曲線(xiàn)稱(chēng)為光譜特性曲線(xiàn)。,而iF(u)及其曲線(xiàn)稱(chēng)為伏安特性曲線(xiàn)。,當(dāng)這些曲線(xiàn)給出時(shí)，靈敏度R的值就可以從曲線(xiàn)中求出，而且還可以利用這些曲線(xiàn)，尤其是伏安特性曲線(xiàn)來(lái)設(shè)計(jì)探測(cè)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(zhǎng)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(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子，=1,實(shí)際上，<1,量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。,19,如果說(shuō)靈敏度R是從宏觀角度描述了光電探測(cè)器的光電、光譜以及頻率特性，那么量子效率則是對(duì)同一個(gè)問(wèn)題的微觀宏觀描述。,這里給出量子
7、效率和靈敏度關(guān)系,對(duì)某一波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)。,,,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(dǎo)體激光器把電功率轉(zhuǎn)化為光功率發(fā)射出去，用功率效率和量子效率來(lái)衡量激光器轉(zhuǎn)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(duì)數(shù)。由于有源區(qū)內(nèi)電子-空穴的復(fù)合分為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合，輻射復(fù)合后發(fā)射光子，非輻射復(fù)合的能量以聲子形式釋放，轉(zhuǎn)換為晶格的振動(dòng)。,(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(duì)數(shù)。,四、量子效率,15,(4)外微分量子效率:PI特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分的斜率,當(dāng)時(shí)，,它對(duì)應(yīng)P-I曲線(xiàn)閾值以上線(xiàn)性部分的斜率，是衡量LD效率的重要指標(biāo)。,四、量子效率,14,從靈敏度R的定義式,五、通量閾P(yáng)th,可見(jiàn)，如果P0，應(yīng)有i=0,實(shí)際情況是，當(dāng)P0時(shí)，光電探測(cè)器的輸出電流并不為零。這個(gè)電流稱(chēng)為暗電流或噪聲電流，記為,它是瞬時(shí)噪聲電流的有效值。顯然，這時(shí)靈敏度R巳失去意義，我們必須定義一個(gè)新參量來(lái)描述光電探測(cè)器的這種特性。,13,光功率Ps和Pb分別為信號(hào)和背景光功率。即使Ps和Pb都
9、為零，也會(huì)有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測(cè)微弱信號(hào)的能力。通常認(rèn)為，如果信號(hào)光功率產(chǎn)生的信號(hào)光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測(cè)到光信號(hào)存在。,依照這一判據(jù)，定義探測(cè)器的通量閾P(yáng)th為,五、通量閾P(yáng)th,12,于是有：,(電壓信噪比),例：若Ri=10A/W，in=0.01A，則通量閾P(yáng)th0.001W。即小于0.001微瓦的信號(hào)光功率不能被探測(cè)器所得知，所以，通量閾是探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)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(shí)的信號(hào)光功率。信噪比SNR定義為,(電流信噪比),NEP越小，
10、表明探測(cè)微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。所以NEP是描述光電探測(cè)器探測(cè)能力的參數(shù)。,六、噪聲等效功率NEP,11,常需要在同類(lèi)型的不同探測(cè)器之間進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)“D值大的探測(cè)器其探測(cè)能力一定好”的結(jié)論并不充分。,NEP越小，探測(cè)器探測(cè)能力越高，不符合人們“越大越好”的習(xí)慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測(cè)度D，即,七、歸一化探測(cè)度D*,這樣，D值大的探測(cè)器就表明其探測(cè)力高。,主要是探測(cè)器光敏面積A和測(cè)量帶寬f對(duì)D值影響甚大。,10,探測(cè)器的噪聲功率Nf，所以,于是由D的定義知,另一方面，探測(cè)器的噪聲功率NA,所以,又有,七、歸一化探測(cè)度D*,9,把兩種因素一并考慮，,定義,稱(chēng)為歸一化探測(cè)度。,這時(shí)就可以說(shuō)：D
11、*大的探測(cè)器其探測(cè)能力一定好?？紤]到光譜的響應(yīng)特性，一般給出D*值時(shí)注明響應(yīng)波長(zhǎng)、光輻射調(diào)制頻率f及測(cè)量帶寬f，即D*(,f,f)。,七、歸一化探測(cè)度D*,8,光電探測(cè)器還有其它一些特性參數(shù)，在使用時(shí)必須注意到，例如光敏面積，探測(cè)器電阻，電容等。特別是極限工作條件，正常使用時(shí)都不允許超過(guò)這些指標(biāo)，否則會(huì)影響探測(cè)器的正常工作，甚至使探測(cè)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(shí)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(cè)器件的性能參數(shù),6,1、光電探測(cè)器的特性的微觀量-宏觀量描述是什么？,量子效率,單位時(shí)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(yīng)曲線(xiàn)中用光電子數(shù)代替電流或電壓。,5,2、光電信息轉(zhuǎn)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(zhǎng)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(diào)制頻率,4,1、了解半導(dǎo)體光電探測(cè)器的發(fā)展及應(yīng)用。,半導(dǎo)體光電探測(cè)器由于體積小，重量輕，響應(yīng)速度快，靈敏度高，易于與其它半導(dǎo)體器件集成，是光源的最理想探測(cè)器，可廣泛用于光通信、信號(hào)處理、傳感系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。最近幾年，由于超高速光通信、信號(hào)處理、測(cè)量和傳感系統(tǒng)的需要，需要超高速高靈敏度的半導(dǎo)體光電探測(cè)器。為此，發(fā)展了諧振腔增強(qiáng)型（RCE）光電探測(cè)器、金屬半導(dǎo)體-金屬行波光電探測(cè)器，以及分離吸收梯度電荷和信增（SAGCM）雪崩光電探測(cè)器（APD）等。,3,2、光電倍增管探測(cè)器解決DNA排序問(wèn)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(shí)探測(cè)來(lái)自多個(gè)分子的熒光信號(hào)，從而提高探測(cè)靈敏度和探測(cè)速度。,熒光相關(guān)光譜術(shù)（FCS）利用單光子計(jì)數(shù)光電倍增管探測(cè)DNA靶序列。,2,本講小結(jié),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(cè)度等概念、表達(dá)形式、特點(diǎn)、應(yīng)用等,1,2、量子效率的具體表達(dá)形式、內(nèi)在關(guān)系,
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