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光电探测器怎么选？关键参数一看就懂！

发布时间：2024-06-05 09:17:27 阅读次数：824

光电探测器怎么选？这个问题常会给人带来困扰。在之前的文章中，我们已经基于不同的工作原理和应用场景，介绍了几种常见的光电探测器类型，但这只能帮助我们进行初步筛选。光电探测器的参数能够直观反映其性能的好坏，并直接影响到检测精度。因此，了解光电探测器的参数及其对应的实际应用非常重要。

光电探测器的核心参数

光电探测器的核心参数主要有工作波长、带宽、上升时间和响应度，它们是评估光电探测器性能的关键指标，也是光电探测器选型的重要依据。在选择光电探测器时，需要根据具体应用需求来平衡这些指标，以获得最佳的检测性能。

工作波长（Working wavelength）

光电探测器的工作波长是指其可以感测到的光信号的波长范围，通常与探测器的材料有关。基于光电探测器的工作原理，当入射光的能量（hv）大于材料的禁带宽度时，价带的电子才可以跃迁到导带形成光电流，从而有效响应。

图1.常见光电探测器材料及其相应的检测波长范围

半导体是制造光电探测器最常用的材料，根据半导体材料的不同，探测器可探测紫外到红外光波段的信号光。其中，硅（Si）基的光电探测器是最常见、也是工作波长分布最广的，可以探测可见到近红外波段（400-1100nm）的信号光。铟镓砷（InGaAs）是近红外波段常见的材料，除此之外还有砷化镓（GaAs）等。而在紫外波段（200-400nm），常用的光电材料则有氮化铝镓（AlGaN）和氮化镓（GaN）等。

带宽（Bandwidth）

光电探测器带宽是指谱线从顶峰下降 3d B 时对应的频谱宽度，单位是赫兹（Hz）。因此，带宽常被说成 3dB 带宽，该参数也代表光电探测器可探测的频率范围。对于直流耦合型的光电探测器，该频率范围一般从零开始。带宽代表了光电探测器最大可检测到的光信号频率，当光信号的频率超过光电探测器的带宽时，探测器的响应度会降低。

图2.频谱响应曲线

通常，带宽越大，光电探测器对高速变化的信号的响应能力越强。同时，带宽也受到其他因素的影响，比如探测器的结构和电路设计等。因此，在选择光电探测器时，需要根据具体应用需求来平衡带宽和其他性能指标。

响应时间（Response time）

响应时间包含上升时间（τ_r）和下降时间（τ_f），它是衡量光电探测器响应速度的一个重要指标。其中，上升时间定义为光信号在输入到光电探测器后，光电流从上升沿的10%上升到90%的时间。下降时间则定义为光电流从下降沿的90%下降到10%的时间。上升时间/下降时间越短，光电探测器的响应速度越快，从而可以快速捕捉到光信号的变化。

图3.上升时间和下降时间

上升时间（τ_r）和带宽（f_3db）均是反映探测器响应快慢的参数。其中，上升时间是相对于时间测量的，而3dB带宽是相对于频率测量的。对于许多基于光电二极管以及其他一阶、电和电光系统来说，二者的关系可以用如下公式表示：

响应度（Responsivity）

响应度（SR）是指光生电流（I_p）或光生电压（U_p）与入射光功率（P）的比值，其单位为 A/W （电流响应度）或者 V/W （电压响应度）。响应度是衡量光电探测器对光信号的灵敏度的指标。响应度越大，说明光电探测器对光信号的变化越敏感。

图4.探测器的响应度曲线

光电探测器的其他重要参数

除了以上核心参数外，光电探测器选型过程中还需要注意的参数有：最大输入功率、输入方式、量子效率、信噪比、噪声、增益等等。例如：如果输入光信号的功率过大，则测量前需要先进行衰减，否则会将导致探测器损坏；输入方式一般有自由空间输入和光纤耦合输入，大家可根据需求进行选择。下面将对其他需注意的参数进行说明。

量子效率（Quantum efficiency）

光电探测器的量子效率，指单位时间内光生电子数与入射光子数的比值，是描述探测器光电转换能力的参数。量子效率曲线如图所示，由于光子的能量与波长的倒数成比例，量子效率的测量通常是在一段波长范围内进行。在前面分享的常见几种探测器中，光电二极管（PD）和雪崩光电探测器（APD）的量子效率都比较高，而光电倍增管（PMT）的量子效率较低。

图5.量子效率曲线

量子效率（QE）与响应度（SR）的关系可以表示为：

其中， q 是电子数， h 是普朗克常数， v 是光子频率， λ 是入射光波长。

信噪比（SNR）

信噪比是指 有效信号与背景噪声的比值 ，单位为分贝（dB）。光电探测器在生成光电流的同时，会产生一定的背景噪声，从而限制测量的精度。其中，背景噪声大多来源于暗电流中载流子的随机热运动。为了提高测量的信噪比，可采取滤波、提高光功率以及光学外差检测等方式。

噪声（Noise）

光电探测器的噪声包含为暗电流噪声、热噪声和散粒噪声等。其中，暗电流是指探测器最小光功率，因此减少暗电流噪声能够提高光电探测器的灵敏度。而热噪声来源于导体中载流子的热运动而引起的导体两端电流或电压的波动。光电探测器的电路模型中包含的电阻是热噪声的主要来源，对光电探测器进行降温将有效减少热噪声。

增益（Gain）

增益是指 单位时间内收集的载流子与吸收光子之比 ，是与探测器的灵敏度相关的参数。一般来说，增益越大，探测器可探测弱信号的能力越强。常见的探测器中，雪崩光电探测器和光电倍增管均具有增益能力，而光电二极管不具有增益能力。雪崩光电探测器利用雪崩倍增效应可实现内部光电流的倍增，光电倍增管也可以通过连续倍增实现电子的放大，两者均适用于探测微弱信号。

跨阻增益 （Trans-impedance gain）

跨阻增益来源于跨阻放大器，跨阻放大器内部包含一个反馈电阻，可通过设置反馈电阻的阻值来改变跨阻增益的大小。 光信号转换成光电流后，放大器再对光电流进行跨阻放大，使其转换为电压信号 。因此，跨阻放大器又称为电流电压转换器，电压与电流的比值即跨阻增益，单位是 V/A 。

噪声等效功率（NEP）

噪声等效功率是指带宽为 1Hz 时，信号的输出功率与噪声相同时的入射光功率，单位为 W/Hz^½ 。 NEP的值代表了光电探测器的灵敏度 , 也称作最小可探测功率，受探测器面积、响应带宽的影响 。

本文介绍了光电探测器的核心参数和基本参数，包括工作波长、带宽、响应时间、响应度、量子效率、信噪比、噪声等。这些参数对于选择和使用合适的光电探测器具有重要意义。通过了解和考虑这些参数，我们能够更加有效地设计和优化光电探测器应用系统，并提高系统的性能和可靠性。

参考文献：

[1] Wang, J., et al., Recent Progress on Localized Field Enhanced Two-dimensional Material Photodetectors from Ultraviole t-Visible to Infrared. Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany), 2017. 13.

[2] 雷挺,吕伟明,吕文星,等.光栅局域调控二维光电探测器[J].物理学报,2021,70(02):263-273.

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