第3章　光電檢測器件

3.1　光電檢測器件的特性參數

由于各類光電檢測器件的工作原理及結構各不相同，因此需要用多個參數來描述其特性。本節講解這些器件的常用參數，以便于后面具體介紹它們。

3.1.1　有關響應方面的特性參數

（1）響應度（或靈敏度） 響應度是光電檢測器件輸出信號與輸入輻射功率之間關系的度量。描述的是光電檢測器件的光-電轉換能力。定義為光電檢測器件輸出電壓Uo或輸出電流Io與入射光功率Pi（或通量Φ）之比，即

　　（3-1）

式中，SV、SI分別為電壓響應度和電流響應度。

當入射光波長改變時，光電檢測器件的響應度也會隨之發生變化，因此響應度又分為光譜響應度和積分響應度。

（2）光譜響應度　光譜響應度S（λ）定義為光電檢測器件的輸出電壓或輸出電流與入射到檢測器件上的單色輻射通量（或光通量）之比，即

　　（3-2）

式中，S（λ）為光譜響應度；Φ（λ）為入射光的單色輻射通量或光通量。如果Φ（λ）為光通量，則S（λ）的單位為V/lm或A/lm。

光譜響應度表述的是入射的單色輻射通量或光通量所產生的輸出電壓（或電流）。它的值越大，則意味著探測器越靈敏，故響應度也稱靈敏度。

（3）積分響應度　積分響應度表示的是探測器對連續輻射通量的反應程度。對包含多種波長的輻射光源，總光通量為

　　 （3-3）

光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應度。由于光電探測器輸出的光電流是不同波長的光輻射引起的，所以輸出的光電流應為

　　 （3-4）

由式（3-3）和式（3-4）可得積分響應度為

　

　 （3-5）

式中，λ0、λ1分別為光電探測器的長波限和短波限。

由于采用的輻射源不同，甚至具有不同色溫的統一輻射源，所以產生的光譜通量分布也不相同，因此提供數據時，應說明采用的輻射源及其色溫。

（4）響應時間　響應時間是描述光電探測器對入射輻射響應快慢的一個參數。即入射輻射到光電探測器后（或入射輻射遮斷后），光電探測器的輸出上升到穩定值，或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。為衡量其長短，常用時間常數τ的大小來表示。當用一個輻射脈沖照射光電探測器，如果這個脈沖的上升和下降時間很短（如方波），則光電探測器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從10%上升到90%峰值處所需的時間稱為探測器的上升時間tr，而把從90%下降到10%處所需的時間稱為下降時間tf，如圖3-1所示。

（5）頻率響應　由于光電探測器信號的產生和消失存在一個滯后的過程，所以入射光輻射的頻率對光電探測器的響應將會有較大的影響。光電探測器的響應隨入射輻射的調制頻率的改變而變化的特性稱為頻率響應，通過時間常數可得到光電探測器響應度與入射調制頻率的關系，其表達式為

S（f）=　　 （3-6）

式中，S（f）為頻率f時的響應度；S0為頻率為零時的響應度；τ為時間常數（等于RC）。

當==0.707時，可得到放大器的上限截止頻率（見圖3-2）：

f上==　　 （3-7）

顯然，時間常數RC決定了光電檢測器件頻率響應的帶寬。

3.1.2　有關噪聲方面的特性參數

從響應度的定義來看，只要有光輻射存在，不管它的功率多小，都可以被探測出來，但事實并非如此。當入射輻射功率很低時，輸出的只是雜亂無章的信號，而無法肯定是否有光輻射照射在探測器上。這并不是因探測器不好引起的，而是它所固有的“噪聲”引起的。如果對這些隨時間而起伏的電壓（流）按時間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方值不等于零，這個均方電壓（流）稱為探測器的噪聲電壓（流）。

（1）光電器件的噪聲　下面主要介紹器件的內部噪聲，即基本物理過程所產生的噪聲。它們主要有以下幾種。

① 熱噪聲　熱噪聲也稱約翰遜噪聲，即載流子無規則地熱運動造成的噪聲。當溫度高于絕對零度時，導體或半導體中每個電子都攜帶著1.59×10-19C的電量做隨機運動（相當于微電脈沖），盡管其平均值為零，但瞬間電流擾動在導體兩端會產生一個均方值電壓，稱為熱噪聲電壓。其均方值為

　　（3-8）

用噪聲電流表示為

　　（3-9）

式中，R為導體阻抗的實部；k為玻爾茲曼常數；T為導體的熱力學溫度；Δf為測量系統的噪聲帶寬。

式（3-9）說明：熱噪聲存在于任何電阻中；熱噪聲與溫度成正比；熱噪聲與頻率無關。以上說明噪聲是由各種頻率分量組成，就像白光是由各種波長的光組成一樣，所以熱噪聲可稱為白噪聲。

② 散粒噪聲　散粒噪聲也稱散彈噪聲，即穿越勢壘的載流子的隨機漲落（統計起伏）所造成的噪聲。在每個時間間隔內，穿過勢壘區的載流子數或從陰極到陽極的電子數都圍繞一平均值上下波動。理論證明，這種波動引起的均方噪聲電流為

　　（3-10）

式中，IDC是流過器件的電流直流分量（平均值）；q為電子電荷。

③ 產生-復合噪聲　載流子的產生率與復合率在某個時間間隔內也會在平均值上下波動。這種波動導致載流子濃度的波動，從而也會產生均方噪聲電流，其表達式為

　　（3-11）

式中，I為流過器件的平均電流；τ為載流子平均壽命；t漂為載流子在器件兩電極間的平均漂移時間；f為頻率。

但是，如果頻率很低，且滿足2πfτ?l時，此時=4qI（t/t漂）Δf，這時的產生-復合噪聲，也稱為白噪聲。

④ 1/f噪聲　1/f噪聲也稱為閃爍噪聲或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質的存在而引起的。當電流流過時，在微粒間會發生微火花放電，從而引起微電爆脈沖。其經驗式為

　　（3-12）

或

　　（3-13）

式中，KF為與元件制作工藝、材料尺寸、表面狀態等有關的比例系數；α為與流過元件的電流有關的系數，通常α=2；β為與元件材料性質有關的系數，其值在0.8～1.3之間，大部分材料β=1；γ為與元件阻值有關的系數，一般在1.4～1.7之間。

當其他參數不變時，與1/f成比例，所以稱為1/f噪聲。顯然，頻率越低，噪聲越大，故也稱為低頻噪聲。這種噪聲不是白噪聲，而屬于“紅噪聲”，相當于白光的紅光部分。

（2）衡量噪聲的參數

① 信噪比（S/N）　信噪比是衡量噪聲大小通常使用的參數。它定義為負載電阻RL上產生的信號功率與噪聲功率之比，即

　　（3-14）

若用分貝（dB）表示，則為

　　（3-15）

利用S/N評價兩種光電器件的性能時，它們的信號輻射功率必須相同，但對單個光電器件，其S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積都有關。如果入射輻射強，接收面積大，S/N就越大，但性能卻不一定好。因此，用S/N評價器件有一定的局限性。

② 等效噪聲輸入（ENI）　等效噪聲輸入（ENI）定義為器件在特定帶寬內（1Hz）產生的均方根信號電流恰好等于均方根噪聲電流值時的輸入通量。此時，其他參數，如頻率、溫度等參數都應加以規定。這個參數在確定光電檢測器件的探測極限（以輸入通量為瓦或流明表示）時使用。

③ 噪聲等效功率（NEP）　噪聲等效功率（NEP）實際上就是最小可探測功率Pmin。它定義為信號功率與噪聲功率比值為1（即S/N）時，入射到探測器件上的輻射通量（單位為W），即

　　（3-16）

值得指出的是，NEP只有在ENI的單位為W時，才與之等效。一般，一個性能良好的探測器的NEP約為10-11W。顯然，NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。

④ 探測率D與歸一化探測率D*　探測率D定義為噪聲等效功率的倒數，即

　　（3-17）

顯然，D越高，器件性能越好。為了在不同帶寬內對測得的不同光敏面積的探測器件進行比較，使用了歸一化探測率（也稱比探測率）D*這一參數。其表達式為

　　（3-18）

式中，A為光敏面積；Δf為測量帶寬。

⑤ 暗電流　所謂暗電流，即光電檢測器件僅在加有電源，而沒有輸入信號和背景輻射時所流過的電流。一般，測量其直流值或平均值。顯然，不加電源的光電檢測器件，且沒有輸入信號和背景輻射時，其暗電流為零。