光电探测器的物理基础

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1、1.1.3光电探测器的性能参数光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计的，而探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来表征。实际参量参考参量测量条件1一、光电探测器的工作条件光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，在给出性能参数时，要注明有关的工作条件。这一点很重要，因为只有这样，光电探测器才能互换使用。主要工作条件有：1．辐射源的光谱分布2．电路的通频带和带宽3．工作温度4．光敏面尺寸5．偏置情况21.辐射源的光谱分布很多光电探测器（特别是光子探测器），其响应是辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出，称为光谱响应，它决定了探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测器的

2、性能时，一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。假如辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度。当辐射经过调制时，则要说明调制频率。32.电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能(后面将详细讨论)。噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，有些噪声还是频率的函数。在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽。43.工作温度许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系，所以必须明确工作温度。通用的工作温度是：室温(295K)、干冰温度(195K)、液氮温度(77K)、液氢温度(20.4K)液氦温度(4.2K)5

3、4.光敏面尺寸探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探测器的信噪比与光敏面积的平方根成比例。参考面积一般为1cm2。65.偏置情况大多数探测器需要某种形式的偏置。例如：光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流偏置电源信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要说明偏置的情况。此外，对于受背景光子噪声限制的探测器，应注明光学视场和背景温度。对于非密封型的薄膜探测器，要标明湿度。7二、有关响应方面的性能参数1.响应率(或称响应度)Rv或RI2.单色灵敏度3.积分灵敏度4.响应时间5.频率响应6.光谱响应81.响应率(或称响应度)Rv或RI1）响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输出信号与输

4、入辐射之间关系的参数。又称为光电探测器的灵敏度。2）定义：光电探测器的输出均方根电压Vs或电流Is与入射到光电探测器上的平均光功率之比。Rv＝Vs／ΦsRI＝is／Φs分别称为光电探测器的电压响应率和电流响应率。3）测量响应率的辐射源一般是500K的黑体。4）单色灵敏度和积分灵敏度。92．单色灵敏度1）如果使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色响应率或单色灵敏度，又叫光谱响应度，用Rλ表示，2）定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上单色辐射通量(光通量)之比。(V/W)(A/W)式中，Φ(λ)为入射的单色辐射通量或光通量。如果Φ(λ)为光通量，则Rλv的单位为V／lm。10

5、3.积分灵敏度积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为：光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分灵敏度。11由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为：可得积分灵敏度为：式中，、分别为光电探测器的长波限和短波限。由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。124.响应时间1）响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。2）当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间

6、称为响应时间。常用时间常数τ的大小来表示。当用一个辐射脉冲照射光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方被，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从10％上升到90％峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从90％下降到10％处所需的时间称为下降时间。135.频率响应入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。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。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率的关系，其表达式为：为频率是时的响应度；R0为频率是零时的响应度；τ为时间常数。当时，可得放大器的上限截止频率显然，时间常数决定了光电探测器频

7、率响应的带宽。146.光谱响应1）定义：不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的响应率和比探测率等特性参量随光辐射波长变化的特性。2）单色灵敏度和单色探测率，峰值波长3）光子探测器的光谱响应与波长有关，截止波长4）热探测器的光谱响应与波长无关，与辐射功率有关。15三、有关噪声方面的参数从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它的功率如何小，都可探测出来。但当入射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入射在探测